第三讲岩石水理性质
第3讲-岩石力学-岩石的变形、破坏特征
微结构面：指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒间的软弱面或 缺陷，包括矿物解理、晶格缺陷、粒间空隙、微裂隙、微层 理及片理面、片麻理面等。
① 降低岩石强度
② 导致岩石力学性质各向异性
1、岩石的组构特征
岩石的主要胶结类型：
基底型：彼此不发生接触的矿物颗粒埋在玻璃体中，这种情况下 胶结程度很高，岩石强度与胶结物有关。
岩石的饱和吸水率(Wp)：是指岩石试件在高压(一般压力为15MPa)或真空条
件下吸入水的质量(mw2)与岩样干质量(ms)之比，用百分数表示。 岩石的吸水率(Wa)与饱和吸水率(Wp)之比，称为饱水系数。它反映了岩石中
大、小开空隙的相对比例关系。
Wp
m w2 100 % ms
mw1 Wa 100% ms
2.岩石变形特征
变形参数的一般确定方法: 实验数据分析
2
2 1 Et 2 1
弹性模量：弹性段的斜率
50
割线模量：极限强度50%所 对应点的斜率
Ei
1 i o
50 50
Ei i i
1 50 2 i L
初始模量：初始段 应力-应变曲线的切 线的斜率
2、岩石的物理性质
岩石的水理性质
岩石在水溶液作用下表现出来的性质，称为水理性质。主要包括： 吸 水性、软化性、 抗冻性、 膨胀性、 崩解性。
吸水性：岩石在一定的实验条件下吸收水分的能力，称为岩石的吸水性。
吸水率(Wa)：岩石试件在大气压力和室温条件下自由吸入水的质量(mw1)与 岩样干质量(ms)之比，用百分数表示。
不能恢复的 当物体既有弹性变形又有塑性变形，且具有明显的弹性后效时，弹性变形 和塑性变形就难以区别了。
岩石的水理性质
岩石的水理性质1 岩石的溶水性：岩石能容纳一定水量的性质，用容水度（W n）表示W n＝V nV×100%2 岩石的给水性：在重力作用下，从饱水岩石中，自由流出一定水量的性能，用给水度（μ）表示μ＝V gV×100%3 岩石的持水性：饱水的岩石在重力作用下排水后仍能保持一定水量的性能，用持水度(W m)表示W m＝V mV×100%岩石的吸水性：用吸水率（W a）表示W a=m w1m s式中 m w1——岩石试件在0.1 M P a和室温条件下自由吸入水的质量m s——试件干质量岩石的软化性：岩石浸水后强度降低的性质，用软化系数（K R）表示K R＝σcwσcd式中σcw——岩石的饱水抗压强度σcd——岩石的干抗压强度4岩石的抗剪强度：τ=σtanφ+c式中σ——垂直的压应力Φ——岩石的内摩擦角C——内聚力4 岩石的隔水值：单位厚度的岩石对地下水流的阻隔能力m i＝m固V＝m固Ah式中 m i——岩石隔水值，kg/m3m固——岩石的固体质量，kgV——岩石的体积，m3A——岩石的面积，m2h——岩石的厚度, m5 岩石的隔水质量等值系数：在相同的水文地质条件下，与泥岩不同质量，但有相同厚度的任一种岩石的隔水值与泥岩隔水值之比。
δi ＝m im0式中m i——某岩石的单位厚度隔水值， kg/m2m0——泥岩单位厚度隔水值，kg/m26 等值厚度：每种岩石的厚度在隔水值方面相当于泥岩的厚度h e＝h iδi式中h e——岩石的等值厚度，mh i——该岩石的实际厚度，mδi——该岩石的隔水质量等值系数7 水力坡度 I＝H A−H BL AB式中H A−H B——A、B两点的水位差L AB——A、B两点的实际距离8 流量：单位时间内通过某一过水断面的水量Q＝ων式中ω——过水断面面积，m2ν——水流的平均流速，m/s9 达西定律 Q＝KωI式中 Q——单位时间内通过过水断面ω的渗流流量，m3/d K——砂土的渗透系数，m/dω——过水断面面积，m2 I——水力坡度10 通过含水层过水断面的流量 Q＝KMB H1−H2L q＝KM H1−H2L式中 K——渗透系数，m/dM——含水层厚度，mB——过水断面的水流宽度，mH1、H2——孔1孔2断面的水头，m q——单宽流量，m2/d11 岩心采取率Kμ＝L0L×100%式中 L——某回次所取岩芯的总长度，mL0——本回次进尺长度，m12 钻孔涌水量当f＜5m时，Q＝11d2√f当f＞5m时，Q＝11d2√f（1＋0.00 3f）式中 Q——钻孔涌水量，L/sf——钻孔涌水高度，dmd——孔口管内径，dm13 岩石的裂隙率K T＝∑IbA×100%式中 A——测定面积，m2I——裂隙长度，m b——裂隙宽度，m14 突水点的划分（一）小突水点：Q ≤60m3/h(二)中等突水点60m3/h＜Q≤600m3/h（三）大突水点600m3/h＜Q≤1800m3/h（四）特大突水点Q＞1800m3/h15 矿井涌水量1）正常涌水量大于1000m3/h的矿井，主要水仓有效容量 V＝2（Q＋3000）2）富水系数法K P＝QPQ——某一时期矿井排水量 P——同一时期的开采量3）单位涌水量法q0＝Q0F0S0Q0——生产矿井的涌水量F0——开采面积S0——水位降深16 底板破坏深度与采面斜长关系的经验公式：h1＝1.86＋0.11Lh1＝0.009 11H＋0.044 8α-0.311 3f＋7.929 1×ln L24式中h1——采动对底板的破坏深度L——工作面斜长，mH——采深，mα——煤层倾角，（°）f——底板岩石坚固性系数17 斯列萨列夫公式计算巷道底板突水时的安全水头H 安＝2K P t2L2+γt