1 岩石的基本性质
在地下工程稳定性研究当中，研究岩体或岩石主要是研究其物理性质和力学性质，其次是从微观上研究其矿物组成。这主要取决于煤矿地下工程者的两个主要研究目的，其一是岩体的开挖问题，即采用何种方式方法和工艺过程对岩体进行开挖，从而形成所需要的地下空间，如井下巷道和硐室；其二是岩体的维护问题，即采用何种支护方式来保证在岩体中所形成地下空间能够确保使用期间的安全，也即通过何种方式来保证其围岩的稳定。
从地质学的基本知识可知，岩体是指在地质历史过程中形成的，具有一定的岩石成分和一定结构，并赋存于一定地应力状态的地质环境中的地质体。岩体在形成过程中，长期经受着建造和改造两大地质作用，生成了各种不同类型的结构面，如断层、节理、层理、片理等。所以，岩体往往表现出明显的不连续、非均质和各向异性。具有一定的结构是岩体的显著特征之一，它决定了岩体的工程特性及其在外力作用下的变形破坏机理。由此可见，从抽象的、典型化的概念来说，可以把岩体看作是由结构面和受它包围的结构体两部分共同组成的，而岩石是不含有结构面的矿物集合体，故在这种条件下，可以将岩石近似看作岩块（结构体）进行分析和研究。
在岩体的两个基本组成部分当中，首先要对岩石的基本性质进行全面的了解。
1.1 岩石的结构与构造
岩石作为多孔介质的一种，是各种矿物的集合体，是各种地质作用的产物，是构成地壳的物质基础。影响岩石基本性质的主要因素是岩石的矿物组成、岩石的结构与构造。
1.1.1 岩石的分类
目前在岩石的分类当中，主要从以下两个方面进行：
1）按其成因可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类
①岩浆岩岩浆岩是指在内力地质作用下，地球内部的岩浆沿地壳裂隙侵入地壳或喷出地面冷凝而成的岩石。岩浆岩又称火成岩，其中，埋于地下深处或接近地表的称为侵入岩；喷出地表的称为喷出岩。
②沉积岩沉积岩是指岩石在外力地质作用下，经过风化、剥蚀成岩石碎屑，经流水、风等搬运作用搬运到低洼处沉积下来，而后再经过压紧或化学作用硬结而成的岩石。
③变质岩变质岩是指地壳的原岩（岩浆岩或沉积岩）因地壳运动、岩浆活动，在高温、高压和易发生化学反应的物质作用下，改变原岩的结构、构造和成分，形成一种新的岩石。
2）按其坚固性可分为硬质岩石和软质岩石两类
①硬质岩石是指其饱和单轴极限抗压强度≥30MPa的岩石。常见的硬质岩石有花岗岩、石灰岩、石英岩、闪长岩、玄武岩、石英砂岩、硅质砾岩和花岗片麻岩等。
②软质岩石是指其饱和单轴极限抗压强度<30MPa的岩石。常见的软质岩石有页岩、泥岩、绿泥石片岩和云母片岩等。
除此之外，岩石按其风化程度可分为三类，即微风化、中等风化和强风化。
1.1.2 岩石的矿物成分
岩浆岩、沉积岩及变质岩的内部细划分种类繁多，组成其岩石的矿物成分也各不相同。
对于岩浆岩，其中最常见的矿物成分包括浅色矿物（石英、正长石、斜长石、白云母等）和深色矿物（黑云母、角闪石、辉石、橄榄石等）。这些矿物除黑云母外，都是硬度较大的矿物。所以未经强烈蚀变和剧烈错动的岩浆岩一般强度都较大，稳定性都比较好，有利于采用高速度、高效率的采掘方法。此外，在酸性岩中，含有较大量的游离的二氧化硅，在其中进行采掘作业时，有产生矽肺病的可能，必须加强通风防尘措施，以预防矽肺病。
沉积岩的成分，包括矿物和胶结物。矿物中有石英、长石、云母等原生矿物和方解石、白云石、石膏、粘土矿物等次生矿物。胶结物按其硬度与抗风化力的大小，有硅质（SiO2）、钙质（CaCO3）、铁质（FeO或Fe2O3）和泥质四种。沉积岩中对采掘影响的矿物成分有以下几类：
①二氧化硅类矿物：主要有石英、燧石和蛋白石等。含这类矿物特多的岩石有石英砂岩、硅质灰石和燧石灰石。该类矿物的特点是硬而脆，所以，当岩石中这些矿物含量高时，岩石的稳固性好。在掘进过程中，虽难于凿岩，但爆破效果好，且一般不需要支护。但因含游离的二氧化硅多，要特别注意防尘。
②碳酸盐类矿物：主要有方解石、白云石、菱镁矿、菱锰矿等。含这类矿物多的岩石有石灰岩、白云岩和泥质灰岩等。这类岩石凿岩及爆破性能均好，岩体稳固性也较强，有利于采用快速掘进的方法。但由于含方解石较多，易于溶解而产生溶孔和溶洞，常是地下水活动的通道和储存的场所，矿山开采时，可能引起矿坑突然涌水而造成重大事故。因此，必须加强水文地质工作，搞好防排水措施。
③粘土类矿物：主要有高岭石、蒙脱石和水云母等。含这类矿物多的岩石有各种粘土岩、页岩及泥岩。这类岩石的特点是硬度小，具有可塑性，遇水膨胀、软化和粘结。具有凿岩性好（不包括粘土）、稳固性差、爆破性也差的特点。同时，它们长期受水浸泡时，会使地下坑道变形，露天边坡不稳，矿车结底，溜井和凿岩机水眼堵塞等。但是，只要加强防排水措施，就可以避免或减少上述问题的发生。
变质岩的矿物成分，除石英、长石、云母、方解石等矿物外，还具有特异的矿物滑石、绿泥石、蛇纹石和石榴石等。变质岩类岩石的矿物组成中，常因含一定数量的滑石、绿泥石和云母等，对采掘影响较大，这些矿物光滑柔软，且多呈片状，因而稳定性极差，不少矿山常因此而冒顶片帮，故在采矿过程中必须引起足够的重视。至于所含其它矿物组分，大多与岩浆岩和沉积岩相似，其采掘特点参见岩浆岩和沉积岩。
1.1.3 岩石的结构与构造
岩石的结构是指岩石中矿物的结晶程度、颗粒大小和形状、以及彼此间的组合方式。这主要决定于地质作用进行的环境，在同一大类岩石中，由于它们生成的环境不同，就产生了种种不同的结构。
岩石的构造是指岩石中矿物集合体之间或矿物集合体与岩石的其它组成部分之间的排列方式以及充填方式。这反映着地质作用的性质。由岩浆作用生成的岩浆岩大多具有块状构造；由变质作用生成的变质岩，多数情况下它们的组成矿物一般都依一定方向作平行排列，具有片理状构造；由外力地质作用生成的沉积岩，是逐层沉积的，多具有层状构造。
1）岩浆岩的结构与构造
岩浆岩一般均较硬，绝大多数矿物均成结晶粒状紧密结合，常具块状、流纹状及气孔状结构，原生节理发育。岩浆岩的结构，根据矿物的结晶程度、颗粒大小和均匀程度，分为四种结构：（1）显晶质结构即等粒结构，岩石中的矿物全部为显晶质、粒状，且主要矿物颗粒大小近于相等，这种结构是在温度和压力较高，岩浆温度缓慢下降的条件下形成的，主要是深部侵入岩所具有的结构。
（2）隐晶质结构矿物颗粒在肉眼和放大镜下看不见，只有在显微镜下才能鉴别这种结构。从外表
看，岩石断面是粗糙的。它是在岩浆很快冷却的情况下形成的，常为喷出岩所具有的结构。
（3）玻璃质结构矿物没有结晶，岩石断面光滑，具有玻璃光泽，为喷出岩所特有的结构。
（4）斑状结构岩石中较大晶体散布于较细物质之间的结构。大的晶体称为斑晶，细小的部分称为基质。这种结构主要是由于矿物结晶的时间先后不同造成的，在地下深处，温度和压力较高，部分物质先结晶，生成一些较大的晶体即斑晶，随着岩浆岩的继续上升，到浅处或喷出地表，尚未结晶的物质，由于温度下降较快，迅速冷却形成结晶细小或不结晶的基质。因此，这种结构为浅成岩或喷出岩所具有。
岩浆岩的构造，指岩浆岩的外貌整体特征，它是由矿物集合体的排列方式和充填方式决定的。常见的构造有四种构造：
（1）块状构造组成岩石的各种矿物，无一定的排列方向，而是均匀分布于岩石之中，是侵入岩特别是深成岩所具有的构造。
（2）流纹状构造粘度大的岩浆在流动过程中，形成不同颜色的条纹或拉长的气孔，长条状矿物沿一定方向排列，所表现出来的熔岩流的流动构造。
（3）气孔状构造和杏仁状构造岩石中分布着大小不同的圆形或椭圆形空洞，称为气孔状构造。它是岩浆冷却较快，所含气体占有一定空间位置，气体逸出，便形成空洞即气孔。当气孔被后来的硅质或钙质充填后，便形成了杏仁状构造。这种构造为喷出岩所特有的构造。
（4）带状构造岩石由不同成分的物质条带相间组成。主要发育在超基性岩和伟晶岩体中。
常见的岩浆岩包括：酸性、浅色的花岗岩、花岗斑岩和流纹岩；中性、浅色的正长岩、正长斑岩和粗面岩；中性、深色的闪长岩、玢岩和安山岩；基性、深色的辉长岩、辉绿岩和玄武岩；超基性、深色的橄榄岩和辉岩。
2）沉积岩的结构与构造
沉积岩其分布广泛，约占地球表面积的75%。沉积岩的结构，按成因和组成物质不同，分为以下几种结构：
（1）碎屑结构是碎屑沉积岩所具有的结构，它是由碎屑物质被胶结起来而形成的，按照颗粒大小和形状分为：
①砾状结构：颗粒直径大于2mm，磨圆程度较好，无棱角。若磨圆程度较差，而具有明显的棱角，则称为角砾状结构。
②竹叶状结构：是指刚沉积的石灰岩，因水浪打击，冲刷而成碎屑（其形态多呈扁平状），再被同类沉积物胶结而成。
③砂状结构：颗粒直径在2～0.005mm之间，又可分为粗砂结构（粒径2～0.5mm）、中砂结构（粒径0.5～0.1mm）、细砂结构（粒径0.1～0.05mm）和粉砂结构（粒径0.05～0.005mm）。
（2）泥质结构颗粒直径小于0.005mm，是粘土类所具有的结构。
（3）结晶结构为化学岩所具有的结构。是物质从真溶液或胶体溶液中沉淀时的结晶作用以及非晶质、隐晶质的重结晶作用和交代作用所产生的。如石灰岩、白云岩是由许多细小的方解石、白云石晶体集合而成的。
（4）胶状结构颗粒直径小于0.001mm。
（5）生物结构是生物化学岩所具有的结构。由生物遗体及其碎片组成，如生物介壳结构和珊瑚结构等。
沉积岩的构造，最显著的特点是具有层理构造，常具有碎屑状、鲕状等特殊结构及层状结构，并富
含生物化石和结核。常见的沉积岩构造有：
1）层理构造由于季节性的气候变化及先后沉积下来的物质颗粒的形状、大小、成分和颜色不同而显示出来的成层现象。层与层之间的接触面称为层面，上下两个层面之间的岩石称为岩层。根据岩层中每个单层厚度的不同，可将沉积岩层划分为：
块状单层厚度大于1m
厚层状单层厚度1～0.5m
中厚层状单层厚度0.5～0.1m
薄层状单层厚度0.1～0.01m
页片状单层厚度小于0.01m
层理构造是绝大多数沉积岩最典型、最重要和最基本的特征。按层理形态可分为：
水平层理：层与层之间的界面是平直的，且相互平行。是在沉积环境比较稳定的条件下形成的。
波状层理：层理面成对称或不对称，规则或不规则的波状线，其总方向平行于总的层面，形成于波浪运动的浅水地区。这种层理在细砂岩或粉砂岩中常见。
斜层理：细层与主要层理面斜交。斜层理是沉积物在水介质中作单向运动时产生的。斜层理的倾斜方向代表了当时水流的方向。
