2022第一章 岩石物理力学性质
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第一章 岩石物理力学性质
第一节 概述第二节 岩石的基本构成和地质分类第三节 岩石的物理性质第四节 岩石的力学性质第五节 影响岩石力学性质的主要因素
◆ 城市轨道交通建设速度已居世界首位；
◆ 城市地下快速道路建设已经起步并将加速发展；
◆ 城市地下物流系统正在研究；
1、保护地面自然环境
芬兰的很多公路宁以高工程成本修建暗挖隧道，而不以低工程经费开挖地面、修建边坡。
2、改善城市环境
波士顿拆除穿过市中心的六车道高架路，建设8－10车道的地下高速路，原有的地面变成林荫路和街心公园。这样的结果是市区空气的一氧化碳浓度降低了12％；市中栽植了2400棵乔木树，7000多棵灌木树；在海湾的景观岛上栽植了另外的2400棵乔木和26000棵灌木；增加了260英亩新的公园和开敞空间。
岩石是构成岩体(岩体的基本概念将在第二章中论述)的基本组成单元。相对于岩体而言，岩石可看作是连续的、均质的、各向同性的介质。
二、岩石的主要物质成分
岩石中主要的造岩矿物有：正长石、斜长石、石英、黑云母、角闪石、辉石、橄榄石、方解石、白云石、高岭石、赤铁矿等。岩石中的矿物成分会影响岩石的抗风化能力、物理性质和强度特性。岩石中矿物成分的相对稳定性对岩石抗风化能力有显著的影响，各矿物的相对稳定性主要与化学成分、结晶特征及形成条件有关。通常可以将造岩矿物分为非常稳定的、稳定的、较稳定的和不稳定的四类。
三、岩石基本构成
抗风化稳定性
非常稳定的
稳定的
较稳定的
不稳定的
矿物名称
石英
锆长石
白云石
正长石
钠长石
酸性斜长石
角闪石
辉石
黑云母
基性斜长石
霞石
橄榄石
黄铁矿
岩石的基本构成是பைடு நூலகம்组成岩石的物质成分和结构两大方面来决定的。 表1－1 主要造岩矿物抗风化相对稳定性
三、岩石基本构成
新鲜岩石的力学性质主要取决于岩石的矿物成分和颗粒间的连结。对于具有结晶连结的岩石，其矿物成分的影响要大一些。应当指出，岩石中矿物的硬度和岩石的强度是两个既有联系而又不同的概念。 岩石中某些易溶物粘土矿物特殊矿物的存在，常使岩石物理力学性质复杂化。 另外，粘土岩石中的蒙脱石遇水膨胀且强度降低，凝灰石中一些不稳定的物质极易分解成斑脱土，遇水也极易膨胀和软化。还有某些玻璃质和次生矿物，如沸石等能促进岩石与磷之间的化学反应。
上海长江隧桥工程
穿越江河和海湾，应因地制宜发挥桥梁和隧道的各自优势，总体上把握“桥、隧并举”的指导思想。交通是一项复杂的系统工程，不能只顾跨越江河、海湾的公、铁交通，而损害穿梭江河、海湾的航运交通，必须统筹兼顾。桥梁由于桥高、桥孔宽度的限制，对航运总要产生影响，长江就是一例。自南京长江大桥建成起，黄金水道的通行能力就从万吨轮船降为4千吨，而撞船、撞桥事故不断发生，为减少撞桥事故，交通部规定船队过桥要解驳减速。我国沿海多台风，很多地区又多雾，大桥易受台风、大雾、雨雪天候条件影响，不能全年通行；而隧道则可全天候运营。战时，交通枢纽是敌轰炸的首选目标，桥梁易被发现和命中，斜拉桥和悬索桥一旦索塔被毁，整桥即坍塌，无法维修。而隧道则被发现和毁坏概率相对较低。
