第1章 岩石组构及其物理性质

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η动力黏度Pa· s υ运动黏度cm2s-1 牛顿流体 非牛顿流体 黏性：物体受力后变形 不能瞬时完成，且应变 速率随应力增加而增加 的现象，具有时间效应。
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渗透规律
达西渗流规律（H. Darcy，1856）
q = K·(h1-h2)/L
测压管水头为位置水头与压力水头之和 水力梯度
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§ 3 岩石的抗冻性
抗冻性是岩石抵抗冻(胀)融破坏的性能，通常用抗冻系数表示。 抗冻系数是指岩样在±25℃的温度区间内，反复降温、冻结、 升温、融解，其抗压强度有所下降，岩样抗压强度的下降值与 冻融前的抗压强度之比：
cf
Rc Rcf Rc
100%
Cf—岩石的抗冻系数； Rcf—岩石冻融后的抗压强度(kPa)
裂隙的存在会严重降低声波的传递速度，松动圈测试的依据
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§3 声波在传播过程中的衰减
声波在岩石中传播由于耗散能量(内部摩擦生热/界面引起散射) 会发生衰减。 ①振幅减小 ②能量损耗
A( x) A0 exp(x)
Q 2 W W
ΔW为循环的能量差值
② 空隙率
n VV / V =e 1 e
V—包含孔隙在内的岩石体积(m3) 反映岩石致密程度的参数。 ③ 吸水率
干燥岩石试样在一个大气压和室温条件下吸入水的重量与岩石烘 干重量之比 WW W0 WS a 100% WS WS
W0－烘干岩样浸水48h后的湿重(kN) 吸水率是一个间接反映岩石内孔隙多少的指标
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沉积岩：也叫水成岩，地表物质或者岩石风化或溶解的
产物，经过搬运、沉积并在不同固结作用下形成的岩石。
• 分为机械沉积（砾石、砂岩）、化学沉积（石灰岩，白云岩） 和生物沉积（煤，珊瑚） •机械沉积的组分包括颗粒成分和胶结成分，化学沉积易溶解 •为各种层理结构，致密度低，力学性能较差，各向异性
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岩石组构的特性 • ① 岩石组构单元充满了各式缺陷；
• ② 节理是岩石组构的一个最独有的特点
• ③ 微小的节理裂隙肉眼难辨；不能逐一考虑，试验结果反映在
统一指标中；
• ④ 岩石的空隙是储存水、气体的地方；
• ⑤ 岩石组构的不同影响程度会使岩性大范围变化（三非一异）。
连续介质
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§4 岩石的组构
岩块(Rock element材料)—狭义岩石 微观：胶结、结晶 但是宏观上不包含有显著弱面的、工程 上可看作连续均匀介质。
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岩体 (Rock Mass 地质体)
岩体是指在一定地质条件下，含有诸如节理、层理、劈理、裂隙、 断层等不连续结构面的复杂地质体。
Rc —— 干燥单轴抗压强度； η (η≤1)越小，表示岩石受水的影响越大。
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岩石的遇水膨胀性
泥岩含有大量细颗粒(d＜0.005mm)黏土矿物成分(蒙脱石/伊利
石/高岭石)，比表面积大，遇水膨胀性最典型。 可对支护造成较大的膨胀压力
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§ 2 渗流基本知识
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变质岩：原有的岩石受到高温或高压作用，重新结晶或
结合形成的新矿物结合体。
• 岩性受母岩性质及变质程度的影响，差异较大，一般具有结
晶和定向排列特点。 • 一般较致密，透水性弱，强度较高，但各向异性极为明显。
片岩 板岩 大理岩
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§3 岩石循环圈
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J=(h1-h2)/L Q = K·J·A
达西定律适用于层流情况（雷诺数＜10）。
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渗透系数
渗透系数(水力传导系数)反映流体与渗透介质之间的相互影响。
①渗流介质的孔隙率、通道大小与形状、平直程度 ②流体自身的粘度、重度
g K k k
k 称为渗透率，其量纲为L2
§1 岩石中机械波类型
机械/应力波是机械振动在固体介质中的传播，固体中的应力波主 要有弹性波、粘弹性波、塑性波和冲击波。岩体中主要是弹性波。 体波 纵波/拉压波/P波 横波/剪切波/S波
弹性波 面波
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瑞利波/R波 勒夫波/L波 1*1010 特超声波
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2*104 声波 超声波
层理 (Lamina)
褶皱 (Drape)
断层 （Fault）
岩块和岩体的重要区别就是岩体包含若干不连续面(Joint)。由于 不连续面的存在，岩体强度远低于岩块强度。
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（工程）岩体=岩块+结构面
岩体 结构面 岩块 不连续面包括： 节理、裂隙、孔 隙、断面、孔洞、 层面、溶洞
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Q和α之间存在一定关系 ③衰减系数α与声波频率f有关(弥散)
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§4 声波在界面上的反射与折射
声波在各种界面上会发生反射和折射，这是无损探测(TSP)的基础。
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§5 岩石声发射和电磁辐射
岩石声发射主要是指岩石在微破裂时由于弹性能的释放引起
的剧烈振动而产生的声振动(脉冲)和声传播现象。
裂隙介质
松散介质
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第二节 岩石基本物理性质 §1 岩石的质量指标（密度/比重）
岩石含：固相、液相、气相 三相比例不同，物理性质指标也有所不同(详见土力学)
§2 岩石的空隙性
空隙有：孔隙、裂隙、溶隙
① 空隙比
e VV / Vs
VV—孔隙体积(m3) Vs —岩石固体的体积(m3)
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岩石电磁辐射是岩石变形或有微破裂的同时伴有电磁辐射
的现象。
பைடு நூலகம்
岩石的声发射和电磁辐射性质是研究岩石变形和破裂的重要手段。
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微震在冲击地压预报中的应用
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§6 记忆效应
记忆效应 是指材料可以重现其承载历史的性质(称为凯萨尔效
岩石的声发射和电磁辐射现象可以反映其记忆性特点。
v2 p ( 2G)/
2 vs G/
vp为纵波速度,vs为横波速 度，可反求Ed和μd，二者 之比大于1.7
vp /vs [2(1- )/(1- 2 )]1/2
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§2 声波在岩石中的传播速度
影响声波传播速度的主要因素是矿物成分、裂隙或孔隙、充
水程度及其所处的压力、温度条件。
应，由德国物理学家Kaiser J.首先在金属材料中发现)。
岩石声发射的记忆效应提供了用岩芯试件测量其在地下所受
原岩应力的一个思路。
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本章重点 岩石的地质成因分类及相应力学特征 岩石的软化崩解及立方定律 岩石中声波传播规律、声发射现象及各 自的工程应用