2）块状构造岩石层理不清楚，矿物颗粒排列无一定规律。
3）鲕状构造具有同心圆状的圆形或椭圆形颗粒，形似鱼籽，称为鲕状构造。鲕粒直径一般在0.5～2mm之间，鲕粒的形成是胶体物质围绕砂粒、碎屑在浅海浅水环境中沉积而成。鲕粒直径大于2mm的可称为豆状构造。
沉积岩的种类包括碎屑岩（砾岩、角砾岩、砂岩、凝灰岩、火山角砾岩）、粘土岩（泥岩、页岩）、化学岩和生物化学岩（石灰岩、泥灰岩）四类（参见表1-1）。
表1-1 沉积岩分类
3）变质岩的结构与构造
变质岩的结构包括变晶结构（等粒、斑粒、鳞片）、变余结构和压碎结构，其中多为变晶结构。
（1）变晶结构：是变质岩最重要的结构，由于这种结构是原岩中各种矿物同时再结晶所形成的，所以矿物晶体相互嵌生。晶形的发育程度，并不取决于矿物的结晶顺序，而是取决于矿物的结晶能力，这是与岩浆岩的结晶结构不一样的。变晶结构又可细分为等粒变晶结构、斑状变晶结构和鳞片变晶结构
三种。
（2）变余结构：这是一种过渡型结构。由于变质作用进行得不彻底，在变质岩的个别部分，还残留着原来岩石的结构。这种结构对于判断原来岩石属于何类别，有着很大的意义。如变质岩的原岩是砂状沉积岩，则可出现变余砂粒结构或变余泥质结构；若变质岩的原岩是岩浆岩，则可能出现变余斑状结构等。变余结构一般常见于变质较轻的岩石中。
（3）压碎结构：由于动力变质作用，使岩石发生破碎而形成的，如碎裂岩等。
变质岩的构造是识别各种变质岩的重要标志。变质岩的构造分为片理构造、块状构造、条带状构造和斑点构造。
（4）片理构造：是由于岩石中片状、板状和柱状矿物在定向压力的作用下重结晶，垂直压力方向成平行排列而形成的。顺着平行排列的面，可以把岩石劈成一片一片的小型构造形态。
（5）块状构造：矿物无定向排列，其分布大致呈均一状，如石英岩、大理岩常具有这种结构。
（6）条带状构造：岩石中的矿物成分分布不均匀，某些矿物有时相对集中呈宽的条带，有时呈窄的条带，这些宽窄不等的条带相间排列，便构成条带状构造。混合岩常具有这种构造。
（7）斑点构造：当温度升高时，原岩中的某些成分（如碳质）首先集中凝结或起化学变化，形成矿物集合体斑点，其形状、大小可有不同，某些板岩具有这种结构。
常见的变质岩有块状的大理岩和石英岩，板状的板岩，片状的云母片岩、绿泥石片岩、滑石片岩、角闪石片岩，片麻状的片麻岩等。
1.1.4 岩石结构与构造的研究意义
研究岩石的结构与构造，不仅对划分岩类、正确识别岩石有着实际的意义，而且在采掘工艺中，对于研究岩体稳定、井巷支护、爆破措施及选择采掘机械起着重要作用。
岩石具有许多结构，但对采掘影响最大的是颗粒的粗细。对于岩浆岩而言，在其它条件相似的条件下，隐晶质、细粒、均粒的岩石比粗粒和斑状的岩石强度大。例如玄武岩为隐晶质结构，而辉长岩为粗粒结构，所以玄武岩的抗压强度可到达500MPa，而辉长岩的抗压强度仅为120～360 MPa。又如花岗斑岩具有斑状结构，其抗压强度只有120 MPa，而同一成分的细粒花岗岩因具有等粒结构，其抗压强度可达260 MPa。强度大的岩石虽然较难凿岩，但却容易维护，甚至可以不支护，给采掘工作带来很大的方便。沉积岩与岩浆岩相似，但对于碎屑岩，其物理机械性质主要取决于胶结物的成分和性质，泥质胶结比铁质或硅质胶结的岩石硬度小，稳固性差。而变质岩的结构对采掘的影响不太突出。
岩浆岩多具有块状构造。这种构造的最大特点是岩石各个方向的强度相近，从而增加了岩石的稳定性。所以岩浆岩的块状构造，不像沉积岩的层理构造和变质岩的片理构造那样对凿岩、爆破和支护等有明显的影响。值得注意的是岩浆岩的原生节理（即岩浆岩生成时冷凝收缩所产生的裂隙）发育，如玄武岩的柱状节理、细碧岩的枕状节理等。这些节理的存在，降低了岩石的稳固性，影响了岩石的爆破效果。
沉积岩最大的特点是具有层理构造，这种构造的存在，使岩石在各个方向的强度不同，在其它条件相同或相似的情况下，层理愈发育，岩石的稳固性愈低，各个方向的强度差异也愈大。一般是平行岩石层理方向的抗压和抗剪强度小、抗拉强度大，而垂直于岩石层理方向，则情况正好相反。在这类岩石中开掘巷道时，若顺着层理方向掘进，不仅爆破效果不好，而且容易产生冒顶、片帮事故，给采掘带来不利的影响；如果斜交，特别是垂直层理方向掘进时，则可以提高爆破效果，也可增加顶板及两帮的稳固性。
变质岩的构造尤其是片理构造对采掘影响更大，其影响同沉积岩的层理构造相似。如千枚岩、片岩
及板岩的片理比较发育，岩石沿片理延伸方向结合力较低，故其稳定性极差。一般情况下，岩石的片理愈发育，各个方向的强度相差愈大，在平行片理的方向抗压和抗剪强度小，抗拉强度大；垂直片理方向则恰好相反。岩石片理发育时，对采掘极为不利，必须加强支护，其有效的办法是在垂直片理的方向上采用锚杆喷浆，即可增强该类岩石的稳定性，避免冒顶和片帮。露天矿开采时，因片理所造成的岩石稳定性差，从而影响岩体的边坡稳定，但另一方面有时可以提高爆破效果。
1.2 岩石的物理性质
岩石的基本性质是岩石内部组成矿物成分、结构、构造的综合反映，研究岩石的基本性质对研究工程体的稳定性是有重要意义的，其研究内容包括岩石的物理性质和力学性质。其中，物理性质是自然状态下所表现出的特征，而力学性质则是反映在外力作用下所表现出的响应特征，不同的岩石其物理力学性质是不同的，即使是同一种性质的岩石，由于其形成过程及赋存环境等多种外界因素的不同，其所表现出的性质也有差别。
岩石的物理性质是其内部矿物基本性质、结构与构造的综合反映，研究主要包括以下几个内容：
1.2.1 岩石的密度
岩石的密度是指单位体积岩石的质量。又可分为颗粒密度和块体密度。
岩石的颗粒密度（s ρ）是指岩石固体骨架部分的质量与其对应的实体体积之比。它不包括岩石孔隙，其大小取决于组成岩石的矿物密度及其相对含量。
s
s
s V M =
ρ （1-1） 式中，s M -岩石固体部分的质量；
s V -岩石固体部分的体积。
岩石的块体密度是指岩块单位体积的质量。按其含水情况的不同，又可分为干密度（d ρ）、天然密度（ρ）和饱和密度（sat ρ）。后两者又称为湿密度。岩石的块体密度除与矿物组成有关外，还与岩石的孔隙性及含水情况有关。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、裂隙增加，块体密度相应减小。
v
S s
d V V M +=
ρ （1-2）
v
s w
s V V M M ++=
ρ （1-3）
s
v v
w s sat V V V M ++=
ρρ （1-4）
式中，w ρ-水的密度；
v V -单位体积岩石中孔隙所占的体积； M w -水的质量。
1.2.2 岩石的比重（G ）
岩石的比重是指单位体积岩石固体部分的重量与同体积水（4℃）的重量之比，即：
w
s s
V W G γ=
（1-5） 式中，s W -体积为V 的岩石固体部分的重量；
w γ-单位体积水（4℃）的重量。
岩石的比重取决于组成岩石的矿物比重及其在岩石中的相对含量。常见岩石的比重参见表1-2。
表 1-2 常见岩石的比重值
1.2.3 岩石的容重
岩石的容重是指单位体积岩石的重量，即：
V
W
=
γ （1-6） 式中，W -岩石试件的重量；
V -岩石试件的体积（包括孔隙体积）。
按岩石的含水情况不同，容重也可分为天然容重、干容重和饱和容重，其意义参见岩石密度中的天然密度、干密度和饱和密度。岩石的天然容重取决于组成岩石的矿物成分、孔隙发育程度及其含水情况。大多数岩石的天然容重在23～31kN/m 3之间，参见表1-3。
表 1-3 常见岩石的天然容重(kN/m 3)
研究岩石的密度、比重、容重对地下工程来说，其影响主要表现为能够对岩体的开挖方式进行定性分析。一般来说，岩石的密度或容重越大，表明其质地越坚硬，因此在选择开挖方法和机械设备时宜采用炮掘或选用功率较大的开挖机械。但该性质决不是决定性因素，因为岩体是否容易开挖还取决于其内部节理裂隙的发育程度。
1.2.4 岩石孔隙性
岩石的孔隙性是指岩石孔隙性和裂隙性的统称。岩石孔隙性的度量通常有两种：一种用孔隙率（度）来表示，也可以用孔隙率（度）和裂隙率（度）来表示；另一种用岩石的孔隙比来表示。岩石的孔隙性对岩石的其它性质有重要的影响，如岩石的密度、含水性、透水性、变形性质等。
岩石的孔隙率是指岩石中孔隙体积与岩石总体积之比，以百分率表示。岩石中的孔隙有的与外界相通，有的不相通，孔隙开口有大有小。因此，岩石的孔隙率可以根据孔隙类型分为总孔隙率、总开孔隙率、大开孔隙率、小开孔隙率和闭孔隙率五种。
设V 为岩石体积；v V 为孔隙总体积；0v V 为总开孔隙体积；b V 为大开孔隙体积；vs V 为小开孔隙体积；
vc V 为闭孔隙体积。这五种孔隙率的计算公式分别为：
总孔隙率： %100)1(%100?-=?=
s
d v V V n ρρ
（1-7） 总开孔隙率：%1000
0?=V
V n v （1-8） 大开孔隙率：%100?=V
V n vb
b （1-9） 小开孔隙率：%100?=V
V n vs
s （1-10） 闭孔隙率：%100?=
V
V n vc
c （1-11） 岩石的孔隙比是指岩石中总孔隙的体积与岩石固体实体部分的体积之比，一般以e 表示，即：
s
v
V V e =
（1-12） 通过变化很容易得到岩石的孔隙率（度）n 与岩石的孔隙比e 之间的关系，其关系为：
n
n
e -=
1 （1-13） 一般工程中所提到的岩石孔隙率是指总孔隙率。岩石因形成条件及其后期经受的变化和埋藏深度不同，孔隙率变化范围很大，可自小于百分之一到百分之几十。新鲜的结晶岩类的孔隙率一般小于3%；而沉积岩则较高，为1%～10%，但有些胶结不良的砂砾岩，孔隙率可以达到10%～20%，甚至更大。常见岩石的孔隙率如表1-4。
在煤矿生产中，研究岩石的孔隙性主要体现在瓦斯灾害和瓦斯资源开采，以及矿井水害防治方面，主要是研究岩石的渗透性，即岩石的孔隙越发育，则为瓦斯赋存提供的空间越多，孔隙之间的贯通性越好，表明岩石的渗透率越高，瓦斯或水的外排越容易。
表1-4 常见岩石的孔隙率
1.2.5岩石吸水性
由于岩石是一种多孔介质，在工程环境条件下（如井下潮湿的环境等），常常内部含有一定的水，由于水的侵入使得岩石的物理力学性质发生很大的变化，这在岩体工程体中是经常要考虑的。
岩石的吸水性是指岩石在一定试验条件下的吸水性能。它取决于岩石的孔隙数量、大小、开闭程度和分布情况。表征岩石吸水性的指标有吸水率、饱水率和饱水系数。
