岩石力学讲义(岩石的物理性质)
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第2章岩石的基本物理力学性质1
（三）、岩石的水理性质
软化性
1 含水性
渗透性 耐崩解性
(1)、含水量：岩石孔隙中含水量(WW)与岩石烘干重 量(Ws)比值的百分率
w=Ww/Ws×100％
Ws：在105-110°C温度下烘干24小时的重量(kN)
(2)、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
a W W W S W0W SWS 10% 0
2020/11/21
8
岩块与岩体(地质体)
（工程）岩体=岩块
不连续面包括： 节理、裂隙、孔 隙、断面、孔洞、 层面、溶洞
2020/11/21
9
岩体 (Rock Mass)
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。
层理 (Lamina)
岩浆岩：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。强度高、均质性好
沉积岩：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。 强度不稳定，各向异性
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。定向排列，力学 性能与变质程度和原岩性质有关
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
2020/11/21
18
2 渗透性
渗透性：在一定的水压作用下，岩石的孔隙和裂隙透过
水的能力，可用渗透系数来衡量。
可用达西（Darcy）定律描述：
qx
k dh A dx
dh ——水头变化率； dx qx——沿x方向水的流量，m3/s ；h——水头高度，m； A——垂直x方向的截面面积，m2；k——渗透系数，m/s 。
岩石力学讲义(岩石的物理性质)-知识归纳整理
本文档并未包含关于岩体岩石力学的定义或相关信息，而是由一系列励志格言组成，如'求知若饥，虚心若愚。'和'千里之行，始于足Байду номын сангаас。'等。这些格言虽富有哲理，但对于寻求岩体岩石力学定义的用户来说，并未提供实质性帮助。岩体岩石力学是研究和描述岩石和岩体在受力作用下的变形、破坏规律及稳定性的一门科学，涉及岩石的物理性质、力学性质、变形特性、破坏机理以及岩体工程稳定性分析等方面。然而，这些具体内容和定义并未在本文档中出现。
第四讲 岩石的物理及力学性质
第一节岩石的物理力学性质概述
4、岩石硬度的测定
（1）静压入法：以1~5mm2的压 头压入岩样表面，岩石破碎时的载 荷Pmax 除以接触面积S，则为岩石的 硬度值Hy（通常称为压入硬度）。
H
y
P max / S
( Pa )
（2）冲击回弹法：利用重物落在岩 石表面后回弹高度或回弹角度或回弹
次数来确定岩石的硬度。
四、岩石的结构和构造
岩石结构说明岩石的微观组织特征。与矿物颗粒的大小、形 状和表面特征有关，反映岩石的非均质性和孔隙性。 岩浆岩主要具有块状结构，其构造特征对钻掘破碎岩石没有 显著影响。 沉积岩的成因广泛，故其结构也比较复杂。碎屑岩具有碎屑 结构，按碎屑的大小可分为 砾状结构（碎屑直径＞2mm）、 粗粒结构（碎屑直径1~2mm）、 中砂结构（碎屑直径0.1~1m m）、 粉砂结构（碎屑直径0.01~0.1mm）。。
第一节岩石的物理力学性质概述
（3）在各向均匀压缩的条件下，岩石的硬度增加。在常压下
硬度越低的岩石，随着围压增大，其硬度值增长越快。 （4）一般而言，随着加载速度增加，将导致岩石的塑性系 数降低，硬度增加。但当冲击速度小于10m/s时，硬度变化不大。 加载速度对低强度、高塑性及多孔隙岩石硬度的影响更显著。
• （5）、岩石的亲水性 • 膨胀性是指某些由黏土矿物组成的岩石浸水后， 因黏土矿物具有较强的亲水性，致使岩石中颗粒间的 水膜增厚，或者水渗入矿物晶体内部，从而引起岩石 的体积或长度膨胀。表征岩石膨胀性的指标有岩石自 由膨胀率、岩石侧向约束膨胀率和岩石膨胀压力等。 • 软化性岩石浸水后强度变低的性质。取决于它的 岩石性质和空隙性。软化性弱说明其抗冻性和抗风化 性强。 K R cw cd • 软化系数： 软化系数越小，软化性越弱。 • 透水性岩石的透水性服从达西定律。它取决于空 隙的数量、大小、方向及连通情况。
岩石力学第三章：岩石的力学特性及强度准则
常 见 岩 石 的 软 化 系 数
岩 石 名 称
花 岗 岩 闪 长 岩 辉 绿 岩 流 纹 岩
软化系数
0.72～0.97 0.60～0.80 0.33～0.90 0.75～0.95
岩石名称
泥 岩
软化系数
0.40～0.60 0.44～0.54 0.70～0.94 0.75～0.97
泥 灰 岩 石 灰 岩 片 麻岩
岩石名称
抗压强度 (MPa)
100～250
抗拉强 度 (MPa)
7～25
岩石名称
抗压强度 (MPa)
5～100
抗拉强度 (MPa)
2～10
常 见 岩 石 的 抗 压 及 抗 拉 强 度
花岗岩
页 岩
流纹岩
160～300
12～30
粘土岩
2～15
0.3～1
闪长岩
120～280
12～30
石灰岩
40～250
7～20
安山岩
140～300
10～20
白云岩
80～250
15～25
辉长岩
160～300
12～35
板 岩
60～200
7～20
辉绿岩
150～350
15～35