t安=L（√γ2L2+8KP H—γL）4K P式中H安——安全水头，即巷道底板隔水层所能承受的极限水头值，10−2M P a K P——底板隔水层抗张强度，10−2M P at——巷道底板隔水层实际厚度，mL——巷道宽度，mγ——巷道底板隔水层密度t安——安全厚度，即巷道底板抵抗实际水头的极限厚度，mH——作用于巷道底板的实际水压，10−2M P a采煤工作面的安全水压P＝T s M T s——临界突水系数，M P a／m M——底板隔水层厚度，m18 突水系数 T=PM—C p式中P——作用于底板的水压，M P aM——隔水层底板厚度，mC p——矿压破坏深度，M19 老空积水量的估算Q 积=∑Q采+∑Q巷Q采=KMFcosαQ巷=KWL式中Q积——相互连通的各个积水区的总水量，m3∑Q采——有水力联系的煤层采空区积水量之和，m3∑Q巷——与采空区连通的各种巷道积水量之和，m3K——充水系数，通常采空区取0.25~0.5，煤巷取0.5~0.8,岩巷取0.8~1.0 M——采空区煤层平均采高或煤厚，mF——采空积水区的水平投影面积，m2α——煤层倾角，（°）W——积水巷道原有断面，m2L——不同断面的巷道长度，m20 超前距的计算公式a=0.5AB√3PK P式中 a——超前距（防水煤柱宽度L），mA——安全系数（一般取2~5）B——巷道的跨度（宽或高取其大者），mP——水头压力，M P aK P——煤的抗拉强度，M P a21 矿区需水量的计算Q=∑qn式中Q——矿区工业场地需水量，m3／dq——每生产1t煤的需水量，m3n——一年中最高日产煤量，t／d22 补给量的计算1)地下水流入量的计算Q j=KIBM式中Q j——地下水平均径流量，m3／dK——含水层渗透系数，m／dI——天然状态或开采条件下的水力坡度B——计算断面宽度，mM——天然状态或开采条件下计算断面内含水层的厚度，m 2）大气降水渗入补给量的计算Q s=aZF365式中 a——渗入系数，m3／dZ——多年平均降水量，mF——接受降水的渗入面积，m23）地表水渗漏补给量的计算潜水含水层：Q s=BK H2−h22L承压含水层：Q s=BKM H−hL式中Q s——河水的渗漏补给量，m3／dB——河水对供水井（群）的补给宽度，mK——含水层的渗透系数，m／dH——河水至含水层底板高度，mh——供水井（群）动水位高度，mL——井（群）至河水边线距离，mM——承压含水层厚度，m4)相邻含水层越流补给量的计算Q y=KμFμHμ−hMμ+K L F L H L−hM L式中Q y——越流补给量，m3／dK μ、Mμ——开采层上部弱透水层的垂直渗透系数（m／d）和厚度（m）K L、M L——开采层下部弱透水层的垂直渗透系数（m／d）和厚度（m）Hμ、H L——与开采层相邻上、下含水层的水位，mFμ、F L——与开采层相邻上、下含水层越流面积，m2h——开采含水层的水位或开采漏斗的平均水位，m地下水综合补给量的计算Q b=E+Q y+Q j+Q k±∆V365式中Q b——开采区含水层接受的日平均补给量，m3／dE——开采区日平均地下水蒸发量，m3／dQ y——开采区地下水日平均溢出量，m3／dQ j——流出区外的日平均径流量，m3／dQ k ——开采区含水层日平均开采量，m 3／d∆V ——开采区接连两年同一天含水层中地下水储存量年差，m 323 地下水环境影响评价的数学模型 H m ＝W i （D n +D m +K +M) 式中 H m ——环境质量变异系数 W i ——污染源影响分量 D n ——地质条件影响分量 D m ——地貌条件影响分量 K ——开采条件影响分量 M ——修正系数在此处键入公式。
水文地质学基础：岩石的水理性质
1.3.3 岩石的水理性质岩石的空隙为地下水的储存和运动提供了空间条件，但水能否自由地进入这些空间，以及进入这些空间的地下水能否自由地运动和被取出，这就需要研究岩石与水接触过程中，岩石表现出来的控制水分活动的各种性质，如容水性、持水性、给水性和透水性等，这些性质统称为岩石的水理性质。
1. 容水性岩石具有能容纳一定水量的性能称岩石的容水性，在数量上用容水度来衡量。
容水度（W n ）是指岩石完全饱水时所能容纳的最大的水体积（V n ）与岩石总体积（V ）之比，以小数或百分数表示：100%n n V W V=⨯ （1-16） 显然，当岩石的空隙中完全被水所饱和时，容水度在数值上与孔隙度（裂隙率、岩溶率）相当。
但是对于具有膨胀性的粘土来说，充水后体积扩大，容水度可以大于孔隙度。
容水度只能说明岩石的最大容水能力，而不能反映岩石含水的真是状况，故又引入了含水量的概念。
含水量指松散岩石实际保留水分的状况。
松散岩石空隙中所含水的重量（G w ）与干燥岩石重量（G s ）的比值，称为重量含水量（W g ），即：100%w g sG W G =⨯ （1-17） 含水的体积（V w ）与包括孔隙在内的岩石总体（V ）的比值，称为体积含水量（W v ），即：100%w v V W V=⨯ （1-18） 2. 给水性 饱水岩石在重力作用下能自由流出（排出）一定水量的性能，称岩石的给水性，数量上用给水度来衡量。
若地下水位下降，则下降范围内饱水岩石及相应的支持毛细水带中的水，将因重力作用下移并部分地从原先赋存的空隙中释出。
我们把地下水位下降一个单位深度，从地下水位延伸到地表面的单位水平面积岩石主体，在重力作用下释出的水的体积，称为给水度（μ）（图1-7）。