岩石的吸水率（a w ）是指岩石试件在一个大气压和室温条件下自由吸入水的质量（1w m ）与试件干质量（s m ）之比，用百分率表示，即：
%1001
?=
s
w a m m w （1-14） 实测时先将岩石试样烘干并称干质量，然后浸水饱和。由于试验是在一个大气压（常压）下进行的，岩石吸水时，水只能进入大开孔隙，而不能进入闭孔隙和小开孔隙。因此，可用吸水率来计算岩石的大开孔隙率，即：
a d w
a
d vb b w w V V n ρρρ===
? （1-15） 式中，w ρ－水的密度。
岩石的饱和吸水率（p w ）是指岩石试件在高压（一般为15MPa ）或真空条件下吸入水的质量（2w m ）与岩石试样干质量之比，用百分数表示，即：
%1002
?=
s
w p m m w （1-16） 这种条件下，通常认为水能进入所有开孔隙中，因此，岩石的总开孔隙率为：
p d w
p
d v w w V V n ρρρ===
00 （1-17） 岩石的吸水率与饱和吸水率之比，定义为饱水系数。它是评价岩石抗冻性的指标。一般来说，岩石的饱水系数为0.5～0.8。饱水系数愈大，说明常压下吸水后留余的空间有限，岩石愈容易被冻胀破坏，因而岩石的抗冻性就差。
几种常见岩石的吸水性指标值参见表1-5。
表1-5 几种岩石吸水性指标值
1.2.6 岩石的透水性
岩石能被水透过的性质，称为岩石的透水性，常用渗透系数表示。它的大小取决于孔隙的数量、大
小、方向及连通情况。
一般认为，水在岩石中的流动服从达西定律，因此，可用达西渗透仪在室内测定完整岩石试件的渗透系数。某些岩石的渗透系数参见表1-6。
表1-6 某些岩石渗透系数值
岩石的透水性对岩石的工程稳定性影响很大，一般来说，地下的岩石处于流体（液体和气体）的环绕之中，相对处于平衡状态，而受到人类工程活动影响时，其原始的平衡状态被打破，岩石系统为寻求新的平衡就要发生相应的状态调整，在调整过程中流体的流动对岩石的调整是有很大影响的，二者是处于耦合状态条件下的调整，这一点在坝体工程、地下岩石中的核废料处理、地下土体中的水污染处理等问题中经常要涉及到，其所提到的渗透性是多孔介质对流体通过能力的综合反映，这里所提到的岩石透水性只不过是将液体和多孔介质给界定了而已。
1.2.7 岩石的软化性
岩石遇水之后其强度往往会降低，我们将岩石浸水后其强度降低的性质称为岩石软化性。岩石的软化性取决于它的矿物组成及孔隙性。当岩石中含有较多的亲水性矿物以及大开孔隙较多时，则其软化性较强。
表征岩石软化性的指标是软化系数（R K ），为岩石饱水抗压强度（cw σ）与干抗压强度（cd σ）之比，即：
cd
cw
R K σσ=
（1-18） 显然，R K 值愈小则岩石的软化性愈强。当岩石的R K ＞0.75时，软化性弱；同时也可说明其抗冻性和抗风化能力强。常见岩石的软化系数参见表1-7。由表可知：岩石的软化系数均小于1.0，说明岩石都
具有不同程度的软化性。
表 1-7 某些岩石的软化系数值
岩石的软化性对工程体的稳定性影响很大，在设计中是必须要考虑的。另外，在地下采矿活动中也有时充分利用水对岩石所产生的软化作用，从而来防治地质灾害的发生，如煤与瓦斯突出防治中的水力处理措施的采取、大面积来压中坚硬顶板的注水软化处理等。
1.2.8 岩石的抗冻性
岩石抵抗冻融破坏的性质，称为岩石的抗冻性。岩石浸水后，当水的温度降至0℃以下时，孔隙中的水将冻结体积增大（可达9%），对岩石产生冻胀力，使其结构和连结遭到破坏。反复冻融后，将使岩石的强度降低。岩石的抗冻性常用抗冻系数和质量损失率两个指标表示。
抗冻系数（d R ）是指岩石冻融实验后干抗压强度（2cd σ）与冻融前干抗压强度（1cd σ）之比，以百分数表示，即：
%1001
2
?=
cd cd d R σσ （1-19） 质量损失率（m K ）是指冻融前后岩样干质量之差（21s s m m -）与冻融前干质量（1s m ）之比，以百分率表示，即：
%1001
2
1?-=
s s s m m m m K （1-20） 实验时，要求先将试件浸水饱和，然后在-20℃温度下冷冻，冻后融化，融化后在冷冻，如此反复冻融25次或更多。冻融次数可以根据工程地区的气候条件决定。
岩石的抗冻性，主要取决于岩石中大开孔隙的发育情况、亲水性和可溶性矿物的含量及矿物颗粒间的连结力。大开孔隙越多、亲水性和可溶性矿物含量越高时，岩石的抗冻性越低；反之越高。一般认为，抗冻系数大于75%，质量损失率小于2%时，为抗冻性好的岩石；吸水率小于5%、软化系数大于0.75
以及饱水系数小于0.8的岩石，具有足够的抗冻能力。
在四季温差比较大的地区，岩石的抗冻性在工程设计中尤其重要，往往其抗冻性直接影响到工程体的安全、稳定以及使用寿命。也正因为岩石具有冻胀自然解体的性质，因此在煤矿生产中，尤其在四季温差较大的北方地区，要求进风井必须设置暖风炉，以防井筒砌碹支护体发生冻胀破碎而自然解体，导致碹体失去支护作用。需要说明的是，设置暖风炉的作用并不是单纯地为了防治碹体破坏。
1.2.9 岩石的膨胀性和崩解性
膨胀性和崩解性主要是松软岩石所表现的特征。前者是指软岩浸水后体积增大和相应地引起压力增大的性能，后者是指软岩浸水后，由于其内部亲水性物质分布不均匀，导致吸水后内部局部体积膨胀不均匀，从而形成内部膨胀裂隙，在裂隙发生相互贯通时便导致岩石解体的现象。岩石的膨胀和崩解作用往往对地下工程的稳定性带来不良影响。
岩石的膨胀性和崩解性主要取决于其胶结程度及造岩矿物的亲水性，一般含有大量粘土矿物（如蒙脱石、高岭土和水云母等）的软岩遇水后极易产生膨胀和崩解。岩石的膨胀性可用膨胀应力和膨胀率来表示。岩石与水进行物理化学反应后，随时间变化会产生体积增大现象，这时使试件体积保持不变所需要的压力称为岩石的膨胀应力，而增大后的体积与原体积的比率称为岩石的膨胀率。这些指标是在实验室内借助于膨胀应力测定仪和膨胀仪按规定的测定方法加以确定。
岩石的崩解性是用耐崩解性指标表示，它是指岩石试件在承受干燥和湿润两个标准循环之后，岩样对软化和崩解作用所表现出的抵抗能力。这个指标也可在实验室内借助耐崩解仪按有关规定确定。
基于软岩所具有的膨胀性和崩解性，因此对在该类岩石中开掘的巷道等工程体进行支护时，一般均采用喷浆封闭的形式，其主要目的是保持岩石原始的湿度或含水状态，防止其发生改变而导致膨胀或崩解现象发生。
1.2.10 岩石的碎胀性和压实性
岩石的碎胀性是指破碎后的岩石较破碎前的岩石其体积增大的性质，而岩石的压实性是指岩石破碎后在外力作用下，随着时间的推移能够逐步被重新压实的性质。对于岩石的碎胀性通常用岩石的碎胀性系数来表示，岩石的碎胀性系数是指岩石破碎后的体积与原未破碎前的体积之比，表示为：
V V k h
p =
（1-21） 式中，p k -岩石的碎胀系数；
h V -岩石破碎后的体积； 0V -岩石破碎前的原体积。
另外，有时还要用到岩石的残余碎胀系数，所谓岩石的残余碎胀系数是指破碎后的岩石经过一段时间压实后，此时的体积和破碎前原体积之比，表示为：
V V k h p '
=
' （1-22） 式中，p k '-岩石的残余碎胀系数；
h V '-破碎后的岩石经重新压实后的体积。
岩石的碎胀系数和残余碎胀系数对工作面矿体采出后直接顶垮落形成堆积体高度，以及随后老顶结构失稳造成工作面顶板来压的影响很大，在计算顶板来压强度时往往要考虑到直接顶岩层的厚度以及其
碎胀系数，借此可以了解到其对采空区的充填程度及来压状况。另外，岩石的碎胀性直接影响到煤体采出后上覆岩层的移动变形程度，即影响冒落带、裂隙带、弯曲下沉带的发育高度，因此对高位钻场瓦斯抽放、高位巷瓦斯抽放中钻孔布置参数确定和高抽巷位置确定等均有重要影响。
对于岩石的压实性，现在研究比较多的是据此来分析矿井采用上行式采煤和已有采空区上方采煤的可行性和安全性。
1.3 岩石的变形性质
岩石的力学性质是指岩石在外力作用下所表现的性质，即岩石的力学响应。岩石的力学性质包括岩石的变形性质和强度性质。岩石的变形性质所表现的是岩石对外力的尺寸响应，而强度性质所表现的是岩石抵抗外力的破坏承受能力。
在外力作用下岩石首先产生变形，随着力的不断增加，达到或超过某一极限值时，便产生破坏，岩石遭受破坏时的应力称为岩石的强度。研究岩石的力学性质，主要是要研究岩石的变形、破坏与强度等性质，而岩石的变形性质主要是研究岩石在外力作用下所表现的应力-应变关系，岩石的应力-应变关系又与岩石的受力状态有关，下面就岩石的变形性质加以阐述。
1.3.1 单向受压条件下的岩石变形
在外力作用下，岩石内部应力状态发生变化，由于质点位置的改变，引起岩石变形。岩石的变形可分为弹性变形和塑性变形两种。按固体力学定义，弹性变形是指物体受力后发生变形，当外力解除时变形立即消失，是可逆变形；塑性变形是指物体受力后发生变形，在外力解除后其变形也不再恢复，是不可逆变形，又称为永久变形或残余变形。
岩石的变形规律，可通过外力作用下的变形过程及变形参数说明。所以，首先来研究岩石的应力-应变关系。
1）岩石的应力-应变曲线特征
岩石在连续加载条件下的应变可分为轴向应变（L ε）、横向应变（d ε）和体积应变（V ε）。前两者可用电阻应变仪测量。体积应变则用d L V εεε2-=来进行计算求得。求得了各级应力下的这三种应变值，就可绘出相应的应力-应变曲线，也有的是由X-Y 绘图仪直接自动绘出。该曲线是分析研究岩石变形机理的主要依据，其中以压应力-轴向应变曲线L εσ-曲线应用最广。
根据大量的实验研究，在单向压力作用下，通过刚性试验机可获得岩石的典型应力-应变全程曲线，它反映了单轴压缩岩石试件在破裂前后全过程的应力-应变对应关系，如图1-1所示。
从图1-1可以将岩石的变形过程划分为六个阶段。
① 微裂隙及孔隙闭合阶段（图1-1中OA 段）。在载荷作用初期，岩石中的裂隙及孔隙被逐渐压密，形成早期非线性变形。曲线呈上凹型，斜率随着应力增大而逐渐增大。表明裂隙、孔隙压密开始较快，随后逐渐减慢。本阶段变形对裂隙化岩石来说比较明显，但对坚硬少裂隙的岩石则不明显，甚至不显现。
② 可恢复弹性变形阶段（图1-1中AB 段）。随载荷增加，轴向变形成比例增长，即斜率保持不变，并在很大程度上是可恢复的弹性变形。这一阶段的上界应力称为弹性极限，其值约等于峰值强度的30%～40%。此阶段过程中有微量新裂隙随之产生。