片 岩
10～100
1～10
玄武岩 砾岩 砂 岩
150～300 10～150 20～250
10～30 2～15 4～25
片麻岩 石英岩 大理岩
50～200 150～350 100～250
（二）岩石的水理性质
5．可溶性：是指岩石被水溶解的性能。它与岩石 的矿物成分、水中CO2 含量及水的温度等因素有 关。 6．膨胀性：岩石吸水后体积增大引起岩石结构破 坏的性能称膨胀性。
岩石力学第2章岩石的基本物理力学性质PPT课件
格里菲斯强度理论
格里菲斯强度理论认为岩石的强度是由其内部微裂纹或弱面的能量释放率决定的。当这些 微裂纹或弱面受到外力作用时，它们会扩展并释放能量，当能量释放率达到一定值时，岩 石就会发生破裂。
岩石的破坏准则
最大应力准则
该准则认为当岩石受到的最大应力达到其单轴抗压强度时， 岩石就会发生破裂。该准则适用于脆性破坏和延性破坏。
表示岩石抵抗弹性变形的能力， 是衡量材料刚度的指标。
泊松比
表示岩石在单向受拉或受压时， 横向变形与纵向变形之比。
抗拉强度和抗压强度
抗拉强度
岩石在单向拉伸时所能承受的最大拉 应力。
抗压强度
岩石在单向压缩时所能承受的最大压 应力。
抗剪强度和摩擦角
抗剪强度
岩石在剪切力作用下所能承受的最大剪应力。
摩擦角
表示岩石在剪切力作用下，剪切面上的摩擦力与垂直剪切力之间的角度。
流变性质
蠕变
岩石在持续应力作用下发生的缓慢变形。
松弛
岩石在持续应变作用下，应力随时间逐渐减小的现象。
04
岩石的变形特性
弹性变形
02
01
03
弹性模量
表示岩石抵抗弹性变形的能力，是衡量岩石刚度的指 标。
泊松比
描述岩石横向变形的性质，与材料的弹性模量相关。
中区域形成并扩展导致的。
02
延性破坏
与脆性破坏不同，延性破坏是指岩石在受到外力作用时，会经历较大的
塑性变形，然后才发生破裂。这种破坏形式通常是由于岩石中的微裂纹
或弱面在应力作用下逐渐扩展和连接形成的。
03
疲劳破坏
疲劳破坏是指岩石在循环或反复加载过程中，由于应力水平的波动，导
致微裂纹的形成和扩展，最终导致岩石破裂。这种破坏形式通常发生在
格里菲斯强度理论认为岩石的强度是由其内部微裂纹或弱面的能量释放率决定的。当这些 微裂纹或弱面受到外力作用时，它们会扩展并释放能量，当能量释放率达到一定值时，岩 石就会发生破裂。
岩石的破坏准则
最大应力准则
该准则认为当岩石受到的最大应力达到其单轴抗压强度时， 岩石就会发生破裂。该准则适用于脆性破坏和延性破坏。
表示岩石抵抗弹性变形的能力， 是衡量材料刚度的指标。
泊松比
表示岩石在单向受拉或受压时， 横向变形与纵向变形之比。
抗拉强度和抗压强度
抗拉强度
岩石在单向拉伸时所能承受的最大拉 应力。
抗压强度
岩石在单向压缩时所能承受的最大压 应力。
抗剪强度和摩擦角
抗剪强度
岩石在剪切力作用下所能承受的最大剪应力。
摩擦角
表示岩石在剪切力作用下，剪切面上的摩擦力与垂直剪切力之间的角度。
流变性质
蠕变
岩石在持续应力作用下发生的缓慢变形。
松弛
岩石在持续应变作用下，应力随时间逐渐减小的现象。
04
岩石的变形特性
弹性变形
02
01
03
弹性模量
表示岩石抵抗弹性变形的能力，是衡量岩石刚度的指 标。
泊松比
描述岩石横向变形的性质，与材料的弹性模量相关。
中区域形成并扩展导致的。
02
延性破坏
与脆性破坏不同，延性破坏是指岩石在受到外力作用时，会经历较大的
塑性变形，然后才发生破裂。这种破坏形式通常是由于岩石中的微裂纹
或弱面在应力作用下逐渐扩展和连接形成的。
03
疲劳破坏
疲劳破坏是指岩石在循环或反复加载过程中，由于应力水平的波动，导
致微裂纹的形成和扩展，最终导致岩石破裂。这种破坏形式通常发生在
岩石的基本物理力学性质PPT课件
增大。
1
原因：新裂纹产生，原生裂隙扩展。
岩石越硬，BC段越短，脆性性质越显著。
脆性：应力超出屈服应力后，并不表现出明显
的塑性变形的特性，而破坏，即为脆性破坏。
第38页/共83页
b.弹性常数与强度的确定
弹 性 模 量 国 际 岩 石 力 学 学 会 （ ISRH） 建 议 三 种 方 法
初始模量 E0
（3）干密度：岩块中的孔隙水全部蒸发后的单 位体积质量（108℃烘24h）
c G1 /V （KN/m3）
G1——岩石固体的质量。
2、岩石的比重：岩石固体质量（G1）与同体积 水在4℃时的质量比
VC——固体积；
——水G的1比/(V重CW )
W
第1页/共83页
二、岩石的孔隙性：反映裂隙发育程度的指标
积上承受的荷载。
Rc P / A
式中：P——无侧限的条件下的轴向破坏荷载 A——试件界面积
2.试件方法： （1）试件标准：
圆柱形试件：φ4.8－5.2cm ，高H=（2－2.5)φ 长方体试件：边长L= 4.8－5.2cm , 高H=（2－2.5)L
试件两端不平度0.5mm；尺寸误差±0.3mm; 两端面垂直于轴线±0.25o
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第二节 岩石的强度特性
工程师对材料提出两个问题
1
最大承
载力——
许用应力
[
2 最大允许 变形－－许用应变[
本节讨论[ ]问题
]？ ]？
强度：材料受力时抵抗破坏的能力。
单向抗压强度
单向抗拉强度
强度
剪切强度 三轴压缩
真三轴 假三轴
第7页/共83页
一 岩石的单轴抗压强度
1.定义：指岩石试件在无侧限的条件下，受轴向压力作用破坏时单位面
岩石力学课件第一章 岩石物理力学性质
42
三 、岩石的水理性质
岩石与水相互作用时所表现的性质称为岩石的 水理性。包括岩石的吸水性、透水性、软化性和 抗冻性。
