第二章 岩石物理性质与岩体结构

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第二章岩石物理性质与岩体结构

岩石是组成地壳的自然物体,是经过地质作用而形成的矿物集合体,在陆地和海洋广泛分布。

岩石按成因有三大类型:岩浆岩、沉积岩、变质岩。

岩石的种类不同，其物理力学性质差异较大,加之不同时期、不同强度的构造作用,也就决定岩石力学问题复杂多变。

本章主要介绍：

岩石的基本物理性质、岩体结构特点及工程分类。

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一、岩石物理性质指标

用来描述岩石地某种物理性质地某种数值就是岩石物理性质指标。

1、 容重

岩石单位体积(包括岩石孔隙体积)的重力，称为岩石的容重。

表达式:V

W =γ γﻩ—容重(K Ｎ/ｍ3）

W —岩石的重力(ＫN ）

V —岩石的体积（m 3)

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根据岩石的含水程度不同，岩石容重可分为干容重、湿容重、饱和容重。

干容重 湿容重 饱和容重 d γ γ m γ

0 天然含水量θ → n(孔隙度)

多数岩石 γ 在2．６-2.8KN/m 3之间。

书中Ｐ5 表1 列出部分岩石的容重。

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2、 密度

岩石单位体积(包括孔隙体积)的质量， 表达式：V

M =ρ ρﻩ—密度(Kg/m 3）

Ｍ — 岩石质量（Kg ）

V — 岩石体积（m 3)

容重与密度关系:ργ⨯=8.9

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3、 比 重

岩石干的重力除以岩石实体体积（不包括孔隙)，再与4℃时水的容重的比值。 表达式: w

s s s V W G γ= Ｇs —岩石比重（无量纲)，W s —绝对干燥时的岩石重力（K Ｎ） V s —岩石实体体积（ｍ3）=V-孔隙体积

w γ—水容重,4℃时等于10KN ／m 3

岩石的比重取决于组成岩石的矿物比重，大部分岩石的比重介于2.5—2.８之间。

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4、 孔隙率

岩石中孔隙体积与岩石总体积的百分比称为孔隙率。

表达式：

%100⨯=V

V n ν n —孔隙率， Ｖν—孔隙体积（ｍ3），V —岩石总体积（m 3）

∵Ｖν＝V －V s (岩石实体体积），V

W s d =γ,w s s s V W G γ= w

s d s

s s s s G V W V W V V V V V V V n γγν⋅-=-=-=-==111

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5、 岩石含水性

岩石天然吸水率

岩石的天然吸水率是指干燥岩石试样在一个大气压和室温条件下岩石吸入水的重力W w1,对岩石干重力W ｓ之比的百分率。

表达式:%1001⨯=s

w a W W W , ∵W w1＝W （岩石湿重力)－W ｓ 则%100)1(111⨯-=-=-=-==d s s s s s w a V

W V W W W W W W W W W γγ V W =γ ——岩石湿容重， V

W s d =γ ——干容重

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岩石饱水率

指岩石试样在高压(一般为１50个大气压)或真空条件下，强制吸入水的重力W w2对于岩石干重W s 之比的百分率。

表达式: %1002⨯=s

w sa W W W ， ∵s m sa W W W -=

m W ——岩石饱和重力 则%100)1(⨯-=-=d

m s s m sa W W W W γγ m γ——饱和容重

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饱水系数

天然吸水率与饱水率比值:

sa

a w W W K 一般介于0.5－０.８之间

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-- 6、 抗冻性

岩石抗冻性就是岩石抵抗冻融破坏的性能。表征岩石抗冻性的指标为抗冻系数：

1

2c c d R R R R c1——冻融前岩石干抗压强度(Mpa ）

R c2——冻融后岩石干抗压强度(Mp ａ）

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饱水系数对于判别岩石的抗冻性具有重要意义。

∵ｍａx K w＝1, miｎK w＝0

当Ｋｗ<0.９1时,岩石中尚有孔隙未被水充填，在冻结过程中,水尚有余地发生膨胀和挤入剩余的敞开孔隙和裂隙中。

当Kｗ>0.91时,孔隙基本上为水饱和,冻结中会产生冰劈作用,造成岩石胀裂破坏。

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7、 岩石的热学性质

（１）容热性

指岩石进行热交换时岩石吸收热量的能力,用比热和容积热容表示。

比热Ｃ:在不存在相转变条件下，为使单位质量岩石温度变化1℃时所需输入的热量。单位为J/g ﹒℃。

容积热容:单位体积的岩石在温度变化1℃时所需要的热量,用C v 表示,单位为Ｊ/ｍ3﹒℃。

两者关系:C C v ⋅=ρ, ρ——岩石密度。

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（２）导热性

指岩石传导热的能力,常用导热系数（导热率)来度量。其定义是当温度梯度为1时单位时间那通过单位面积岩石所传导的热量。用λ表示，单位为cal／cm2﹒s﹒℃。

大多数造岩矿物的导热系数介于0.40-７.０0之间，一般为0.8－4.０0。

上述两种性质有利于地热的储存和传递。

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（３)热膨胀性

指岩石温度变化引起岩石的形状和尺寸的改变。用膨胀系数表示:即岩石的温度升高1℃所引起的线性伸长量(或体积增长量)与其在温度为0℃时的长度(或体积）之比值。

线膨胀系数:t L L L t ⋅-=00α 或 t

L L ∆⋅∆=α L ０——0℃时的岩石试件长度（m ）

L t ——ｔ℃时的岩石试件长度（m)

t ——温度