图1-1 岩石典型全程应力-应变曲线
③ 部分弹性变形至微裂隙扩展阶段（图1-1中BC 段）。这一阶段的特点可由开始膨胀和近似性增长的体积应变来表征。这是由于岩石连续压缩所造成的。曲线L εσ-仍呈近似直线，而曲线V εσ-则明显偏离直线。这一阶段的上界应力称为屈服极限，这时岩石压密至最密实状态，体积应变趋于零，该点出现在80%峰值强度处。
④ 非稳定裂隙扩展至岩石结构破坏阶段（图1-1中CD 段）。这一阶段的特点是微裂隙迅速增加和不断扩展，形成局部拉裂或剪裂面。体积变形由压缩转变为膨胀，最终导致岩石结构完全破坏。本阶段的上界应力称为峰值强度或单轴抗压强度。
⑤ 微裂隙聚结与扩展阶段（图1-1中DE 段）。岩石通过峰值应力阶段，虽然其内部结构完全破坏，但岩石仍呈整体。到本阶段裂隙扩展成分叉状，并相互联合形成宏观断裂面。此时由于应变软化效应，应力随着应变增加而降低。
⑥ 沿破断面滑移阶段（图1-1中EF 段）。本阶段岩石基本上已经分离成一系列碎块体，并在外力作用下相互滑移，随之变形不断增加。而应力则降低到某一稳定值，这一稳定值称为残余强度，其大小等于块体间的摩擦阻力。
以上讨论了岩石在单向压力作用下变形的全过程。这是一条典型的曲线，反映了岩石一般的变形习性。但自然界中的岩石，因其矿物组成及结构不同，应力-应变曲线特征也不尽相同。就岩石本身而言，每一种矿物都有各自的应力-应变关系。不同矿物的弹性极限也各不相同，同一种矿物在不同受力方向上的弹性极限也不同。孔隙越发育，岩石变形越容易，孔隙的分布、形态等也都将导致应力-应变关系的复杂化。有的岩石应力-应变关系与上述典型曲线相同或类似，有的则不同。如当岩石裂隙发育轻微时，则裂隙压密阶段表现不明显，曲线OA 段就可能不存在。
通过各种岩石的实验研究，将岩石在单向压力作用下的应力-应变曲线归纳为六种类型（如图1-2）： 类型Ⅰ（弹性）表现为近似于直线的特点，直到发生突发性破坏。这是玄武岩、石英岩、辉绿岩、白云岩及坚硬石灰岩等的特征变形曲线。
类型Ⅱ（弹-塑性），开始为直线，末端出现非弹性屈服段。较软而少裂隙的岩石，如石灰岩、粉砂岩和凝灰岩等常呈这种变形曲线。
类型Ⅲ（塑-弹性），开始为上凹型曲线，然后转变为直线。坚硬而裂隙较发育的岩石，如砂岩、花岗岩等，在垂直微裂隙方向加载时常具有这种变形曲线。
类型Ⅳ和类型Ⅴ（塑-弹-塑性）为S 型曲线。曲线中段的斜率大小与岩性软硬程度有关。岩性较软且含有微裂隙者，如片麻岩、大理岩和片岩等常具有这种变形特性。
类型Ⅵ（弹-塑-蠕变性），开始为直线，很快变为非线性变形和连续缓慢的蠕变变形，是岩盐和其它蒸发岩的特征变形曲线。
图1-2 单轴压缩岩石直至破坏的典型应力-应变曲线
2）研究岩石应力-应变曲线的意义
从图1-1中岩石的全程应力-应变关系可以看出，岩石即使达到破坏之后，仍然具有一定抵抗外力的能力，这种能力是通过块体之间摩擦阻力表现出来的。这种摩擦阻力在一定时间内维持围岩的稳定是十分重要的，例如当巷道开挖形成后，围岩在一定深度范围内处于块体状态（破坏区），我们通过锚杆人为地对围岩块体提供一个压力作用，在此力作用下，势必导致围岩在与压力垂直的方向上产生变形，从而增加块体之间的相互作用力，此时块体之间若想发生相对位移而产生脱落，其所克服的块体之间的摩擦阻力也会增加，脱落的难度将会加大。这也是锚杆所谓起到主动支护的原因之一。
对于典型应力-应变曲线，我们虽然无法获得全程应力-应变曲线，但该曲线仍然具有一定的实用价值，通过它可以定性地分析出岩石的质地和内部结构组成状态。例如某岩石其典型应力-应变曲线为图1-2中Ⅳ所示的形式，那么对它则有两种分析结果，其一，若该岩石为单一性质的岩石，那么该岩石内部原始微节理裂隙一定发育；其二，若该岩石为非单一性质的岩石（如微分层比较明显的沉积岩），那么该岩石一定具有相对性质软弱的微分层。
1.3.2 循环载荷条件下的岩石变形特征
岩石在循环加载作用下的应力-应变关系，随着加卸载方法及卸载应力的不同而异。
1）弹性段卸载
当在同一载荷条件下对试件加载、卸载时，如果卸载点的应力低于岩石的弹性极限，则卸载曲线将基本上沿加载曲线回到原点，表现为弹性恢复，没有残余应变。但不同的岩石，又分为三种情况，如图1-3所示。
线弹性：弹性段为直线。
完全弹性（非线性弹性）：弹性段为几何非线性的。但卸载后应力-应变沿原来加载曲线返回原点，没有残余应变。
滞弹性：弹性段为几何非线性的。卸载时应力-应变曲线不沿原来加载曲线返回，但最终回到原点，没有残余应变。
但应注意，大部分弹性变形在卸载后能很快恢复，而小部分（约10%～20%），需要经过一段时间
后才能恢复，这种现象称为弹性后效。
a—线弹性b—完全弹性（非线性弹性）c—滞弹性
图1-3 弹性阶段卸载曲线
2）塑性段加卸载
在塑性段重复加卸载，分恒载条件下加卸载、变量重复加卸载应力-应变曲线两种情况，下面分别阐述。
Ⅰ、恒载条件下加卸载
每次加、卸载量相等，并重复加卸载多次，实验获得应力-应变关系曲线如图1-4a所示。
图1-4 岩石重复加卸载应力-应变曲线
可以看到如下特点：最初应力-应变关系曲线很弯曲，且在卸载后不能恢复的塑性变形较大；以后塑性变形逐渐减小，应力-应变关系曲线越陡，也越接近直线；后一级与前一级曲线分别近似平行。说明岩石经过多次加载、卸载后，越易呈现弹性性质。
Ⅱ、变量重复加、卸载应力-应变曲线
每次卸载后再重新加载时，其载荷量是变化的，一般采取逐级加大载荷的方法。如此重复加载、卸载实验，获得应力-应变关系曲线（如图1-4b），可以看到如下特点：前一级卸载与后一级加载之间，出现回滞环，说明了卸载时弹性变形恢复的滞后现象。如果每级卸载后的下一级加载量有规律地递增，则各级峰值应力连线基本呈现一有规律的直线或曲线，并且其形态与前述逐级加载下的应力-应变曲线相似；与恒量重复加载、卸载一样，最初应力-应变曲线很弯曲，越往后越近似直线；各级相邻两加载、卸载的应力-应变曲线，分别近似平行。
1.3.3 岩石的变形参数
根据弹性理论，岩石的变形特征可用变形模量和泊松比两个基本参数表示。
1）变形模量
ε）之比。当压应力-应变为直线时，变形模指岩石在单向受压时，轴向应力（σ）与轴向应变（
L
量为常量（如图1-5a），数值上等于直线的斜率。由于其变形为弹性变形，所以该模量又称为弹性模量。
图1-5 E 的确定方法
当应力-应变为曲线关系时，变形模量为变量，即不同应力阶段上的模量不同。常用初始模量、切线模量和割线模量三种模量来表示（如图1-5b ）。
初始模量（i E ）：是指曲线原点处的切线斜率，即：
i
i
i E εσ=
（1-23） 切线模量（t E ）：是指曲线中段直线的斜率，即：
1
21
2εεσσ--=
t E （1-24）
割线模量（s E ）：是指曲线上某特定点与原点连线的斜率。通常取相当于抗压强度50%的应变点与原点连线的斜率，即：
50
50
εσ=
s E （1-25） 对于卸载点的应力高于弹性极限时，则卸载曲线从原来的加载曲线偏离出来（如图1-6）。
图1-6 卸载点在弹性极限点以外的应力-应变曲线
假设能恢复的弹性变形为e ε，不能恢复的塑性变形为p ε，则岩石的弹性模量（e E ）和变形模量（0E ）分别为：
e
e E εσ
=
（1-26） ε
σ
εεσ=
+=
p
e E 0 （1-27） 研究弹性模量的意义在于，通过弹性模量对比，可以分析出岩石容易变形的程度。 2）泊松比（μ）
是指岩石在单向受压时，横向应变（d ε）与轴向应变（L ε）之比，即：
L
d
εεμ=
（1-28） 在实际工作中，常采用抗压强度的50%的应变点的横向应变与轴向应变来计算泊松比。常见岩石的变形模量和泊松比参见表1-8。
表1-8 常见岩石的变形模量和泊松比
实验研究表明，岩石的变形模量和泊松比往往具有各向异性的特征。当平行于微结构面加载时，变形模量最大；而垂直微结构面的变形模量最小。两者的比值，沉积岩一般为 1.08～2.05，变质岩一般为2.0左右。
1.3.4 岩石在三轴压缩条件下的变形性质
对于地下工程岩体，经常处于三向受力状态，因此研究岩石在三向应力下的变形更具意义。为了研究岩石在三向应力下的变形，常进行两种应力状态下的三轴实验：一是0321>>>σσσ，称为不等压或真三轴实验；二是0321>=>σσσ，称为假三轴或常规三轴实验。本节重点介绍常规三轴即假三轴实验的变形。
1）围压作用下岩石的变形特征
研究表明，在围压作用下，岩石的变形特征与单向受压时不尽相同。如图1-7为一组大理岩的试验曲线（从曲线1到曲线8，其围压逐步减小），首先岩石破坏前的应变随着围压的增大而增加。另外，随围压增大，岩石的塑性也不断增大，即随着围压增大，岩石逐渐由脆性转化为延性（即岩石能承受大量永久变形而不破坏的性质）。图中大理岩在围压为零或较低时，岩石呈现出脆性状态；当围压增大到
50MPa时（曲线6），显示出由脆性向塑性转化的过渡状态；围压增大到68.5MPa（曲线5），呈现出延性流动；围压增加到165MPa（曲线3）时，则岩石屈服后的应力差值随应变的增加而稳定增长，出现所谓应变硬化现象。
图1-7 不同围压下大理岩的应力-应变曲线
围压对岩石变形模量的影响常因岩性而异。对坚硬少裂隙的岩石影响较小，而对软弱多裂隙的岩石影响较大。研究表明：对砂岩来说，随围压增大，其变形模量在屈服前可提高20%，而到接近破坏前则下降20%～40%。但总的来说，随着围压的增加，岩石的变形模量和泊松比都有一定程度的提高。
总之，岩石在三轴压缩条件下，随着围压的增加其变形特征如下：
①弹性段的斜率变化不大，其相应的变形参数与单轴压缩条件下基本相等。
②某些岩石在一定侧压下，出现屈服平台或塑性流动现象；
③屈服极限、强化程度、韧性（峰值时的极限应变量）及强度峰值，都与侧压大小成正变。
2）研究围压作用下岩石变形特征的意义
通过在围压作用下岩石的变形特征可以看出，由于在围压作用下弹性段的斜率变化不大，其相应的变形参数与单轴压缩条件下基本相等，因此在岩石力学参数测定中常常采用单轴实验来确定复杂应力状态下的弹性常数。另外，由于岩石的强度表现出随着围压的增大而增大的特征，所以为了提高岩石的抗破坏能力，一般采用提高围压的做法，例如巷道支护中为防止巷道片帮，提高巷帮抵抗破坏的能力而采用巷帮锚杆主动支护。