1.含水量W 岩石孔隙中含水的质量与岩石总质
量之比的百分数
wm w/m %
m w :孔隙中含水的质量
43
三 、岩石的水理性质
含水率
岩石孔隙中含水的质量与固相质量 之比的百分数
V s :固相的体积 w :4℃水的密度
30
一、岩石的质量指标
试验方法:
比重瓶法
步骤: 粉碎
0.25mm 105-110 ℃
过筛 烘干
50g
称重
放入比重瓶
排气 读数(计算)
31
一、岩石的质量指标
比重瓶
32
一、岩石的质量指标
Gs
ms
m1 ms
m2
0
m1—瓶和装满的试液质量 ms—岩粉质量 m2—瓶、试液、岩粉质量 γ0—试验温度下试液的密度
岩石力学
三、岩石的地质成因分类
1、深成岩
岩
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 浆 较弱，抗水性较强，所以深成岩体的工程地
岩
质性质一般比较好。花岗岩、闪长岩、花岗 闪长岩、石英闪长岩等均属常见的深成岩体，
常被选作大型建筑场地。如举世瞩目的长江
三峡大坝的坝基就是坐落在花岗闪长岩体之
岩石含：固相、液相、气相。 三相比例不同而密度不同。
29
一、岩石的质量指标
1.比重 G s
岩石的比重是岩石固体部分的质量和4℃时同 体积纯水质量的比值（颗粒密度：岩石固相的质量与
固相体积之比。它不包括孔隙在内，因此其大小仅取决 于组成岩石的矿物密度及其含量）
岩体力学第二章岩石的基本物理力学性质PPT课件
岩石的强度和破坏
强度
岩石抵抗外力破坏的能力， 通常分为抗压、抗拉和抗 剪强度。
破裂准则
描述岩石在不同应力状态 下从弹性到破坏的过渡规 律。
破裂模式
岩石破坏时的形态和方式， 如脆性、延性、剪切等。
04
岩石的物理力学性质与岩体力学应用
岩石的物理力学性质在岩体工程设计中的应用
岩石的物理性质在岩体工程设计中具有重要影响， 如密度、孔隙率、含水率等参数，决定了岩体的承 载能力和稳定性。
岩石的物理力学性质在岩体工程治理中的应用
在岩体工程治理中，需要根据岩石的 物理力学性质制定相应的治理方案。
在治理过程中，还需要根据岩石的变形和 破坏模式，采取相应的监测和预警措施， 以确保工程治理的有效性和安全性。
如对于软弱岩体，可以采用加固、注浆等措 施提高其承载能力和稳定性；对于破碎岩体 ，可以采用锚固、支撑等措施防止其崩塌和 滑移。
弹性波速
表示岩石中弹性波传播速度， 与岩石的密度和弹性模量等有 关。
岩石的塑性和流变
01
02
03
塑性
当应力超过岩石的屈服点 时，岩石会发生塑性变形， 不再完全恢复到原始状态。
流变
在长期应力作用下，岩石 的变形不仅与当前应力状 态有关，还与应力历史有 关。
蠕变
在恒定应力作用下，岩石 变形随时间逐渐增加的现 象。
岩体力学第二章岩石的基本物 理力学性质ppt课件
目
CONTENCT
录
• 引言 • 岩石的物理性质 • 岩石的力学性质 • 岩石的物理力学性质与岩体力学应
用 • 结论
01
引言
岩石的基本物理力学性质在岩体力学中的重要性
岩石的基本物理力学性质是岩体力学研究的基础，对于理解岩体 的变形、破坏和稳定性至关重要。
岩石的物理性质
2018/5/27 岩石力学
（一）、岩石的吸水性
岩石在一定的试验条件下吸收水分的能力，称为岩 石的吸水性。 1.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
m w1 Wa 100% mw2
VVb dWa nb 100% dWa V w
式中：Cd 和Cw 分别为干燥岩石和水的比热容，x1 和x2分别为岩石干重和水重。
2018/5/27 岩石力学
第三节 岩石的热学性质
二、岩石的导热系数
岩石传导热量的能力，称为热传导性，常用导热系
数来表示。
dT Q kA dt dx
研究表明，岩石的比热容（C）与导热系数（k） 间存在如下关系：
岩 岩
大 理 岩 板 岩
2018/5/27
岩石力学
岩石的物理性质
孔隙度：岩石中孔隙体积与岩石总体积之比 (多用
百分数表示)。 裂隙率：岩石中各种节理、裂隙的体积与岩石总体 积之比称裂隙率。 孔隙度与裂隙率含义相同，孔隙度多用于松散土、 石，裂隙率多用于结晶连接的坚硬岩石。 一般岩石的孔隙度在0.1-0.35之间
2018/5/27 岩石力学
例题：
岩石的饱和密度为2.65g/cm3，干密度为
2.49g/cm3，请计算岩石的孔隙比和颗粒
密度
2018/5/27
岩石力学
2018/5/27
岩石力学
五、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。主要有： 1.吸水性 2.软化性 3.抗冻性 4.透水性
过程中的能量转换与守恒服从热力学原理。在以上
几种热交换方式中，以热传导传热最为普遍控制着 几乎整个地壳岩石的传热状态，对流传热主要在地 下水渗流带内进行。辐射传热仅发生在地表面。
（一）、岩石的吸水性
岩石在一定的试验条件下吸收水分的能力，称为岩 石的吸水性。 1.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
m w1 Wa 100% mw2
VVb dWa nb 100% dWa V w
式中：Cd 和Cw 分别为干燥岩石和水的比热容，x1 和x2分别为岩石干重和水重。
2018/5/27 岩石力学
第三节 岩石的热学性质
二、岩石的导热系数
岩石传导热量的能力，称为热传导性，常用导热系
数来表示。
dT Q kA dt dx
研究表明，岩石的比热容（C）与导热系数（k） 间存在如下关系：