例如，地下水位下降2m ，1m 2水平面积岩石柱体，在重力作用下释出的水的体积为0.2m 3（相当于水柱高度0.2m ），则给水度为0.1或10%。
对于均质的松散岩石，给水度的大小与岩性、初始水位埋藏深度以及地下水位下降速率等有关。
第3讲 岩石的力学性质-强度性质
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3.实验原理
消除方法: ①润滑试件端部（如垫云 母片；涂黄油在端部）机)
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4.影响单轴抗压强度的主要因素
（1）承压板端部的摩擦力及其刚度（加垫块的依据） （2）试件的形状和尺寸 形状：圆形试件不易产生应力集中，好加工 尺寸：大于矿物颗粒的10倍； φ50的依据 高径比：研究表明；L/D≥(2.5－3)较合理 （3）加载速度 加载速度越大，表现强度越高) 我国规定加载速度为0.5～0.8MPa/s （4）环境 含水量：含水量越大强度越低；岩石越软越明显，对 泥岩、粘土等软弱岩体，干燥强度是饱和强度的2－3倍。 温度：180℃以下不明显：大于180℃，温度越高强度 越小。
34
2)实验加载方式：
a. 真三轴加载:试件为立方体，加载方式如图所示。 应力状态：σ1>σ2> σ3 这种加载方式试验装置繁杂，且六个面均可受到由加 压铁板所引起的摩擦力，对试验结果有很大影响，因而实 用意义不大。故极少有人做这样的三轴试验。
b.伪三轴试验:，试件为圆柱体，试件直径25~150mm，长 度与直径之比为2：1或3：1。轴向压力的加载方式与单 轴压缩试验相同。 但由于有了侧向压力，其加载上时的端部效应比单轴加 载时要轻微得多。 应力状态：
a.试验者和时间：意大利人冯· 卡门(Von· Karman) 于1911年完成的。 b.试验岩石：白色圆柱体大理石试件，该大理石 具有很细的颗粒并且是非常均质的。 c.试验发现： ①在围压为零或较低时，大理石试件以脆性方式 破坏，沿一组倾斜的裂隙破坏。 ②随着围压的增加，试件的延性变形和强度都不 断增加，直至出现完全延性或塑性流动变形，并 伴随工作硬化，试件也变成粗腰桶形的。 ③在试验开始阶段，试件体积减小，当达到抗压 强度一半时，出现扩容，泊松比迅速增大。
岩石的水理性质
岩石的水理性质岩石的水理性质：岩石与水接触后表现出的有关性质，即与水分贮容和运移有关的性质称作岩石的水理性质。
它包括岩石的容水性、给水性、持水性、透水性1．容水性容水性是在常压下岩石空隙中能够容纳若干水量的性能，在数量上以容水度来衡量。
容水度Wn 为岩石空隙能够容纳水量的体积Vn与岩石体积（V）之比，表达式为：Wn =Vn／V，用百分数或小数表示。
从定义可知，如果岩石的全部空隙被水所充满，则容水度在数值上与空隙度相等。
但实际上由于岩石中可能存在一些密闭空隙，或当岩石充水时，有的空气不能逸出，形成气泡，所以一般容水度的值小于空隙度。
但是对于具有膨胀性的粘上来说，因充水后体积扩大，容水度可以大于空隙度。
2．持水性在分子力和表面张力的作用下，岩石空隙中能够保持一定水量的性能，称为岩石的持水性。
持水性在数量上用持水度来衡量。
持水度Wr为饱和岩石经重力排水后所保持水的体积与岩石体积之比，即Wr =Vr/V。
所保持的水不受重力支配，多为结合水和悬挂毛细水。
岩石的持水量多少主要取决于岩石的颗粒直径和空隙直径的大小，即岩石颗粒越细，空隙越小，持水度越大。
3．给水性饱和岩石在重力作用下能够自由排出若干水量的性能称为岩石的给水性。
在数量上用给水度来衡量。
给水度μ是饱和岩石在重力作用下能排出水的体积Vg与岩石总体积（V）之比，μ=Vg／V，用小数或百分数表示。
从以上定义中可知，岩石的持水度与给水度之和等于容水度（或孔隙度），即：Wn =Wr+μ 或n= Wr+μ岩石的给水度与岩石的颗粒大小、形态、排列方式以及压实程度等有关。
均匀沙的给水度可达30％以上，但大多数冲积含水层的给水度在10％～20％。
给水度是水文地质计算和水资源评价中很重要的参数，下表给出了几种常见松散岩石的给水度。
如图存在于坚硬岩石裂隙和溶隙中的地下水，结合水及毛细水所占的比例非常小，岩石的给水度可看作分别等于它们的容水度或空隙度。
常见松散岩石的给水度（据C.W.Fetter，Jr.）4．岩石的透水性岩石的透水性是指岩石允许水透过的能力，用渗透系数（K）表示，渗透系数具有与渗透速度相同的量纲，即（m／d）或（cm／s）。
第三讲岩石的性质解析
第三章 地质构造及其对工程的影响
岩石的抗冻性
抗冻系数(Cf) 岩石的抗冻性指岩石抵抗冰冻的能力，用岩石的抗冻 系数(Cf)来表示：
c cf σc: 岩石冻融试验前的抗压强度, kPa; Cf c σcf: 冻融化试验后的抗压强度,kPa
第三章 地质构造及其对工程的影响
2、水理性质
岩石的吸水性
吸水率(ωa) 岩石的吸水率(ωa)是指岩石在通常大气压下吸入水 的重量与同体积干燥岩石重量的比，用百分数表示： g0 g s a 100% g0: 烘干岩样浸水48h后的湿重, k g; gs gs: 岩石烘干后的重量,k g 岩石的吸水率的大小，取决于岩石孔隙度的大 小、孔隙张开程度等。吸水率大，水对岩石颗粒间 结合物的浸湿、软化作用就强，岩石强度和稳定性 受水作用的影响也就越显著。
