?岩块密度(岩石密度)－－岩块单位体积的质量。与矿物组成、岩石的孔隙性及含水状态有关。
（2）岩块密度(岩石密度) 、岩石的容重干密度饱和密度天然密度
按试件含水状态分
s
d m V ρ=
sat sat m V ρ=m V ρ=3
/g cm 单位：105～110°C,烘24h 测试方法：量积法（规则试样）
水中法或蜡封法（不规则试样）
容重是工
程岩体稳定性分析计算及岩体压力计算的基本参数
3kN m
??单位：干容重饱和容重天然容重d
γsat
γγ
容重g
γρ=3
9.80kN m ??
颗粒密度与块体密度不一样：颗粒密度不包括孔隙，其大小只与矿物密度及其含量有关。块体密度，不仅与矿物组成有关，还与岩石的空隙性及含水状态密切相关。
几种岩石的吸水性指标值
常见岩石的物理性质指标值
1. 宜万铁路的工程概况
(E, ν) 与(K, G)的转换关系如下： ) 21(3ν-= E K ) 1(2ν+= E G （7.2） 当ν值接近0.5的时候不能盲目的使用公式3.5，因为计算的K 值将会非常的高，偏离实际值很多。最好是确定好K 值(利用压缩试验或者P 波速度试验估计)，然后再用K 和ν来计算G 值。 表7.1和7.2分别给出了岩土体的一些典型弹性特性值。 岩石的弹性（实验室值）（Goodman,1980） 表7.1 土的弹性特性值（实验室值）（Das,1980） 表7.2 各向异性弹性特性——作为各向异性弹性体的特殊情况，横切各向同性弹性模型需要5中弹性常量：E 1, E 3, ν12,ν13和G 13；正交各向异性弹性模型有9个弹性模量E 1,E 2,E 3, ν12,ν13,ν23,G 12,G 13和G 23。这些常量的定义见理论篇。 均质的节理或是层状的岩石一般表现出横切各向同性弹性特性。一些学者已经给出了用各向同性弹性特性参数、节理刚度和空间参数来表示的弹性常数的公式。表3.7给出了各向异性岩石的一些典型的特性值。 横切各向同性弹性岩石的弹性常数（实验室） 表7.3
砂岩 15.7 9.6 0.28 0.21 5.2 石灰石 39.8 36.0 0.18 0.25 14.5 页岩 66.8 49.5 0.17 0.21 25.3 大理石 68.6 50.2 0.06 0.22 26.6 花岗岩 10.7 5.2 0.20 0.41 1.2 流体弹性特性——用于地下水分析的模型涉及到不可压缩的土粒时用到水的体积模量K f ，如果土粒是可压缩的，则要用到比奥模量M 。纯净水在室温情况下的K f 值是2 Gpa 。其取值依赖于分析的目的。分析稳态流动或是求初始孔隙压力的分布状态（见理论篇第三章流体-固体相互作用分析），则尽量要用比较低的K f ，不用折减。这是由于对于大的K f 流动时 间步长很小，并且，力学收敛性也较差。在FLAC 3D 中用到的流动时间步长, tf 与孔隙度n ，渗透系数k 以及K f 有如下关系： ' f f k K n t ∝ ? （7.3） 对于可变形流体（多数课本中都是将流体设定为不可压缩的）我们可以通过获得的固结系数νC 来决定改变K f 的结果。 f 'K n m k C + = νν （7.4） 其中 3 /4G K 1 m += ν f 'k k γ= 其中，' k ——FLAC 3D 使用的渗透系数 k ——渗透系数，单位和速度单位一样（如米/秒） f γ——水的单位重量 考虑到固结时间常量与νC 成比例，我么可以将K f 的值从其实际值（Pa 9 102?）减少，利用上面得表达式看看其产生的误差。 流动体积模量还会影响无流动但是有空隙压力产生的模型的收敛速率（见1.7节流动与力学的相互作用）。如果K f 是一个通过比较机械模型得到的值，则由于机械变形将会产生孔隙压力。如果K f 远比k 大，则压缩过程就慢，但是一般有可能K f 对其影响很小。例如在土体中，孔隙水中还会包含一些尚未溶解的空气，从而明显的使体积模量减小。 在无流动情况下，饱和体积模量为： n K K K f u + = （7.5） 不排水的泊松比为：
(E, ν) 与(K, G)的转换关系如下: ) 21(3ν-= E K ) 1(2ν+= E G (7、2) 当ν值接近0、5的时候不能盲目的使用公式3、5,因为计算的K 值将会非常的高,偏离实际值很多。最好就是确定好K 值(利用压缩试验或者P 波速度试验估计),然后再用K 与ν来计算G 值。 表7、1与7、2分别给出了岩土体的一些典型弹性特性值。 岩石的弹性(实验室值)(Goodman,1980) 表7、1 土的弹性特性值(实验室值)(Das,1980) 表7、2 各向异性弹性特性——作为各向异性弹性体的特殊情况,横切各向同性弹性模型需要5中弹性常量:E 1, E 3, ν12,ν13与G 13;正交各向异性弹性模型有9个弹性模量E 1,E 2,E 3, ν12,ν13,ν23,G 12,G 13与G 23。这些常量的定义见理论篇。 均质的节理或就是层状的岩石一般表现出横切各向同性弹性特性。一些学者已经给出了用各向同性弹性特性参数、节理刚度与空间参数来表示的弹性常数的公式。表3、7给出了各向异性岩石的一些典型的特性值。 横切各向同性弹性岩石的弹性常数(实验室) 表7、3
