第二章 岩石物理性质与岩体结构

--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。

------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:VW =γ γﻩ—容重(K Ｎ/ｍ3）W —岩石的重力(ＫN ）V —岩石的体积（m 3)----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 γ0 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。

----2、 密度岩石单位体积(包括孔隙体积)的质量， 表达式：VM =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----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: ws 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。

----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⨯=VV 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），VW s d =γ,w s s s V W G γ= ws d ss s s s G V W V W V V V V V V V n γγν⋅-=-=-=-==111----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⨯=sw 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 VW V W W W W W W W W W γγ V W =γ ——岩石湿容重， VW s d =γ ——干容重----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⨯=sw sa W W W ， ∵s m sa W W W -=m W ——岩石饱和重力 则%100)1(⨯-=-=dm s s m sa W W W W γγ m γ——饱和容重----饱水系数天然吸水率与饱水率比值:saa w W W K 一般介于0.5－０.８之间---- 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：12c 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）--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。

------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。

--（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。

------（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 tL 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----体积膨胀系数: t V V V t ⋅-=00β 或 tV V ∆⋅∆=β V ０——0℃时的岩石试件体积（ｍ3)V ｔ——t ℃时的岩石试件体积（m 3)岩石的体积膨胀系数大致为线膨胀系数的3倍。

α值随岩石中矿物成分而变化,粗粒花岗岩的α值在(0.6－６)×1０-5(1/℃),而矿物成分单调的石英岩的α值在(1-2)×10－5(1／℃)。

岩石结构致密的α值小,如灰岩小于花岗岩。

在选择砼骨料中应特别注意α值，因为温度不仅引起尺寸变化，还会引----起岩石内部应力的变化，即温度应力：)(12t t E -⋅=ασ， E ——岩石弹模（Ｍpa) ∵t L L ∆⋅∆=α 则t LL ∆⋅=∆=αε 由虎克定律：)(12t t E E -⋅=⋅=αεσ。

--二、水对岩石的作用水普遍存在于岩石之中，水通过力学的、物理的及化学的作用形式促使岩石性状发生变化,同时岩石对水的作用又有一定程度的阻抗作用，从而表现出不同水理和水化性质:渗透性、膨胀性、崩解性、溶解性、软化性等。

这些性质就造成了水对岩石的各种作用,如：渗漏、渗透压力、膨胀、崩解、溶解、软化等,这些作用对工程将产生各种不利影响。

----1、岩石的渗透性有利——水资源、石油、地热开发渗透作用产生渗透压力,破坏岩体和建筑物不利渗漏、涌水、污染、核素迁移岩石的渗透性是指在水压力作用下,岩石的孔隙和裂隙透过水的能力。

------岩块渗透性岩块中的渗流是水通过岩块中的孔隙进行渗透的,这种渗透可由达西公式表示：J K V ⋅=， 其中 LH H J 21-= 为水力梯度 H 2---- Ｊ从岩石浸水开始直到岩石饱水,并在压力梯度达到J 0后才会发生流动。

考虑不同岩石的渗流时，岩石会表现为各向异性，即各方向的身体系数各异。

这时的达西公式表示为:⎪⎩⎪⎨⎧⋅=⋅=⋅=J K V J K V J K V zz y y x x渗透系数表明了岩石的透水能力和阻力,阻力大，则K 小，--即fK 1 裂隙渗透性岩体是由裂隙切割的岩块的集合体。

岩块渗流主要是通过岩块中的孔隙渗透,岩块的渗透性一般很小,远小于裂隙的渗透性。

因此，岩体渗流实质上是以裂隙渗流为主导。

-- ----对任一条裂隙,可将其简化为平行板之间的窄缝,水在裂隙------中的流动可用流体力学中的单裂隙渗流公式(Nav ｉｅｒ-Stoke ｓ）在x ｙ平面内稳定流方程导出：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧∂∂+∂∂+∂∂-=∂∂+∂∂∂∂+∂∂+∂∂-=∂∂+∂∂y x y P u y u u xy x x P u u y u x yyyx y y x xy xx y x x ττρττρ)()(22----连续方程：0=∂∂+∂∂yu x u y x 粘性阻力张量:xu x xx ∂∂=μτ, y u x xy ∂∂=μτ， x u yyx ∂∂=μτ， y u y yy ∂∂=μτ。

对窄缝来说，0=∂∂y P , 0=∂∂xu x ，y u ＝0, 则有：---- )(2y u y x P u x x x ∂∂∂∂+∂∂-=∂∂μρ,0=∂∂xu x 。

22)(yu y u y x P x x ∂∂=∂∂∂∂=∂∂μμ 在渗流方向上,压力梯度与流体运动反向的粘性摩擦阻力相等,则有:水力梯度常数==∆∆-=∂∂LP x P ， 因此, LP y u x ∆∆⋅-=∂∂μ122 积分，当2b y ±=时0=x u ,有----断面流量其中:I ——水力梯度,b ——裂隙开度(m ），μ——水的粘滞系数(Ｐa ·s ），γ——水容重(ＫＮ/m ３）。

与达西公式J K v ⋅= 对比，则裂隙的渗透系数可写成--与达西公式形式相同，即裂隙渗流仍服从达西定律。

渗透系数是介质对某种流体的渗透能力,裂隙开度大,K值越大。

当e足够大时,渗透就偏离达西定律，用雷诺数为标准，d——裂隙间距(m)v——速度(m/s）------ γ——水的运动粘性系数（m2/s)2、岩石的遇水膨胀性岩石的膨胀性是指岩石浸水后体积增大的性质。

某些含粘土矿物(如蒙脱石、水云母、高岭石等）成分的软质岩石,经水化作用后使粘土矿物膨胀,对工程不利，岩土膨胀对建筑物产生较大压力，破坏建筑物。

--3、岩石的崩解性指岩石与水相互作用时失去粘结性并变成完全丧失强度的松散物质的性能。

这是由于水化过程中削弱了岩石内部的结构连接引起的，常见于可溶盐和粘土胶结的沉积岩中。

4、岩石的溶解性指岩石与水相互作用时某些矿物成分为水溶解的性质。

石灰岩分布区的溶洞等。

水库位于这些地区易产生库区渗漏。

5、岩石的软化性岩石的软化是指岩石与水相互作用时降低强度的性能。

软化------作用也是由于水分子进入粒间间隙而削弱了粒间连结所造成的。

岩石的软化性与其矿物成分、粒间连结方式、孔隙率以及裂隙发育程度有关。

大部分未经风化的结晶岩在水中不易软化，许多沉积岩如粘土岩、泥质胶结的碎屑岩类等,在水中极易软化。

岩石的软化性能用软化系数表示，即岩石受水饱和状态的抗压强度（湿抗压强度)和干燥状态的抗压强度之比值：dw R R s R w ——湿抗压强度（M ｐa)--R d——干抗压强度（Mpａ)岩石软化对工程极为不利。

三、岩体结构任何岩体都发育有各种裂隙和断层,并被分割成大小、形状各异的岩块体,这就决定了岩体是岩块的集合体。

不同的裂隙断层组合,就会有不同的岩块集合体形式,这也就决定了岩体的物理和力学性质。

因此，需了解岩体的结构。

----结构面即为岩体中的各种裂隙、断层、层面等地质界面。

结构体即为各种形状的大小的岩块块体。

岩体结构是指结构面和结构体的排列组合方式。

--------1、结构面（1) 结构面类型按成因有:原生结构面、构造结构面、次生结构面。

●原生结构面:在成岩过程中形成，如层面、各种成岩裂隙节理等。