1.4 岩石的流变性及其模型研究
1.4.1 岩石的流变性
岩石的流变性是指岩石的应力-应变随时间流逝而变化的性质，是地下工程研究中的重要内容。岩石的流变性包括以下四个方面：
①蠕变：即在应力大小和方向不变的条件下，随着时间的延长，应变不断增加的现象。
②松弛：即在应变不变的条件下，随着时间的延长，应力降低的现象。
③弹性后效：即加（卸）载后经过一段时间应变才增加（或减少）到应有值的现象。
第四章 岩石及特殊土的工程性质 第一节 岩石的物理性质 一、密度和重度： 密度：单位体积的质量（ρ）。（g/cm 3） ??? ??饱和密度干密度／天然密度Ms/V V M 重度：单位体积的重量（γ）。（N/cm 3） 2m /s 1kg 1N ?=?=g ργ 二、颗粒密度和比重（相对密度） 颗粒密度：单位体积固位颗粒的质量（s ρ）。（g/cm 3） V M s s = ρ 比重（相对密度）：单位体积固体颗粒的重力与4℃时同体积水的重力之比 （d s ）。 w s s d ρρ= 三、孔隙度和孔隙比： 孔隙度：孔隙体积与岩石总体积之比（n ）。 %100?= V V n n 孔隙比：孔隙体积与岩石中固体颗粒体积之比（e ）。 s n V V e = 第二节 岩石的水理性质 一、吸水性：指岩石吸收水的性能。其吸水程度用吸水率表示。 吸水率：（常压条件下）吸入水量与干燥岩石质量之比。 %1001 1?= s w G G w 饱水率：（150个大气压下或真空）吸入水量与干燥岩石质量之比。 %1002 2?= s w G G W
饱水系数：岩石吸水率与饱水率之比。 21 W W K w = （9.0~5.0=w K ） 二、透水性：指岩石能透过水的能力。用渗透系数K 表示。（m/s ） 达西层流定律：F I K F dl dh K Q ??=?? = 渗透系数： I V F I Q K =?= 三、软化性：指岩石浸水后强度降低的性质。用软化系数K R 表示。 软化系数： 干燥单轴抗压强度。饱和单轴抗压强度。→→= R R K c R 一般软化系数75.0＜R K 的岩石具软化性。 四、抗冻性：指岩石抵抗冻融破坏的能力。 强度损失率： 冻融前的强度冻融前后强度差 = l R 不抗冻的岩石 R L ＞25％ 重量损失率： 冻融前的重量冻融前后重量差 = L G G L ＞2％ K W ＞ 五、可溶性：指岩石被水溶解的性能。 六、膨胀性：指岩石吸水后体积增大的性能。 七、崩解性：岩石（干燥）泡水后，因内部结构破坏而崩解的性能。 第三节 岩石的力学性质 一、变形：岩石受力后发生形状改变的现象。主要变形模量和泊松比表示。 ??? ? ?? ? ??? ?? ? ===50505001εσεσ εσ εσ＝割线模量塑性模量弹性模量变形模量、变形：E E E E s s t T 2、泊松比：指横向应变⊥ε与纵向应变11ε之比。
第一章岩石及岩体的基本性质 第一节概述 岩石是组成地壳的基本物质，它由各种造岩矿物或岩屑在地质作用下按一定规律（通过结晶或借助于胶结物粘结）组合而成。 一、岩石的分类 自然状态下的岩石，按其固体矿物颗粒之间的结合特征，可分为： ①固结性岩石：固结性岩石是指造岩矿物的固体颗粒间成刚性联系，破碎后仍可保持一定形状的岩石。 ②粘结性岩石、③散粒状岩石、④流动性岩石等。 在煤矿中遇到的大多是固结性岩石。常见的有砂岩、石灰岩、砂质页岩、泥质页岩、粉砂岩等。 按岩石的力学性质不同，常把矿山岩石分为： ①坚硬岩石②松软岩石两类。 工程中常把饱水状态下单向抗压强度大于10MPa的岩石叫做坚硬岩石，而把低于该值的岩石称为松软岩石。 松软岩石具有结构疏松、密度小、孔隙率大、强度低、遇水易膨胀等特点。 从矿压控制角度看，这类岩石往往会给采掘工作造成很大困难。 二、岩石的结构和构造 岩石的强度与岩石的结构和构造有关。 1.岩石的结构指决定岩石组织的各种特征的总合。如岩石中矿物颗粒的结晶程度、颗粒大小、颗粒形状、颗粒间的联结特征、孔隙情况，以及胶结物的胶结类型等。 岩石中矿物颗粒大小差别很大，在沉积岩中，有的颗粒小到用肉眼难以分辩（如石灰岩、泥岩、粉砂岩中的细微颗粒），有的颗粒可大至几厘米（如砾岩中的粗大砾石）。组成岩石的物质颗粒大小，决定着岩石的非均质性。颗粒愈均匀，岩石的力学性质也愈均匀。一般来说，组成岩石的物质颗粒愈小，则该岩石的强度愈大。
2.岩石的构造是指岩石中矿物颗粒集合体之间，以及与其它组成部分之间的排列方式和充填方式。主要有以下几种构造： 1.整体构造——岩石的颗粒互相紧密地紧贴在一起，没有固定的排列方向； 2.多孔状构造——岩石颗粒间彼此相连并不严密，颗粒间有许多小空隙； 3.层状构造——岩石颗粒间互相交替，表现出层次叠置现象（层理）。 岩石的构造特征对其力学性质有明显影响，如层理的存在常使岩石具有明显的各向异性。在垂直于层理面的方向上，岩石承受拉力的性能很差，沿层理面的抗剪能力很弱。受压时，随加载方向与层理面的交角不同，强度有较大差别。 第二节 岩石的物理性质 一、岩石的相对密度（比重） 岩石的相对密度就是岩石固体部分实体积（不包括空隙）的质量与同体积水质量的比值。其计算公式为： w c d V G γ?=? （1-1） 式中 Δ—岩石的比重； G d —绝对干燥时岩石固体实体积的重量，g ； V c —岩石固体部分实体积，cm 3； γw —水的密度，g/cm 3 岩石比重的大小取决于组成岩石的矿物比重，而与岩石的空隙和吸水多少无关。岩石的比重可用于计算岩石空隙度和空隙比。煤矿中常见岩石的比重见表1-1。 二、岩石的质量密度 岩石的密度是指单位体积（包括空隙）岩石的质量。 根据含水状态不同，岩石的密度分为天然密度、干密度、和饱和密度。 天然密度是岩石在天然含水状态下的密度。 干密度是岩石在105～110℃烘箱烘至恒重时的密度。 饱和密度是岩石在吸水饱和状态下的密度。 干密度、饱和密度和天然密度的表达式如下：
影响岩石工程地质性质的因素 矿物成分、结构、构造、水、风化作用 1．矿物成分 岩石是由矿物组成的，岩石的矿物成分对岩石的物理力学性质产生直接的影响。 例如，石英岩的抗压强度比大理岩的要高得多，这是因为石英的强度比方解石的强度高的缘故，由此可见，尽管岩类相同，结构和构造也相同，如果矿物成分不同，岩石的物理力学性质会有明显的差别。 对岩石的工程地质性质进行分析和评价时,更应该注意那些可能降低岩石强度的因素。 例如，花岗岩中的黑云母含量过高，石灰岩、砂岩中粘土类矿物的含量过高会直接降低岩石的强度和稳定性。 2．结构 结晶联结是由岩浆或溶液结晶或重结晶形成的。矿物的结晶颗粒靠直接接触产生的力牢固地联结在一起，结合力强，空隙度小，比胶结联结的岩石具有更高的强度和稳定性。 联结是矿物碎屑由胶结物联结在一起的，胶结联结的岩石，其强度和稳定性主要取决于胶结物的成分和胶结的形式，同时也受碎屑成分的影响，变化很大。 例如：粗粒花岗岩的抗压强度一般在120～140Mpa之间，而细粒花岗岩则可达200～250Mpa。 大理岩的抗压强度一般在100～120MPa之间，而坚固的石灰岩则可达250MPa 。 3．构造 构造对岩石物理力学性质的影响，主要是由矿物成分在岩石中分布的不均匀性和岩石结构的不连续性所决定的。 某些岩石具有的片状构造、板状构造、千枚状构造、片麻状构造以及流纹构造等，岩石的这些构造，使矿物成分在岩石中的分布极不均匀。一些强度低、易风化的矿物，多沿一定方向富集，或成条带状分布，或形成局部聚集体，从而使岩石的物理力学性质在局部发生很大变化。 4．水 实验证明，岩石饱水后强度降低。当岩石受到水的作用时，水就沿着岩石中可见和不可见的孔隙、裂隙侵入，浸湿岩石自由表面上的矿物颗粒，并继续沿着矿物颗粒间的接触面向深部侵入，削弱矿物颗粒间的联结，使岩石的强度受到影响。 如石灰岩和砂岩被水饱和后，其极限抗压强度会降低25％～45％左右。 5．风化 风化作用过程能使岩石的结构、构造和整体性遭到破坏，空隙度增大、容重减小，吸水性和透水性显著增高，强度和稳定性大为降低。随着化学过程的加强，则会使岩石中的某些矿物发生次生变化，从根本上改变岩石原有的工程地质性质。
1．工程地质学及其研究内容？ 要点：研究工程活动与地质环境相互作用的学科称为工程地质学。工程地质学探讨工程地质勘察的手段及方法，调查研究岩土体的工程地质性质、地质构造、地貌等工程地质条件及其发展变化规律，分析研究与工程有关的工程地质问题，并提出相应的处理方法及防治措施。为工程的选址、规划、设计、施工提供可靠的依据。 2．什么是工程地质条件？ 要点：工程地质条件是指与工程建设有关的地质条件总和，它包括土和岩石的工程性质、地质构造、地貌、水文地质、地质作用、自然地质现象和天然建筑材料等几个方面。1．什么是地质作用？内、外地质作用是怎样改造地球的？ 答：在自然界中所发生的一切可以改变地球的物质组成、构造和地表形态的作用称为地质作用。 地球内力地质作用：由地球内部能（地球旋转能、重力能、放射性元素蜕变的热能等）所引起的地质作用，它主要通过地壳运动、地震作用、岩浆作用、变质作用来改造地球的； 外动力地质作用：由地球范围以外的能源，如太阳的辐射能、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，它主要通过风化作用、剥蚀作用、搬运作用、沉积作用、成岩作用来改造地球的。 2、野外鉴别矿物的步骤？ 答：（1）找到矿物的新鲜面，矿物的新鲜面能真实地反映矿物化学成分和物理特征；（2）观察鉴别矿物的形态和物理性质；（3）根据观察到的矿物的物理性质，结合常见造岩矿物特征，对矿物进行命名。 3、什么是变质岩？变质岩有哪些主要矿物、结构和构造？常见变质岩的鉴别特征是什么？ 答：变质岩是由地壳中已形成的岩石（岩浆岩、沉积岩、变质岩）经地球内力作用，发生矿物成分、结构构造变化形成的岩石。变质岩的矿物一部分是岩浆岩或沉积岩共有的，如石英、长石、云母等，另一部是变质岩特有的，如红柱石，刚玉等；变质岩的主要结构有变余结构、变晶结构、碎裂结构等；变质岩的构造主要有变余构造、变成构造两种。变质岩的鉴别特征首先是变质作用：区域变质、接触变质、动力变质，然后鉴别依据主要是构造、结构和矿物成分。 4．什么是变质作用及其类型？ 要点：地球内力作用促使岩石发生矿物成分及结构构造变化的作用称为变质作用。