第三章 地质构造及其对工程的影响
岩石的软化性
软化系数(KR) 岩石的软化性指岩石在水的作用下，强度和稳定性降 低的性质，用岩石的软化系数(KR)来表示，即岩石饱水状 态的抗压强度与岩石风干后抗压强度之比，用小数表示：
w σw: 岩石饱水状态的抗压强度, kPa; KR d σd: 岩石风干后的抗压强度,kPa
岩石变形的指标：
弹性模量(E) 应力与弹性应变的比值，即 E=/ee 。弹性模量越大， 变形越小，说明岩石抵抗变形的能力越强。 变形模量(E0) 应力与总应变的比值，即 E0=/(ee+ ep)。变形模量越 大，总变形越小，说明岩石抵抗变形的能力越强。 泊松比(µ )
单轴压缩下岩石横向应变与纵向应变的比值，即： µ e 横/e纵。岩石的泊松比一般在0.2-0.4之间。
岩石中的空隙与水分
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岩石中的空隙：松散岩石中的孔隙
• 松散岩石是由大小不等的岩土颗粒组成的，颗粒或者 颗粒集合体之间的空隙，称为孔隙。图2-1各类岩石中 的孔隙示意
– 孔隙度：指某一体积岩石（包括孔隙在内）中孔隙所占的比 例。与土力学中的孔隙比概念比较？！ – 孔隙度的影响因素：主要是颗粒的分选程度和排列方式，其 次是颗粒形状和胶结充填情况。对于黏性土，会存在结构孔 隙和其他次生孔隙，也是重要因素。 – 以等粒圆球为例，说明排列方式影响孔隙度的大小
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• 给水度（2）
– 给水度的大小受岩性、初始地下水位埋藏深度和地 下水位下降速率等因素的影响。
• 岩性：颗粒大小与空隙大小 • 初始水位埋深与最大毛细上升高度
• 地下水位下降快，水可能来不及释出；下降慢，才能充分 给水。
重力释水并非瞬间完成， 而是需要一个过程，因此 往往滞后于水位下降
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岩石中的空隙：可溶岩石中的溶隙
• 可溶岩与地下水的溶蚀作用：石灰岩、白云岩、岩盐、 石膏。
• 溶隙率：溶隙的体积与包括溶隙在内的岩石的体积的 比值。 • 溶隙（穴）特点：发育规模大小悬殊，在岩石中分布 极不均匀
岩石中的空隙只有互相联通，形成网络，才具有水文地质 意义上的储水空间和运移通道作用；而各类空隙的联通情 况各不相同，甚至相差甚远，这就定了赋存其中的地下水 的运动规律也不相同。
水文地质学
第三讲 岩石中的空隙与水分
OUTLINE
• 岩石中的空隙 • 岩石中水的存在形式 • 与水的储运有关的岩石的性质 • 有效应力原理与松散岩石的压密
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怎样认识岩石中的空隙？
岩石的水理性质
岩石的水理性质岩石的水理性质：岩石与水接触后表现出的有关性质，即与水分贮容和运移有关的性质称作岩石的水理性质。
它包括岩石的容水性、给水性、持水性、透水性1．容水性容水性是在常压下岩石空隙中能够容纳若干水量的性能，在数量上以容水度来衡量。
容水度Wn 为岩石空隙能够容纳水量的体积Vn与岩石体积（V）之比，表达式为：Wn =Vn／V，用百分数或小数表示。
从定义可知，如果岩石的全部空隙被水所充满，则容水度在数值上与空隙度相等。
但实际上由于岩石中可能存在一些密闭空隙，或当岩石充水时，有的空气不能逸出，形成气泡，所以一般容水度的值小于空隙度。
但是对于具有膨胀性的粘上来说，因充水后体积扩大，容水度可以大于空隙度。
2．持水性在分子力和表面张力的作用下，岩石空隙中能够保持一定水量的性能，称为岩石的持水性。
持水性在数量上用持水度来衡量。
持水度Wr为饱和岩石经重力排水后所保持水的体积与岩石体积之比，即Wr =Vr/V。
所保持的水不受重力支配，多为结合水和悬挂毛细水。
岩石的持水量多少主要取决于岩石的颗粒直径和空隙直径的大小，即岩石颗粒越细，空隙越小，持水度越大。
3．给水性饱和岩石在重力作用下能够自由排出若干水量的性能称为岩石的给水性。
在数量上用给水度来衡量。
给水度μ是饱和岩石在重力作用下能排出水的体积Vg与岩石总体积（V）之比，μ=Vg／V，用小数或百分数表示。
从以上定义中可知，岩石的持水度与给水度之和等于容水度（或孔隙度），即：Wn =Wr+μ 或n= Wr+μ岩石的给水度与岩石的颗粒大小、形态、排列方式以及压实程度等有关。
均匀沙的给水度可达30％以上，但大多数冲积含水层的给水度在10％～20％。
给水度是水文地质计算和水资源评价中很重要的参数，下表给出了几种常见松散岩石的给水度。
如图存在于坚硬岩石裂隙和溶隙中的地下水，结合水及毛细水所占的比例非常小，岩石的给水度可看作分别等于它们的容水度或空隙度。
常见松散岩石的给水度（据C.W.Fetter，Jr.）4．岩石的透水性岩石的透水性是指岩石允许水透过的能力，用渗透系数（K）表示，渗透系数具有与渗透速度相同的量纲，即（m／d）或（cm／s）。
第3章 岩石的流变性质
K
令： = 0；
0 K
K
= 0
积分
0 t C
初始条件:t = 0时，有
0
K
0
（弹簧瞬时变形） C
0
K
蠕变方程
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0 t K
