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1、石 崇河海大学岩土所13770773434，025-,第2章-岩石的物理性质,第2章 岩石的物理性质,2.1 岩石的基本特性 2.2 岩石的物理性质指标 基本物理性质 岩石的水理性质2.3 岩体结构 结构面的类型和自然特性 结构体及其力学特点岩体结构类型,2.4 岩石（体）的工程分类 完整岩块的工程分类岩体的工程分类,2.1 岩石的基本特性,岩土体是地壳的物质组成。岩体是地壳表层圈层，经建造和改造而形成的具有一定组分和结构的地质体。岩石是由矿物组成的，按成因岩石可划分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。成因类型不一样，差别也很大，因此，工程性质极为多样。1 岩浆岩的性质岩浆岩具有较高的力学强度，可作为各
2、种建筑物良好的地基及天然建筑石料。但各类岩石的工程性质差异很大。,2 沉积岩的性质碎屑岩的工程地质性质一般较好，但其胶结物的成分和胶结类型影响显著；粘土岩和页岩的性质相近，抗压强度和抗剪强度低，受力后变形量大，浸水后易软化和泥化；化学岩和生物化学岩抗水性弱，常具不同程度的可溶性。常常导致地基和边坡的失稳。,2.1 岩石的基本特性,3 变质岩的性质变质岩的工程性质与原岩密切相关，往往与原岩的性质相似或相近。变质岩的片理构造会使岩石具有各向异性特征，水工建筑中应注意研究其在垂直及平行于片理构造方向上工程性质的变化。,2.1 岩石的基本特性,岩石的容重岩石的密度岩石的比重,基本物理性质,2.2 岩石
3、的物理性质指标,岩石容重是指单位体积内岩石的重量，单位为KN/m3。根据试样的含水情况不同，分为干容重（rd）、湿容重（rm）和饱和容重。,基本物理性质,岩石的容重,岩石的容重取决于组成岩石的矿物成分、孔隙大小以及含水的多少；一般在26.528.0 KN/m3之间。随着岩石容重的增加，极限抗压强度也随着增大。,2.2 岩石的物理性质指标,岩石密度:是指单位体积内岩石的质量，单位为g/cm3。,它是研究岩石风化、岩体稳定性、围岩压力和选取建筑材料等必需的参数。,基本物理性质,岩石的密度,2.2 岩石的物理性质指标,岩石的比重:是指岩石的干的重力除以岩石的实体体积（不包括孔隙），再与40C时水的容
4、重相比。,-绝对干燥时体积为 的岩石重量；-岩石的实体体积（不包括孔隙体积）；-水的容重。,基本物理性质,岩石的比重,2.2 岩石的物理性质指标,孔隙性 岩石的孔隙率分为总孔隙率（n）、开口孔隙率（n0）和封闭孔隙率(nc)几种，各自的定义如下：总孔隙率：岩石试样中的孔隙体积与岩石试样的总体积的百分比；,基本物理性质,总,2.2 岩石的物理性质指标,开口孔隙率：试样中与大气相通的孔隙的体积与试样总体积之比；,基本物理性质,孔隙性,封闭孔隙率：试样中封闭的孔隙（与大气不相通的孔隙）的体积与试样总体积之比；,2.2 岩石的物理性质指标,孔隙率与开口和封闭孔隙率的关系,吸水性抗冻性渗透性,膨胀性崩解
5、性软化性,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,包括:,2.2 岩石的物理性质指标,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。常用吸水率，饱水率与饱水系数等指标表示。吸水率（a）：是指干燥岩石试样在一个大气压和室温条件下吸入水的重力（Ww1）与岩石的干重力（Ws）之比,即,岩石的水理性质,2.2 岩石的物理性质指标,岩石的吸水性吸水率实验测定：烘干箱烘干12小时（1050C）求得干重Ws，水中浸润12 24小时，称得湿重，算出吸入的水重Ww1，从而求得a。影响因素：孔隙的多少和细微裂隙的连通情况。应用：工程上常用吸水率作为判断岩石的抗冻性及