岩 岩
大 理 岩 板 岩
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岩石力学
岩石的物理性质
孔隙度：岩石中孔隙体积与岩石总体积之比 (多用
百分数表示)。 裂隙率：岩石中各种节理、裂隙的体积与岩石总体 积之比称裂隙率。 孔隙度与裂隙率含义相同，孔隙度多用于松散土、 石，裂隙率多用于结晶连接的坚硬岩石。 一般岩石的孔隙度在0.1-0.35之间
2018/5/27 岩石力学
例题：
岩石的饱和密度为2.65g/cm3，干密度为
2.49g/cm3，请计算岩石的孔隙比和颗粒
密度
2018/5/27
岩石力学
2018/5/27
岩石力学
五、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。主要有： 1.吸水性 2.软化性 3.抗冻性 4.透水性
过程中的能量转换与守恒服从热力学原理。在以上
几种热交换方式中，以热传导传热最为普遍控制着 几乎整个地壳岩石的传热状态，对流传热主要在地 下水渗流带内进行。辐射传热仅发生在地表面。
岩石基本物理力学性质PPT课件
岩石的变形指标
E
弹模
含或水E率t
d d
泊松比
含水 x率 y
剪切模量：G E
2(1 )
拉梅常数：
E
(1 )(1 2)
E
体积模量： Kv 3(1 2)
23
第243页/共36页
1.5 影响岩石力学性质的主要因素
• 围压 •水 • 温度 • 加载速度（应变率）
24
第254页/共36页
围压对岩石力学性质的影响
岩块 非连续面
联合作用
岩体特性
岩块研究 成果丰硕
理论背景 试验基础
采样 试验设备
2
第32页/共36页
课程章节调整
岩石物理力学性质 岩石的本构模型与强度理论 岩体力学性质 地应力 三大岩石工程--洞、坡、基
3
第43页/共36页
岩石的物理性质（Physical Properties of rocks)
砂岩
4~25
玄武岩 10~30 闪长岩 10~25
砾岩
2~15
石英岩 大理岩 白云岩
10~30 7~20 15~25
安山岩 片麻岩 板岩
10~20 5~20 7~15
灰岩
千枚岩、 片岩
5~20 1~10
Rt
1 25
~
1 4
Rc
13
第143页/共36页
岩石的抗剪强度
基本概念—正应力条件下施加剪切力，岩石能抵 抗的最大剪力
D点以后：破裂后阶段
典型的应力-应变曲线 第221页/共36页
21
岩石变形性质-体积变形
岩石的扩容
岩石在荷载作用下发生破坏之前产生体积膨胀大于体积压缩的非线性体积变形
岩石力学-岩石物理力学性质
（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；h/d≥(2－3)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 －1.0MPa/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。 温度度：180℃以下部明显：大于180℃，湿度越高强度越 小。
计算公式：由弹性力学Boursinesq公式
σt
=
2P πdt
劈裂破坏时最大压力 岩石圆盘试件厚度
岩石圆盘试件直径
①荷载沿轴向均匀分布 要求
②破坏面必须通过试件的直径 注：①端部效应 ②并非完全单向应力
由巴西人Hondros提出
抗弯法（梁的三点弯曲试验）
梁边缘到中性轴的距离
σ t = MC / I 梁截面绕中性轴的惯性矩
岩石单轴抗压强度
试验施加的围压
S ''' c
=
Sc
+
1+ 1−
sin sin
ϕ ϕ
σa
岩石三轴抗压强度
岩石内摩擦角
粘聚力 内摩擦角
Mohr’s strength envelop
1.4.1.4点荷载强度指标(point load strength index)
是上世纪发展起来的一种简便的现场试验方法。 试件：任何形状，尺寸大致5cm，不做任何加工。 试验：在直接带到现场的点荷载仪上，加载劈裂破坏。
岩石三向压缩强度的影响因素
（1）侧压力的影响 围压越大，轴向压力越大
(2)加载途径对岩石三向压缩强度影响(下图)
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；h/d≥(2－3)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 －1.0MPa/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。 温度度：180℃以下部明显：大于180℃，湿度越高强度越 小。
计算公式：由弹性力学Boursinesq公式
σt
=
2P πdt
劈裂破坏时最大压力 岩石圆盘试件厚度
岩石圆盘试件直径
①荷载沿轴向均匀分布 要求
②破坏面必须通过试件的直径 注：①端部效应 ②并非完全单向应力
由巴西人Hondros提出
抗弯法（梁的三点弯曲试验）
梁边缘到中性轴的距离
σ t = MC / I 梁截面绕中性轴的惯性矩
岩石单轴抗压强度
试验施加的围压
S ''' c
=
Sc
+
1+ 1−
sin sin
ϕ ϕ
σa
岩石三轴抗压强度
岩石内摩擦角
粘聚力 内摩擦角
Mohr’s strength envelop
1.4.1.4点荷载强度指标(point load strength index)
是上世纪发展起来的一种简便的现场试验方法。 试件：任何形状，尺寸大致5cm，不做任何加工。 试验：在直接带到现场的点荷载仪上，加载劈裂破坏。