上海亚洲第一湾已拆除 被地下通道替代
在荷兰代尔夫特建设一条穿越城市的极繁忙的铁路工程的争论。下面是工程地下和地上方案的评价比较：
高架方案 隧道（掘开式） 隧道（TBM方法）施工造价 308 494 536土地/迁移/破坏 122 146 37分项目1：直接造价 430 640 573 100% 148% 133%运营和维护周期 31 64 47分项目2：生命造价 461 704 620 100% 152% 134%损害（换算成金钱） 133 168 5分项目3：整个造价和损害 594 872 625 100% 147% 102%
3、岩石中的微结构面
岩石中的微结构面（或称缺陷），是指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒及矿物集合体之间微小的弱面及空隙。它包括矿物的解理、晶格缺陷、晶粒边界、粒间空隙、微裂隙等。矿物的解理面指矿物晶体或晶粒受力沿一定结晶方向分裂成的光滑平面。晶粒边界：矿物晶体内部各粒子都是由各种离子键原子键分子键等相连结。由于矿物晶粒表面电价不平衡而使矿物表面具有一定的结合力，但这种结合力一般比起矿物内部的键连结力要小，因此晶粒边界就相对软弱。
五、岩石的地质成因分类
自然界中有各种各样的岩石，不同成因的岩石具有不同的力学特性，因此有必要根据不同成因对岩石进行分类。根据地质学的岩石成因分类可把岩石分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。 A、岩浆岩 B、沉积岩 C、变质岩
A、岩浆岩
当地壳变动时，上部岩层压力一旦减低，过热可塑状态的物质就立即转变为高温熔融体，称为岩浆。依其含SiO2量的多少，分为基性岩浆和酸性岩浆。基性岩浆的特点是富含钙、镁和铁，而贫含钾和钠，粘度较小，流动性较大。酸性岩浆富含钾、钠和硅，而贫含镁、铁、钙粘度大，流动性较小。依冷凝成岩浆岩地质环境的不同，将岩浆岩分为三大类：深岩、浅成岩和喷出岩（火山岩），每一类中有可根据成分的不同分出具体的各类，见表1。
3、岩石中的微结构面
岩石中的微结构面对岩石工程性质的影响很大，其主要影响为： 首先，微结构面的存在将大大降低岩石（特别是脆性岩石）的强度。 其次，由于微结构面在岩石中常具有方向性，如裂隙等，因此它们的存在常导致岩石的各向异性。 此外，缺陷能增大岩石的变形，在循环加荷时引起滞后现象，还能改变岩石的弹性波波速，改变岩石的电阻率和热传导率等等。
研究对象：岩石或者岩体。核心问题：岩石或者岩体在外载荷作用下的变形、屈服、破坏以及破坏后的力学效应。主要特性：（1）与均质材料相比，力学规律不明显。（2）赋存条件复杂，成因不同，遭受长期的复杂的地质作用呈现明显的非线性、不连续性、不均质性和各向异性。
本章将从岩石的基本构成及岩石的成因分类入手,然后介绍岩石的物理、力学性质,最后介绍影响岩石物理、力学性质的主要因素.