6、风化程度的指标。,岩石的水理性质,2.2 岩石的物理性质指标,岩石的吸水性饱水率 岩石的饱水率（sa）是指岩石在高压（一般压力为15Mpa）或真空条件下吸入水的重量（Ww2）与岩样干重量（Ws）之比,用百分数表示,岩石的水理性质,2.2 岩石的物理性质指标,岩石的吸水性饱水系数 岩石的吸水率与饱水率之比，称为饱水系数。,岩石的水理性质,2.2 岩石的物理性质指标,它反映了岩石中开口孔隙的发育程度。一般说来，饱水系数愈大，岩石中的开口孔隙相对愈多。饱水系数大，说明常压下吸水后余留的孔隙就愈少，岩石愈容易被冻胀破坏，因而其抗冻性差。,岩石的吸水性饱水系数变化范围：0.5.之间。意义：对于判别岩石的
7、抗冻性具有重要意义，小于0.91，在冻结中水尚有膨胀和挤入剩余的敞开孔隙的余地。大于0.91，无余地，冻结中冰会对孔隙和裂隙产生“冰劈”作用，从而造成岩石的胀裂破坏。,岩石的水理性质,2.2 岩石的物理性质指标,岩石的抗冻性 岩石抵抗冻融破坏的能力，称为抗冻性。常用冻融系数和重力损失率来表示。作用：评价岩石抗风化稳定性的重要指标；影响因素：岩石抗冻性能的高低取决于造岩矿物的热物理性质，颗粒间联结强度以及岩石的含水特征等因素。坚硬矿物刚性联结组成的致密岩石抗冻性能高，松软矿物等结构不致密的岩石抗冻性能低。,岩石的水理性质,2.2 岩石的物理性质指标,2.2 岩石的物理性质指标,岩石的抗冻性冻融系
8、数：是指岩石试件经反复冻融后的干抗压强度 与冻融前干抗压强度 之比，用百分数表示 重力损失率：岩石冻融前后干试样的重力差（）与冻融前干试样的重力（）的比值，以百分数表示即,岩石的水理性质,岩石的抗冻性两个参数的测定方法 制备试样610块，分两组。一组进行冻融实验，一组进行干燥状态下的抗压强度实验。冻融试样：先饱和处理，然后-200C冷冻4小时，然后200C水中融4小时，反复进行到规定次数，最后测定岩石在冻融前后的强度变化(冻融系数)和重力损失(重力损失率)。抗冻性衡量指标 抗冻系数大于75%，重力损失率小于5%的岩石为抗冻性能好的岩石。,岩石的水理性质,2.2 岩石的物理性质指标,岩石的膨胀性
9、岩石的膨胀性是指岩石浸水后体积增大的性质。形成机理：某些含岩土矿物成分的软质岩石，经水化作用后在粘土矿物的晶格内部或细分散颗粒的周围生成结合水溶剂膜，并且在相邻近的颗粒间产生楔劈效应，只要楔劈作用力大于结构联结力，岩石就会显示膨胀性。大多数结晶岩和化学岩是不具有膨胀性的，这是因为岩石中的矿物亲水性小和结构联结力强的缘故。如果岩石中含有绢云母、石墨和绿泥石一类矿物，由于这些矿物结晶具有片状结构的特点，水可能渗进片状层之间，同样产生楔劈效应，有时也会引起岩石体积增大。,岩石的水理性质,2.2 岩石的物理性质指标,岩石的膨胀性岩石膨胀大小一般用膨胀力和膨胀率两项指标表示，这些指标可通过室内试验确定。
10、目前国内大多采用土的固结仪和膨胀仪（书上2-9）的方法测定岩石的膨胀性。,岩石的水理性质,2.2 岩石的物理性质指标,岩石的崩解性岩石的崩解性是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。形成原理：这种现象是由于水化过程中削弱了岩石内部的结构联络引起的。常见于由可溶盐和粘土质胶结的沉积岩地层中。岩石崩解性一般用岩石的耐崩解性指数表示。这项指标可以在实验室内做干湿循环试验确定。,岩石的水理性质,2.2 岩石的物理性质指标,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，用软化系数（KR）表示。KR定义为岩石试件的饱和抗压强度（Rcw）与干压强度的比值，即：,岩石的水
11、理性质,KR愈小则岩石软化性愈强。研究表明：岩石的软化性取决于岩石的矿物组成与孔隙性。当岩石中含有较多的亲水性和可溶性矿物，且含开口孔隙较多时，岩石的软化性较强，软化系数较小。,2.2 岩石的物理性质指标,岩石的渗透性水在岩土体孔隙中的流动过程称为渗透。岩土体具有渗透的性质称为岩土体的渗透性。是岩石水理性质的重要指标，也是岩体稳定性分析的基本计算参数。由水的渗透引起岩土体边坡失稳、边坡变形、地基变形、岩溶渗透塌陷等均属于岩土体的渗透稳定问题。水在孔隙介质中的渗透问题，目前的研究在试验及理论上都有一定的水平，在解决实际问题方面也能够较好地反映水在孔隙介质中的渗流的运动规律。对于裂隙介质中的渗流研