变质作用分为接触变质作用、区域变质作用、混合岩化作用和动力变质作用四种类型 5．岩石坚硬程度分类的依据是什么？岩石坚硬程度类型有哪些？ 要点：岩石的坚硬程度分类的依据是岩石饱和单轴抗压强度。根据岩石饱和单轴抗压强度将岩石分为５大类，分别为：坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩、极软岩。 6、岩石的工程地质性质有哪些？表征岩石工程地质性质的指标有哪些？ 答：岩石的工程地质性质主要包括物理性质、水理性质和力学性质三个主要方面。 表征岩石工程地质性质的指标主要有岩石的物理性质（重度、空隙性）、岩石的水理性质（吸水性、透水性、溶解性、软化性、抗冻性）、岩石的力学性质（坚硬程度、变形、强度） 7、分析影响工程地质性质的因素。 答：影响岩石工程地质性质的因素主要有地质特征，如岩石的矿物成分、结构、构造及成因等；另一个是岩石形成后所受外部因素的影响，如水的作用及风化作用等。 矿物成分：矿物成分对岩石的岩石强度有直接的影响，从工程要求看大多数岩石的强度相对来说都比较高，从工程性质来看，我们应该注意那些可能减低岩石强度的因素。 结构：胶结结构和结晶结构，它对工程地质性质的影响主要体现在强度和稳定性方面。一般来说结晶结构比胶结结构的岩石更稳定，强度更大。 构造：构造对工程地质性质的影响主要是由于矿物成分分布不均匀及各种地质界面 水：水能削弱矿物颗粒之间的联结，使岩石强度受到影响。但在一定程度上对岩石强度的影响是可逆的。 风：风能促使岩石的结构、构造和整体性遭到破坏，孔隙度增大，容重减小，吸水和透水性显著增高，强度和稳定性大为降低。伴随化学作用，可以从根本上改变岩石的性质。 1、如何确定岩石的相对地质年代？ 答：岩石相对地质年代的确定主要依据地层层序律、生物演化率、岩性对比法、地质体之间的接触关系等方法来确定。 2、地质年代的单位有那些？对应的地层单位有那些？ 答：地质年代按时间段落的级别依次划分为宙、代、纪、世、期。与其相对应的地层单位分别是宇、界、系、统、阶。 3、地质体之间的接触关系有哪些？反映的地质内容是什么？ 答：地质体之间的接触关系主要有：整合接触、平行不整合接触、角度不整合接触、侵入接触、沉积接触。 整合接触即反映的地质内容是相邻的新、老两套地层产状一致，岩石性质与生物演化连续而渐变，沉积作用无间断。 平行不整合接触反映的地质内容是相邻的新、老两套地层产状一致，岩石性质与生物演化连续而渐变，沉积作用无间断。 角度不整合接触反映的地质内容是相邻的新、老地层之间缺失了部分地层，且彼此之间的产状也不相同，成角度相交。 侵入接触即由岩浆侵入到先形成的岩层中而形成的接触关系。沉积接触所反映的地质内容是地壳上升并遭 受剥蚀，形成剥蚀面，然后地壳下降，在剥 蚀面上接受沉积，形成新地层。 4、在野外如何测定岩层的产状？ 答：岩层产状的野外测定主要是用地质罗盘 在岩层层面上直接测量。 测量走向时，使罗盘在长边紧贴层面，将罗 盘放平，水准泡居中，读指北针或指南针所 示的方位角，就是岩层的走向。测量倾向时， 将罗盘的短边紧贴层面，水准泡居中，读指 北针所示的方位角，就是岩石的倾向。测量 倾角时，需将罗盘横着竖起来，使长边与岩 层的走向垂直，紧贴层面，等倾斜器上的水 准泡居中后，读悬锤所示的角度，就是岩层 的倾角。 5、简叙各褶曲要素。 要点：核：组成褶皱中心部位的岩层。翼： 中心岩层动外的岩层。转折端：从翼向另一 翼过渡的弯曲部分。枢纽：组成褶皱岩层的 同一层面最大弯曲点的连线。轴面：由各岩 层枢纽所连成的面。 6、在野外如何识别褶皱？ 答：在野外识别褶皱主要是采用穿越的方法 和追索的方法进行观察。 穿越的方法就是沿着选定的调查路线，垂直 岩层走向进行观察，用穿越的方法，便于了 解岩层的产状，层序及其新老关系。 追索法就是沿平行岩层走向进行观察的方 法。平行岩层走向进行追索观察，便于查明 褶曲延伸的方向及其构造变化的情况。 7、褶皱区如何布置工程建筑？ 答：（1）褶皱核部岩层由于受水平挤压作用， 产生许多裂隙，直接影响到岩体的完整性和 强度，在石灰岩地区还往往使岩溶较为发育。 所以在核部布置各种建筑工程，如厂房、路 桥、坝址、隧道等，必须注意岩层的坍落、 漏水及涌水问题。（2）在褶皱翼部布置建筑 工程时，如果开挖边坡的走向近于平行岩层 走向，且边坡倾向于岩层倾向一致，边坡坡 角大于岩层倾角，则容易造成顺层滑动现象 （3）对于隧道等深埋地下的工程，一般应布 置在褶皱翼部。因为隧道通过均一岩层有利 稳定，而背斜顶部岩层受张力作用可能塌落， 向斜核部则是储水较丰富的地段。 8、构造节理的特征是什么？ 答：由构造运动产生的节理叫构造节理，它 在地壳中分布极为广泛，分布也有一定的规 律。按构造节理形成的应力性质，构造节理 可分为张节理和剪应力两大类。 张节理其主要特征是产状不很稳定，在平面 上和剖面上的延展均不远；节理面粗糙不平， 擦痕不发育，节理两壁裂开距离较大，且裂 缝的宽度变化也较大，节理内常充填有呈脉 状的方解石、石英，以及松散工已胶结的粘 性土和岩屑等；当张节理发育于碎屑岩中时， 常绕过较大的碎屑颗粒或砾石，而不是切穿 砾石；张节理一般发育稀疏，节理间的距离 较大，分布不均匀。 剪节理剪节理和特征是产状稳定，在平面和 剖面上延续均较长；节理面光滑，常具擦痕、 镜面等现象，节理两壁之间紧密闭合；发育 于碎屑岩中的剪节理，常切割较大的碎屑颗 粒或砾石；一般发育较密，且常有等间距分 布的特点；常成对出现，呈两组共轭剪节理。 9、分析节理对工程建筑的影响？ 答：岩体中的裂隙，在工程上除了有利于开 挖处，对岩体的强度和稳定性均有不利的影 响。 岩体中存在裂隙，破坏了岩体的整体性，促 进岩体风化速度，增强岩体的透水性，因而 使岩体的强度和稳定性降低。当裂隙主要发 育方向与路线走向平行，倾向与边坡一致时， 不论岩体的产状如何，路堑边坡都容易发生 崩塌等不稳定现象。在路基施工中，如果岩 体存在裂隙，还会影响爆破作业的效果。所 以，当裂隙有可能成为影响工程设计的重要 因素时，应当对裂隙进行深入的调查研究， 详细论证裂隙对岩体工程建筑条件的影响， 采取相应措施，以保证建筑物的稳定和正常 使用。 10、断层的类型及组合形式有哪些？ 答：根据两盘相对移动的特点，断层的基本 类型有上盘相对下降，下盘相对上升的正断 层；上盘相对上升，下盘相对下降的逆断层； 两盘沿断层走向相对水平移动的平移断层。 断层的组合类型有阶梯状断层、地堑和地垒、 叠瓦状断层等多种形式。 11、在野外怎样识别断层？ 答：在自然界，大部分断层由于后期遭受剥 蚀破坏和覆盖，在地表上暴露得不清楚，因 此需根据地层、构造等直接证据和地貌、水 文等方面的间接证据来判断断层的存在与否 及断层类型。 12、地质平面图、剖面图及柱状图各自反映 了哪些内容？ 答：一幅完整的地质图应包括平面图、剖面 图和柱状图。平面图是反映一表地质条件的 图。是最基本的图件。地质剖面图是配合平 面图，反映一些重要部位的地质条件，它对 地层层序和地质构造现象的反映比平面图更 清晰、更直观。柱状图是综合反映一个地区 各地质年代的地层特征、厚度和接触关系的 图件。 13、如何阅读分析一幅地质图？ 答：先看图和比例尺。以了解地质图所表示 的内容，图幅的位置，地点范围及其精度。 阅读图例。了解图中有哪些地质时代的岩层 及其新老关系；并熟悉图例的颜色及符号， 附有地层柱状图时，可与图例配合阅读。 分析地形地貌，了解本区的地形起伏，相对 高差，山川形势，地貌特征等。 阅读地层分布、产状及其和地形关系，分析 不同地质时代的分布规律，岩性特征，及新 老接触关系，了解区域地层的基本特点。 阅读图上有无褶皱，褶皱类型、轴部、翼部 的位置；有无断层，断层性质、分布、以及 断层两侧地层的特征，分析本地区地质构造 形态的基本特征。 综合分析各种地质现象之间的关系及规律 性。 1．残积土的成因及其特征？ 要点：岩石风化后产生的碎屑物质，被风和 大气降水带走一部分，其余都残留在原地， 残留在原地的碎屑物称为残积土。残积土主 要分布在岩石暴露于地表而受到强烈风化作 用的山区、丘陵及剥蚀平原。残积土从上到 下沿地表向深处颗粒由细变粗。一般不具层 理，碎块呈棱角状，土质不均，具有较大孔 隙，厚度在山坡顶部较薄，低洼处较厚。 2．什么是冲积土？河流地质作用的表现形 式有哪些？ 要点：冲积土是在河流的地质作用下将两岸 基岩及其上部覆盖的坡积物、洪积物剥蚀后 搬运、沉积在河流坡降平缓地带形成的沉积 物。 河流地质作用的表现形式主要有：侵蚀作用、 搬用作用、沉积作用。 3、坡积土的稳定性是否能以其表面坡度来 判断？为什么？ 答：不能。因为坡积土的稳定性与基岩表面 的坡度有关，基岩表面的坡度越大，坡积土 的稳定性就越差。坡积土的表面坡度仅与生 成的时间有关。时间越长，搬运、沉积在山 坡下部的坡积土越厚，表面倾斜度越小。 1．什么是潜水的等水位线图？如何根据等 水位线确定水流方向和水力梯度？ 要点：潜水面的形状可用等高线表示，称潜 水等位线图。 确定潜水方向：潜水由高水位流向低水位， 所以，垂直于等水位线的直线方向，即是潜 水的流向。 确定潜水的水力梯度：在潜水的流向上，相 临两等水位线的高程与水平距离之比，即为 该距离段内潜水的水力梯度。 2、什么是流土和潜蚀？其临界水力梯度的 概念是什么？ 答：流土(流砂)是渗流将土体的所有颗粒同 时浮动、流动或整块移动。 潜蚀(管涌)是在一定水力梯度下，渗流产生 较大的动水压力削弱土体内部连结，将土体 较细颗粒移动、溶蚀或挟走，最后在土体中 形成流水管路的潜蚀作用和现象。 天然条件或在工程作用下，地下水的渗透速 度或水力梯度达到一定大小时，岩土体才开 始表现为整块或颗粒移动，或颗粒成分改变， 从而导致岩土体变形与破坏。这个一定大小 的渗透速度或水力梯度，分别称为该岩土体 的临界水力梯度。 3、防止土体渗透破坏的措施原则上有哪 些？ 答：防治渗透破坏经常采用的有效措施，原 则上可分为两大类。一是改变渗流的动力条 件，使其实际水力梯度减小到允许的程度。 二是改善岩土性质，增强其抗渗能力。这都 要根据工程地质条件和工程性状来具体处 理。 1．分析地震效应。 要点：在地震作用影响下，地面出现的各种 震害和破坏称为地震效应。地震效应包括， 地震力效应，地震破裂效应，地震液化效应 和地震激发地质灾害效应。