岩石的水理性质(教学参考)
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2章2010-岩石的物理水理性质
岩石的物理、 第2章 岩石的物理、水理性质
湖南科技大学土木学院阳生权
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花岗岩-胶结联结 花岗岩 胶结联结
2010-10-13
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BP3-1切片（SN-b1）破试件切片显微典型成像特征 切片（ 切片 ） 爆
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第2章 岩石的物理、水理性质 章 岩石的物理、
§ 2.1 概述 § 2.2 岩石的物理性质 岩石的密度、 岩石的密度、岩石的空隙性 § 2.3 岩石的水理性质 岩石的吸水性、岩石的软化性、 岩石的吸水性、岩石的软化性、 岩石的崩解性、岩石的膨胀性、 岩石的崩解性、岩石的膨胀性、 岩石的抗冻性、 岩石的抗冻性、岩石的渗透性
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岩石的物理、 第2章 岩石的物理、水理性质
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（3）岩石密度 计算 ）岩石密度(ρ)计算
块体密度
m ρ= V
（4）测试方法： ）测试方法：
ms ρd = V
msat ρsat = V
式中： ——岩石的质量 岩石的质量（ ——岩石的体积 岩石的体积（ 式中：m——岩石的质量（g）；V——岩石的体积（cm3）。
VV ρ s n e= = 1 = Vs ρ d 1 n
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岩石的物理、 第2章 岩石的物理、水理性质
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关于岩石空隙率的讨论
1.岩石空隙率一般指总空隙率。 岩石空隙率一般指总空隙率。 岩石空隙率一般指总空隙率 2. 一般不能实测！ 一般不能实测！
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。
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）。
2-2 岩石的物理、水理性质
18
②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 c表示。
软化系数指岩石试样在饱水状态下的抗压强度
σ
cb与在干燥状态下的抗压强度σ c之比，即
cb c c
各类岩石的η c=0.45～0.9之间。 η η
c c
>0.75,岩石软化性弱、抗水、抗风化能力强； <0.75，岩石的工程地质性质较差。
试验过程：将经过烘干的试块 （500g,分成约10块），放在带 有筛孔的圆筒内，使该圆筒在水 槽中以20r/min,连续旋转10 min, 然后将留在圆筒内的岩块取出烘 干称重，如此反复进行两次，按
下试计算耐崩解指数。
22
④岩石的崩解性
Id 2 mr W2 W0 100% md W1 W0
27
石的物理性质指标值
28
即：
sat
msat 100% ms
根据饱水率求得岩石的总开空隙率n0：
Vn 0 d sat n0 V sat
式中：ρd,ρsat干燥岩石和饱水岩石的密度。
17
（3）岩石的饱水系数（η w） 岩石吸水率与饱水率之比称为岩石的饱水系数，即
a w sat
饱水系数反映了岩石中大开空隙和小开空隙的相对 含量。饱水系数越大，岩石中的大开空隙越多，而小开 空隙越少。 吸水性较大的岩石吸水后往往会产生膨胀，给井巷 支护造成很大压力。
发生改变，直至破坏。
25
⑥岩石的透水性
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 岩石的透水性。岩石的透水性大小不仅与岩石的孔隙度
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
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
岩体力学3 [岩体的物理水理热学性质]
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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§ 3.1岩石的物理性质31一、岩石的密度二、岩石的空隙性§3.2岩石的水理性质32一、岩石的吸水性二、岩石的软化性三、岩石的抗冻性四、岩石的透水性§ 3.3岩石的热学性质岩的热学性质§3.1 岩石的物理性质z岩石和土一样，也是由固体、液体和气体三相组成的。
z定义：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。
