岩石力学(岩石的性质及分类)

第一章岩石的物理性质及岩石工程分类

学习对象

岩石及岩石的结构特征、岩石的不连续性、不均匀性和各向异性岩石的各项指标。

学习内容

岩石及岩石的结构特征、岩石的不连续性、不均匀性和各向异性岩石的容重、密度比重、孔隙率和孔隙比；含水量、吸水率与饱和系数；渗透系数。

学习目的

掌握有关概念，特别是掌握岩石及岩石的结构特征、岩石的不连续性、不均匀性和各向异性岩石的各项指标。

掌握岩石的容重、密度比重、孔隙率和孔隙比；含水量、吸水率与饱和系数；渗透系数等计算。

1.1 岩石及岩石的结构特征

1岩石

工程岩石力学的研究对象是岩石。岩石是构成地壳的基本材料，是经过地质作用而天然形成的（一种或多种）矿物集合体。岩石通常按地质成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩等三种类型，下图为三类岩石的部分岩体。

a、岩浆岩

岩浆岩是岩浆冷凝而形成的岩石，绝大多数岩浆岩是由结晶矿物所组成，由于组成它的各种矿物化学成分和物理性质较为稳定，它们之间的联结是牢固的，因此岩浆岩通常具有较高的力学强度和均质性。工程中常遇到的岩浆岩有花岗岩、玄武岩等。

b、沉积岩

沉积岩是母岩（岩浆岩、变质岩和早已形成的沉积岩）经风化剥蚀而产生的物质在地表经搬运沉积和硬结成岩作用而形成的岩石组成。

沉积岩的主要物质成分为颗粒和胶结构。颗粒包括各种不同形状及大小的岩屑及某些矿物；胶结物常见的成分有钙质、硅质、铁质以及泥质等。沉积岩的物理力学性质不仅与矿物和岩屑有关，而且也与胶结物性质有关。沉积岩具有层理构造，这使得它的物理力学性质具有方向性。工程建设中常见的沉积岩有灰岩、砂岩、页岩等。

c、变质岩

变质岩是由岩浆岩、沉积岩甚至变质岩在地壳中受到高温、高压及化学活动性流体的影响下发生变质而形成的岩石。它在矿物成份、结构构造上具有变质过程中产生的特征，也常常残留有原岩的某些特点。因此，变质岩的物理力学性质不仅与原岩的性质有关，而且与变质作用的性质及变质程度有关。工程建设中常见的变质岩类有大理岩、片麻岩、板岩等。

岩石是自然历史的产物，由于它们的生成条件及在生成以后的漫长地质历史时期中，形成了许多各式各样的结构面，例如岩浆侵入岩与围岩接触面，不同侵入岩体彼此的接触面、冷凝裂隙，喷出岩和沉积岩的层理、不整合面，变质岩的片理、片麻理，组成各种岩石的矿物晶体的各种优势定向排列面以及由于地质构造运动、风化、重力和卸荷等各种不同动力的作用而产生的断层、节理、裂隙等。它们严重地破坏了岩石的完整性。在这种情况下，对岩体工程的安危起主要控制作用的，通常不再是被各种结构面分割的岩石块体，而主要是岩体中存在的结构面，或者是由岩石和结构面共同控制。在岩石力学中常用到“岩块”、“岩体”、“岩石”等术语，一般地被结构面切割成的岩石块体或从地壳岩层中切取出来的无显著软弱面的岩石块体称为岩块，而把自然埋藏条件下的大范围分布的由岩块和各种结构面（软弱面）网络组成的地质体称为岩体。岩石则是“岩块”和“岩体”的统称。

1.1.2 岩石的结构特征

岩石的结构包括两个基本要素：结构面和结构体。

•结构面就是岩体内具有一定方向性、延展性较大、厚度较小的两维面状地质界面，包括物质的异面和不连续面（如层理、断裂面等）•结构体则是被不同层状结构组合切割形成大小不一形态各异的单元岩块。

在不同类型的岩体中，结构面的切割形单元有不同的几何形状，如图1.1.1所示为单元岩块的主要形状。

图1.1.2为岩体的结构型式

1---节理；2---层理；3---断层；4---断层破碎带

(a)整体结构；(b)块状结构；(c)层状结构；(d)薄层状结构；(e)镶嵌结构；(f)

层状破坏结构；

(g)破裂结构；(h)散粒结构

图1.1.2

岩体结构的基本类型

1.2岩石的不连续性、不均匀性和各向异性

1.2.1 岩石的不连续性

岩石中普遍存在的结构面，无论是物质分异面还是物质不连续面，都会使结构面两侧附近的岩石物理力学性质呈现不连续变化。在这里着重讨论岩石裂隙性的情况，通常采用率作为定量评价岩石被裂隙切割后破碎程度的指标。

a、单向裂隙(或裂隙频率)

单向裂隙指一组结构面的法线方向上每单位长度(m)内，法线与结构面的交割数目，以K d(m)表示。即单向裂隙率的倒数为成组结构面之间的平均间距，以d表示：

式中，K d -- 单向裂隙(m)

d -- 结构面间平均间距(m)

b、平面裂隙率

平面裂隙率K A是指岩石单位面积上诸裂隙所占有的面积总和，亦即：

式中：l i -- 第i条裂隙面长度(m)

t i -- 第i条裂隙面的宽度(m)

A -- 被测量的岩石总面积(m)

裂隙率愈大，表明岩石愈破碎、强度愈低透水性愈大，且易被风化产物所充填，形成软弱结构面，酿成工程隐患。

1.2.2 岩石的不均匀性

不均匀性是指天然岩体的物理、力学性质随空间位置不同而异的特性。分析现场岩体试验资料时可采用综合性的统计特征--偏差系数V(%)来估算岩体的不均匀性，即：

式中, --各观测值x i的算术平均值。

σ--标准差估计值。

式中, N -- 试验观测点(次)数。

1.2.3 岩石的各向异性

岩石各向异性是指天然岩体的物理力学性质随空间方位不同而异的特性，具体表现在它的强度及变形特性等各方面。

在天然岩体条件下，使岩体具有各向异性的基本原因是由于岩石内普遍存在着层理、片理、夹层和定向裂隙（断层）系统所致。目前在实际工程中对于成层岩体往往考虑其平行于层理和垂直于层理方向的差异性。然而对于不具有层理的岩体，则把它视为各自同性体。

表1.2.1为某些岩石室内静力试验的结果。

表1.2.1 某些岩石室内静力试验的结果

岩石种类

细砂岩 1.01～0.93 0.15～0.52 0.97～0.91 1.21～1.09 中砂岩0.93～0.80 0.83～1.83 1.26～0.95 1.45～1.28 粗砂岩0.89～1.08 1.20～0.80 1.20～1.18 0.97 石英砂岩0.93 1.17 - -

石灰岩0.91 0.72 - -

片麻岩0.910.63 - - -

页岩0.98 1.56 - -

注表中⊥和‖指测试时加荷方向与结构面相垂直或相平行