K f ,如果土粒就是可压缩的,则要用到比奥模量M 。纯净水在室温情况下的K f 值就是2 Gpa 。其取值依赖于分析的目的。分析稳态流动或就是求初始孔隙压力的分布状态(见理论篇第三章流体-固体相互作用分析),则尽量要用比较低的K f ,不用折减。这就是由于对于大的K f 流动时间步长很小,并且,力学收敛性也较差。在FLAC 3D 中用到的流动时间步长,? tf 与孔隙度n,渗透系数k 以及K f 有如下关系: ' f f k K n t ∝ ? (7、3) 对于可变形流体(多数课本中都就是将流体设定为不可压缩的)我们可以通过获得的固结系数νC 来决定改变K f 的结果。 f 'K n m k C + = νν (7、4) 其中 3 /4G K 1 m += ν f 'k k γ= 其中,' k ——FLAC 3D 使用的渗透系数 k ——渗透系数,单位与速度单位一样(如米/秒) f γ——水的单位重量 考虑到固结时间常量与νC 成比例,我么可以将K f 的值从其实际值(Pa 9 102?)减少,利用上面得表达式瞧瞧其产生的误差。 流动体积模量还会影响无流动但就是有空隙压力产生的模型的收敛速率(见1、7节流动与力学的相互作用)。如果K f 就是一个通过比较机械模型得到的值,则由于机械变形将会产生孔隙压力。如果K f 远比k 大,则压缩过程就慢,但就是一般有可能K f 对其影响很小。例如在土体中,孔隙水中还会包含一些尚未溶解的空气,从而明显的使体积模量减小。 在无流动情况下,饱与体积模量为: n K K K f u + = (7、5) 不排水的泊松比为: ） G 3K (22G 3K u u u +-= ν (7、6) 这些值应该与排水常量k 与ν作比较,来估计压缩的效果。重要的就是,在FLAC 3D 中,
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，理解主要硅酸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征。了解岩浆岩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 ，地球的扁平率（）为 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；内圈通常分为地核。地壳是莫霍面以上固体地球的表层部分，平均厚度约为33km，大陆地壳厚度较大，大洋地壳厚度较；地下、古登堡面以上部分，厚度约2900km，是地球的主体部分，主要由固态物质组成；地核是地球内古登堡面以分，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作用。根据地质源，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。由地球内部能如地球的旋转能、重力能、放射热能等产生的地质应力所引起的地质作用即内动力地质作用，主要在地下深处进行，并可波及地表。内动力地地壳运动、地震作用、岩浆作用和变质作用。岩浆岩、变质岩等便是内动力地质作用的产物。由地球范围以外阳得辐射能、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。外力作用水、大气、生物以外部能为能源，改造雕塑地壳（主要是地壳表面）的过程，外力作用的主要类型有：风化作用搬运作用、沉积作用和成岩作用。 2.2 造岩矿物 岩石是在地质作用下产生的，由一种或多种矿物以一定的规律组成的自然集合体。他构成了地球的固体部石分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。由于岩石是由矿物组成的，所以要认识岩石，分析岩石在各种自然条进而对岩石及其组成的周围环境进行工程地质评价。就必须首先了解矿物。 矿物是天然形成的元素单质和无机化合物，其化学成分和物理性质相对均一和固定，一般为结晶质。自然都是在一定的地质环境中形成的，随后并因经受各种地质作用而不断的发生变化。每一种矿物只是在一定的物下才是相对稳定的，当外界条件改变到一定程度后，矿物原来的成分、内部构造和性质就会发生变化，形成新的 1、矿物的（肉眼）鉴定特征 矿物的形态和矿物的物理性质决定于其化学成分和晶体格架的特点。因此，是鉴别矿物的重要依据。1）指矿物单体及同种矿物集合体的形态。矿物集合体的形态取决于单体的形态和它们的集合方式。集合体按矿物晶肉然可辨认晶体颗粒的显晶矿物集合体和肉眼不能辨认的隐晶质或非晶质矿物集合体。显晶矿物集合体有规则