岩石的密度1、岩石的密度2、岩石的空隙性一、岩石的密度z1、颗粒密度(ρs)ρs m s/V s=mz2、块体密度(ρ)ρ=m/V/Vz注意：（1）ρs与ρ的区别(ρs>ρ)33（2）ρs与ρ的单位（g/cm kN/m）（3）测试方法（ρs---比重瓶法；ρ--量积法）常见岩石的物理性质指标值大开空隙小开空隙岩石的空隙V 总空隙率(n )V ρ岩总开空隙率(n o )%1000×=n v =vb 大开空隙率(n b )%100×n b 空V V 率V ρ§3.2 岩石的水理性质定义：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22.软化性3.抗冻性4.透水性一、岩石的吸水性称为岩石的吸水性分的能力，称为岩石的吸水性。
a 件自由吸入水的质量(与岩样质量(件下自由吸入水的质量(m )与岩样干质量(m )%1×=w W 100a V ρw22.饱和吸水率p 力为或空条件般压力为15MPa)或真空条件下吸入水的质量(m )s sm d 0Wp n ρρ3.V 饱水系数饱水系数它反映了岩石中大小开空隙的相对饱水系数。
它反映了岩石中大、小开空隙的相对几种岩石的吸水性指标值二、岩石的软化性与干抗压强度(σ)的比值ccw σR K =岩石中含有较多的矿物大开z亲水性和可溶性矿物，大开空075岩石的软化性弱工程地质性质较好zK ＞0.75，岩石的软化性弱，工程地质性质较好常见岩石的物理性质指标值z 抗冻系数(R d )：岩石试件经反复冻融后的干抗压强度(σ)与冻融前干抗压强度(σ)之比，用百分数表示2×c R σ%100=d 质量损失率1z (K m )：冻融试验前后干质量之差(m s121−s s m m R ％抗冻性高z＞75％，K ＜2％，抗冻性高08的岩石抗冻性高于0.8的岩石，抗冻性高。
岩土的物理性质—岩石的性质(工程岩土课件)
A—岩石受压截面面积
压力系统和数据采集系统
岩石单轴压缩试验芯样
缺点：系统刚度低，试验中自身变形大，吸收大量能量，
在岩样屈服，承载力下降时，系统释放大量能量，急速岩
样破坏，使岩样在瞬间破坏（0.1-0.5s），这种失稳破坏
造成试验的不完整性，很难获得理想的全应力～应变曲线。
普通岩石压力机
1、配置先进的闭环控制系统
2、能获得理想的全应力～应变曲线
刚性压力机MTS
影响抗压强度的因素：
（1）岩石矿物成分、颗粒大小、结构、构造的影响；
（2）受岩石风化程度影响；
（3）饱和条件下岩石抗压强度小于天然状态或干燥条件下岩石
的抗压强度；
（4）试验条件的影响：试件尺寸、加载速率等。
2. 抗拉强度
轴向拉伸法
Rt
2 Pmax
Dl
劈裂法
3. 抗剪断强度（τ）
岩石在一定的压力条件下，被剪破时的极限剪切应力值 。
据岩石受剪时的条件不同把抗剪切强度分为
抗剪强度：两块岩样在垂
抗切强度：岩石剪断面上
直接合面上一定压应力的
无正压应力下，剪断时的
作用下，岩样接触面之间
最大剪应力值，它是测定
所能承受的最大剪切力。
岩石的
岩石的孔隙性
孔隙率、孔隙比
空隙性
岩石的裂隙性
裂隙率
岩石的孔隙率（或称孔隙度）是指岩石中孔隙体积与岩石总体积
3
之比值，常以百分数表示
岩石中孔隙的体积，cm
V
n n 100%
岩石的孔隙率，%。
V
岩石的总体积，cm3
岩石的孔隙比是指岩石中孔隙体积与岩石固体体积之比值。
岩石的水理性质
岩石的水理性质
岩石的水理性质取决于岩石的物质组成、结构、密度和粒度等因素。
1. 物质组成：岩石的物质组成会影响其对水的吸收和渗透性能。
例如，石英岩的渗透性较差，而砂岩的渗透性较好。
2. 结构：岩石的结构也会影响其对水的吸收和渗透性能。
岩石的结构越松软，水的渗透性越好。
3. 密度：岩石的密度也会影响其对水的渗透性能。
岩石的密度越大，水的渗透性越差。
4. 粒度：岩石的粒度也会影响其对水的渗透性能。
粒度小的岩石，水的渗透性越好。
岩石的水理性质(教学参考)
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.）岩石名称粘土粉沙细沙中沙粗沙细砾中砾粗砾给水度（％）最大5 19 28 32 35 35 26 26 最小0 3 10 15 20 21 13 12 平均2 18 21 26 27 25 23 224．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）。
第二节岩石的水理性质PPT学习教案
浸水后岩石试件的轴向膨胀变形
h 量 Vh h 100% 试件试验前的高度
浸水后岩石试件的径向膨胀变%
试件试验前的直径
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2.岩石的 侧向约 束膨胀 率 ——将具有侧向约束的试件浸入水中 ，使岩 石试件 仅产生 轴向膨 胀变形 时求得 的轴向 膨胀率 。
岩石类型 凝灰岩
软化系数
（%） 0.52~0.86
岩石类型 片麻岩
软化系数
（%） 0.75~0.97
闪长岩 辉绿岩 安山岩
0.60~0.80 0.33~0.90 0.81~0.91
砾岩 砂岩 页岩
0.50~0.96 0.65~0.97 0.24~0.74
石英片岩
绿泥石片 岩
千枚岩
0.44~0.84 0.53~0.69 0.67~0.96
吸水率（ %）
0.1~4.0
0.3~5.0
0.8~5.0
几种岩石 的吸水 率
岩石类型 凝灰岩
吸水率（ %）
0.5~7.5
砾岩
0.3~2.4
砂岩
0.2~9.0
岩石类型
石英片岩 绿泥石片
岩 千枚岩
吸水率（ %）
0.1~0.3
0.1~0.6
0.5~1.8
辉长岩 0.5~4.0
页岩
0.5~3.2 泥质板岩 0.1~0.3
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第11页/共14页