0
等速/稳定蠕变
岩石的流变性质是指岩石受长期荷载作用的力学效应，岩石变 形过程中具有的时间效应现象称为流变现象。（陈宗基，1950)
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§2
流变问题的基本概念
时间效应 力学效应具有三个基本变量：应力、应变和时间。 静态问题：时间因素可以忽略，只是应力 -应变关系，荷载 速率（或应变率）在10-6s-1-10-4s-1； 动态问题：荷载速率较高（冲击、爆炸荷载），时间较短，
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第三节 经验方程方法
蠕变（包括瞬时变形）经验方程的通常形式为：
ε(t) = ε0 + ε1(t) + kt + ε2(t)
ε0 ——瞬时应变； ε1(t)——初始段应变的时间关系；
kt ——等速阶段应变，k为等速段直线的斜率；
ε2(t)——加速段应变的时间关系。
龙尼茨公式： ε1(t) = Aln(1+ αt )
元件的组合方式有串联“—”和并联“”
串联： σ =σ1 = σ2 ε = ε1+ ε2
弹塑性介质模型（沈版）
并联： σ =σ1 + σ2
ε = ε1= ε2
①理想弹塑性
0 0
经典考研水文地质学重点第二章
匀
很好
2.1.3 岩石中的空隙— 溶穴
形状：有方向性，主要在裂隙基础上进一步溶蚀而成，所 以具有裂隙特征。
大小：尺寸极不均匀，暗河，主干溶蚀形成。
多少：岩溶率。 Kv
Vk V
分布：极不均匀（保留了原有裂隙特征） 连通性：总体上差，局部可以很好，形成溶穴含水系统。
6
n 发育状况复杂：
粘性土层既有孔隙也有裂隙，按水井讲，粘土--隔水层，若粘土中 有存在干缩裂隙可以为含水层，如河南驻马店粘土层，可以为含水层 （取的是裂隙中的水）。
凹凸弯液面是指相对于液相一侧而言的
凹形弯液面— 负的毛细压强（negative）---如 同真空吸力
凸形弯液面— 正的毛细压强（positive）
岩石骨架中的水 岩石空隙中的水
沸石水 结晶水 结构水
液态水 固态水
重力水 毛细水
气态水 矿物表面结合水
结合水
强结合水 弱结合水
第2节 岩石中水的存在形式— （矿物表面）结合水
形成原理
岩石固体颗粒或颗粒集合体表面带电荷； 水分子是偶极体，带电荷，由于静电引力作用，岩石 颗粒表面便吸引水分子，根据库仑定律，距离岩石表 面越近的水分子排列紧密，而远的则疏松。
（1-1）颗粒的排列方式对孔隙大小的影响：
AC O
B
A
O
B
C
D
立方体排列与四面体排列
12
2
（1-1）颗粒的排列方式对孔隙大小的影响
v 立方体（最松散）排列：
v
d=0.414D
v 四面体（最紧密）排列：
v
d=0.155D
v 颗粒排列愈紧密，孔隙越小！
（1-1）颗粒排列方式对孔隙度大小的影响
2.1.3岩石的水理性质(下)
定义
水普遍存在于岩石材料中，当有水力坡降或水头差存在时，水就会透过岩石中的孔隙和裂隙而流动，这就是所谓的渗流。
定义
地下水存在于岩石孔隙、裂隙之中，而且大多数岩石的孔隙、裂隙是连通的，因而在一定的压力作用下，地下水可以在岩石中渗透。
岩石的这种能透水的性能称为岩石的渗透性。
对孔隙介质岩体，一般认为水在岩石中的流动，如同水在土中流动一样，也服从于线性渗流规律——达西定律。
k表示岩石的渗透系数；i表示水力坡降。
岩石的渗透性能可用渗透系数来衡量。
渗透系数
的物理意义是介质对某种特定流体的渗透能力，
因此对于水在岩石中渗流，渗透系数的大小取决
于岩石的物理特性和结构特性，例如岩石中的孔
隙和裂隙的大小、开闭程度以及连通情况。
双分屏内容
渗透系数
⏹各向同性介质⏹⏹⏹渗透系数又称水力传导系数有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）
渗透系数的实验室测定
注意土的渗透仪w QL k pA
γ=
稳定流抽水试验
非稳定流抽水试验
自由振荡法试验
有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）
25
100
25
渗水
1260
☐☐
径向渗透试验渗水
L
R2
r
结论大于k 1小于k 2一般来说，k 2 >k 1 R 2
R 1R 2
R 1
k 1k 2。
3 岩石的物理、水理性质(1)
岩石名称 花岗岩
石灰岩
片麻岩
辉绿岩、玄武岩 砂岩
页岩 片岩 石英岩
几种岩石的渗透系数值
空隙情况 较致密、微裂隙
含微裂隙 微裂隙及部分粗裂隙
致密 微裂隙、孔隙 空隙较发育
致密 微裂隙 微裂隙发育 致密 较致密 空隙发育 微裂隙发育 微裂隙发育 微裂隙
质量损失率 ( Km )： 岩样冻融后干质量
Km
=
ms1 − ms2 ms1
×100%
岩样冻融前干质量
抗冻性－－抗冻系数、质量损失率
岩石在冻融作用下强度降低和破坏的原因－－
① 岩石矿物组分的膨胀系数不同，及温度不均匀， 导致产生内应力；② 岩石空隙水的冻胀作用。使岩 石产生更多的裂隙，结构破坏，强度降低。
5. 隧道工程特征
⑴ 碳酸盐岩隧道达75座，长157.7km，岩溶 特别发育。
⑵ 隧道的埋深大，一般在500～600m，最大 埋深达800余米。
⑶ 在22座长、特长隧道中灰岩隧道达19座。 多座长大岩溶隧道穿越暗河，在地下水的水平 循环带中通过。