第一篇地震岩石物理学及在储层预测的应用 Seismic Rock physics Theory and the Application in Reservor Discrimination 摘要 储层预测研究主要在于弄清储层构造特征、岩性特征及储层参数，进而减少勘探开发风险。储层参数包括孔隙度、渗透率、流体类型等，而地震资料提供的是地震波旅行时和振幅信息，再通过反演可得到弹性参数。地震岩石物理学则为储层参数和弹性参数之间搭建桥梁。横波速度是重要的地球物理参数在近些年发展起来的叠前地震储层弹性参数反演及流体检测方面起着重要的作用。地震横波速度估计技术是根据地震岩石物理建立的目标岩石模量计算模式，利用计算出的模量重建纵波曲线，与实测曲线建立迭代格式修正岩石模量，实现横波速度等关键参数估计。在方法实现上利用了Xu-White模型为初始模型。流体因子是识别储层流体的重要参数，常规流体因子多是基于单相介质理论提出的，而从双相介质岩石物理理论出发可以更好的研究孔隙流体对介质岩石弹性性质的影响，为敏感流体因子的构建提供更好的指导。本文采用了Gassmann流体因子，并分析了其敏感性。 关键词：等效介质模量，孔隙度，横波速度估算，Xu-White模型，Gassmann流体因子。
Seismic Rock physics Theory and the Application in Reservor Discrimination Abstract The study of reservoir prediction is mainly to investigate the characteristics of reservoir structure,lithologic features and reservoir parameters,aim to reduce the risk of exploration. Reservoir parameters include porosity,permeability,fluid type,etc,But seismic data only reflects on seismic traveltime,amplitude information,and elastic parameters which can be obtained throuth seismic inversion.Seismic rock physics builds bridges for reservoir parameters elastic.S-wave velocity, an important geophysical parameter,plays an important role in pre-stack seismic reservoir elastic parameter inversion and fluid detection witch developed in recent years.The seismic shear wave velocity estimation technique is based on the rock mass calculation model established by the seismic rock physics, reconstructs the longitudinal wave curve with the calculated modulus, establishes the iterative pattern with the measured curve to correct the rock modulus, and obtain the key parameters such as the shear wave velocity.The Xu-White model was used as the initial model in the method implementation. Fluid factor is an important parameter to identify reservoir fluid. Conventional fluid factors are mostly based on the theory of single-phase medium. From the theory of biphasic medium rock physics, it can be better to study the effect of pore fluid on the elastic properties of fluid The construction of fluid factors provides better guidance. In this paper, the Gassmann fluid factor is used and its sensitivity is analyzed. Key word:Equivalent medium modulus, porosity,Shear wave velocity estimation, Xu-White model, Gassmann fluid factor