（1）地震力效应 地震可使建筑物受到一种惯性力的作用，当 建筑物无法抵挡这种力的作用时，建筑物将 会发生变形、开裂、倒塌。（2）地震破裂效 应 地震自震源处以地震波的形式传播于周围的 岩土层中，引起岩土层的振动，当这种振动 作用力超过岩石的强度时，岩石就产生突然 破裂和位移，形成断层和地裂隙，引起建筑 物变形和破坏。（3）地震液化效应 在饱和粉砂土中传播的地震波，使得孔隙水 压力不断升高，土中有效应力减少，甚至会 使有效应力完全消失，粉砂土形成流体，形 成砂土液化，导致地基强度降低。（4）地震 能激发斜坡岩土体松动、失稳，发生滑坡， 崩塌等不良地质现象。 2．何谓地震震级和地震烈度？ 要点：地震震级是表示地震本身大小的尺度， 是由地震所释放出来的能量大小所决定的。 地震烈度是指某一地区地面和各种建筑物遭 受地震影响的强烈程度。 3、什么是岩体、结构面|、结构体？ 答：所谓岩体是指包含有各种各样地质界面 的各类岩石组合而成的各项异性的复杂地质 体。 结构面是存在于岩体中的各种地质界面，如 岩层层面、裂隙面、断裂面、不整合面等。 结构体是受结构面切割而产生的单个块体。 4．简述岩体结构类型及工程特性。 要点：岩体结构类型主要划分为整体状结构、 块状结构、层状结构、碎裂结构、散体结构 五类，其工程特性主要为： 整体状结构：岩体稳定，可视为均质弹性各 向同性体； 块状结构：结构面互相牵制，岩体基本稳定， 接近弹性各向同性体； 层状结构：变形和强度受层面控制，可视为 各向异性弹塑性体，稳定性较差； 碎裂状结构：整体强度很低，并受软弱结构 面控制，呈弹塑性体，稳定性很差 散体状结构：完整性遭极大破坏，稳定性极 差，接近松散体介质。 5、崩塌及滑坡的形成条件是什么？ 答：崩塌形成的条件是斜坡前缘的部分岩体 被陡倾结构面分割，并突然脱离母体，翻滚 而下，造成岩块互相冲撞、破坏，最后堆积 于坡脚而形成岩堆。 滑坡的形成条件主要取决于下滑力与抗滑力 的对比关系。斜坡的外形基本上决定了斜坡 内部的应力状态，斜坡的岩土性质和结构决 定了斜坡各部分抗剪强度的大小。当斜坡内 部的剪切力大于岩土的抗剪强度时，斜坡将 发生剪切破坏而滑坡。 6．在建筑物设计方面如何防止地表变形？ 要点:布置建筑物总图时，建筑物长轴应垂直 于工作面的推进方向；建筑物的平面形状应 力求简单，以矩形为宜；基础底部应位于同 一标高和岩性均一的地层上，否则应采用沉 降缝将基础分开。当基础埋深有变化时，应 采用台阶，尽量不采用柱廊和独立柱；加强 基础刚度和上部结构强度，在结构薄弱易变 形处更应加强 1．选择洞轴线位置时应考虑哪些因素？ 要点：（1）地形：应注意利用地形、方便施 工。（2）地层与岩性条件：地层与岩性条件 的好坏直接影响洞室的稳定性。（3）地质构 造条件：应考虑在大块而完整岩体中布置轴 线；应注意分析洞轴线与岩层产状、褶皱地 层的走向的关系。（4）水文地质条件：对隧 洞沿线地下水分析其埋藏运动条件、类型及 物理化学特性等情况。 2．保障围岩稳定性的两种途径是什么？ 要点：保障围岩稳定性的途径有以下两种： 一是保护围岩原有稳定性，使之不至于降低； 二是提高岩体整体强度，使其稳定性有所提 高。前者主要是采用合理的施工和支护衬砌 方案，后者主要是加固围岩。 3、新奥法和盾构法的特点是什么？它们各 适用于什么岩土层？ 答：新奥法与常规的支衬方法相比，具有开 挖断面小，节省支衬材料，岩体稳定性好， 施工速度快等优点；盾构法是用特制机器开 挖隧洞的施工技术，其优点是避开干扰，不 影响地面建筑和环境，可充分开发地下空间。 新奥法既适合于坚硬岩石，也适合于软弱岩 石，特别适合于破碎、变质、易变形的施工 困难段；盾构法主要用于第四系松软地层掘 进成洞。 1．工程地质勘察的任务？ 要点：通过工程地质测绘与调查、勘探、室 内试验、现场测试等方法，查明场地的工程 地质条件，如场地地形地貌特征、地层条件、 地质构造，水文地质条件，不良地质现象， 岩土物理力学性质指标的测定等。在此基础 上，根据场地的工程地质条件并结合工程的 具体特点和要求，进行岩土工程分析评价， 为基础工程、整治工程、土方工程提出设计 方案。 2．岩土工程分析评价的主要包括的内容？ 要点：岩土工程分析评价方面的内容包括： 场地稳定性与适宜性评价；岩土指标的分析 与选用；岩土利用、整治、改造方案及其分 析和论证；工程施工和运营期间可能发生的 岩土工程问题的预测及监控、预防措施。
《工程地质学》课程教学大纲 【英文译名】：Engineering?Geology 【适用专业】：地质工程 【学分数】： 【总学时】：40 【实践学时】：8 一、本课程教学目的和课程性质 本课程是为地质工程专业本科开设的一门专业基础课，必修课。课程系统地讲授岩土工程地质性质及工程动力地质作用。系统概括了工程地质学最基本的原理和方法。在教学过程中适量安排一定时间的参观及试验。通过本课程教学，培养学生掌握工程地质学最基本的原理与方法，了解国内外工程地质学领域的研究动态，能从系统的、动态的角度认识人类工程活动与地质环境的相互关系，为今后研究与解决工程地质、水文地质、地震地质、环境地质等方面有关的工程问题奠定坚实的基础。 二、本课程的基本要求 通过本课程的学习，使学生掌握岩土的工程地质性质、工程动力地质作用等工程地质学最基本的原理和方法，并能初步应用工程地质学的基本原理分析工程地质问题，能运用力学原理进行工程地质问题的定量评价等。为学习后继课程以及从事工程地质工作和科学研究打下一定的基础。在教学过程中，应注意培养学生对工程地质问题分析中的地质思维逻辑，辩证唯物主义的科学思维方法和实事求是、严谨认真的工作作风。
三、本课程与其他课程的关系 本课程学习前必须学习《动力地质学》、《矿物学》、《岩石学》、《构造地质学》、《水文地质学》、《地层学》、《地貌及第四纪地质学》、《工程力学》等课程。 四、课程内容 绪论 一、工程地质学的研究对象与任务 二、工程地质学的研究内容、分科及其与其它学科的关系 三、工程地质学的发展历史 四、本课程的内容与学习方法 重点了解工程地质学的研究对象和任务，工程地质学的研究内容；了解工程地质学分科及其与其它学科的关系，工程地质学的发展历史。 重点：工程地质学、工程地质条件及工程地质问题的概念；工程地质学的意义 第一章土的物质组成与结构、构造 第一节土的粒度成分 粒径、粒组概念；粒组划分；粒度成分测定与表示；土按粒度成分分类； 第二节土的矿物成分 土中矿物成分类型；矿物成分与粒度成分的关系；粘土矿物的类型及其工程地质特征 第一节土中的水与气体
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
（建筑工程管理）爆破工程地质(岩石工程分类与力学 性质)
爆破工程地质（岩石工程分类和力学性质） 发布时间：2010-01-2210:39 116岩石物理力学性质physical-mechanicalproperty0frock 岩石对物理条件及力作用的反应，包括岩石物理和岩石力学性质。在力学特性中仍包括渗流特性，机械特性(硬度、弹性、压缩及拉伸性、可钻性、剪切性、塑性等)。 117岩石物理性质petrophysicalpropertiesofrock 岩石物理性质主要有：岩石的密度、岩石的空隙性、岩石的波阻抗、岩石的风化程度等各种特性参数和物理量。 118岩石工程分类engineeringclassificationofrocks 从岩石工程的角度据岩石强度、裂隙率、风化程度和其它特征指标将其划分成各种类别赢等级，如完整岩石、新鲜岩石、风化岩石、蚀变岩石、块状岩体、层状岩体、软弱夹层等。119岩体工程分类法engineeringclassificationofrockmass 把工程岩体质量的好坏分成有限和有序类别的方法。作为评价岩体工程稳定性，进行工程设计和施工管理的基础的工程岩体分类，壹般包含三个方面的工作：1)依据研究对象确定分类因素，构成分级指标作为分级的判据；2)合理选择用分级指标组成的分级模型，得到划分档次的标准；3)根据工程需要确定分级数目。分类的结果要经过实践检验。 120岩石质量分类rockmassclassification 依据岩石材料的物理性质(非均匀性、各向异性和渗透性)、机械性质或对采掘作业的阻力(如可爆性或可挖性)将岩石进行分类的方法。Barton1974年制定的QC(品质)系统和Bieniawski1973年建立的RMR(岩石质量测定)系统可建议用于爆破目的的岩石质量分类。121岩体RQD指标rockqualitydesignation 岩心中长度等于或大于10cm的岩心的累计长度占钻孔进尺总长度的百分比。它反映岩体被各种结构面切割的程度。RQD值规定用直径为54mm金刚石钻头、双层岩心管钻进获得。此指标为美国迪尔(D.V.Deere)于1964年首先提出，且用于岩体分级，也称岩石质量指标。 122岩体RMR指标rockmassratingsystem 波兰人宾尼奥斯基(Z.T.Bieniawski)于1973—1975年提出的地质力学分级法，且用计分法表示岩体质量好坏。 123岩体Q指标theQ-systemofrockstrength 1974年挪威学者巴顿(N.Barton)提出岩体质量指标Q分类法，由RQD、节理组数(?n)、节理面粗糙度(?k)、节理蚀变程度(?a)、裂隙水影响因素(?w)以及地应力影响因素(SRF)等6项指标组成Q值计算式，Q值愈大，表示岩体质量愈好。 124岩石非连续性discontinuityofrock 指岩石内的缺陷影响应力和声波传播的性质。岩石的缺陷是指岩石的孔隙、节理、裂隙和层面等。岩石的非连续性对其物理力学性质及渗透性影响很大。 125岩石非均匀性nonhomogeneityofrock 指岩石成分、结构和构造在各不同方向上的不均匀分布。 126岩石断裂韧性fracturetughnessofrock 指岩石抵抗裂纹扩展的能力。在平面裂纹应力分析中，裂纹面分为三种基本位移模式(张开型、错动型、撕开型)。张开型裂纹最适合于脆性固体中裂纹传播。