A、岩浆岩
a、深成岩 常形成较大的侵入体，有巨型岩体，大的如岩基、岩盘，他们的形成环境都处在高温高压状态之下，在形成过程中由于岩浆岩有充分的分异作用，常常形成基性岩、超基性岩、中性岩及酸性、碱性岩等。 深成岩岩性较均一，变化较小，岩体结构呈典型的块状结构，结构体多为六面体和八面体，但在岩体的边缘部分也常有流线流面和各种原生节理，结构相对比较复杂。 深成岩颗粒均匀，多为粗－中粒状结构，致密坚硬，孔隙很少，力学强度高，透水性较弱，抗水性较强，所以深成岩体的工程地质性质一般比较好。
3、发展地下交通、缓解城市交通拥挤、降低城市大气污染
截至2015年7月，经国务院批准的城市轨道交通总规划里程超过7300公里。已经有22个城市开通了轨道交通运营里程2764公里，其中北京、上海都已经超过500公里。符合国家建设地铁标准的城市国务院已经批准39个，到2020年估计在50个左右，总规划里程达7000公里，是目前总里程4.3倍。
3、岩石中的微结构面
微裂隙：指发育于矿物颗粒内部及颗粒之间的多呈闭合状态的破裂迹线，这些微裂隙十分细小，肉眼难以观察，一般要在显微镜下观察，故也称显微裂隙。 粒间空隙：多在成岩过程中形成，如结晶岩中晶粒之间的小空隙，碎屑岩中由于胶结物未完全充填而留下空隙。粒间空隙对岩石的透水性和压缩性有较大影响。 晶格缺陷：有由于晶体外原子入侵结果产生的化学上的缺陷，也有由于化学比例或原子重新排列的毛病所产生的物理上的缺陷，它与岩石的塑性变形有关。
◆ 特大城市和大城市地下空间专项规划已经和正在普遍开展。
19世纪是桥梁的世纪，20世纪是高层建筑的世纪，21世纪则是地下空间开发的世纪。◆城市地下空间开发利用已经成为提高城市容量、缓解城市交通、改善城市环境的重要手段，正在成为建设资源节约型、环境友好型城市的重要途径。中国城市地下空间开发利用在功能上以地下交通为主流：
4、建设城市地下市政管线公用隧道5、建设天然气输配工程，改变城市天然燃料结构，治理城市大气污染和酸雨区
6、能源（石油、天然气）的地下战略储存
7、发展地下垃圾处理系统，消除垃圾围城现象
岩石力学与工程作为一门学科在21世纪国民经济发展中所起的作用将愈来愈重要。
2、胶结连结
指颗粒与颗粒之间通过胶结物在一起的连结。对于这种连结的岩石，其强度主要取决于胶结物及胶结类型。从胶结物来看，硅质铁质胶结的岩石强度较高，钙质次之，而泥质胶结强度最低；从胶结类型来看，根据颗粒之间以及颗粒与胶结物间的关系，碎屑岩具有三种基本类型： A、基质胶结类型 B、接触胶结类型 C、孔隙胶结类型
第二节 岩石的基本构成和地质分类
一、概 述二、岩石的主要物质成分三、岩石基本构成四、常见的岩石结构类型五、岩石的地质成因分类
一、概 述
岩石是自然界中各种矿物的集合体，是天然地质作用的产物，一般而言，大部分新鲜岩石质地均坚硬致密，空隙小而少，抗水性强，透水性弱，力学强度高。岩石是组成地壳的基本物质，它是由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律凝聚而成的自然地质体。
四、常见的岩石结构类型
岩石的结构是指岩石中矿物（及岩屑）颗粒相互之间的关系，包括颗粒的大小、性状、排列、结构连结特点及岩石中的微结构面（即内部缺陷）。其中，以结构连结和岩石中的微结构面对岩石工程性质影响最大。 岩石中结构连结的类型主要有两种，分别为： 1. 结晶连结 2. 胶结连结
1、结晶连结
