岩石力学第二章

第二章岩石的物理性质与岩体结构Chapter 2 Physical Properties of Rock and Structures of Rock mass岩石/岩体性质物理性质力学性质包括密度、容重、含水率、抗冻等性质包括弹性/变形模量、抗拉、抗压、抗剪强度等学习提示Learning Hints目的及要求：了解工程实践中最关注的岩石的工程性质（即物理性质、力学性质和水理性质）；要求熟悉各种岩石物理性质的具体含义和测试过程与手段；掌握岩石物理性质的工程意义；岩石与岩体的工程分类；重点：岩石的物理性质指标和岩石的渗透性与水理性质。

难点：各类岩石物理参数的计算公式与测试方法、裂隙统计方面的内容。

岩石力学问题的研究首先应从岩石的基本物理力学性质研究入手，本节介绍岩石（块）的基本物理性质的主要指标及测试方法。

中华人民共和国水利部. 水利水电工程岩石试验规程SL264-20 01[S].中华人民共和国行业标准, 2001年物理性质水理性质容重/密度孔隙性吸水性软化性抗冻性渗透性矿物颗粒孔隙（含水、空气等）岩体属于三相体（固Solid、液Liquid、气Gas）2.1.1 岩石的容重指单位体积岩石的重量。

由于岩样中含有水分，根据“w ”的不同含义，可分为：VW =γ 干容重（烘干状态）V W d d =γ体积V 的确定：标准件―直接量A 、H ；非标准件―用阿基米德原理 天然容重天然状态（大气压力室温条件下含水量）V W 00=γ2.1.1 岩石的容重饱和容重测定方法：煮沸或抽真空→充分饱和→称重WsV W s s =γ岩石的容重在一定程度上反映岩石的力学性质情况。

通常，岩石的容重越大，则它的性质越好，反之越差。

2.1.2 比重指岩石干重量Wd 除以岩石的实体积（不含孔隙体积），再与4˚c 水的容重的比值。

ws d s V W G γ=式中：——绝对干燥时体积为V 的岩石重量（kN ）；——岩石的实体体积（不包含孔隙体积）（m 3）；——水的容重（在4℃时等于10）（kN/m 3）；d W s V w γ2.1.3 孔隙率指岩石内孔隙体积与总体积之比。

用下式表示：%%%1001100100×⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=×−=×=V V V V V V V n s s v 根据干容重γd 和比重G s 也可以推导出孔隙率：w s d s V W G γ=d s w s W V G =γ1d s d w s d W V G ×=γγγd s d w s d W V V W G ×=γγV V G s w s d =γγ()%G n w s d 10041×⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=℃γγ2.1.3 孔隙率式中：——岩石的烘干后质量；——水的质量（一个大气压和室温条件）；——岩石烘干前的质量（天然质量）；d m ωm 0m 2.1.4 天然含水量指天然状态下，岩石的含水量与岩石干重量比值的百分比。

用下式表示：()%100%100%00×−=×=dd d m m m m m ωω2.1.5 自然吸水率指岩石在常温条件下浸水48小时后，岩石内的含水量与岩石干容重的比值。

用下式表示：()%m m m %dd a a 100×−=ω式中：——岩石的干重量；——浸水48小时后岩石的重量；d m a m2.1.6 饱和吸水率指岩样在强制状态（真空、煮沸或高压）下，岩样最大吸水量与岩石干重量比值。

用下式表示：()%m m m %dd s s 100×−=ω式中：——岩石的干质量；——岩石在强制条件下的质量（吸入水＋岩石干重）；d m s m 测定方法：煮沸法或真空抽气法，用高压法可能会提高饱和程度，但设备复杂2.1.7 饱水系数指岩石吸水率与饱水率的比值百分率。

用下式表示：()%%K s a 100×=ωωω（一般饱水系数介于0.5～0.8之间）2.1.7 饱水系数K ω>91％时：冻结过程中，水结成冰的相变现象会对岩石中的孔隙和裂隙产生“冰劈”作用，造成岩石胀烈破坏。

饱水系数对岩石抗冻性具有重要影响，试验证明：K ω<91％时：水尚有膨胀和挤入剩余敞开孔隙和裂隙的余地，可避免岩石的冰冻破坏；2.1.7 饱水系数2.1.8 抗冻性岩石经过反复冻结与融解，会使强度降低，甚至可能引起破坏（原因：岩样中各种矿物成分膨胀系数不同→变形压力、结冰时形成的膨胀压力）。

常用质量（或重力）损失率和抗冻系数表示。

岩石冻融后的干抗压强度与冻融前的干抗压强度的比值称为岩石的抗冻系数。

测定方法：用经过±25℃条件下反复（规定次数,一般为20次，严寒地区不少于25次）的降温、冻结、融解、升温过程后，测定岩石抗压强度的下降值。

%m m m L s fs f 100×−=%R R K s f f 100×=2.1.9 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（ηc ）表示。

ηc 定义为岩石试件的饱和状态抗压强度与干压强度的比值，即：()()干饱和c c c R R =η讨论：ηc 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空隙性。

