5工程地质岩石的工程地质性质
岩石的工程地质性质
一、岩石的工程地质性质指标
物理性质 密度，孔隙率，吸水性 力学性质 强度，变形 水理性质 透水性，溶解性，软化性，抗冻性
(一)物理性质
1.密度 岩石单位体积的质量。
2.相对密度 固体岩石的质量与同体积4℃水的质量的比值。
3.岩石的孔隙率 岩石中孔隙、裂隙的体积与岩石总体积的比值。
2.变形模量 应力与总应变的比值。
3.泊松比 轴向压力作用下的模向应变和纵向应变的比值。
(三)水理性质
1.透水性 2.溶解ห้องสมุดไป่ตู้ 3.软化性 4. 抗冻性
二、影响岩石工程性质的因素
1. 矿物成分 2. 结构
岩石按结构分类：结晶联结、胶结物联结 强度上的一般规律：
结构：结晶联结＞胶结物联结 胶结物：
硅质胶结＞铁质胶结＞钙质胶结＞泥质胶结 胶结方式(图1-4)：
接触胶结＞孔隙胶结＞基底胶结
二、影响岩石工程性质的因素
3. 构造 一些强度底、易风化的矿物，多沿一定的
方向富集，或成条带状风布，或成局部的聚集体， 从而使岩石的强度在这些部位出现弱化。
4. 水的作用
5. 风化
4.吸水率 指在常压条件下岩石所吸水分质量与干燥岩石质量 的比值。
(二)力学性质
强度指标
1.抗压强度 岩石在单向压力作用下，抵抗压碎破坏的能力。
2.抗拉强度 岩石单向拉伸时，抵抗拉断破坏的能力。
3.抗剪强度 岩石抵抗剪切破坏的能力。可分为抗剪断强度、抗 剪强度和抗切强度。
(二)力学性质
变形指标
1.弹性模量 应力与弹性应变的比值。
土木工程本科题库与答案：工程地质
工程地质参考资料一、填空题（本大题共0分，共 40 小题，每小题 0 分）1. 一条河流从河源到河口一般分为三段，即______、______和______。
2. 河流的搬运方式可分为______和______两大类。
3. 岩石风化程度划分为______、______、______、______和______。
4. 变质作用的主要类型有______、______和______三类。
5. 岩石的工程性质包括：______、______和______。
6. 自然界的矿物按其内部组成质点是否有规律排列可分为______和______两类。
7. 湿陷性黄土又可分为______和______。
8. 地质年代分为______地质年代和______地质年代。
9. 从地质作用来看，可以将垭口归纳为______、______和______三个基本类型。
10. 山岭地貌具有______、______、______等明显的形态要素。
11. 风化作用的主要类型有______、______和______。
12. 变质作用的主要因素有______、______、______。
13. 山坡是山岭地貌形态的基本要素之一，按山坡的纵向轮廓分类，山坡可分为______、______、______和______。
14. 按堆积年代的不同，土可分为______、______和______。
15. 河流的侧蚀作用使河谷变______和变弯。
16. 风化作用按照破坏岩石的方式可分为：______、______和______。
17. 按高程，平原可分为______、______、______和______。
18. 构造运动按照其发生时间顺序可以分为：______、______、______。
19. 地貌基本要素包括_____、______和______。
20. 冻土根据其冻结时间分为______和______两种。
21. 根据《建筑地基基础设计规范》（GBJ 50007-2002）和《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001），作为建筑地基的土，可分为：______、______、______、______、______和______。
岩石的工程地质性质
(2)岩石的抗拉强度——岩石单向受拉时，能承受的最 大拉应力。 用于岩体稳定性评价
①直接拉伸试验
②劈裂法
t
2Pt
d l
③岩点石荷载的试抗验拉强度远低于其抗压强度
1/10
P64表5-6
(3)岩石的剪切强度——岩石受剪力作用时抵抗剪切破坏 的最大剪应力。岩体稳定性计算必需的参数:C和φ
①抗剪断强度
泊松比μ 工程上，常采用应力—应变曲线上抗压强度50%的应变点
的横向应变与轴向应变之比。
二、单向受力条件下的岩石强度
根据外力的性质
岩石的抗压强度 岩石的抗拉强度 岩石 剪断破坏
为什么岩石破坏的类型只有拉断和剪断 两种，而没有“压坏”的说法？
答： 岩石的破坏实质上是由于岩石内部的某个(些)面
．． ．．
非稳定裂隙扩展至岩石结构破坏阶段：
微裂隙迅速增加和不断扩展，形成局部拉裂或剪裂 面。体积变形由压缩变为膨胀，最终导致岩石结构完全 破坏，但仍具有整体性。
．．
上界应力称为峰值强度（单轴抗压强度）
微裂隙聚结与扩展阶段：
裂隙扩展成分叉状，并相互联合形成宏 观断裂面，应力随应变增加而降低。
． ．