六、岩石 的膨胀 性 某些岩 石遇水 后具有 膨胀性 ，特别 是富含 粘土矿 物的粘 土岩、 页岩等 。岩石 的膨胀 性可用 不同条 件下的 膨胀率 和膨胀 压力等 参数来 反映。
1.岩石的 自由膨 胀率 ——岩石试件在无任何约束条件下浸 水后所 产生的 膨胀变 形 量与原试件尺寸的比值。 轴向自由膨胀率：
岩石的水理性质
岩石的水理性质岩石是地球的主要构成物，它们在地质历史中扮演着重要的角色。
我们可以从岩石的水理性质中了解其在地球上的地位。
水理性质的定义水理性质通常是指岩石的孔隙度、渗透性和孔隙结构。
而对于不同类型的岩石，其表现出来的水理性质是不同的。
岩石的孔隙度孔隙度是指岩石中的空隙所占的比例。
这些空隙可以是天然的裂隙、孔洞、或者人工制造的钻孔等。
孔隙度的大小取决于岩石的成因、组成和形态。
不同类型的岩石孔隙度的范围广泛，从极低的几个百分点到高达50%以上。
孔隙度对水在岩石中的运移有着至关重要的影响。
一个完全没有孔隙的岩石当然不能传递水，而孔隙度非常高的岩石则会像海绵一样吸收大量的水分。
岩石的渗透性渗透性指的是水在岩石中传递的能力。
渗透性是一个重要的水理性质，对于水文地质研究和工程实践都具有重要意义。
理论上来说，任何具有孔隙度的岩石都会有渗透性。
但不同类型的岩石的渗透性是不同的。
比如，沉积岩中的渗透性基本上与其孔隙度成正比；火山岩等多孔岩的渗透性则主要取决于岩石中的连通孔隙数量和大小等细节。
岩石的孔隙结构岩石的孔隙结构是指岩石中各类孔隙的空间组合。
孔隙结构的复杂性对岩石的水文地质行为和物理化学性质有着重要的影响。
通常，孔隙结构可以分为以下几类：•连通孔：指存在于岩石中的相互链接的孔隙。
它们可以形成岩石中的水文通道，对于渗透性以及水分传输有着至关重要的作用。
•盲孔：指存在于岩石中的封闭的孔隙，这些孔隙对于水分传递不起作用。
•微裂隙：指岩石中最细微的孔隙，比如石英中裂隙的大小只有几毫米。
岩石中的孔隙结构对于水文地质研究有着重要的意义。
研究岩石的孔隙结构可以提高我们对岩石水文性质的认识，从而更好地评估岩石的水资源潜力。
结论岩石的水理性质对于地球科学和工程学都有着至关重要的作用，尤其对于水文地质研究和资源开发更是至关重要。
面对不同类型的岩石，我们需要更深入的了解它们的孔隙度、渗透性和孔隙结构这些水理性质，以更好地利用并管理地球的水资源。
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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W
n 为岩石空隙能够容纳水量的体积V
n
与岩石体积（V）之比，表
达式为：W
n =V
n
／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W
r
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W
r =V
r
/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V
g
与岩石总体积（V）之比，μ=V
g
／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：
W
n =W
r
+μ 或n= W
r
+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.）
岩石名称粘土粉沙细沙中沙粗沙细砾中砾粗砾
给水度（％）最
大
5 19 28 32 35 35 2
6 26 最
小
0 3 10 15 20 21 13 12 平
均
2 18 21 26 27 25 2
3 22
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）。
岩石的渗透系数越大，渗透性能越好。
松散岩石渗透系数参考值（据王大纯等）
岩石名称
渗透系数（m／
d）岩石名称
渗透系数（m／
d）
亚粘土0.001～0.10 中沙 5.0～20.0 亚沙土0.10～0.50 粗沙20.0～50.0
粉沙0.50～1.0 砾石50.0～150.0 细沙 1.0～5.0 卵石100.0～500.0 此表为一般经验值，仅供参考。
岩石透水性能主要取决于岩石空隙的大小和连通程度。
设想一个理想圆管状的纵断面。
空隙的边缘上分布着一般条件下不能运动的结合水，其余为重力水。
由于空隙壁上不运动的结合水对于重力水存在着摩擦阻力，以及重力水质点之间存在着摩擦阻力，最靠边部的重力水，流速趋于0，中心部位流速最大。
所以，流速大小与空隙直径有关，空隙直径愈小，结合水所占的无效空间比例愈大，实际渗透断面就愈小，重力水所能达到的最大流速便愈小；当空隙直径小于两倍结合水厚度时，一般条件下，岩石则不能透水。
一般说来岩石的给水性越好，持水性越差，则岩石的透水性能就越好。
渗透系数不仅与岩石的性质有关，还与渗透液体的粘滞性、温度有关，通常情况下，由于水的物理性质变化不大，可以忽略，因此，可把渗透系数看成单纯说明岩石渗透性能的参数。
渗透性好的岩层，不一定都能形成含水层，那些只能透水而含不住水的岩层称为透水层。
在野外常见到有的岩层空隙大，连通性好，透水性强，具有很大的泄水能力，但因下部没有托水的隔水层或水平方向缺乏隔水边界，岩层中却很少含有地下水。
这种岩层称作透水层。
透水层与隔水层之间没有严格的界限，一般是用岩石的渗透系数来区分，将K≥0.001m/d的岩石划为透水层，
K<0.001m/d的岩石归入隔水层。