岩石的基本物理力学性质 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，也是岩体力学中研究最早、最完善 的力学性质。 岩石密度：天然密度、饱和密度、 质量指标密度、重力密度 岩石颗粒密度 孔隙性孔隙比、孔隙率 含水率、吸水率 水理指标 渗透系数 抗风化指标软化系数、耐崩解性指数、膨胀率 抗冻性抗冻性系数 单轴抗压强度 单轴抗拉强度 抗剪强度 三向压缩强度 岩石的基本物理力学性质 ◆岩石的变形特性 ◆岩石的强度理论 试验方法参照标准：《工程岩体试验方法标准》（GB/T 50266-99）。 第二章岩石的基本物理力学性质 第一节岩石的基本物理性质 第二节岩石的强度特性 第三节岩石的变形特性
第四节岩石的强度理论 回顾----岩石的基本构成 岩石是自然界中各种矿物的集合体，是天然地质作用的产物，一般而言，大部分新鲜岩石质地均坚硬致密，空隙小而少，抗水性强，透水性弱，力学强度高。 岩石是构成岩体的基本组成单元。相对于岩体而言，岩石可看作是连续的、均质的、各向同性的介质。 岩石的基本构成：由组成岩石的物质成分和结构两大方面来决定的。 回顾----岩石的基本构成 一、岩石的物质成分 ●岩石是自然界中各种矿物的集合体。 ●岩石中主要的造岩矿物有：正长石、斜长石、石英、黑云母、角闪石、辉石、方解石、白云石、高岭石等。 ●岩石中的矿物成分会影响岩石的抗风化能力、物理性质和强度特性。 ●岩石中矿物成分的相对稳定性对岩石抗风化能力有显著的影响，各矿物的相对稳定性主要与化学成分、结晶特征及形成条件有关。 回顾----岩石的基本构成 二、岩石的结构 是指岩石中矿物（及岩屑）颗粒相互之间的关系，包括颗粒的大小、性状、排列、结构连结特点及岩石中的微结构面（即内部缺陷）。其中，以结构连结和岩石中的微结构面对岩石工程性质影响最大。 回顾----岩石的基本构成 ●岩石结构连结 结晶连结和胶结连结。 结晶连结：岩石中矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，如岩浆岩、大部分变质岩及部分沉积岩的结构连结。这种连结结晶颗粒之间紧密接触，故岩石强度一般较大，但随结构的不同而有一定的差异。 胶结连结：指颗粒与颗粒之间通过胶结物在一起的连结。对于这种连结的岩石，其强度主要取决于胶结物及胶结类型。从胶结物来看，硅质铁质胶结的岩石强度较高，钙质次之，而泥质胶结强度最低。 回顾----岩石的基本构成 ●岩石中的微结构 岩石中的微结构面（或称缺陷），是指存在于矿物颗粒内部
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
第一讲岩石的基本物理力学性质及其试验方法(之一) 一、内容提要： 本讲主要讲述岩石的物理力学性能等指标及其试验方法，岩石的强度特性。 二、重点、难点： 岩石的强度特性，对岩石的物理力学性能等指标及其试验方法作一般了解。 一、概述 岩体力学是研究岩石和岩体力学性能的理论和应用的科学，是探讨岩石和岩体对其 周围物理环境(力场)的变化作出反应的一门力学分支。 所谓的岩石是指由矿物和岩屑在长期的地质作用下，按一定规律聚集而成的自然体。由于成因的不同，岩石可分成火成岩、沉积岩、变质岩三大类。岩体是指在一定工程范围内的自然地质体。通常认为岩体是由岩石和结构面组成。所谓的结构面是指没有或者具有极低抗拉强度的力学不连续面，它包括一切地质分离面。这些地质分离面大到延伸几公里的断层，小到岩石矿物中的片理和解理等。从结构面的力学来看，它往往是岩体中相对比较薄弱的环节。因此，结构面的力学特性在一定的条件下将控制岩体的力学特性，控制岩体的强度和变形。 【例题1】岩石按其成因可分为( )三大类。 A. 火成岩、沉积岩、变质岩 B. 花岗岩、砂页岩、片麻岩 C. 火成岩、深成岩、浅成岩 D. 坚硬岩、硬岩、软岩答案：A 【例题2】片麻岩属于( )。 A. 火成岩 B. 沉积岩 C. 变质岩