弹性极限（比例极限） 屈服极限 峰值强度（单轴抗压强度） 残余强度
微裂隙及孔隙闭合阶段 A
可恢复弹性变形阶段 B
部分弹性变形至微裂隙 扩展阶段 C 非稳定裂隙扩展至岩石结 构破坏阶段 D 微裂隙聚结与扩展阶段 E
沿破断面滑移阶段 F
微裂隙及孔隙闭合阶段： 裂隙及孔隙逐渐被压密。非线性变形，曲线上凹
岩石的硬度、成因及工程地质性质
岩石的硬度、成因及工程地质性质
一、岩石的主要矿物
构成岩石的矿物称为造岩矿物。
矿物的成分、性质及其在各种因素影响下的变化，都会对岩石造成影响。
例如，岩石中的石英含量越多，钻孔的难度就越大，钻头、钻机等消耗量也就越多。
物理性质是鉴别矿物的主要依据。
依据颜色鉴定矿物的成分和结构，依据光泽鉴定风化程度，依据硬度鉴定矿物类别。
表1矿物硬度表
二、岩石的成因类型及其特征
三、岩浆岩、沉积岩和变质岩的地质特征
四、岩石的工程地质性质
1.岩石的物理力学性质
（1）岩石的主要物理性质
（2）岩石的主要力学性质。
1.5岩石的工程地质性质
在风干状态下极限抗压强度的比。用小数表示。其值越小， 表明岩石在水作用下的强度和稳定性越差。
岩石的软化性决定于岩石的矿物成分、结构和构造特征。 岩浆岩和变质岩的软化系数大都接近于1.0；粘土矿物含量 高、孔隙度大、吸水率高的岩石，软化系数越小，如泥灰 岩和页岩。
降低岩石的强度。在工程中应当重视岩石中这些低强度 矿物含量的增长对岩石强度的降低作用。
但也不能简单地认为，含有高强度矿物的岩石，其强度一定就 高。因为岩石受力作用后，内部应力是通过矿物颗粒的直接接 触来传递的，如果强度较高的矿物在岩石中互不接触，则应力 的传递必然会受中间低强度矿物的影响，岩石不一定就能显示 出高的强度。
180~300
岩石名称 辉绿岩
抗压强度 （MPa）
200~350
岩石名称 页岩
抗压强度 （MPa）
10~100
100~250
玄武岩
150~300
砂岩
20~200
180~300
石英岩
150~350
砾岩
10~150
100~250 100~250 80~250
大理岩 片麻岩 灰岩
100~250 50~200 20~200
岩体 = 结构面 + 结构体
岩块的强度高，岩体的强度不一定高。
结构面的发育程度、性质、充填情况以 及连通程度等，对岩体的工程性质有很 大的影响。
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1. 结构面
结构面：存在于岩体中的各种地质界面。
（1）结构面类型： 原生结构面：成岩时形成
沉积结构面：层面、层理、夹层等 火成结构面：原生节理、流纹面、接触面等等 变质结构面：片麻理、片理等等
地质学：岩石的工程性质及工程分类
岩石的释荷
岩 石从 地 下 深 处 变 到 地表 条 件 时 由 于 上 覆静 压 力 减 小 而 产 生张 应 力 形 成 一 系 列与 地 表 平 行 的 宏 观和 微 观 的 内 部 破 裂面 。 形 成 这 种 裂 隙构 造 的 作 用称为剥离作用。
在物理风化作用强烈的地区，其结果是在陡坡、山 麓和沟谷中产生大量的危石、碎石和岩屑，这是造成崩 坍、落石、泥石洪流的基本条件。
岩浆岩：（酸性岩＞基性岩）
变质岩：（浅变质＞深变质）
2．矿物成分
岩浆岩抗风化能力的强弱与矿 橄榄石 ↓ 基性斜长石 物从岩浆中分异出来的顺序相反。 辉石 ↓ ↓ 单矿岩的抗风化能力强于复矿 中性斜长石 角闪石 岩； ↓ ↓ 浅色矿物（如正长石）抗风化 黑云母 酸性斜长石 ↙ ↘ 能力强于暗色矿物（如：橄榄石 正长石 等）。 ↓ 同种元素在不同的矿物中抗风 化能力不同。如石灰岩中的Ca易风 化，而斜长石中的Ca相对难风化。 白云母 ↓ 石英 抗 风 化 能 力 增 强
ds=ρs /ρw
孔隙比（e）与孔隙度（n）
e n ; 1 e n e 1 n
裂隙率（KT） ρ、ρs↑，n、e↓，岩石的工程性质↑
常见岩石的比重 (2.60~2.90)
岩石名称 花岗岩 比 重 2.50~2.84 岩石名称 泥灰岩 比 重 2.70~2.80
流纹岩
凝灰岩 闪长岩 斑岩
2.65左右
回弹强度： 用回弹仪弹击岩石面获得
回弹值，再由回弹值换算成抗压强度。
3、岩石破坏形式：
脆性破坏（没有明显变形突
然破坏）
塑性破坏（破坏前变形较大 ）
二、风化作用
地表及地面以下一定深度的岩石，在气温
变化、水溶液、气体及生物等各种营力的作用 下，逐渐产生裂隙、发生机械破碎和矿物成分 的改变，丧失完整性的过程。
工程地质-岩石及岩体的工程地质性质幻灯片课件
• 软化性指标是软化系数(softening coefficient)： 在数值上，等于岩石在饱和状态下的极限抗压 强度和在风干状态下的极限抗压强度的比，用 小数表示。其值越小，表示岩石在水作用下的 强度和稳定性越差。软化系数小于0.75的岩石， 认为是软化性强的岩石，工程性质比较差。
• 1）第一变形阶段为图中OA段曲线，属于微裂隙压密阶段， 岩石中微裂隙在压力作用下逐渐被压密，岩石的应力—应 变曲线呈上凹形。