岩石中矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，如岩浆岩、大部分变质岩及部分沉积岩的结构连结。这种连结结晶颗粒之间紧密接触，故岩石强度一般较大，但随结构的不同而有一定的差异。晶粒愈细，愈均匀，玻璃质愈少，则强度愈高。粗粒斑晶的酸性深成岩强度最低，细粒微晶而无玻璃质的基性喷出岩强度最高。具有结晶连结的一些变质岩，如石英岩、大理岩等情况与岩浆岩类似。 沉积岩中的化学沉积岩是以可溶的结晶连结为主，连结强度较大，一般以等粒结晶的岩石强度最高。但是这种连结的缺点是抗水性差，能不同程度地溶于水中，对岩石地可溶性有一定地影响。固结粘土岩地连结有一部分是再结晶地结晶连结，其强度比其他坚硬岩石要差得很多。
城市轨道建设将迎来机会
西方国家对于建设城市轨道交通的标准仅为100万人。此前我国申报城市轨道交通建设的标准是，城市城区人口应在300万人以上，地方财政一般预算收入在100亿元以上，国内生产总值达到1000亿元以上。2016年起，我国可建设城市轨道交通的城市范围或将扩大。其中，对申报发展城市轨道交通的城市人口要求，将从城区人口达300万人以上，下调至城区人口达150万人以上。
第一节 概述第二节 岩石的基本构成和地质分类第三节 岩石的物理性质第四节 岩石的力学性质第五节 影响岩石力学性质的主要因素
◆ 城市轨道交通建设速度已居世界首位；
◆ 城市地下快速道路建设已经起步并将加速发展；
◆ 城市地下物流系统正在研究；
1、保护地面自然环境
芬兰的很多公路宁以高工程成本修建暗挖隧道，而不以低工程经费开挖地面、修建边坡。
2、改善城市环境
波士顿拆除穿过市中心的六车道高架路，建设8－10车道的地下高速路，原有的地面变成林荫路和街心公园。这样的结果是市区空气的一氧化碳浓度降低了12％；市中栽植了2400棵乔木树，7000多棵灌木树；在海湾的景观岛上栽植了另外的2400棵乔木和26000棵灌木；增加了260英亩新的公园和开敞空间。
岩石是构成岩体(岩体的基本概念将在第二章中论述)的基本组成单元。相对于岩体而言，岩石可看作是连续的、均质的、各向同性的介质。
二、岩石的主要物质成分
岩石中主要的造岩矿物有：正长石、斜长石、石英、黑云母、角闪石、辉石、橄榄石、方解石、白云石、高岭石、赤铁矿等。岩石中的矿物成分会影响岩石的抗风化能力、物理性质和强度特性。岩石中矿物成分的相对稳定性对岩石抗风化能力有显著的影响，各矿物的相对稳定性主要与化学成分、结晶特征及形成条件有关。通常可以将造岩矿物分为非常稳定的、稳定的、较稳定的和不稳定的四类。
三、岩石基本构成
抗风化稳定性
非常稳定的
稳定的
较稳定的
不稳定的
矿物名称
石英
锆长石
白云石
正长石
钠长石
酸性斜长石
角闪石
辉石
黑云母
基性斜长石
霞石
橄榄石
黄铁矿
岩石的基本构成是பைடு நூலகம்组成岩石的物质成分和结构两大方面来决定的。 表1－1 主要造岩矿物抗风化相对稳定性
三、岩石基本构成
新鲜岩石的力学性质主要取决于岩石的矿物成分和颗粒间的连结。对于具有结晶连结的岩石，其矿物成分的影响要大一些。应当指出，岩石中矿物的硬度和岩石的强度是两个既有联系而又不同的概念。 岩石中某些易溶物粘土矿物特殊矿物的存在，常使岩石物理力学性质复杂化。 另外，粘土岩石中的蒙脱石遇水膨胀且强度降低，凝灰石中一些不稳定的物质极易分解成斑脱土，遇水也极易膨胀和软化。还有某些玻璃质和次生矿物，如沸石等能促进岩石与磷之间的化学反应。
上海长江隧桥工程
穿越江河和海湾，应因地制宜发挥桥梁和隧道的各自优势，总体上把握“桥、隧并举”的指导思想。交通是一项复杂的系统工程，不能只顾跨越江河、海湾的公、铁交通，而损害穿梭江河、海湾的航运交通，必须统筹兼顾。桥梁由于桥高、桥孔宽度的限制，对航运总要产生影响，长江就是一例。自南京长江大桥建成起，黄金水道的通行能力就从万吨轮船降为4千吨，而撞船、撞桥事故不断发生，为减少撞桥事故，交通部规定船队过桥要解驳减速。我国沿海多台风，很多地区又多雾，大桥易受台风、大雾、雨雪天候条件影响，不能全年通行；而隧道则可全天候运营。战时，交通枢纽是敌轰炸的首选目标，桥梁易被发现和命中，斜拉桥和悬索桥一旦索塔被毁，整桥即坍塌，无法维修。而隧道则被发现和毁坏概率相对较低。