12、究，则很不成熟。,岩石的水理性质,2.2 岩石的物理性质指标,渗透系数：介质对某种特定流体的渗透能力；渗透系数是表征岩石透水性的重要指标，其大小取决于岩石中孔隙、裂隙的数量、规模及连通情况等，并可在室内根据达西定律测定。岩石的渗透性一般都很小，远小于相应岩体的渗透性，新鲜致密岩石的渗透系数一般均小于10-7cm/s量级。同一种岩石，有裂隙发育时，渗透系数急剧增大，一般比新鲜岩石大46个数量级，甚至更大，说明孔隙性对岩石透水性的影响是很大的。,岩石的渗透性,岩石的水理性质,2.2 岩石的物理性质指标,渗透系数影响因素：岩石的物理特性和结构特征，如孔隙和裂隙的大小、开启程度以及连通情况等。有时与岩
13、石的应力状态也有很大关系。实验确定方法：岩石渗透仪（图26），实验时采用式（221）计算渗透系数。,岩石的渗透性,岩石的水理性质,2.2 岩石的物理性质指标,岩土渗透性分级：水利水电工程地质勘察规范（GB50287-99）规定，岩土渗透性可按下表分级：,岩石的水理性质,2.2 岩石的物理性质指标,2.3 岩体结构,岩体结构包括两个组成部分：结构面和结构体。结构面是指岩体中的各种地质界面，它包括物质分异面和不连续面，诸如层面和断裂面等。结构体是不同产状和不同规模的结构面相互切割而形成的、大小不一、形态各异的岩石块体。因此，岩体可以看作结构体的组合。,结构面的类型,结构面的类型和自然特性,2.3
14、岩体结构,结构面的自然特性 是指结构面的规模、结构面上的物质组成、结构面的结合状态和空间分布以及密集程度等等。结构面的等级：按结构面的规模分为四个等级，每个等级都关系到岩体的稳定性。结构面的物质组成及结合状态：主要分析结构面的宽度、结构面上有无蚀变现象以及其中充填物质的成分，可分为五种情况：（a）闭合，无充填物；（b）张开，有少量充填物；（c）闭合，有泥质粘膜；（d）张开，有1mm的矿物薄膜；（e）次生泥化作用明显，结构面之间的物质是岩屑和泥质物。,结构面的类型和自然特性,2.3 岩体结构,结构面的自然特性结构面的空间分布与延展性：结构面的延展性是与规模大小相对应的，在空间连续分布的结构面，其
15、延展程度高，规模大，对岩体的稳定性影响大；短小或不连贯的结构面，其延展程度低，规模小，对岩体的稳定性影响小。结构面的密集程度：两个指标：（a）岩体内结构面的组数；（b）单位体积（面积、长度）内结构面的数量。,结构面的类型和自然特性,2.3 岩体结构,结构面的统计分析 目前常把实测的关于裂隙的产状、间距、宽度和面积等资料，用数字或图表的方式加以表示，从而反映裂隙的出现频率和裂隙间的组合关系，并用之作为评价岩体质量的依据。裂隙统计图 采用赤平极射投影原理，通常采用施密特极坐标网表示裂隙面的产状。即把实测到的裂隙的倾向和倾角投影到极坐标网上，网上的每一个点，即代表一个裂隙面的产状。为了反映岩体中不同
16、产状裂隙的疏密程度，可以用图211又上方的小圆圈去测量，从而得出图上某个范围内单位面积上分布的裂隙条数，即裂隙密度。将邻近的裂隙条数相等的点连接起来，就构成了裂隙密度等值线图。,结构面的类型和自然特性,2.3 岩体结构,2.3 岩体结构,赤平极射投影,赤平极射投影(Stereographic projection)简称赤平投影，主要用来表示线、面的方位，及其相互之间的角距关系和运动轨迹，把物体三维空间的几何要素（面、线）投影到平面上来进行研究。特点：简便、直观、是一种形象、综合的定量图解。在构造地质、工程地质、结晶学和航海上被广泛地应用。,结构面的统计分析 裂隙的统计密度 为了从数量上表示裂隙
17、的发育程度，经常采用以下两个指标：裂隙频率：岩体内单位长度直线上所穿过的裂隙条数。裂隙度：就是岩体内某一组裂隙的总面积与与整个岩体的截面积或体积的比值。,结构面的类型和自然特性,2.3 岩体结构,结构面的统计分析 裂隙频率（）：岩体内单位长度直线上所穿过的裂隙条数。如果裂隙的平均间距用 表示，则被裂隙系统切割而造成的最小单元体的体积，可以近似地看作立方体，可以用下式表示,结构面的类型和自然特性,2.3 岩体结构,2.3 岩体结构,二向裂隙度（K2）：就是岩体内一个平行于裂隙的截面上，裂隙面积与整个岩石的截面积的比值。,三向裂隙度（K3)：就是某一组裂隙在岩体中所占据的总的裂隙面积与岩体的体积之