• 2）第二变形阶段为图中AB段曲线，属于弹性变形阶段， 岩石中微裂隙进一步闭合及压密，孔隙被压缩，因而岩石 的应力—应变曲线为曲型的直线形式。曲线上B点所对应
的应力e为弹性极限强度或比例极限。
膨胀试验仪器
岩石的主要物理性质指标
2、岩石的主要力学性质指标
• （1）岩石的变形性质 • 岩石变形有弹性变形、塑性变形和黏性变形三种。 • 1）弹性变形 • 岩石在外力作用下发生变形，当外力撤去后又恢复其原
有的形状及体积的变形称为弹性变形。
• 2）塑性变形 • 岩石在超过其屈服极限外力作用下发生变形，当外力撤
包括孔隙)部分单位体积的重量。在数值上，等于岩石固体颗 粒的重量与同体积的水在4℃时重量的比。其大小，决定于岩
石中矿物的比重及其在岩石中的相对含量。
• （2）重度(容重, unit weight）：指岩石单位体积的重
量，在数值上等于岩石试件的总重量(包括孔隙中的水重)与 其总体积(包括孔隙体积)之比。其大小，决定于岩石中矿物 的比重，岩石的孔隙性及其含水情况。
工程地质学-第二章 岩石的工程地质性质-1-岩石的物理性质
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。
在公路建筑材料中 Ks→1，石料抗冻性能差， Ks >0.85的 石料寒冷地区不用。
2、岩石的透水性
透水性：在一定的水压作用下，水穿透岩石的能 力。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，因而在一定的水压作用下，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大小有关， 而且还与孔隙大小及其贯通程度有关。
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 。
3.岩石的膨胀性 评价膨胀性岩体工程的稳定。
1）自由膨胀率：无约
束条件下，浸水后胀变形 与原尺寸 之比 轴向自由膨胀
VH H / H （%）
H——试件高度 径向自由膨胀
VD D / D （%）
n0Leabharlann Vn0 V Ws V
Vn0 Ws
d 2 w
式中：Ws为干燥岩石重量；γd,γw干燥岩石和水的重度。
（3）岩石的饱水系数（Ks）
岩石吸水率与饱水率之比称为岩石的饱水系数，即
Ks
1 2
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。
Vnb Ws
Ws Vnb1 d1
V W1
w
式中：W s为干燥岩石的重量；γd,γw分别为干燥岩石和水的重度。
（2）岩石的饱水率（ω2）
岩石的饱水率指在高压（150个大气压）或真空
条件下，岩石吸入水的重量Wω2与岩石干重量Ws之比，
即：
岩体工程地质性质
散介质的岩体结构，一般是工程清
挖的对象。
三、岩体的工程地质质量分类
作为工程建筑的地基、围岩或是材料的岩体，因为
其岩石质量不同，岩体结构类型不同，岩体结构面类型也
有差异，再加上水的参与，风化作用的影响等等，使岩体
质量的评定因素十分复杂。但为了满足工程建设的实际需
要必须对岩体的工程地质质量进行分类。
1．岩石质量指标（R、Q、D—Rock, quality designation）分类
一、岩体结构面类型
指切割岩石的所有地质界面，如岩层面、断层面、节理面等。 依据结构面成因将其分为三种类型。 1．原生结构面：与岩石同时形成，如层面、片理，收缩裂隙。
2．次生结构面：岩石形成后叠加形成的，节理面，断层面等。
3．软弱结构面：是一类特殊的结构面，特指岩体中具有一定
厚度的结构面。它可以是原生的，也可以是次生的，工程地质 勘察中应予以特别重视。如砂岩中的泥岩夹层，花岗岩中的裂 隙风化带等。
弹塑性变形 --褶皱
弹脆性变形 --断层
（1）微裂隙压密阶段：岩石中微裂隙 在荷重下压密，此阶段δ 变化小而ε 变 化大 （2）弹性变形阶段：裂隙进一步密合， 不产生新裂隙，δ 、ε 近乎同步增加（曲 线外切线近45°），最高点称弹性极限抗
δ
屈服点
ε
压强度，亦称屈服点。
（3）裂隙发展和破坏阶段：新裂隙产生并发展，δ 增加不 多，而ε 快速增加，直至最高点，岩石发生整体破坏，此点的 δ 值称单轴极限抗压强度。 （4）峰值后阶段：岩石大变形，δ 下降至稳定。
（1）整体结构：即完整岩体，强度高、力学性质稳定。 （2）块状结构：整体强度高、
块度均匀，与完整岩体相近。 （3）镶嵌结构：块度具有显著两分性，但整体强度仍较高。
岩石及其工程地质性质
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二、地质作用
外力地质作用：由地球外部的能量引起的
由太阳辐射能引起，产生大气环流，形成水的循 环，动植物生长，在运动的过程中改造地表。
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二、地质作用