答案：C 【例题3】在一定的条件下控制岩体的力学特性，控制岩体的强度和变形的是 ( )。 A. 岩石的种类 B. 岩石的矿物组成 C. 结构面的力学特性 D. 岩石的体积大小答案：C 二、岩石的基本物理力学性质及其试验方法 (一)岩石的质量指标 与岩石的质量有关的指标是岩石的最基本的，也是在岩石工程中最常用的指标。 1 岩石的颗粒密度(原称为比重) 岩石的颗粒密度是指岩石的固体物质的质量与其体积之比值。岩石颗粒密度通常采用比重瓶法来求得。其试验方法见相关的国家标准。岩石颗粒密度可按下式计算 2 岩石的块体密度 岩石的块体密度是指单位体积岩块的质量。按照岩块含水率的不同，可分成干密度、饱和密度和湿密度。 (1)岩石的干密度 岩石的干密度通常是指在烘干状态下岩块单位体积的质量。该指标一般都采用量积法求得。即将岩块加工成标准试件(所谓的标准试件是指满足圆柱体直径为48～54mm，高径比为2.0～2.5，含大颗粒的岩石，其试件直径应大于岩石最大颗粒直径的10倍；并对试件加工具有以下的要求；沿试件高度，直径或边长的误差不得大于0.3mm；试件两端面的不
(E , ν) 与(K , G )的转换关系如下： ) 1(2ν+= E G （） 当ν值接近的时候不能盲目的使用公式，因为计算的K 值将会非常的高，偏离实际值很多。最好是确定好K 值(利用压缩试验或者P 波速度试验估计)，然后再用K 和ν来计算G 值。 表和分别给出了岩土体的一些典型弹性特性值。 岩石的弹性（实验室值）（Goodman,1980） 表 土的弹性特性值（实验室值）（Das,1980） 表 各向异性弹性特性——作为各向异性弹性体的特殊情况，横切各向同性弹性模型需要5中弹性常量：E 1, E 3, ν12,ν13和G 13；正交各向异性弹性模型有9个弹性模量E 1,E 2,E 3, ν12,ν13,ν23,G 12,G 13和G 23。这些常量的定义见理论篇。 均质的节理或是层状的岩石一般表现出横切各向同性弹性特性。一些学者已经给出了用各向同性弹性特性参数、节理刚度和空间参数来表示的弹性常数的公式。表给出了各向异性岩石的一些典型的特性值。 横切各向同性弹性岩石的弹性常数（实验室） 表
流体弹性特性——用于地下水分析的模型涉及到不可压缩的土粒时用到水的体积模量K f ，如果土粒是可压缩的，则要用到比奥模量M 。纯净水在室温情况下的K f 值是2 Gpa 。其取值依赖于分析的目的。分析稳态流动或是求初始孔隙压力的分布状态（见理论篇第三章流体-固体相互作用分析），则尽量要用比较低的K f ，不用折减。这是由于对于大的K f 流动时间步长很小，并且，力学收敛性也较差。在FLAC 3D 中用到的流动时间步长,? tf 与孔隙度n ，渗透系数k 以及K f 有如下关系： ' f f k K n t ∝ ? （） 对于可变形流体（多数课本中都是将流体设定为不可压缩的）我们可以通过获得的固结系数νC 来决定改变K f 的结果。 f 'K n m k C + = νν （） 其中 其中，' k ——FLAC 3D 使用的渗透系数 k ——渗透系数，单位和速度单位一样（如米/秒） f γ——水的单位重量 考虑到固结时间常量与νC 成比例，我么可以将K f 的值从其实际值（Pa 9 102?）减少，利用上面得表达式看看其产生的误差。 流动体积模量还会影响无流动但是有空隙压力产生的模型的收敛速率（见节流动与力学的相互作用）。如果K f 是一个通过比较机械模型得到的值，则由于机械变形将会产生孔隙压力。如果K f 远比k 大，则压缩过程就慢，但是一般有可能K f 对其影响很小。例如在土体中，孔隙水中还会包含一些尚未溶解的空气，从而明显的使体积模量减小。 在无流动情况下，饱和体积模量为： n K K K f u + = （） 不排水的泊松比为： ） G 3K (22G 3K u u u +-= ν （） 这些值应该和排水常量k 和ν作比较，来估计压缩的效果。重要的是，在FLAC 3D 中，排水特性是用在机械连接的流变计算中的。对于可压缩颗粒，比奥模量对压缩模型的影响比例与流动。 固有的强度特性 在FLAC 3D 中，描述材料破坏的基本准则是摩尔-库仑准则，这一准则把剪切破坏面看作直线破坏面： s 13N f φσσ=-+ （） 其中 )sin 1/()sin 1(N φφφ-+=
(E, ν) 与(K, G)的转换关系如下： ) 21(3ν-= E K ) 1(2ν+= E G （7.2） 当ν值接近0.5的时候不能盲目的使用公式3.5，因为计算的K 值将会非常的高，偏离实际值很多。最好是确定好K 值(利用压缩试验或者P 波速度试验估计)，然后再用K 和ν来计算G 值。 表7.1和7.2分别给出了岩土体的一些典型弹性特性值。 岩石的弹性（实验室值）（Goodman,1980） 表7.1 土的弹性特性值（实验室值）（Das,1980） 表7.2 各向异性弹性特性——作为各向异性弹性体的特殊情况，横切各向同性弹性模型需要5 中弹性常量：E 1, E 3, ν12,ν13和G 13；正交各向异性弹性模型有9个弹性模量E 1,E 2,E 3, ν12,ν13,ν23,G 12,G 13和G 23。这些常量的定义见理论篇。 均质的节理或是层状的岩石一般表现出横切各向同性弹性特性。一些学者已经给出了用