⑷ 多座隧道穿越区域大断裂。
⑸ 受地形影响，多座隧道设计为单面坡， 不利于隧道排水，增加施工难度。
透水性－－渗透系数
（cm/s） 1.1×10-12 ~ 9.5×10-11 1.1×10-11 ~ 2.5×10-11
2.8×10-9 ~ 7×10-8 3×10-12 ~ 6×10-10
2×10-9~ 3×10-6 9×10-5~ 3×10-4
<10-13 9×10-8~ 4×10-7 2×10-6~ 3×10-5
<10-13 10-13~ 2.5×10-10
岩石的物理、水理与热学性质
第三章岩石的物理、水理与热学性质第一节岩石的物理性质岩石和土一样，也是由固体、液体和气体三相组成的。
所谓物理性质是指岩石三相组成部分的相对比例关系不同所表现的物理状态。
与工程密切相关的物理性质有密度和空隙性。
一、岩石的密度岩石密度(rock density)是指单位体积内岩石的质量，单位为g/cm3。
它是建筑材料选择、岩石风化研究及岩体稳定性和围岩压力预测等必需的参数。
岩石密度又分为颗粒密度和块体密度，各类常见岩石的密度值列于表3-1。
表3-1 常见岩石的物理性质指标值(一)颗粒密度岩石的颗粒密度(ρs)是指岩石固体相部分的质量与其体积的比值。
它不包括空隙在内，因此其大小仅取决于组成岩石的矿物密度及其含量。
如基性、超基性岩浆岩，含密度大的矿物较多，岩石颗粒密度也大，一般为 2.7～3.2g ／cm3；酸性岩浆岩含密度小的矿物较多，岩石颗粒密度也小，多变化在2.5～2.85g ／cm3之间；而中性岩浆岩则介于上二者之间。
又如硅质胶结的石英砂岩，其颗粒密度接近于石英密度；石灰岩和大理岩的颗粒密度多接近于方解石密度，等等。
岩石的颗粒密度属实测指标，常用比重瓶法进行测定。
(二)块体密度块体密度(或岩石密度)是指岩石单位体积内的质量，按岩石试件的含水状态，又有干密度(ρd)、饱和密度(ρsat)和天然密度(ρ)之分，在未指明含水状态时一般是指岩石的天然密度。
各自的定义如下： V m sd =ρ (3-1)Vm satsat =ρ (3-2) V m=ρ (3-3) 式中：ms 、msat 、m 分别为岩石试件的干质量、饱和质量和天然质量；V 为试件的体积。
岩石的块体密度除与矿物组成有关外，还与岩石的空隙性及含水状态密切相关。
致密而裂隙不发育的岩石，块体密度与颗粒密度很接近，随着孔隙、裂隙的增加，块体密度相应减小。
岩石的块体密度可采用规则试件的量积法及不规则试件的蜡封法测定。
二、岩石的空隙性岩石是有较多缺陷的多晶材料，因此具有相对较多的孔隙。
岩体力学 第3讲 岩石的物理水理性质
岩石的吸水性: （２）岩石的吸水性: 岩石在一定的试验条件下吸收水分的能力。常用 吸水率，饱和吸水率 饱和吸水率与饱水系数等指标表示。 吸水率 饱和吸水率
1）、自然吸水率：岩石在自然状态下吸入水的质量与 ）、自然吸水率： 自然吸水率 固体质量之比 (m0 − mdr ) × 100% wa = mdr
常见岩石的物理性质指标值
（５）岩石的抗冻性 定义：岩石抵抗冻融破坏的能力，称为抗冻性。常 用抗冻系数和质量损失率表示。 抗冻系数 (Rd )：
σ c2 Rd = × 100% σ c1 岩样冻融前的干抗压强度
岩样冻融后干质量
岩样经反复冻融后的 干抗压强度 −20 20o C,25次以上
质量损失率 ( K m )：
I d 2 = mr / ms %
试验前的试件烘干质量 mr ；残留在筒内的试件烘 干质量 ms
吸水率( 吸水率( a ) W
mw1 Wa = ×100% ms
岩样在常温常压 常温常压条 常温常压 件下吸入水的质量
烘干温度： 烘干温度： 105～110° 105～110°C, 时间：24小时 时间：24小时
岩样烘干质量
水只能进入大开空隙，不能小开空隙和闭空隙
讨论：吸水率大小与哪些因素有关
岩石吸水率大小，主要决定于岩石中空隙的数量、 岩石吸水率 大小及其连通情况。空隙率愈大→空隙大、数量多、 连通性好→岩石吸水率越大→力学性质差。 。
吸水率是一个间接反映岩石内孔隙多少的指标
3)、饱水系数
Wa kw = × 100% Wp
吸水率
饱和吸水率
反映岩石中大、小开空隙的相对数量。一般情况下，饱水 系数愈大，余留的空隙愈少，岩石愈易被冻胀破坏。 几种岩石的吸水性指标值
岩石的物理、水理性质
中心布置单根锚杆的锚固体在加载过 程中的红外热像系列 TVS28100MK Ⅱ红外热像仪
岩石温度－应力－渗流耦合三轴流变仪
一、设备简介 法国Top Industrie公司生产， 主要用于开展岩石类材料在应 力、温度、渗流、化学腐蚀耦 合条件下的流变试验。 二、主要技术参数 试样尺寸：Φ20ⅹ40mm、 Φ37.5ⅹ75mm、Φ50ⅹ100mm 最大轴压：600kN 最大围压：60MPa 温度：常温～90℃ 最大渗透压力：60MPa 试验力长时间稳定度＜±2％ 连续工作时间＞1200小时
Wa m w1 = × 100 % m w2 V Vb ρ dW a = × 100 % = = ρ dW a V ρw
大开孔隙进水
nb
2.饱和吸水率
岩石的饱和吸水率(Wp)是指岩石试件在高压(一 般压力为15MPa)或真空条件下吸入水的质量(mw2) 与岩样干质量(ms)之比，用百分数表示，即
W 所有开孔 隙进水
四、岩石的透水性
l l