外力地质作用的营力：
河流的侵蚀； 地下水的潜蚀； 湖泊海洋的冲蚀;
风的吹蚀；
冰川的刨蚀等。
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二、地质作用
河流的侵蚀
亚马逊河流域
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三、矿物的物理力学性质
力学性质
硬度(hardness)：矿物新鲜面抵抗外力刻划的能 力，分为摩氏十级。 “滑石方，萤磷长，石英黄玉刚金刚”。
矿物硬度表
硬度 1 2 3 4 5 6 7 石英 8 黄玉 9 10
矿物 滑石 石膏 方解石 萤石 磷灰石 长石
刚玉 金刚石
一般用摩氏硬度计来决定矿物的相对硬度 野外调查时，常用指甲（2～2.5）、铅笔刀（5～5.5）、 玻璃（5.5～6）、钢刀刃（6～7）鉴别矿物的强度。
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一、岩浆岩
岩浆岩的产状：岩浆岩的空间位置、形态和岩体大
小，以及与周围岩石相接触的关系。
深成岩 侵入岩 岩 浆 岩 喷出岩 浅成岩 中心式喷发 裂隙式喷发
岩基、岩株、岩盖 和岩盆（盘）、岩 床、岩脉、岩墙等 火山锥、熔岩流、 熔岩被
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一、岩浆岩
岩浆岩的产状示意图
①岩基； ②岩株； ③岩盘； ④岩床； ⑤岩墙； ⑥火山颈； ⑦岩脉； ⑧岩被； ⑨火山锥； ⑩熔岩流； ⑪破火山口
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二、地质作用
地震作用(earthquake)
由于地壳运 动引起地球内部 机械能突然释放 时，以弹性波的
形式传播到地表
引起猛烈冲击。
工程地质选择题
一、单项选择题1．外力地质作用包括风化作用、搬运作用、沉积作用、成岩作用和(A．剥蚀作用)。
2．地球以地表为界分为外圈和内圈，以下各项不属于外圈的是(D．地核 )。
3．关于沉积岩形成过程顺序排列正确的是(B．风化剥蚀阶段、搬运阶段、沉积阶段、硬结成岩阶段)。
4．压力等于零时的抗剪断强度称为(B．抗切强度)。
5．下列关于褶皱的叙述不正确的是(A．褶皱构造使同一岩层产生明显的错动)。
6．随着距地表深度的不断加大，风化作‘用的程度(C．越来越弱)。
7．河流的地质作用一般表现为(D．侵蚀、沉积、搬运)。
8．地下水中含有多种气体成分，常见的有O2、CO2、H2S和(B．N2)。
9．地下水位的降低可使降水周围的地面(A．下降)。
10．下列关于震级和烈度的组合正确的是(C．每次地震震级只有一个，但烈度可有多个)。
11．采空区地表变形可分为(B．两种移动，三种变形)。
12．按结构成因，结构面分为原生、构造、次生结构面，岩体受构造应力作用所产生的破裂面指的是(B．构造结构面)。
13．洞室衬砌的主要作用是(A．承受岩土和水压力)。
14．在地下洞室的围岩分类中，RQD表示(B．岩石质量指标)。
15．回转钻探不适宜于的土层是(D．砾石土)。
1．内力地质作用包括地震作用、地壳运动、岩浆作用和（B．变质作用）2．地球以地表为界分为外圈和内圈，以下各项不属于内圈的是（A．大气圈）。
3．由岩浆冷凝固结所形成的岩石是（C．岩浆岩）。
4．关于岩石水理性质说法有误的一项是（C．岩石的透水性是指岩石在水的作用下，强度降低的一种性质）。
5．未经构造变动影响的沉积岩，其上下两套岩层的相对新老关系为 (C．上新下老)。
6．一幅完整的地质图应包括（D．平面图、剖面图和柱状图）。
7．随着距地表深度的不断加大，风化作用的程度(A．越来越弱)。
8．河流的地质作用一般表现为（D．侵蚀、沉积、搬运）。
9．地下水按埋藏条件可分为（A．包气带水、潜水、承压水）。
岩石的工程地质性质
软化性：指岩石在水的作用下强度降低的性质。 软化系数(softening coefficient)为岩石在饱水状态下 的极限抗压强度与风干状态下强度之比。<0.75是 强软化的岩石。 崩解性(disintegration)：指粘土质岩石吸水膨胀的 性质。 抗冻性(frost resistance)：指岩石抵抗冰劈作用的
沉积岩
•火山碎屑岩由细小火山灰组成，水理性质差。
•沉积碎屑岩受胶结物成分和胶结类型影响显著
•粘土岩浸水后易软化和泥化，还可能有膨胀性
对工程极为不利，但可作隔水层和防渗层。
•化学岩和生物化学岩具不同程度的可溶性，易 渗漏。
变质岩
工程性质与其原岩密切相关。 •动力变质岩的力学强度和抗水性 均较差。 •片理构造使岩石具有各向异性特 征。
3.1 岩石的物理力学性质 一 .岩石工程性质的常用指标
物理性质(physical properties)
重度（密度）(unit weight)：岩石单位体积的重力（
质量）。有干重度、湿重度和饱和重度之分.