各向同性弹性特性参数、节理刚度和空间参数来表示的弹性常数的公式。表3.7给出了各向异性岩石的一些典型的特性值。 横切各向同性弹性岩石的弹性常数（实验室） 表7.3 流体弹性特性——用于地下水分析的模型涉及到不可压缩的土粒时用到水的体积模量K f ，如果土粒是可压缩的，则要用到比奥模量M 。纯净水在室温情况下的K f 值是2 Gpa 。其取值依赖于分析的目的。分析稳态流动或是求初始孔隙压力的分布状态（见理论篇第三章流体-固体相互作用分析），则尽量要用比较低的K f ，不用折减。这是由于对于大的K f 流动时间步长很小，并且，力学收敛性也较差。在FLAC 3D 中用到的流动时间步长,? tf 与孔隙度n ，渗透系数k 以及K f 有如下关系： ' f f k K n t ∝ ? （7.3） 对于可变形流体（多数课本中都是将流体设定为不可压缩的）我们可以通过获得的固结系数νC 来决定改变K f 的结果。 f 'K n m k C + = νν （7.4） 其中 3 /4G K 1 m += ν f 'k k γ= 其中，' k ——FLAC 3D 使用的渗透系数 k ——渗透系数，单位和速度单位一样（如米/秒） f γ——水的单位重量 考虑到固结时间常量与νC 成比例，我么可以将K f 的值从其实际值（Pa 9 102?）减少，利用上面得表达式看看其产生的误差。 流动体积模量还会影响无流动但是有空隙压力产生的模型的收敛速率（见1.7节流动与力学的相互作用）。如果K f 是一个通过比较机械模型得到的值，则由于机械变形将会产生孔隙压力。如果K f 远比k 大，则压缩过程就慢，但是一般有可能K f 对其影响很小。例如在土体中，孔隙水中还会包含一些尚未溶解的空气，从而明显的使体积模量减小。
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(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 s d =ρ (3-1)
V m sat sat =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。同时，由于岩石经受过多种地质作用，还发育有各种成因的裂隙，如原生裂隙、风化裂隙及构造裂隙等。所以，岩石的空隙性比土复杂得多，即除了孔隙外，还有裂隙存在。另外，岩石中的空隙有些部分往往是互不连通的，而且与大气也不相通。因此，岩石中的空隙有开型空隙和闭空隙之分，开型空隙按其开启程度又有大、小开型空隙之分。与此相对应，可把岩石的空隙率分为总空隙率(n)、总开空隙率(no)、大开空隙率(nb)、小开空隙率(na)和闭空隙率(nc)几种，各自的含义如下： %100)1(%100?-=?=s d v V V n ρρ (3-4) %10000?= V V n v (3-5) %100?= V V n vb b (3-6) b va a n n V V n -=?=0%100 (3-7) 0%100n n V V n vc c -=?= (3-8) 式中：Vv 、Vvo 、Vvb 、Vva 、Vvc 分别为岩石中空隙的总体积、总开空隙体积、大开空隙体积、小开空隙体积及闭空隙体积；其它符号意义同前。 一般提到的岩石空隙率系指总空隙率，其大小受岩石的成因、时代、后期改造及其埋深的影响变化范围很大。常见岩石的空隙率见表3-1，由表可知，新鲜结晶岩类的n 一般小于3％，沉积岩的n 较高，为1％～10％，而一些胶结不良的砂砾岩，其n 可达10％～20％，甚至更大。 岩石的空隙性对岩块及岩体的水理、热学性质及力学性质影响很大。一般来说，空隙率愈大，岩块的强度愈大、塑性变形和渗透性愈大，反之愈小。同时岩石由于空隙的存在，使之更易遭受各种风化营力作用，导致岩石的工程地质性质进一步恶化。对可溶性岩石来说，空隙率大，可以增强岩体中地下水的循环与联系，使岩溶更加发育，从而降低了岩石的力学强度并增强其透水性。当岩体中的空隙被粘土等物质充填时，则又会给工程建设带来诸如泥化夹层或夹泥层等岩体力学问题。因此，对岩石空隙性的全面研究，是岩体力学研究的基本内容之一。
常用的岩土和岩石物理 力学参数 文件排版存档编号：[UYTR-OUPT28-KBNTL98-UYNN208]
(E , ν) 与(K , G )的转换关系如下： ) 1(2ν+= E G （） 当ν值接近的时候不能盲目的使用公式，因为计算的K 值将会非常的高，偏离实际值很多。最好是确定好K 值(利用压缩试验或者P 波速度试验估计)，然后再用K 和ν来计算G 值。 表和分别给出了岩土体的一些典型弹性特性值。 岩石的弹性（实验室值）（Goodman,1980） 表 土的弹性特性值（实验室值）（Das,1980） 表