上海亚洲第一湾已拆除 被地下通道替代
在荷兰代尔夫特建设一条穿越城市的极繁忙的铁路工程的争论。下面是工程地下和地上方案的评价比较：
高架方案 隧道（掘开式） 隧道（TBM方法）施工造价 308 494 536土地/迁移/破坏 122 146 37分项目1：直接造价 430 640 573 100% 148% 133%运营和维护周期 31 64 47分项目2：生命造价 461 704 620 100% 152% 134%损害（换算成金钱） 133 168 5分项目3：整个造价和损害 594 872 625 100% 147% 102%
3、岩石中的微结构面
岩石中的微结构面（或称缺陷），是指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒及矿物集合体之间微小的弱面及空隙。它包括矿物的解理、晶格缺陷、晶粒边界、粒间空隙、微裂隙等。矿物的解理面指矿物晶体或晶粒受力沿一定结晶方向分裂成的光滑平面。晶粒边界：矿物晶体内部各粒子都是由各种离子键原子键分子键等相连结。由于矿物晶粒表面电价不平衡而使矿物表面具有一定的结合力，但这种结合力一般比起矿物内部的键连结力要小，因此晶粒边界就相对软弱。
五、岩石的地质成因分类
自然界中有各种各样的岩石，不同成因的岩石具有不同的力学特性，因此有必要根据不同成因对岩石进行分类。根据地质学的岩石成因分类可把岩石分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。 A、岩浆岩 B、沉积岩 C、变质岩
A、岩浆岩
当地壳变动时，上部岩层压力一旦减低，过热可塑状态的物质就立即转变为高温熔融体，称为岩浆。依其含SiO2量的多少，分为基性岩浆和酸性岩浆。基性岩浆的特点是富含钙、镁和铁，而贫含钾和钠，粘度较小，流动性较大。酸性岩浆富含钾、钠和硅，而贫含镁、铁、钙粘度大，流动性较小。依冷凝成岩浆岩地质环境的不同，将岩浆岩分为三大类：深岩、浅成岩和喷出岩（火山岩），每一类中有可根据成分的不同分出具体的各类，见表1。
3、岩石中的微结构面
岩石中的微结构面对岩石工程性质的影响很大，其主要影响为： 首先，微结构面的存在将大大降低岩石（特别是脆性岩石）的强度。 其次，由于微结构面在岩石中常具有方向性，如裂隙等，因此它们的存在常导致岩石的各向异性。 此外，缺陷能增大岩石的变形，在循环加荷时引起滞后现象，还能改变岩石的弹性波波速，改变岩石的电阻率和热传导率等等。
研究对象：岩石或者岩体。核心问题：岩石或者岩体在外载荷作用下的变形、屈服、破坏以及破坏后的力学效应。主要特性：（1）与均质材料相比，力学规律不明显。（2）赋存条件复杂，成因不同，遭受长期的复杂的地质作用呈现明显的非线性、不连续性、不均质性和各向异性。
本章将从岩石的基本构成及岩石的成因分类入手,然后介绍岩石的物理、力学性质,最后介绍影响岩石物理、力学性质的主要因素.
A、岩浆岩
a、深成岩 常形成较大的侵入体，有巨型岩体，大的如岩基、岩盘，他们的形成环境都处在高温高压状态之下，在形成过程中由于岩浆岩有充分的分异作用，常常形成基性岩、超基性岩、中性岩及酸性、碱性岩等。 深成岩岩性较均一，变化较小，岩体结构呈典型的块状结构，结构体多为六面体和八面体，但在岩体的边缘部分也常有流线流面和各种原生节理，结构相对比较复杂。 深成岩颗粒均匀，多为粗－中粒状结构，致密坚硬，孔隙很少，力学强度高，透水性较弱，抗水性较强，所以深成岩体的工程地质性质一般比较好。
3、发展地下交通、缓解城市交通拥挤、降低城市大气污染
截至2015年7月，经国务院批准的城市轨道交通总规划里程超过7300公里。已经有22个城市开通了轨道交通运营里程2764公里，其中北京、上海都已经超过500公里。符合国家建设地铁标准的城市国务院已经批准39个，到2020年估计在50个左右，总规划里程达7000公里，是目前总里程4.3倍。