比重(相对密度)(specific gravity)：固体岩石的重力（
质量）与同体积水在4º c时重力（质量）的比值。
3.5.2岩体的工程地质性质
岩体是指包括各种地质界面的单一或多种岩石 构成的地质体，它被各种结构面所切割，由大 小不同、形状不一的岩块所组合而成。岩体是 指某一地点一种或多种岩石中的各种结构面、 结构体的总体。
1.岩体结构分析
结构面包括各种破裂面、物质分异面、软弱夹 层等，按地质成因可分为原生的、构造、次生 原生结构面是成岩时形成的，分为沉积的、火 成的和变质的 构造结构面是在构造应力作用下，于岩体中形 成的断裂面、错动面、破碎带的总称 次生结构面是在风化、卸荷、地下水等作用下 形成的风化裂隙、破碎带、泥化夹层、夹泥层
岩石及岩体的工程地质性质
岩石的孔隙率的大小，主要决定于 岩石的 结构构造，同时也受风化作用、岩浆作用、构 造运动和变质作用的影响。
（3）吸水性 岩石的吸水性，反映岩石在一定条件下的吸
2.岩石的主要力学性质
岩石的力学性质是指岩石抵抗外力作用的 性能。岩石在外力作用下，首先发生变形，当 外力增加到某一数值时，岩石便开始破坏。所 以在研究岩石的力学性质时，既要考虑岩石的 变形特性，也要考虑岩石的强度特性。 （1）岩石的变形
岩石典型的应力～应变曲线岩石在外力作 用下产生变形，且其变形性质分为 弹性和塑性 两种。 根据曲率的变化，可将岩石变形过程划 分为四个阶段：
岩石和岩体过去统称岩石。实际上．从工程 地质观点看，岩石是矿物的集合体，没有显著软 弱面的石质材料，岩体则是岩石的地质综合体。 岩石的工程地质性质，是岩体的基础，岩体工程 地质性质，严格受其结构面的控制。
§4.1 岩石工程地质性质
就大多数的工程地质问题来看，岩石的工程 地质性质主要决定于岩体内部裂隙系统的性质及 其分布情况，但岩石本身的性质也起着重要的作 用。岩石的工程地质性质包括 物理性质和力学性 质二个主要方面。
形由压缩转变为膨胀。应力增加，裂隙进一步扩展，岩石局部破损，且破
损范围逐渐扩大形成员通的破裂面，导致岩石“破坏”。c点对应的应力
达到最大值，称为峰值强度或单轴极限抗压强度。
(4)峰值后阶段（图中c点之后） 岩石被环后，经过较大的变形，应力下
降到一定程度开始保持常数，d点对应的应力称为残余强度。
E
由于大多数岩石的变形具有不同程度的弹 性性质，且工程实践中建筑物所能作用于岩石 的压应力远远 低于单轴极限抗压强度。因此， 可在一定程度上将岩石看作 准弹性体，用弹性 参数表征其变形特征。
岩石的工程地质性质
➢ 断口：指非晶质矿物在受到外力打击作用后，破 裂面方向随机且极不平整光滑的性质。
➢ 裂开的不平整也不光滑的面称为断口面。 ➢ 根据断口的形态特征，常见如下类型：
①贝壳状断口； ②平坦状断口； ③参差状断口； ④锯齿状断口； ⑤刀片状断口； ⑥阶梯状断口。 值得注意：解理和断口
的性质此消彼长。
7. 密度和重度
3. 光泽
➢ 矿物光泽是指矿物表面对可见光的反射能力。 它的强弱取决于矿物的折射率、吸收系数和反 射率。
➢ 在矿物学中，将矿物光泽按反射率大小分为三 个等级，即金属光泽、半金属光泽和非金属光 泽。 （1）金属光泽：如同金属抛光表面上的反射光， 闪耀夺目。 （2）半金属光泽：比新鲜金属抛光面略暗一些， 如同陈旧的金属器皿表面的反射光。 （3）非金属光泽：如同非金属抛光表面上的反 射光，光泽暗淡。它可再细分为金刚光泽和玻 璃光泽。常见特殊的非金属光泽包括珍珠光泽、 油脂光泽、丝绢光泽、蜡状光泽和土状光泽等
第二章 岩石及其工程地质性质
内容提要：
一、矿物及其特征 二、岩浆岩及其特征 三、沉积岩及其特征 四、变质岩及其特征 五、岩石的工程地质性质
➢ 岩土体作为地基或建筑结构本身或部分，其工 程地质性质将直接影响工程的设计、施工和投 资以及稳定安全性，也是地质学尤其是工程地 质学研究的重要对象。
➢ 岩石是地质作用形成矿物的集合体。
4. 透明度
➢ 矿物透明度是指矿物透过可见光的能力，其大小可用 透射系数表示。
➢ 为了消除矿物厚度对透明度的影响，一般以0.03cm薄片 厚度作为参考标准。据此，矿物透明度可分为如下三个 等级：透明、半透明和不透明。
➢ 矿物颜色、条痕、光泽与透明度之间存在相互消长的关
系。
5. 硬度
3第一章 岩石的工程地质性质
一、岩石工程地质性质的常用指标
（二）岩石的水理性质
1.岩石的透水性 1.岩石的透水性 透水性：指岩石允许水通过的能力。 透水性：指岩石允许水通过的能力。
水只沿连通孔隙渗透，渗水性大小可用渗透系数表示， 水只沿连通孔隙渗透，渗水性大小可用渗透系数表示，主 要决定于岩石孔隙的大小、数量、方向及其相互连通情况。 要决定于岩石孔隙的大小、数量、方向及其相互连通情况。
一、岩石工程地质性质的常用指标