各向异性弹性特性——作为各向异性弹性体的特殊情况，横切各向同性弹性模型需要5中弹性常量：E 1, E 3, ν12,ν13和G 13；正交各向异性弹性模型有9个弹性模量E 1,E 2,E 3, ν12,ν13,ν23,G 12,G 13和G 23。这些常量的定义见理论篇。 均质的节理或是层状的岩石一般表现出横切各向同性弹性特性。一些学者已经给出了用各向同性弹性特性参数、节理刚度和空间参数来表示的弹性常数的公式。表给出了各向异性岩石的一些典型的特性值。 横切各向同性弹性岩石的弹性常数（实验室） 表 流体弹性特性——用于地下水分析的模型涉及到不可压缩的土粒时用到水的体积模量K f ，如果土粒是可压缩的，则要用到比奥模量M 。纯净水在室温情况下的K f 值是2 Gpa 。其取值依赖于分析的目的。分析稳态流动或是求初始孔隙压力的分布状态（见理论篇第三章流体-固体相互作用分析），则尽量要用比较低的K f ，不用折减。这是由于对于大的K f 流动时间步长很小，并且，力学收敛性也较差。在FLAC 3D 中用到的流动时间步长, tf 与孔隙度n ，渗透系数k 以及K f 有如下关系： ' f f k K n t ∝ ? （）
从岩石的水理性质分析元阳哈尼梯田地区“高山常流水”的原因 “高山常流水”：元阳哈尼梯田地区的地形特征是山高谷深、沟壑纵横，多为切割中山地类型，但在连绵的山地上有着无数条小溪、清泉、龙潭、河流，从山脚到山顶都有着十分丰富水资源，可谓“山有多高，水有多高”，并且四季常有水流。丰富的水资源是造就元阳地区壮丽独特梯田景观的重要因素。如此丰富的水资源和当地湿润的气候、良好的森林覆盖和岩土的水理性质等都是密不可分的。本研究主要从岩石的水理性质来分析元阳哈尼梯田地区丰富水资源的形成原因。 岩石的水理性质：岩石与水接触后表现出的有关特性，即与水的储存和运移有关的岩石的性质称做岩石的水理性质。它包括岩石的容水性、给水性、持水性和透水性等。 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。容水性在数量上已容水度来衡量。容水度(Wn)定义为岩石孔隙能够容纳水量的体积与岩石体积（V）之比，用百分数或小数表示。表达式为Wo=Vn/V 持水性 饱和岩石在重力作用下释水时，在分子力和表面张力的作用下，能在其空隙中保持一定水量的性能，称为岩石的持水性。持水性在数量上持水度来衡量。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。 岩石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。 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（u）是饱和岩石在重力作用下能排出的水的体积（Vg）与岩石总体积（V）之比，用小数或百分数表示。即u=Vg/V 从以上定义可知，岩石的持水度与给水度之和等于容水度，即Wn=Wr+u或 n=Wr+u 透水度 岩石的透水度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。
岩石物理学 讲义 贺振华编 成都理工大学 2009年
目录1 岩石物理学概论 (4学时) 1.1 岩石物理学的内容与特点 1.2 岩石物理学的研究方法 2 岩石与岩石的变形 (6学时) 2.1 地球上的岩石和矿物 2.2 应力与应变 2.3 岩石的本构关系 2.4 岩石物理实验 3 岩石中波的传播与衰减(10学时) 3.1 岩石中的波 3.2 岩石中波速的测量与应用 3.3 岩石中波的衰减 3.4 岩石模型 4 岩石的弹性 (12学时) 4.1 二相体的弹性 4.2 流体静压力下岩石裂纹对弹性的影响4.3 流体静压力下岩石孔洞对弹性的影响4.4 岩石中孔隙流体对弹性的影响 4.5 弹性波在双相体岩石中的传播 5 岩石的输运特性 (2学时) 5.1 达西（Darcy）定律和岩石的渗透率5.2 渗透率的测量 5.3 岩石的输运模型 6 岩石物理应用 (4学时) 6.1 Biot-Gassmann方程与流体替换 6.2 裂缝储层岩石物理 复习与考试(2学时)
1 岩石物理学概论 1.1 岩石物理的内容与特点 岩石物理学是以研究岩石物理性质的相互关系及应用为主的学科。重点研究： ·在地球内部特殊环境下岩石的行为及其物理性质。 ·研究那些与地球内部构造运动、能源和资源勘察与开发、地质灾害的成因与减灾，环境保护与监测等密切相关的问题。 对油气勘探、资源、环境等问题，R. E. Sheriff 对岩石物理学的定义为[1] 岩石物理学研究岩石物理性质之间的相互关系，具体地说，研究孔隙度，渗透率等是如何同地震波速度、电阻率、温度等参数相关联的。 岩石物理学与地质学、地球物理学、地球化学、力学、流体力学、材料力学、地热学、环境科学、工程学等众多学科密切相关，是一个高度的交叉、边缘学科。基础性，应用性都很强。一般情况下，人们把岩石物理学归属于地学学科。对油气资源的勘探开发而言，岩石物理是联系地质、地球物理、石油工程三个学科领域的共同基础和桥梁，见图1.1。 图1.1 岩石物理是地质、地球物理、石油工程的共同基础和桥梁 地球物理 地质结构 岩石物理