在一定的水力梯度或压力差作用下，岩石能被水 透过的性质，称为透水性。 一般认为，水在岩石中的流动，如同水在土中流 动一样，也服从于线性渗流规律——达西定律，即
U = KJ
几种岩石的渗透系数值
第三节、岩石的热学性质
岩石的热学性质，在诸如深埋隧洞、高寒地区及地 温异常地区的工程建设、地热开发以及核废料处理和 石质文物保护中都具有重要的实际意义。
（二）导热性 l 岩石传导热量的能力，常用导热系数来 度量。 l 导热系数 ：当温度梯度为10 C 时，单位时 间内通过单位面积岩石所传导的热量。用 λ 表示。
（三）热膨胀性 l 在温度变化时，岩石形状和尺寸变化的 性质，常用线膨胀系数和体膨胀系数表示。 α ：岩石的温度升高 10 C 1.线膨胀系数 所引起的线性伸长 Lt 与在温度为 00 C 时长度 L0 的比值。 Lt − L0 α= L0t
岩石的水理性质
岩石的水理性质岩石是地球上最基本的构成物之一。
岩石的水理性质是指其在水文地质学中的水分运移和聚集特征，是岩石与水之间互动的体现。
在水文地质学中，了解岩石的水理性质对于地下水资源的评价和管理具有重要意义。
本文将从岩石的孔隙结构、渗透力和水分运移三个方面来探讨岩石的水理性质。
岩石的孔隙结构岩石内部的孔隙结构是岩石的基础特征之一。
孔隙结构对水分在岩石中的分布和运移有着显著的影响。
岩石的孔隙结构包括以下几种类型：1. 宏观孔隙宏观孔隙是指能够人眼直接观察到的孔隙。
例如，裂隙和空洞等。
在地下水文水文地质中，宏观孔隙通常是存储和输出地下水的必要条件。
2. 微观孔隙微观孔隙是指孔隙径小于1微米的孔隙，通常由岩石物质本身构成。
微观孔隙主要影响岩石的吸水性质，对于细土、沉积岩、火山岩等水分吸附作用较强的岩石来说，微观孔隙是水分在岩石中运移的主要通道之一。
3. 毛细孔隙毛细孔隙是指孔隙径在1至100微米之间的孔隙。
毛细孔隙对于非饱和区水文特性有着至关重要的作用。
例如，在干旱的季节，大部分地下水是靠毛细吸引力在非饱和区维持的。
岩石的渗透力岩石的渗透性是指岩石对流体流动的渗透能力。
渗透性通常是由岩石的孔隙、裂隙等结构所决定。
不同类型的岩石具有不同的渗透性。
对于岩石的渗透性评价，并不是一个单一的参数能够完全描述其特性，而是需要根据不同的渗透场景来考虑。
岩石的水分运移岩石的水分运移是指岩石孔隙中的水在自然条件下的运动，通常受到重力效应、毛细吸引力、渗透力等因素的影响。
岩石的孔隙结构对水分运移的速度、运动方向和运动方式都有着显著的影响。
岩石的水分运移可以分为两类，一是饱和状态下的运移，即水在岩石中的完全填充状态；二是非饱和状态下的运移，即岩石中孔隙中一部分水分离了开来。
对于饱和状态下的水分运移，极好的渗透性岩石通常具有很快的水分运移速度，而对于非饱和状态下的运移，毛细吸引力有着非常明显的作用。
结束语综上所述，岩石的水理性质对于地下水资源的保护和管理具有重要的帮助。
2.1.2岩石的水理性质(上)
抗冻性
膨胀性软化性
吸水性
渗透性
吸水性
岩石的吸水性孔隙体积的大小及其密闭程度吸水率
饱水率饱水系数
吸水率（自然吸水率）
干燥岩石试样在常温常压条件下，在水中浸润48小时后吸入水的质量与岩石试件干质量的百分比。
用下式表示：
式中：
——岩石的干重量（105ºC的烘箱内烘不少于12小时）；
——浸水48小时后岩石的重量。
指岩样在强制状态（真空、煮沸或高压）下，岩样吸水质量与岩石干质量比值。
用下式表示：
式中：
——岩石的干质量；
——岩石在强制条件下的质量（吸入水＋岩石干重）。
饱水率（饱和吸水率）
测定方法：煮沸法或
真空抽气法，用高压
法可能会提高饱和程
度，但设备复杂。
相对比例关系冻胀破坏抗冻性差饱水系数小于0.75抗冻能力比较强饱
水系数
一般饱水系数介于0.5-0.8之间意义
饱水系数
岩石抗冻性
Kω<91％时
Kω>91％时相变现象“冰劈”
胀烈破坏
软化性
η
c 定义
定义
岩石的软化系数总是小于1的。
ηc ＞0.75
ηc ＜0.75
冻结与融解
原因
膨胀系数
膨胀压力
抗冻性
抗冻系数
岩石冻融后岩石冻融前干质量岩石冻融后岩石冻融前抗冻系数
质量损失率有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）
崩解性
相互作用
松散物质
结构联结
沉积岩
耐崩解性指数
膨胀性
体积增大软质岩石
水化膜
楔劈效应
膨胀力和膨胀率。
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第三讲岩石水理性质
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2构成含水层具备条件
（1）有储水空间 （2）有储存地下水的地质构造条件 （3）有良好的补给水源和补给条件。
第三讲岩石水理性质
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3 概念的相对性
定义中的模糊概念—“相当水量，微不足道，较大水力 梯度”等 。对于是否是含水层，还要从实际应用角度来看 划分的相对的性。
4、持水性（持水度）
持水性：
岩石依靠分子引力和毛细力，在重力作用下 其岩石仍能保持一定水的性能。
表征指标 持水度：在重力作用下，岩石所保持
的水体积与岩石体积的比值。
第三讲岩石水理性质
残留含水量（W0）：