岩石三向压缩强度的影响因素
（1）侧压力的影响 围压越大，轴向压力越大
(2)加载途径对岩石三向压缩强度影响(下图)
岩石的物理力学性质讲解
第二章 第八节岩石的物理力学性质
岩石的基本物理力学性质是岩体最基本、 最重要的性质之一，也是岩石力学学科中研究最 早、最完善的内容之一。
一、岩石的物理性质
岩石由固体，水，空气等三相组成。 (一) 密度（ρ ）和重度(γ )： 单位体积的岩石的质量称为岩石的密度。单位体积的岩
石的重力称为岩石的重度。所谓单位体积就是包括孔隙体积 在内的体积。
W （g/cm3），γ ＝ρ g(kN /m3)
V 岩石的密度可分为天然密度、干密度和饱和密度。 相应地，岩石的重度可分为天然重度、干重度和饱和重度 。
1、天然密度（ρ ）和天然重度（γ ）
指岩石在天然状态下的密度和重度。
W
V
g
（g/cm3） (kN /m3)
式中：W――天然状态下岩石试件的质量(g；) V——岩石试件的体积(cm3)； g——重力加速度。
三、岩石的主要力学性质
岩石的变形和强度特性 弹性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形能 够恢复的性质。 塑性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形不 能恢复的性质。 脆性：物体在外力作用下变形很小时就发生破坏的性质。 延性：物体能够承受较大的塑性变形而不丧失其承载能力的 性质。 粘性（流变性）：物体受力后变形不能在瞬间完成，且应变 速度（dε /dt）随应力大小而变化的性质。
A
（m3/s）
dh —水头变化率(水力梯度）； dx
qx——沿x方向水的流量；h——水头高度； A——垂直x方向的截面面积；k——渗透系数。
3、岩石的软化性
岩石的软化性是指岩石在饱水状态下其强度相对
于干燥状态下降低的性能，可用软化系数η 表示。
软化系数指岩石试样在饱水状态下的抗压强度
岩石的基本物理力学性质是岩体最基本、 最重要的性质之一，也是岩石力学学科中研究最 早、最完善的内容之一。
一、岩石的物理性质
岩石由固体，水，空气等三相组成。 (一) 密度（ρ ）和重度(γ )： 单位体积的岩石的质量称为岩石的密度。单位体积的岩
石的重力称为岩石的重度。所谓单位体积就是包括孔隙体积 在内的体积。
W （g/cm3），γ ＝ρ g(kN /m3)
V 岩石的密度可分为天然密度、干密度和饱和密度。 相应地，岩石的重度可分为天然重度、干重度和饱和重度 。
1、天然密度（ρ ）和天然重度（γ ）
指岩石在天然状态下的密度和重度。
W
V
g
（g/cm3） (kN /m3)
式中：W――天然状态下岩石试件的质量(g；) V——岩石试件的体积(cm3)； g——重力加速度。
三、岩石的主要力学性质
岩石的变形和强度特性 弹性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形能 够恢复的性质。 塑性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形不 能恢复的性质。 脆性：物体在外力作用下变形很小时就发生破坏的性质。 延性：物体能够承受较大的塑性变形而不丧失其承载能力的 性质。 粘性（流变性）：物体受力后变形不能在瞬间完成，且应变 速度（dε /dt）随应力大小而变化的性质。
A
（m3/s）
dh —水头变化率(水力梯度）； dx
qx——沿x方向水的流量；h——水头高度； A——垂直x方向的截面面积；k——渗透系数。
3、岩石的软化性
岩石的软化性是指岩石在饱水状态下其强度相对
于干燥状态下降低的性能，可用软化系数η 表示。
软化系数指岩石试样在饱水状态下的抗压强度
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cw KR c
cw)与
岩石中含有较多的亲水性和可溶性矿物，大开空隙 较多，岩石的软化性较强，软化系数较小。
KR＞0.75，岩石的软化性弱，工程地质性质较好
1、岩石的密度
2、岩石的孔隙性
（一）、岩石的密度
1、颗粒密度(ρ s)：岩石固体部分的质量与
其体积的比值。它不包含孔隙在内，因此 其大小仅取决于组成岩石的矿物密度及其 含量： ρ s= ms/Vs ρ s—为岩石的颗粒密度
ms—为岩石固体部分的质量 Vs—为岩石固体部分的体积
（一）、岩石的密度
2、块体密度（或岩石密度）是指岩石单位体 积内的质量，按岩石的含水状态，又有干 密度（ρ d）、饱和密度（ρ 指岩石的天然密度。 ρ d=ms/V ρ
1. 结构面的成因类型 2. 结构面的规模与分级 3. 结构面特征及其对岩石性质的影响
一）结构面的成因类型
地质成因类型
原生结构面 构造结构面 次生结构面
力学成因类型
张性结构面 剪性结构面
结构面的地质成因类型
1. 原生结构面：在岩石形成过程中形成的软弱面
岩浆岩的流动构造面、冷缩形成的原生裂隙面、侵入
不规则，多呈折线或锯凿状。断面凹凸不平，粗
糙度大，破碎带宽度变化大，且易被岩脉、矿脉
充填，有时并有岩浆沿之入侵。张性破裂面常常
具有含水丰富，导水性强以及剪切强度高等特征
结构面的力学成因类型
剪性破裂面：是由剪应力而形成的，破裂面
两侧岩体沿破裂面切线方向发生有不同程度的
滑错位移。具有擦痕、共轭性、规律的位移方
变形性、渗透性，力学上的连续性及岩体应
力分布等都有显著影响。因此，在很多情况
下，软弱面是岩体力学问题的一个主要控制 因素。从本质上说，软弱面使岩体变得更加 软弱，更易于变形而且表现为高度的各向异 性。