岩石的工程地质性质包括岩石的物理性质、水理性质和力学性质。影响岩石工程地质性质的因素，主要是岩石的矿物成分、结构、构造及岩石的风化程度等方面。 岩石的物理性质是岩石的基本工程性质，主要指岩石的重量性质和孔隙性质,包括岩石的比重、重度、密度、孔隙度、孔隙比等指标。 （1）比重 岩石的固体部分（不含孔隙）的重力与同体积的水在4℃时重力的比值称为岩石的比重。（2）重度 也即岩石的重力密度，是指岩石单位体积的重力。数值上等于岩石试件的总重力（含孔隙中水的重力）与其总体积（含孔隙体积）之比。 （3）密度 岩石的密度指的是岩石单位体积的质量。 2.3.2 岩石的孔隙性质 岩石的孔隙性反映的是岩石中各种孔隙（包括裂隙）的发育程度，一般用孔隙度表示。 岩石的孔隙度指的是岩石中孔隙（含裂隙）的体积与岩石总体积的比值，常用百分数表示。 2.4 岩石的水理性质 2.4.1 岩石的吸水性 （1）吸水率 岩石在常压下的吸水能力称为岩石的吸水率。在常压下，将岩石浸入水中充分吸水，被岩石吸收的水分的重力与干燥岩石的重力之比的百分数即表示吸水率。 （2）饱水率 岩石在高压（15MPa）或真空条件下的吸水能力称为岩石的饱水率。也是以岩石吸收的水分的重力与干燥岩石的重力之比的百分数来表示。 （3）饱水系数 岩石的吸水率与饱水率之比称为饱水系数。 2.4.2 岩石的透水性 岩石允许水透过的能力称岩石的透水性。岩石的透水性可用渗透系数（K）来表示。渗透系数一般由室内或野外试验所测得。 2.4.3 岩石的溶解性 岩石溶解于水的性质称为岩石的溶解性。岩石的溶解性常用溶解度或溶解速度来表示。 2.4.4 岩石的软化性 岩石浸水后强度和稳定性降低的性质称为岩石的软化性。岩石的软化性可用软化系数来表示。软化系数等于岩石在饱水状态下的极限抗压强度与风干状态下的极限抗压强度的比值。 2.4.5 岩石的抗冻性 岩石的这种抵抗水冻结所造成破坏的能力称为岩石的抗冻性。表示抗冻性的指标一般用岩石的强度损失率和重量损失率来表示。 通常是岩石的饱水系数小，则抗冻性就强；而岩石的软化系数大，则抗冻性也强. 2.5 岩石的力学性质 2.5.1 岩石的变形指标 （1）弹性模量 应力与弹性应变的比值称为弹性模量。 （2）变形模量 应力与总应变的比值称为变形模量。 （3）泊松比 岩石在轴向压力的作用下，既产生纵向压缩，又产生横向膨胀。则横向应变与纵向应变
第五章岩石的工程地质性质 1、关于岩石工程地质性质说法有误的一项是( )。 A. 岩石工程性质包括物理性质、水理性质和力学性质 B．物理性质是岩石的基本性质，主要为重度和空隙性 C. 岩石的力学性质主要包括变形和强度 D. 岩石的吸水性是指岩石溶解于水的性质 2、压力等于零时的抗剪断强度称为( )。 A．抗拉强度 B.抗切强度 C. 抗剪强度 D.抗压强度 3、岩石在饱水状态下的极限抗压强度与在干燥状态下的极限抗压强度的比值称为岩石的( )。 A.饱水系数 B.渗透系数 C.吸水系数 D.软化系数 4、在垂直压力作用下，岩石沿已有破裂面剪切滑动时的最大剪应力称为岩石的( )。 A. 抗拉强度 B.抗切强度 C. 抗剪断强度 D.抗剪强度 5、岩石在水的作用下，强度降低的性质是指岩石的( )。 A. 抗冻性 B.软化性 C. 流变性 D.饱水率 6、在真空条件下，岩石吸入水的重量与干燥岩石重量之比称为岩石的( )。 A. 空隙率 B.吸水率 C. 饱水系数 D.饱水率 7、饱水状态下岩石极限抗压强度与干燥状态下岩石极限抗压强度的比值称为岩石的( )。 A. 抗冻性 B.软化性 C. 流变性 D.饱水率 8、岩石在常压下吸入水的重量与干燥岩石重量之比，称为岩石的( )。
A. 吸水率 B.吸水系数 C.饱水系数 D.饱水率 9、岩石的风化可以分为( )。 A.物理风化、化学风化、生物风化 B.物理风化、生物风化、水理风化 C.化学风化、水理风化、生物风化 D.物理风化、化学风化、水理风化 10、可以用来表示岩石抗冻性能指标的是( )。 A.抗冻系数 B.孔隙率 C.饱水系数 D.饱水率 11、岩石浸水后强度降低的性能叫做岩石的( )。 A.吸水性 B.软化性 C.可溶性 D.崩解性 12、评价岩石抗冻性的指标是( )。 A.软化系数 B.吸水率 C.抗压强度 D.重量损失率和强度损失率 13、岩石在单轴压力下变形,其横向应变与纵向应变的比值叫做( )。 A.弹性模量 B.变形模量 C.塑性模量 D.泊松比 14、岩石的强度指标,通常是用岩石的( )来表示。 A.抗压强度 B.抗拉强度 C.抗剪强度 D.抗扭强度