岩石及其工程地质性质 主要内容：地球的内部构造、矿物的主要物理性质。三大类岩石的成因、矿物组成、结构、构造等特征及分类。岩石的主要物理、力学性质指标、风化岩石的特征。 要求：了解地球的内部构造，了解鉴别矿物的主要依据即矿物的主要物理性质及简单的化学性质等。了解三大类岩石的成因、成分、结构、构造特征并理解它们的含意以及它们与岩石的工程性质的关系。了解三大类岩石的亚类分类及常见岩石的主要特征。了解工程中常用的岩石的物理力学性质指标及含义。理解岩石风化分带的工程意义。 大地工程自调查、规划设计以至于施工的过程当中均涉及地质学有关的背景知识。本次讲座系以阐述正确的地质学观念为主，以期给予听讲者于大地工程与地质学上的应用能相辅相成。主讲人谢敬义先生长期担任台湾电力公司高级专业工程地质师、大学兼任教授及项目地质顾问，各种工程地质与灾变处理实务经验丰硕，相信能为此次讲座带来一趟深入且精彩的地质之旅。 本讲题内容分为三部份。第一部份先以地质学的发展过程，将希腊、罗马时代开始的古典地质思维历经中世纪、二十世纪以来的传统地质学概念，以迄于目前盛行的板块构造学说之由来等，透过类似历史故事的方式引发工程师的兴趣。第二部份则以上述地质学发展的架构说明地质学应用时的整体理念，以及与大地工程密切相关的地形学、构造地质学、地层学、矿物与岩石学上等应用的正确观念，并将以台湾的地形与地质特性为主轴，说明其与大地工程上的关系。最后则以谢先生个人所经历的工程地质案例综合讨论基础工程、坡地工程、大坝工程、隧道工程上实务之工程地质问题及解决对策。可以给工程师宏观的想法及视野，精采可期。 工程地质 摘要：工程地质学科目前正在经历着前所未有的挑战，工程地质专业处境尴尬，工程地质勘察的市场竞争也有真假之别，工程地质分析与研究的深度和广度严重不足，工程地质新技术新方法的应用尚有较大差距，工程地质在工程建设中留下的隐患具有长期性和隐伏性。工程地质面临的困境，向工程建设敲响了警钟，也向地质师们提出了更大的难题。 关键词：工程地质岩土工程 工程地质学科的争议 教科书对工程地质学的三种定义：①工程地质学是研究与工程有关的地质问题的科学； ②工程地质学是研究人类工程活动与地质环境相互作用的科学；③工程地质学是研究人类工程建设活动与自然地质环境相互作用和相互影响的一门地质科学。 从以上三种定义的实质中均不难看出，工程地质学强调的工程和地质的关系，研究的是人类工程活动与自然地质环境的相互作用。但是，近年来工程地质学科却正在经历着前所未有的挑战，工程地质学被异名为岩土工程学，工程地质勘察被称之为岩土工程勘察。工程界有此呼声，学术界有此呼应，一些大专院校也纷纷效仿，甚至工程地质这个专业在高校也被取消了。一时间，似乎工程地质已经成了守旧传统，岩土工程才是先进时髦的，才是可以适应市场经济并与国际接轨的。这是近年来分歧最大的争议。 这些年来工程地质勘察的不景气以及市场竞争的不规范化，工程地质勘察队伍增加了岩土工程的业务是完全必要的，但将岩土工程作为工程地质的救世主，则值得商榷了。 根据笔者的理解，岩土工程是一项工程应用技术，是针对地质体的工程缺陷实施的工程措施而进行的一系列设计和施工过程的总称。岩土工程的任务是“处理”地质体的工程缺陷,使之满足工程建筑物对地基的工程要求，因此又有“岩土工程处理技术”的别名，说明岩土工程的确是一项实实在在的工程技术。确立工程地质学是一门独立的学科，尽管也仅仅是本世
影响岩石工程地质性质 的因素 标准化工作室编码[XX968T-XX89628-XJ668-XT689N]
影响岩石工程地质性质的因素 矿物成分、结构、构造、水、风化作用 1．矿物成分 岩石是由矿物组成的，岩石的矿物成分对岩石的物理力学性质产生直接的影响。 例如，石英岩的抗压强度比大理岩的要高得多，这是因为石英的强度比方解石的强度高的缘故，由此可见，尽管岩类相同，结构和构造也相同，如果矿物成分不同，岩石的物理力学性质会有明显的差别。 对岩石的工程地质性质进行分析和评价时,更应该注意那些可能降低岩石强度的因素。 例如，花岗岩中的黑云母含量过高，石灰岩、砂岩中粘土类矿物的含量过高会直接降低岩石的强度和稳定性。 2．结构 结晶联结是由岩浆或溶液结晶或重结晶形成的。矿物的结晶颗粒靠直接接触产生的力牢固地联结在一起，结合力强，空隙度小，比胶结联结的岩石具有更高的强度和稳定性。 联结是矿物碎屑由胶结物联结在一起的，胶结联结的岩石，其强度和稳定性主要取决于胶结物的成分和胶结的形式，同时也受碎屑成分的影响，变化很大。 例如：粗粒花岗岩的抗压强度一般在120～140Mpa之间，而细粒花岗岩则可达200～250Mpa。 大理岩的抗压强度一般在100～120MPa之间，而坚固的石灰岩则可达 250MPa 。 3．构造 构造对岩石物理力学性质的影响，主要是由矿物成分在岩石中分布的不均匀性和岩石结构的不连续性所决定的。 某些岩石具有的片状构造、板状构造、千枚状构造、片麻状构造以及流纹构造等，岩石的这些构造，使矿物成分在岩石中的分布极不均匀。一些强度低、易风化的矿物，多沿一定方向富集，或成条带状分布，或形成局部聚集体，从而使岩石的物理力学性质在局部发生很大变化。 4．水 实验证明，岩石饱水后强度降低。当岩石受到水的作用时，水就沿着岩石中可见和不可见的孔隙、裂隙侵入，浸湿岩石自由表面上的矿物颗粒，并继续沿着矿物颗粒间的接触面向深部侵入，削弱矿物颗粒间的联结，使岩石的强度受到影响。 如石灰岩和砂岩被水饱和后，其极限抗压强度会降低25％～45％左右。 5．风化 风化作用过程能使岩石的结构、构造和整体性遭到破坏，空隙度增大、容重减小，吸水性和透水性显着增高，强度和稳定性大为降低。随着化学过程的加强，则会使岩石中的某些矿物发生次生变化，从根本上改变岩石原有的工程地质性质。
岩石物理学及岩石性质 一、矿物 1.1矿物 矿物是单个元素或若干个元素在一定地质条件下形成的具有特定理化性质的化合物，是构成岩石的基本单元。矿物多数是在地壳（地球）物理化学条件下形成的无机晶质固体，也有少数呈非晶质和胶体。 1.2矿物的主要物理特性 1.2.1光学特性 （1）颜色：矿物的颜色由矿物对入射光的反映呈现出来。一般来说矿物的颜色是矿物对入射光吸收色的补色。 （2）条痕:条痕色指矿物经过在不涂釉的瓷板上擦划，在瓷板上留下的矿物粉粒的颜色。 （3）光泽:光泽是矿物表面对入射光所射的总光量。根据光泽有无金属感，将光泽分为金属光泽与非金属光泽。矿物光泽特性既与矿物组成和结构有关，又与矿物表面特征有关。 （4）透明度:透明度与矿物对矿物透射光的多少有关。 1.2.2力学性质 （1）硬度： 矿物的硬度是指矿物的坚硬程度。一般采用摩氏硬度法鉴别矿物硬度。即采用标准矿物的硬度对未知矿物进行相对硬度的鉴别。摩氏硬度中选取十种矿物作为标准矿物，将矿物分为10级，称为摩氏硬度计。这十种矿物硬度由1级到10级的顺序是：①滑石，②石膏，③方解石，④磷灰石，⑤萤石，⑥正长石，⑦石英，⑧黄玉，⑨刚玉，⑩金刚石。 （2）解理与断口： 矿物受力后产生破裂出现的没有一定方向的不规则的断开面，谓之断口。当晶质体矿物受力断开时，出现一系列平行的、平整的裂面时，称为解理。断口出现的程度跟解理的完善程度相互消长，解理程度越低的矿物越容易形成断口。因此，断口具有了非晶质体的基本含义。解理与晶质体内质点间距有明显的关系，
解理常出现在质点密度较大的方向上。 （3）延展性： 矿物的延展性，也可以称为矿物的韧性。其特征是表现为矿物能被拉成长丝和辗成薄片的特性。这是自然金属元素具有的基本特性。 1.3重要矿物 （1）自然元素矿物：这类矿物较少，其中包括人们所熟知的矿物，如金、铂、自然铜、硫磺、金刚石（见图1）、石墨等。 图1金刚石 （2）硫化物类矿物：本类是金属元素与硫的化合物，大约200多种，Cu、Pb、Mo、Zn、As、Sb、Hg等金属矿床多有此类矿物富集而称，具有很大的经济价值。 方铅矿PbS。闪锌矿ZnS。黄铁矿FeS2（见图2） 图2黄铁矿 （3）氧化物及氢氧化物类矿物：本类矿物分布相当广泛，共约180多种，包括重要的造盐矿物如石英及Fe、Al、Mn、Cr、Ti、Sn、U、Th等的氧化物或氢
实验一岩石单轴抗压强度试验 1.1 概述 当无侧限岩石试样在纵向压力作用下出现压缩破坏时，单位面积上所承受的载荷称为岩石的单轴抗压强度，即试样破坏时的最大载荷与垂直于加载方向的截面积之比。 在测定单轴抗压强度的同时，也可同时进行变形试验。 不同含水状态的试样均可按本规定进行测定，试样的含水状态用以下方法处理： （1）烘干状态的试样，在105～1100C下烘24h。 （2）饱和状态的试样，使试样逐步浸水，首先淹没试样高度的1/4，然后每隔2h分别升高水面至试样的1/3和1/2处，6h后全部浸没试样，试样在水下自由吸水48h；采用煮沸法饱和试样时，煮沸箱内水面应经常保持高于试样面，煮沸时间不少于6h。 1.2 试样备制 （1）试样可用钻孔岩芯或坑、槽探中采取的岩块，试件备制中不允许有人为裂隙出现。按规程要求标准试件为圆柱体，直径为5cm，允许变化范围为4.8～5.2cm。高度为10cm，允许变化范围为9.5～10.5cm。对于非均质的粗粒结构岩石，或取样尺寸小于标准尺寸者，允许采用非标准试样，但高径比必须保持=2:1～2.5:1。 （2）试样数量，视所要求的受力方向或含水状态而定，一般情况下必须制备3个。 （3）试样制备的精度，在试样整个高度上，直径误差不得超过0.3mm。两端面的不平行度最大不超过0.05mm。端面应垂直于试样轴线，最大偏差不超过0.25度。 1.3 试样描述 试验前的描述，应包括如下内容： （1）岩石名称、颜色、结构、矿物成分、颗粒大小，胶结物性质等特征。 （2）节理裂隙的发育程度及其分布，并记录受载方向与层理、片理及节理裂隙之间的关系。 （3）测量试样尺寸，并记录试样加工过程中的缺陷。 1.4 主要仪器设备 试样加工设备：钻石机、锯石机、磨石机或其他制样设备。 量测工具与有关检查仪器： 游标卡尺、天平（称量大于500g，感量0.01g），烘箱和干燥箱，水槽、煮沸设备。 加载设备： 压力试验机。压力机应满足下列要求： （1）有足够的吨位，即能在总吨位的10%～90%之间进行试验，并能连续加载且无冲击。 （2）承压板面平整光滑且有足够的刚度，其中之一须具有球形座。承压板直径不小于试样直径，且也不宜大于试样直径的两倍。如大于两倍以上时需在试样上下端加辅助承压板，辅助承压板的刚度和平整光滑度应满足压力机承压板的要求。 （3）压力机的校正与检验应符合国家计量标准的规定。 1.5 试验程序 （1）根据所要求的试样状态准备试样。 （2）将试样置于压力机承压板中心，调整有球形座的承压板，使试样均匀受力。