三、岩石的不连续性、非均匀性、各
向异性和渗透性
岩石的不连续性
岩石中普遍存在的结构面，无论是物质分异面还是物
辉 绿 岩 砂 页 岩 岩
2.85～3.12
2.80～3.11 2.17～2.70 2.06～2.66
片 麻 岩
片 岩
2.59～3.06
2.70～2.90 2.75左右 2.72～2.84
大 理 岩 板 岩
岩石的物理性质
孔隙度：岩石中孔隙体积与岩石总体积之比 (多用
百分数表示)。
裂隙率：岩石中各种节理、裂隙的体积与岩石总体
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
二、岩石的组构特征
2 岩石的结构
结晶连结：矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，
它是通过共用原子或离子使不同晶粒紧密接触－ 岩浆岩、变质岩、沉积岩中的碳酸岩
胶结连结：矿物颗粒通过胶结物连结在一起－
式中： e －孔隙比; n－孔隙度
密度是试验指标，只有通过试验才能得到具体数值, 而孔隙度和孔隙比是计算指标。
五、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。主要有： 1.吸水性 2.软化性 3.抗冻性 4.透水性
（一）、岩石的吸水性
岩石在一定的试验条件下吸收水分的能力，称为岩 石的吸水性。 1.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
dW p VV 0 n0 100% dW p V w
3.饱水系数
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。
（二）、岩石的软化性
岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性
软化系数(KR)为岩石试件的饱和抗压强度(σ 干抗压强度(σ c)的比值
m w1 Wa 100% mw2
VVb dWa nb 100% dWa V w
（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
Wp m w2 1 0 0% ms
向以及断面比较光滑，是剪性破裂面共有的特
征，也是鉴定剪性破裂面的主要依据。
下盘上升
上盘下降正断层——上盘相对 Nhomakorabea盘向下滑动的断层
三）结构面特征及其对岩体性质的影响
1. 产状
2. 连续性
3. 密度
4. 张开度 5. 形态 6. 充填胶结情况 7. 组合关系
软弱面的影响
岩石软弱面对岩体物理力学特性如岩体强度、
一般硅酸盐矿物有石英、长石、角闪石、辉 石、橄榄石（粒状）及云母和粘土矿物（片 状）等
含硬度大的粒状矿物愈多，岩石强度高－花 岗岩、闪长岩、玄武岩
含硬度小的片状矿物愈多，岩石强度愈低－ 粘土岩、泥岩
物质组成对力学性质的影响
碳酸盐类矿物主要包括石灰岩和白云岩类， 岩石的物理力学性质取决于岩石中的CaCO3 及酸不溶物的含量 CaCO3含量愈高，如纯灰岩、白云岩强度高 泥质含量高的，如泥质灰岩、泥灰岩等力学
积之比称裂隙率。
孔隙度与裂隙率含义相同，孔隙度多用于松散土、 石，裂隙率多用于结晶连接的坚硬岩石。 一般岩石的孔隙度在0.1-0.35之间
岩石的物理性质
孔隙比： 岩石中孔隙的体积与固体颗粒体积之比称 岩石的孔隙比(多以小数表示) 孔隙比和孔隙度可以互相换算：
n e 1 n
e n 1 e
式中： Kd --单向裂隙（1/m）
d -- 结构面间平均间距(m)
岩石的不连续性
b、平面裂隙率
平面裂隙率KA是指岩石单位面积上诸裂隙所占有的面积总
和，亦即
式中：
li -- 第i条裂隙面长度(m)；
ti -- 第i条裂隙面的宽度(m)； A -- 被测量的岩石总面积（m）
岩石的不均匀性
不均匀性是指天然岩体的物理、力学性质随空间位置不同
性质差
物质组成对力学性质的影响
碎屑岩的力学性质与胶结物成分的关系：
强度上：硅质>铁质>钙质>泥质
泥页岩的粘土矿物组成
蒙脱石
伊利石
粘土矿物
绿泥石
高岭石 伊蒙混层
力学性质
• 蒙脱石含量高→软，易变形，易水化
• 伊利石含量高→硬脆，不易变形，不易水化
二、岩石的组构特征
2 岩石的结构
而异的特性。分析现场岩体试验资料时可采用综合性的统
计特征--偏差系数V(%)来估算岩体的不均匀性，即：
式中：
x --各观测值xi的算术平均值。
σ--标准差估计值。
式中：N -- 试验观测点(次)数。
岩石的各向异性
岩石各向异性是指天然岩体的物理力学性质随空间
方位不同而异的特性，具体表现在它的强度及变形 特性等各方面。在天然岩体条件下，使岩体具有各 向异性的基本原因是由于岩石内普遍存在着层理、 片理、夹层和定向裂隙（断层）系统所致。目前在
质不连续面，都会使结构面两侧附近的岩石物理力学 性质呈现不连续变化。 对于裂隙性岩石，通常采用裂缝率作为定量评价岩石
被裂隙切割后破碎程度的指标。
岩石的不连续性
a、单向裂隙(或裂隙频率) 单向裂隙指一组结构面的法线方向上每单位长度(m)内， 法线与结构面的交割数目，以Kd(1/m)表示。即单向裂隙 率的倒数为成组结构面之间的平均间距，以d表示：
sat=msat/V sat）和天然密
度（ρ ）之分，在未指明含水状态时一般 ρ =m/V
常见岩石的密度
密度 岩石名称 花 岗 岩 闪 长 岩 (g／cm3) 2.52～2.81 2.67～2.96 岩石名称 石 灰 岩 白 云 岩 2.37～2.75 2.75～2.80 密度(g／cm3)