（三）岩石的力学性质
2.岩石的强度 2.岩石的强度 抗压强度： 抗压强度：岩石在单向压力作用下抵抗压碎破坏 的能力。 的能力。 抗拉强度： 抗拉强度：岩石在单向受拉条件下拉断时的极限 应力值。 应力值。 抗剪强度：岩石抵抗剪切破坏的能力。 抗剪强度：岩石抵抗剪切破坏的能力。
γ = ρ⋅g
一、岩石工程地质性质的常用指标
（一）岩石的物理性质
2.岩石的比重 2.岩石的比重 比重：岩石固体部分单位体积的重量， 比重：岩石固体部分单位体积的重量，即单位体积 固体颗粒的重量与4℃时同体积水的重量之比（Gs）。 4℃时同体积水的重量之比 固体颗粒的重量与4℃时同体积水的重量之比（Gs）。
ε
一、岩石工程地质性质的常用指标
（三）岩石的力学性质
1.岩石的变形特性 1.岩石的变形特性 弹性模量：单轴压缩条件下， 弹性模量：单轴压缩条件下，轴向压应力与轴向 应变之比。 应变之比。 弹性模量越大，变形越小， 弹性模量越大，变形越小，说明岩石抵抗变形 的能力越高。 的能力越高。 泊松比：横向应变与轴向应变之比。 泊松比：横向应变与轴向应变之比。 泊松比越大， 泊松比越大，表明岩石受力作用后的横向变形 越大。 越大。
变形= 结构体变形+ 变形= 结构体变形+结构面变形
岩石及其工程地质性质
第2章岩石及其工程地质性质【教学基本要求】1．了解地球的内圈层构造，知道地球的外圈层。
2．了解地质作用。
3．理解矿物（晶体）的形态，矿物的颜色、透明度、光泽、硬度、解理及断口等物理性质解主要硅酸盐、碳酸盐、氧化物造岩矿物的室内鉴定特征。
4．理解岩浆岩、沉积岩、变质岩的成因、矿物成分、结构、构造、分类及代表性岩石的特了解岩浆岩的产状。
5．理解岩石的物理性质、水理性质及其力学性质指标，掌握岩石的坚硬程度分类。
【学习重点】1、地质作用的类型及其对地壳改造的作用。
2、常见造岩矿物的主要形态及其主要的物理性质。
3、岩浆岩、沉积岩、变质岩的主要矿物成分及其结构、构造。
4、岩石工程地质性质指标的基本概念及其意义。
【内容提要和学习指导】2.1 地球的总体特性地球是一个不标准的旋转椭球体，赤道半径(a)6378.14km，两极半径(b)6356.779km，地球平率（）为，赤道附近稍微凸出，极区稍微扁平，赤道与极地半径相差22km。
1、地球的圈层构造地球具有一定的圈层构造，以地表为界分为外圈和内圈，外圈包括大气圈、水圈和生物圈；通常分为地壳、地幔和地核。
地壳是莫霍面以上固体地球的表层部分，平均厚度约为33km，大陆厚度较大，大洋地壳厚度较；地幔是莫霍面以下、古登堡面以上部分，厚度约2900km，是地球的部分，主要由固态物质组成；地核是地球内古登堡面以下至地心的部分，厚度为3500km。
2、地质作用在自然界中所发生的一切可以改变固体地球的物质组成、构造和地表形态的作用称为地质根据地质作用的动力来源，地质作用可分为内动力地质作用和外动力地质作用两大类。
由地球内如地球的旋转能、重力能、放射性元素蜕变的热能等产生的地质应力所引起的地质作用即内动力作用，主要在地下深处进行，并可波及地表。
内动力地质作用包括：地壳运动、地震作用、岩浆和变质作用。
岩浆岩、变质岩等便是内动力地质作用的产物。
由地球范围以外的能源，如太阳得能、日月的引力能等为主要能源在地表或地表附近进行的地质作用，称为外动力地质作用。
4岩石的工程地质性质a
抗风化能力 抗化学风化的能力，主要取决于其成分
造岩矿物在地表风化条件下的化学稳定性
相对稳定性 很稳定的
较稳定的 不太稳定的 不稳定的
造岩矿物
石英 粘土矿物、白云母、正长石、酸性斜长石 角闪石、辉石、方解石、白云石 黑云母、橄榄石、基性斜长石
石英及粘土矿物为是沉积岩的主要组成， 抗风化能力强；
岩浆岩，大部分为不稳定的硅酸盐矿物。
b. 水理性质: 透水性和抗水性(软化性、溶解性)
透水性：主要决定于岩石岩体的空隙性
岩石本身具有原生的空隙：如具气孔构造 的岩浆岩（以玄武岩为代表），某些碎屑 沉积岩（如接触式胶结的砂岩）。 岩体中的原生及次生缝隙：玄武岩的原生 柱状裂隙，沉积岩的原生层间裂隙；地壳 运动在任何岩体中形成的构造裂隙。
泥质岩 粘土矿物高岭石等 化学岩 方解石(CaCO3)、白云石(CaMg(CO3)2) 、 SiO2、NaCl、KCl、石膏(CaSO4· 2H2O )
沉积岩的力学性质、水理性质差异很大，
抗风化能通常都较强
碎屑岩 工程地质性质一般较好，但其胶结物的 成分对其强度影响显著： 硅质胶结者强度较高、抗风能力强、透 水性低、抗水性好，钙质胶结的次之， 泥质胶结的最差。 火山碎屑岩中的凝灰岩，强度低，为软 弱岩；遇水软化明显。
沉积岩都具有层理构造： 沉积岩岩体的力学性质，具各向异性。 层理面，往往是力学薄弱面和透水界面。