包气带充分重力释水而又未受到蒸发、蒸 腾消耗时的含水量称作残留含水量（W0）， 数值上相当于最大的持水度。
θ= V1w00% 或θ=
V
10GG0ws%
容水度数值上一般与空隙度（裂隙率、岩溶率）
相等，但膨胀土的容水度大于孔隙度。
第三讲岩石水理性质
2.含水性（含水量）
概念：
含水量——松散岩石实际保留水分的状况。
重量含水量（Wg）：松散岩石孔隙中所含水
的重量与干燥岩石重量的比值。
体积含水量（Wv）：含水的体积与包括孔隙
但在水源匮乏、需水量又小的地区,同一岩层便能在一定程 度上满足,甚至充分满足实际需要;在后一地区,这种岩层便可 看作含水层。
第三讲岩石水理性质
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3 概念的相对性
例2：如在某处一口井出水量80m3/d，作 为1万人的供水，非含水层；作为饮料厂、 装瓶生产则为含水层。
❖ 隔水层（Aquifuge)：
不能透过与给出水或透过与给出的水量微不足道的岩 层——裂隙不发育的基岩、页岩、板岩、粘土（致密）
❖ 弱透水层（Aquitard）：
渗透性很差，给出的水量微不足道，但在较大水力梯度
作用下，具有一定的透水能力的岩层——各种粘土，泥
质粉砂岩
•实际的孔隙通道不是直线的， 而是曲直的（图a）。
颗粒分选性，既影响孔隙大 小，还决定着孔隙通道沿程直 径的变化和曲折性（图a），
第三讲岩石水理性质
二、 含水层 隔水层
1、基本概念
饱水岩层中，根据岩层给水与透水能力而进行的划分 ❖ 含水层（Aquifer）：
是能够透过并给出重力水的岩层—各类砂土，砂岩等
含水率
释水前水位 O
释水后水位 O‘
第三讲岩石水理性质
影响因素：
重力释水不是瞬时完成，往往滞后于 水位下降。对于均质的松散岩石，给水 度的大小与岩性、初始地下水位埋藏深 度、地下水位下降速率等因素有关。
第三讲岩石水理性质
表2-2 常见松散岩石的给水度[Fetter,1980]
第三讲岩石水理性质
第三讲岩石水理性质
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3.2.2 概念的相对性
例3、从理论意义来看——微不足道 ：微不足道，有
时空尺度的制约。 如华北平原早期地下水开采就是典型的例子，深
层水与浅层水的开采有一粘土隔水层；后开采深层， 水量大，水位降低快，浅层水向深层“越流”--粘土 层成为“透水层”。
在内的岩石体积的比值。
第三讲岩石水理性质
饱和含水量Ws：
孔隙充分饱水时的含水量称作饱和含水量 Ws。
饱和含水量与实际含水量之间的差值称为 饱和差。
实际含水量与饱和含水量之比称为饱和度。
第三讲岩石水理性质
3.给水性（给水度）
给水性：
地下水位下降时，其下降范围内饱水岩石及 相应的支持毛细水带中的水，在重力作用下 从原先赋存的空隙中释出，这一现象称为岩 石的给水性（μ）。
第二章 地下水的赋存
第三讲岩石水理性质
本节内容
■水的储容及运移有关的岩石性质 含水层与隔水层 地下水的类型
第三讲岩石水理性质
一、与水的储容及运移有关的岩石性质
影响水的储容及运移的因素：
岩石空隙大小、多少、连通程度及其 分布均匀度。
控制水活动的因素：
岩石的容水性、含水性、给水性、持 水性、透水性
第三讲岩石水理性质
岩土的水理性质
概念：
指岩土控制水活动的性质
岩土主要水理性质：
第三讲岩石水理性质
容水性
含水水性（容水度）
定义：
岩石的容水性是指岩石容纳一 定水的能力。
第三讲岩石水理性质
表征指标：
容水度——指岩土完全饱水时所容纳的最大水体
积与岩土总体积之比，即
即：在利用与排除地下水的实际中应当考虑岩 层所能给出水的数量大小是否具有实际意义。
第三讲岩石水理性质
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3 概念的相对性
例1：黄土
利用地下水供水时,某一岩层能够给出的水量较小,对于水 源丰沛、需水量很大的地区,由于远不能满足供水需求,而被 视作隔水层。
第三讲岩石水理性质
5、透水性（渗透系数）
岩石的透水性：
指岩石允许水透过的能力。
表征指标：
表征岩石透水性的定量指标——渗透系数。
第三讲岩石水理性质
实例分析——以松散岩石为例，分析一个理
想孔隙通道中水的运动情况。
第三讲岩石水理性质
图2-9表示圆管状孔隙通道的纵断面，孔隙的边缘 上分布着在寻常条件下不运动的结合水，其余部分 是重力水。 由于附着于隙壁的结合水层对于重力水，以及重 力水质点之间存在着摩擦阻力，最近边缘的重力水 流速趋于零，中心部分流速最大。
分析可见：孔隙直径愈小，结合水所占据的无效空
间愈大，实际渗流断面就愈小；孔隙直径越小，透 水性越差。
第三讲岩石水理性质
分析可见： 决定透水性好坏的主要因素是孔隙大小；
只有在孔隙大小达到一定程度，孔隙度才 对岩石的透水性起作用，孔隙度愈大，透 水性愈好。
第三讲岩石水理性质
•实际的孔隙通道并不是直径均 一的圆管，而是直径变化、断 面形状复杂的管道系统（图a）
第三讲岩石水理性质
第三讲岩石水理性质
表征指标：给水度μ
在单位水平面积岩层柱体中，当潜水位下 降一个单位时，在重力作用下所释出的水量。 以小数或百分数表示。
μ = （V出水/V砂样容水）100%
第三讲岩石水理性质
A
I O
单 位 水 位 降
O‘
D
E
结 合 水
悬 挂 支持 毛 毛细 细水
H 水G
C F