当岩石中含有较多的亲水性和可溶性矿物，且含大空隙较多时，岩石的软化性较强，软化系数较小。

2.1.10坚硬性岩石抵抗工具侵入其表面的能力，用硬度指标表示。

它是影响机械方法破碎岩石效果的基本量值。

按测量方法不同,主要有刻划硬度、侵入硬度和回弹硬度三种。

刻划硬度最常用的是1824年由奥地利矿物学家摩氏(F.Mohs)提出的以十级标准矿物互相刻划法，简称莫氏硬度。

按硬度由小到大的十级标准矿物是:1—滑石,2—石膏,3—方解石,4—萤石,5—磷灰石,6—长石,7—石英,8—黄玉,9—刚玉,10—金刚石2.1.11 渗透性下游上游浸润线流线等势线H h l(a)(b)定义：在一定的水力梯度或压力作用下，有压水可以透过岩石的孔隙、裂隙而流动，岩石能透过水的这种能力称为岩石渗透性。

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.2.1.11 渗透性渗透系数K在一定水力梯度下,渗流速度反映岩土体渗透性强弱，岩体渗透性一般以渗透系数K表征（cm∕s）。

渗透系数K是渗流速度与水力梯度成正比的比例系数，即单位水力梯度下水在岩体孔隙中的渗流速度。

吕容值Lu吕容值也是表征岩石渗透特性的一种方式，其可与渗透系数互换。

1Lu=1×10-4cm∕s2.1.11渗透性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空隙、裂隙的尺度、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，远小于相应岩体的透水性，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4～6个数量级，甚至更大，说明裂隙性对岩石透水性的影响是很大的2.3.11渗透性岩体的渗透性是一个复杂的问题，根据目前的研究，岩体的渗流大体可划分为准均匀介质渗流、裂隙性介质渗流和岩溶性介质渗流三种。

准均匀介质渗流——属于这一类型的有全、强风化带及弱风化带的中上部的多孔隙砂岩。

在该渗流场中，达西定律基本上适用。

裂隙性介质渗流——裂隙性介质渗流是岩体渗流的基本形式，水的渗流主要受裂隙的类型、裂隙的大小、裂隙的产状及裂隙充填情况所控制。

岩溶介质渗流——岩溶介质渗流是岩体渗流最复杂的一种形式，由于受岩溶的发育规律所控制，岩溶的渗流具有间歇性、隐伏性、封闭性和地下水系等特点。

2.3.11渗透性渗透对工程的影响2.3.11渗透性降低岩石或结构的参数; 产生渗透压力，减小岩石或结构的有效应力，从而降低岩石的抗剪强度；渗透对工程的影响2.3.11渗透性渗透破坏的防治措施控制坝基及地基的渗流，其主要任务可归结为三点： 一是尽量减少渗漏量；二是提早释放渗透压力，保证地基与水工建筑物有足够的静力稳定性；三是防止渗透破坏，保证渗透稳定性。

渗透破坏的防治措施可分为渗流水动力条件改变、渗流出口保护和土石性质改善等三个方面。

2.3.11渗透性 渗透系数的实验室测定采用下式计算渗透系数K ：pAQL k w γ=尽管此类渗透仪的方法和仪器与土的渗透仪相似，但所采用的压力差要大得多。

Q2.3.11渗透性 渗透系数的实验室测定值得注意的是：岩石的渗透系数不仅与岩石及水的物理性质有关，还与岩石的应力状态有关。

对于径向渗透试验：2）反之水从内壁流向外壁，岩样受拉K2。

1）当外壁水压大于内壁水压，水从外壁流向内壁，岩样受压K1；一般来说，K2>K1。

2.3.11渗透性渗透系数的实验室测定drdp rL k q w πγ2⋅=dp QL k r dr w γπ2×=一般为常数q 范围内积分21R R r ~=p Q L k R R w γπ2ln 12=或12ln 2R R Lp Q k w πγ=应用了水力学中的达西(Darcy)定律()Aq L /p k i k ⋅=⋅=⋅=υυ2.3.11 渗透性渗透系数的现场测定钻孔压水试验压水试验是用高压方式把水压入钻孔，水通过孔壁周围的裂隙向岩体内渗透，最终渗透的水量会趋于一个稳定值。

根据压水水头、试段长度和稳定渗入水量，可以判定岩体透水性的强弱。

通常以透水率q表示,单位为吕荣(Lu)。

定义为:压水压力为1MPa时,每米长度每分钟注入水量为1L时,称为1Lu.q=Q/(P*L)式中,q为吸水率（Lu）;Q为压入流量（L/min）;P为作用于试段内的全压力（MPa）; L为试段长度（m）.2.3.10 渗透性渗透系数的现场测定中华人民共和国电力部. 水利水电工程钻孔抽水试验规程（DL/T5213-2005[S].中华人民共和国行业标准, 2005年岩石（根据成因）可分为：岩浆岩沉积岩变质岩在已有岩石的基础上，经过变质混合作用后形成的；海洋、湖泊沉积形成→特点：层状，同一时期性质相近；岩浆喷发、坚硬、均一；也叫火成岩岩体的组成具有一定的结构是岩体的显著特征之一。

岩体中存在着复杂的天然应力状态和地下水，这是岩体与其他材料的根本区别之一。

岩体是由结构面网络及其所围限的岩块(结构体)所组成。

岩体的结构岩体结构（rockmass structure）指岩体中结构面与结构体的排列组合关系。

结构体(structural element)指岩体中被结构面切割围限的岩石块体。

结构体的规模取决于结构面的密度，密度愈小，结构体的规模愈大,与结构面对应,划分为五级。

常用块度模数（单位体积内的Ⅳ级结构体数) 或结构体体积来表示结构体规模。