辉 长 岩
岩石的结构：岩石内矿物颗粒的大小、形状、排
列方式及微结构面发育情况与粒间连结方式等反映
在岩块构成上的特征。其中，粒间连结分结晶连结
与胶结连结
颗粒大小 颗粒形状 排列形式
强度： 粗粒<细粒 强度： 粒状、柱状>片状>鳞状 强度： 等粒>不等粒
二、岩石的组构特征
2 岩石的结构
微结构面：指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒间
岩石径向渗透性试验原理
径向渗透试验时，其渗透系数计算
式中 P－试样外壁上的水压力(KPa)； L－试验段(小孔)长度(m)； R1－试件内半径(m)； R2－试件外半径(m)； π－圆周率。
四、岩石的物理性质
岩石和土一样，也是由固体、液体和 相组成的。 物理性质是指岩石由于三相组成的相对比例关 系不同所表现的物理状态。 气体三
实际工程中对于成层岩体往往考虑其平行于层理和
垂直于层理方向的差异性。然而对于不具有层理的 岩体，则把它视为各自同性体。
岩石的渗透性
有压水可以透过岩石的孔隙、裂隙而流动， 岩石能透过水的能力称为岩石的渗透性。不 同岩石或裂隙性不同的岩石的渗透性不同， 渗透性的大小用渗透系数K表示。
岩石的渗透系数不仅与水的物理性质有关， 也与岩石的应力状态有关。
体与围岩的接触面； 沉积岩体内的层理面、不整合面； 变质岩体内的片理面，以及片麻构造面等。
在原生结构面中，除了原生裂隙，以及由于受构 造运动和风化作用的影响，已经脱开的软弱面外， 多具有一定的连结力和较高的强度。
结构面的地质成因类型
2. 构造结构面：岩石形成后的构造运动过程中产生的各种 破裂面 断裂面、层间错动面构造作用形成的软弱夹层，以及构 造裂隙面等
本次课的课程提纲
一、岩石的组构特征
二、岩石中的结构面（软弱面） 三、岩石的四个性质 四、岩石的物理 五、岩石的水理性能
cw)与
岩石中含有较多的亲水性和可溶性矿物，大开空隙 较多，岩石的软化性较强，软化系数较小。
KR＞0.75，岩石的软化性弱，工程地质性质较好
1、岩石的密度
2、岩石的孔隙性
（一）、岩石的密度
1、颗粒密度(ρ s)：岩石固体部分的质量与
其体积的比值。它不包含孔隙在内，因此 其大小仅取决于组成岩石的矿物密度及其 含量： ρ s= ms/Vs ρ s—为岩石的颗粒密度
ms—为岩石固体部分的质量 Vs—为岩石固体部分的体积
（一）、岩石的密度
2、块体密度（或岩石密度）是指岩石单位体 积内的质量，按岩石的含水状态，又有干 密度（ρ d）、饱和密度（ρ 指岩石的天然密度。 ρ d=ms/V ρ
1. 结构面的成因类型 2. 结构面的规模与分级 3. 结构面特征及其对岩石性质的影响
一）结构面的成因类型
地质成因类型
原生结构面 构造结构面 次生结构面
力学成因类型
张性结构面 剪性结构面
结构面的地质成因类型
1. 原生结构面：在岩石形成过程中形成的软弱面
岩浆岩的流动构造面、冷缩形成的原生裂隙面、侵入
不规则，多呈折线或锯凿状。断面凹凸不平，粗
糙度大，破碎带宽度变化大，且易被岩脉、矿脉
充填，有时并有岩浆沿之入侵。张性破裂面常常
具有含水丰富，导水性强以及剪切强度高等特征
结构面的力学成因类型
剪性破裂面：是由剪应力而形成的，破裂面
两侧岩体沿破裂面切线方向发生有不同程度的
滑错位移。具有擦痕、共轭性、规律的位移方
变形性、渗透性，力学上的连续性及岩体应
力分布等都有显著影响。因此，在很多情况
下，软弱面是岩体力学问题的一个主要控制 因素。从本质上说，软弱面使岩体变得更加 软弱，更易于变形而且表现为高度的各向异 性。
三、岩石的不连续性、非均匀性、各
向异性和渗透性
岩石的不连续性
岩石中普遍存在的结构面，无论是物质分异面还是物
辉 绿 岩 砂 页 岩 岩
2.85～3.12
2.80～3.11 2.17～2.70 2.06～2.66
片 麻 岩
片 岩
2.59～3.06
2.70～2.90 2.75左右 2.72～2.84
大 理 岩 板 岩
岩石的物理性质
孔隙度：岩石中孔隙体积与岩石总体积之比 (多用
百分数表示)。
裂隙率：岩石中各种节理、裂隙的体积与岩石总体
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
二、岩石的组构特征
2 岩石的结构
结晶连结：矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，
它是通过共用原子或离子使不同晶粒紧密接触－ 岩浆岩、变质岩、沉积岩中的碳酸岩
胶结连结：矿物颗粒通过胶结物连结在一起－
式中： e －孔隙比; n－孔隙度
密度是试验指标，只有通过试验才能得到具体数值, 而孔隙度和孔隙比是计算指标。
五、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。主要有： 1.吸水性 2.软化性 3.抗冻性 4.透水性
（一）、岩石的吸水性
岩石在一定的试验条件下吸收水分的能力，称为岩 石的吸水性。 1.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
dW p VV 0 n0 100% dW p V w
3.饱水系数
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。
（二）、岩石的软化性
岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性