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第一章 岩石组构及其物理性质
第一节 岩石的生成及其组构
第二节 岩石的基本物理性质
第三节 岩石中的水及其渗流 第四节 岩石中的声波
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第一节 岩石的生成及其组构 §1 岩石的定义
岩石是组成地球固体圈（地壳）的
主要成分，是经历了漫长地质史的 大自然产物，是天然矿物晶体以及 其它物质（如有机质等）的集合体 岩石按照其成因可分为三类：
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§ 3 岩石渗透
孔隙渗透 达西试验所测定的q值是整个断面的平均值，实际通过的孔 隙断面要小，故通过全部孔隙的平均值q′ 要较q值更大，即： q =n q′
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裂隙渗透 Louis通过两光滑平行板间流体的试验获得单一等宽光滑裂隙 渗流公式。若裂隙张开度为b
瞬态法
根据达西定律计算岩石的渗透系数，对于气体渗透性一般采 用渗透率表示。
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§5 地下水的压力
静水的压力作用
P= γw H
dH Pd 1 w ds1
静水压力是表面力，方向总是与作用面垂直 动水的压力作用
动水压力是体积力，方向总是与水流方向一致
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第四节 岩石中的声波
岩石类型 一般范围 火 成 岩 花岗岩 辉长岩 玄武岩 纵波速 度/km.s-1 3－7 4.2-6.0 4.0-7.0 3.0-6.0 变 质 岩 岩石类型 一般范围 石英岩 片麻岩 大理岩 纵波速 度/km.s-1 2.0-5.8 3.0-5.8 2.2-4.8 3.2-5.6 沉 积 岩 岩石类型 一般范围 砂岩 泥岩 石灰岩 纵波速度 /km.s-1 1.8-6.2 1.8-4.2 2.2-5.2 3.0-6.2
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第三节 岩石中的水及其渗流 §1 水对岩石物理性质的影响
岩石软化与崩解
岩石软化主要指岩石受潮或吸水后引起的强度降低的特性。
黏土矿物成分遇水膨胀削弱了矿物结构间的联系导致强度降 低(软化)，或者从岩石中剥裂(崩解)。 软化系数
Rcw / Rc
Rcw——饱和单轴抗压强度；
岩浆岩、沉积岩、变质岩
不同成因类型的岩石具有不同 的物理力学性质。
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§2 岩石的成因种类及特性 岩浆岩：即火成岩，地壳深处的岩浆在地下或喷出地表
后结晶、固化而形成的岩石。 • 分为侵入岩（深成岩/浅成岩，花岗岩、辉长岩），和喷出岩 （凝灰岩、流纹岩） • 可视为均质各向同性体，强度高、均质性好
b3 gb3 Q J J 12 12
立方定律
b2 gb2 Kf 12 12
考虑裂隙的粗糙度和联通情况可以进行修正。 描述方法 岩体渗流既有裂隙渗流，又有孔隙渗流，描述方法有：等效 孔隙渗流模型、裂隙网络模型和双重介质模型。
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§ 4 岩石渗透试验
渗透试验一般采用自然含水的圆柱状试件，试件直径50mm， 高径比1:1。 稳态法
流体运动及其黏性
？
胡克定律
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牛顿粘性定律
水头差/剪应力是水流动的原因，其速度还与流体黏性阻力有关
牛顿内摩擦（黏性）定律
du db
dudt db db
u+du dudt u
流动可以视为连续变形


dt

塑性变形也叫塑性流动
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