3、岩石中的微结构面
微裂隙：指发育于矿物颗粒内部及颗粒之间的多呈闭合状态的破裂迹线，这些微裂隙十分细小，肉眼难以观察，一般要在显微镜下观察，故也称显微裂隙。 粒间空隙：多在成岩过程中形成，如结晶岩中晶粒之间的小空隙，碎屑岩中由于胶结物未完全充填而留下空隙。粒间空隙对岩石的透水性和压缩性有较大影响。 晶格缺陷：有由于晶体外原子入侵结果产生的化学上的缺陷，也有由于化学比例或原子重新排列的毛病所产生的物理上的缺陷，它与岩石的塑性变形有关。
◆ 特大城市和大城市地下空间专项规划已经和正在普遍开展。
19世纪是桥梁的世纪，20世纪是高层建筑的世纪，21世纪则是地下空间开发的世纪。◆城市地下空间开发利用已经成为提高城市容量、缓解城市交通、改善城市环境的重要手段，正在成为建设资源节约型、环境友好型城市的重要途径。中国城市地下空间开发利用在功能上以地下交通为主流：
4、建设城市地下市政管线公用隧道5、建设天然气输配工程，改变城市天然燃料结构，治理城市大气污染和酸雨区
6、能源（石油、天然气）的地下战略储存
7、发展地下垃圾处理系统，消除垃圾围城现象
岩石力学与工程作为一门学科在21世纪国民经济发展中所起的作用将愈来愈重要。
2、胶结连结
指颗粒与颗粒之间通过胶结物在一起的连结。对于这种连结的岩石，其强度主要取决于胶结物及胶结类型。从胶结物来看，硅质铁质胶结的岩石强度较高，钙质次之，而泥质胶结强度最低；从胶结类型来看，根据颗粒之间以及颗粒与胶结物间的关系，碎屑岩具有三种基本类型： A、基质胶结类型 B、接触胶结类型 C、孔隙胶结类型
第二节 岩石的基本构成和地质分类
一、概 述二、岩石的主要物质成分三、岩石基本构成四、常见的岩石结构类型五、岩石的地质成因分类
一、概 述
岩石是自然界中各种矿物的集合体，是天然地质作用的产物，一般而言，大部分新鲜岩石质地均坚硬致密，空隙小而少，抗水性强，透水性弱，力学强度高。岩石是组成地壳的基本物质，它是由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律凝聚而成的自然地质体。
四、常见的岩石结构类型
岩石的结构是指岩石中矿物（及岩屑）颗粒相互之间的关系，包括颗粒的大小、性状、排列、结构连结特点及岩石中的微结构面（即内部缺陷）。其中，以结构连结和岩石中的微结构面对岩石工程性质影响最大。 岩石中结构连结的类型主要有两种，分别为： 1. 结晶连结 2. 胶结连结
1、结晶连结
岩石中矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，如岩浆岩、大部分变质岩及部分沉积岩的结构连结。这种连结结晶颗粒之间紧密接触，故岩石强度一般较大，但随结构的不同而有一定的差异。晶粒愈细，愈均匀，玻璃质愈少，则强度愈高。粗粒斑晶的酸性深成岩强度最低，细粒微晶而无玻璃质的基性喷出岩强度最高。具有结晶连结的一些变质岩，如石英岩、大理岩等情况与岩浆岩类似。 沉积岩中的化学沉积岩是以可溶的结晶连结为主，连结强度较大，一般以等粒结晶的岩石强度最高。但是这种连结的缺点是抗水性差，能不同程度地溶于水中，对岩石地可溶性有一定地影响。固结粘土岩地连结有一部分是再结晶地结晶连结，其强度比其他坚硬岩石要差得很多。
城市轨道建设将迎来机会
西方国家对于建设城市轨道交通的标准仅为100万人。此前我国申报城市轨道交通建设的标准是，城市城区人口应在300万人以上，地方财政一般预算收入在100亿元以上，国内生产总值达到1000亿元以上。2016年起，我国可建设城市轨道交通的城市范围或将扩大。其中，对申报发展城市轨道交通的城市人口要求，将从城区人口达300万人以上，下调至城区人口达150万人以上。