软化系数(KR)为岩石试件的饱和抗压强度(σ 干抗压强度(σ c)的比值
m w1 Wa 100% mw2
VVb dWa nb 100% dWa V w
（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
Wp m w2 1 0 0% ms
向以及断面比较光滑，是剪性破裂面共有的特
征，也是鉴定剪性破裂面的主要依据。
下盘上升
上盘下降正断层——上盘相对 Nhomakorabea盘向下滑动的断层
三）结构面特征及其对岩体性质的影响
1. 产状
2. 连续性
3. 密度
4. 张开度 5. 形态 6. 充填胶结情况 7. 组合关系
软弱面的影响
岩石软弱面对岩体物理力学特性如岩体强度、
一般硅酸盐矿物有石英、长石、角闪石、辉 石、橄榄石（粒状）及云母和粘土矿物（片 状）等
含硬度大的粒状矿物愈多，岩石强度高－花 岗岩、闪长岩、玄武岩
含硬度小的片状矿物愈多，岩石强度愈低－ 粘土岩、泥岩
物质组成对力学性质的影响
碳酸盐类矿物主要包括石灰岩和白云岩类， 岩石的物理力学性质取决于岩石中的CaCO3 及酸不溶物的含量 CaCO3含量愈高，如纯灰岩、白云岩强度高 泥质含量高的，如泥质灰岩、泥灰岩等力学
积之比称裂隙率。
孔隙度与裂隙率含义相同，孔隙度多用于松散土、 石，裂隙率多用于结晶连接的坚硬岩石。 一般岩石的孔隙度在0.1-0.35之间
岩石的物理性质
孔隙比： 岩石中孔隙的体积与固体颗粒体积之比称 岩石的孔隙比(多以小数表示) 孔隙比和孔隙度可以互相换算：
n e 1 n
e n 1 e
式中： Kd --单向裂隙（1/m）
d -- 结构面间平均间距(m)
岩石的不连续性
b、平面裂隙率
平面裂隙率KA是指岩石单位面积上诸裂隙所占有的面积总
和，亦即
式中：
li -- 第i条裂隙面长度(m)；
ti -- 第i条裂隙面的宽度(m)； A -- 被测量的岩石总面积（m）
岩石的不均匀性
不均匀性是指天然岩体的物理、力学性质随空间位置不同
性质差
物质组成对力学性质的影响
碎屑岩的力学性质与胶结物成分的关系：
强度上：硅质>铁质>钙质>泥质
泥页岩的粘土矿物组成
蒙脱石
伊利石
粘土矿物
绿泥石
高岭石 伊蒙混层
力学性质
• 蒙脱石含量高→软，易变形，易水化
• 伊利石含量高→硬脆，不易变形，不易水化
二、岩石的组构特征
2 岩石的结构
而异的特性。分析现场岩体试验资料时可采用综合性的统
计特征--偏差系数V(%)来估算岩体的不均匀性，即：
式中：
x --各观测值xi的算术平均值。
σ--标准差估计值。
式中：N -- 试验观测点(次)数。
岩石的各向异性
岩石各向异性是指天然岩体的物理力学性质随空间
方位不同而异的特性，具体表现在它的强度及变形 特性等各方面。在天然岩体条件下，使岩体具有各 向异性的基本原因是由于岩石内普遍存在着层理、 片理、夹层和定向裂隙（断层）系统所致。目前在
质不连续面，都会使结构面两侧附近的岩石物理力学 性质呈现不连续变化。 对于裂隙性岩石，通常采用裂缝率作为定量评价岩石
被裂隙切割后破碎程度的指标。
岩石的不连续性
a、单向裂隙(或裂隙频率) 单向裂隙指一组结构面的法线方向上每单位长度(m)内， 法线与结构面的交割数目，以Kd(1/m)表示。即单向裂隙 率的倒数为成组结构面之间的平均间距，以d表示：
sat=msat/V sat）和天然密
度（ρ ）之分，在未指明含水状态时一般 ρ =m/V
常见岩石的密度
密度 岩石名称 花 岗 岩 闪 长 岩 (g／cm3) 2.52～2.81 2.67～2.96 岩石名称 石 灰 岩 白 云 岩 2.37～2.75 2.75～2.80 密度(g／cm3)
辉 长 岩
岩石的结构：岩石内矿物颗粒的大小、形状、排
列方式及微结构面发育情况与粒间连结方式等反映
在岩块构成上的特征。其中，粒间连结分结晶连结
与胶结连结
颗粒大小 颗粒形状 排列形式
强度： 粗粒<细粒 强度： 粒状、柱状>片状>鳞状 强度： 等粒>不等粒
二、岩石的组构特征
2 岩石的结构
微结构面：指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒间
岩石径向渗透性试验原理
径向渗透试验时，其渗透系数计算
式中 P－试样外壁上的水压力(KPa)； L－试验段(小孔)长度(m)； R1－试件内半径(m)； R2－试件外半径(m)； π－圆周率。
四、岩石的物理性质
岩石和土一样，也是由固体、液体和 相组成的。 物理性质是指岩石由于三相组成的相对比例关 系不同所表现的物理状态。 气体三
实际工程中对于成层岩体往往考虑其平行于层理和
垂直于层理方向的差异性。然而对于不具有层理的 岩体，则把它视为各自同性体。
岩石的渗透性
有压水可以透过岩石的孔隙、裂隙而流动， 岩石能透过水的能力称为岩石的渗透性。不 同岩石或裂隙性不同的岩石的渗透性不同， 渗透性的大小用渗透系数K表示。
岩石的渗透系数不仅与水的物理性质有关， 也与岩石的应力状态有关。
体与围岩的接触面； 沉积岩体内的层理面、不整合面； 变质岩体内的片理面，以及片麻构造面等。
在原生结构面中，除了原生裂隙，以及由于受构 造运动和风化作用的影响，已经脱开的软弱面外， 多具有一定的连结力和较高的强度。
结构面的地质成因类型
2. 构造结构面：岩石形成后的构造运动过程中产生的各种 破裂面 断裂面、层间错动面构造作用形成的软弱夹层，以及构 造裂隙面等
本次课的课程提纲
一、岩石的组构特征
二、岩石中的结构面（软弱面） 三、岩石的四个性质 四、岩石的物理 五、岩石的水理性能