18、比值。,结构面的类型和自然特性,裂隙度：有二向裂隙度和三向裂隙度两种。,结构面的统计分析,结构体的特征可以用它的形状、产状和块度来描述。结构体的形状是多种多样的，有板状、柱状、楔锥状等或几种形体的组合。结构体产状是用其长轴方位来表示的。结构体的块度大小取决于结构面的密度。结构体的力学性质主要受组成它的岩石的力学性质的影响。它的岩石的力学性质的影响。,结构体及其力学特点,2.3 岩体结构,划分依据：结构面的等级和组合方式。划分类型：结构体类型分为四个大类和九个亚类。、级整体块状岩体；、级破碎结构岩体。,岩体结构类型,2.3 岩体结构,2.4 岩体的工程分类,以工程实用为目的的岩石（体）类型划分叫
19、岩石（体）的工程分类。是岩石力学研究的重要内容。岩体工程分类既是工程岩体稳定性分析的基础，也是评价岩体工程地质条件的一个重要途径。岩体工程分类实际上是通过岩体的一些简单和容易实测的指标，把工程地质条件和岩体的力学性质联系起来，并借鉴已建工程设计、施工和处理等方面成功与失败的经验教训，对岩体进行归类的一种工作方法。其目的是通过分类，概括地反映各类工程岩体的质量好坏，预测可能出现的岩体力学问题。为工程设计、加固、建筑物选型和施工方法选择等提供参数和依据。目前国内外已提出的岩体分类方案得到大家共识的有数十种之多，多以考虑地下洞室围岩稳定性为主。有定性的，也有定量或半定量的，有单一因素分类，也有考虑多
20、种因素的综合分类。,完整岩块：实验室内实验采用的不包含裂隙的岩石材料。早期采用单因素的岩石分类，即按单轴抗压强度的大小进行分类。使用方便，但岩石的强度并不是固定不变的。60年代，米勒（Miller）和迪尔（Deere）提出利用岩石的单轴抗压强度(Rc)和弹性模量(E)的双因素分类方法。该方法的要点包括：1 先根据岩块的单轴抗压强度分级。分为A、B、C、D、E五个等级；2 然后根据模量比(E/Rc)进行分级。分为H、M、L三个等级。3 在1、2基础上，进行完整岩块的工程分类，共15个等级。是一种有效的分类方法，相对比较完善。对于岩石的矿物成分、结构、构造以及物理力学性质的各向异性也是敏感的。,完
21、整岩块的工程分类,2.4 岩体的工程分类,岩石按坚硬程度分类：岩土工程勘察规范（GB500212001）规定岩石的坚硬程度可按下表分类。,完整岩块的工程分类,2.4 岩体的工程分类,2.4 岩体的工程分类,岩石按风化程度分类国标岩土工程勘察规范中提出岩石按风化程度分类见下表。,完整岩块的工程分类,2.4 岩体的工程分类,按岩体质量指标分级美国伊利诺斯大学用岩体质量指标RQD来表示岩石的完整性。采用直径为75mm的双层岩芯管金刚石钻进，提取直径为54mm的岩芯，将长度小于10cm的破碎岩芯及软弱物质剔除，然后测量大于或等于10cm长柱状岩芯的总长度(Lp)。用这一有效的岩芯长度与采集岩芯段的钻孔
22、总进尺(L)之比，取其百分数就是RQD。,岩体的工程分类,按照RQD值大小可把岩石分成五个质量等级。,岩体质量评分(RMR)地质力学围岩分类 由比尼卫斯基（Bienawski，1973）提出，后经多次修改，于1979年发表在工程岩体分类一书中。该分类系统由岩块强度、RQD值、节理间距、节理条件及地下水5类指标组成。RMR值的确定方法1 根据各类指标的数值，按表2-10的标准逐一评分，求和得总分RMR初值。2 根据节理、裂隙的产状变化对照表2-11对RMR初值进行修正，即可得到按总评分(根据表2-12)确定的岩体类别。比尼奥斯基在劳佛尔隧洞不支护自稳定时间概念的基础上，建立了各个级别岩体与不同跨度条件下围岩自稳时间的关系，见图219。,岩体的工程分类,2.4 岩体的工程分类,2.4 岩体的工程分类,岩体质量评分(RMR)地质力学围岩分类RMR法的评价（1）重视节理、裂隙对岩体工程质量的影响；（2）比较接近实际情况；（3）所用各项指标容易获取；（4）是目前岩体分类研究领域内影响较大的一种方法。,岩体的工程分类,