(三) 变质岩的工程地质性质 变质岩的工程地质性质与其原岩密切相关。 原岩为岩浆岩的变质岩与岩浆岩相近 （花岗片麻岩－－－花岗岩） 原岩为沉积岩的变质岩与沉积岩相近
（板岩、千枚岩、片岩－－－泥质岩， 石英岩－－－硅质胶结的石英砂岩， 大理岩－－－石灰岩）。
抗水性(软化性)，用软化系数衡量：
工程地质 第2章 岩土类型及其工程地质性质2.3.5-2.4.5
工程地质第2章岩土类型及其工程地质性质（2.3.5-2.4.5）1岩石的工程地质性质指标岩石的工程地质性质指标吸水率：一个大气压力下和室温条件下自由吸入水48h的质量(m0)与岩石烘干试件质量(ms)之比值饱和吸水率：岩石试件在高压或真空条件下吸入水的质量（mp）和岩样干质量（ms）之比岩石的工程地质性质指标2.3.5 岩石的工程地质性质软化性：岩石浸水后强度降低的性能称为岩石的软化性抗冻性：岩石抵抗冻融破坏的性能称为岩石的抗冻性岩石的工程地质性质指标变形：岩石在外力或其它物理因素作用下发生形状或体积的变化岩石的工程地质性质指标岩石在单向拉伸时抵抗拉断破坏的能力岩石的工程地质性质指标☐影响岩石的工程地质性质的因素 矿物成分(密度、硬度）•比如：石英岩强度高于大理岩。
高于石英7方解石3☐影响岩石的工程地质性质的因素 结构（结晶联结、胶接物联结）竹叶状灰岩竹叶状灰岩砂岩泥岩差异风化岩石崩解☐岩石的工程分类工程中岩石的描述包括：地质年代、地质名称、风化程度、颜色、主要矿物、结构、构造和岩石质量指标。
地质分类：根据是岩石地质成因，矿物成份、结构构造和风化程度，可以用地质名称加风化程度表达，如强风化花岗岩、微风化砂岩等。
工程分类：主要根据岩石的工程性状，使工程师建立起明确的工程特性概念。
本章涉及的岩石工程分类主要根据岩石的坚硬程度和风化程度进行划分。
岩体的工程分类在第三章。
岩石的工程分类—坚硬程度的分类•按岩石抗压强度大于30MPa与小于30MPa划分为硬质岩与软质岩，☐风化岩的定义风化作用：地表及地面以下一定深度的岩石，在气温变化、水溶液、气体及生物等各种营力的作用下，逐渐产生裂隙、发生机械破碎和矿物成分的改变，丧失完整性的过程。
风化岩：在风化壳中，尚保留原岩结构和构造的风化岩石残积土：岩石经风化作用后，形成松散的岩屑和土层，残留在原地的堆积物。
34-151.风化作用类型物理风化岩石在自然因素作用下，发生机械破碎，而无明显的成分改变。
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浅成岩和喷出岩 力学强度高，一般不透水，不软化。具有气孔构造、流纹 构造及发育有原生裂隙的岩浆岩，会增加透水性。抗风化 能力较深成岩强。 陆地出露最广的岩浆岩依次是：花岗(闪长)岩、玄武岩、 安山岩。
(2) 沉积岩的工程地质性质 碎屑岩的成分 碎屑：石英，长石、岩石碎屑； 胶结物：硅质( SiO2) 、钙质(CaCO3)、泥质(高岭石等)、 铁质(Fe2O3)。 泥质岩的成分 粘土矿物高岭石等。 化学岩的成分 方解石、白云石、 SiO2等。 力学性质、水理性质差异很大， 除泥质岩外，抗风化能通常都较强。
第五节 岩石的工程地质性质
一、矿物岩石的鉴定特征和工程地质性质 12种造岩矿物：滑石、高岭石、绿泥石、黑云母、白云母、 方解石、白云石、角闪石、辉石、正长石、斜长石、石英。 矿物的肉眼鉴定特征：颜色、形态、硬度、解理、光泽、 盐酸反应等。 三大岩类：岩浆岩12种、沉积岩10种、变质岩8种。 岩石的肉眼鉴定特征：结构、成分、构造。 岩石的工程地质性质主要表现在： 1. 力学性质 2. 水理性质(透水性和抗水性) 3. 抗风化能力
五、三大岩类的工程地质性质
(1) 岩浆岩的工程地质性质 绝大部分岩浆岩，力学强度高，透水性弱，抗水性强 （不软化，不溶解）。但同沉积岩相比抗风化能力较弱。 不同产状的岩浆岩略有差异： 深成岩浆岩： 矿物颗粒间结晶联结，力学强度高； 孔隙率小，透水性弱、抗水性强；岩体大、整体稳定性 好；良好的建筑地基和天然建筑石材。总体抗化学风化 能力较差。
石灰岩溶蚀地貌 (Malham Cove, UK)
图片来自 /
石灰岩溶洞（图片来自/）
石 灰 岩 溶 蚀 地 貌 --象 鼻 山
四、岩石的抗风化能力 抗化学风化的能力，主要取决于其成分。 造岩矿物在地表风化条件下的化学稳定性 相对稳定性 很稳定的 较稳定的 1 造岩矿物 石英、锆石 白云母、正长石、酸性斜长石
三、岩石的水理性质: 透水性和抗水性(软化性，溶解性)
(1)透水性：主要决定于岩石岩体的空隙性。 岩体中的缝隙，有原生的和次生的。 岩体中的原生缝隙： 岩浆岩（以玄武岩为代表）的气孔构造； 某些碎屑沉积岩（如接触式胶结的砂岩）中的孔隙； 玄武岩的原生柱状裂隙； 沉积岩的原生层间裂隙。
玄武岩的原生柱状裂隙
二、岩石的力学性质：单轴抗压强度
矿物成分： 硬度大的：石英、长石、角闪石、辉石、
硬度中等的：方解石、白云石
硬度小的：云母、绿泥石、高岭石、滑石
《岩土工程勘查规范》GB50021-2001（2009年版），按岩 石的饱和单轴极限抗压强度把岩石划分为坚硬岩、中硬岩、 较软岩、软岩和极软岩。 坚硬程度 饱和单轴抗压强度 fr (MPa） 坚硬岩 较硬岩 较软岩 软岩 极软岩 >60 60-30 30-15 15-5 <5
沉积岩都具有层理构造： 岩体力学性质，各向异性。 层理面，往往是力学薄弱面和透水界面。
(3) 变质岩的工程地质性质 变质岩的工程地质性质与其原岩密切相关。
原岩为岩浆岩的变质岩与岩浆岩相近： 如，花岗片麻岩－－花岗岩 原岩为沉积岩的变质岩与沉积岩相近： 板岩、千枚岩、片岩－－泥质岩； 石英岩－－硅质胶结的石英砂岩； 大理岩－－石灰岩。 含大量片状矿物的（如滑石、绿泥石、云母和绢云母等） 的岩石，其力学强度相对较低，抗水性弱，抗风化能力 也较差。 变质岩的片理构造（片麻状、片状、千枚状和板状构造） 使其具有各向异性的特征，而且片理面往往成为岩体中 的薄弱面。
END
可溶解矿物： 岩盐 NaCl、KCl、石膏CaSO4·2H2O 、方解石。 方解石具微弱的溶解性，但石灰岩是地表分布最广的岩石。 在长时间的地质历史中，形成普遍的溶蚀。 石灰岩地区的溶隙溶洞，为地下水流动提供通道； 基岩存在Karst溶洞，常导致工程地质和环境地质问题。
石林（石灰岩溶蚀地貌）
图片来自 /
花岗岩
正长岩 流纹岩 闪长岩 安山岩 玄武岩 辉绿岩 砾岩 石英砂岩
100-200
80-250 120-250 100-160 120-250 120-250 160-200 40-200 70-150
砂质页岩
泥质岩 石灰岩 片麻岩 石英岩 大理岩 云母片岩 千枚岩 板岩
30-60
10-40 60-120 70-180 200-360 70-140 30-70 16-40 20-70
卸 荷 裂 隙
(2) 软化性：岩石浸水后强度会有所降低。岩石的软化性用 软化系数描述。
岩石的软化系数Kr = 饱和单轴抗压强度/干单轴抗压强度 软化系数Kr < 0.75者，属于软化岩石。 岩石的软化性，决定于岩石的矿物成分。 亲水矿物：粘土矿物（高岭石等）、绿泥石、滑石、云母。 易于遇水软化的岩石：泥质岩(页岩、粘土岩)，泥质胶结的 碎屑岩，板岩，千枚岩，片岩，火山凝灰岩，等。
硬质岩石: 岩浆岩，硅质、钙质、铁质胶结的碎屑岩， 石灰岩，片麻岩，大理岩，石英岩。 软质岩石: 泥质岩（页岩、粘土岩），泥质胶结的碎屑 岩，板岩，千枚岩，片岩，火山凝灰岩。
上述软质岩类如果含有硅质成分，强度将显著提高。
常见岩石的饱和抗压强度范围
岩石名称 极限抗压强度 (MPa) 岩石名称 极限抗压强度 (MPa)
几乎所有的软质岩石都是易于软化的。
常见种类岩石的软化系数范围
岩石种类 岩浆岩、片麻岩 石灰岩、白云岩 硅质石英砂岩 软化系数 Kr > 0.85 0.8-0.9 > 0.9
其他砂岩 板岩、千枚岩、片岩 泥质岩
0.6-0.8 < 0.5-0.7 < 0.4-0.6
(3) 溶解性：决定于岩石的矿物成分
较稳定的 2
较稳定的 3
方解石、白云石 (弱溶解性，不分解)
粘土矿物 (不易分解，但易软化)
很不稳定的
角闪石、辉石、黑云母、橄榄石、基性斜长石 (易被分解)
沉积岩的两种主要成分：石英和粘土矿物。 石英的化学稳定性最强； 粘土矿物在化学风化的条件下稳定性也较好，但是容易受 地下水的作用而软化，易发生物理风化。 沉积岩的组成成分，为地表风化产物，大部分具有较好的 抗化学风化能力。 岩浆岩，大部分为不稳定的硅酸盐矿物。在化学风化条件 下，易于被分解破坏。
化学岩的工程地质性质 石灰岩 力学强度大多较高，抗水性弱(具溶解性)，地下 水的溶蚀形成喀斯特(Karst)空洞。是地下水的集中渗流 通道，地基中的不稳定区。 白云岩 力学强度较高，具有微弱的溶蚀性。 硅质岩 强度高，抗水性好，抗风化能力强。 沉积岩中分布最广的是石灰岩，其次是泥质岩（页岩和 粘土岩）和砂岩。
碎屑岩的工程地质性质
工程地质性质一般较好，但其胶结物的成分对其强度影响 显著：
硅质胶结者，强度较高、抗风能力强、透水性低、抗水性 好，钙质胶结的次之，泥质胶结的最差。
火山碎屑岩中的凝灰岩，强度低，为软弱岩；遇水软化。
泥质岩的工程地质性质 易风化，强度低，在外荷载作用下变形大，遇水易软化和 泥化。泥质岩的天然边坡稳定性差。 透水性小，可成为天然的隔水防渗层。
Giant's Causeway, Northern Ireland.
National Park, California,USA
沉 积 岩 的 层 间 裂 隙
岩体中的次生缝隙： 地壳运动在岩体中形成的构造裂隙； 外动力地质作用形成，风化裂隙、溶