巖石物理性質(zhì)講義（49內(nèi)容豐富）

本次課的課課程提綱一、巖石的的組構(gòu)特征征二、巖石中中的結(jié)構(gòu)面面（軟弱面面）三、巖石的的四個(gè)性質(zhì)質(zhì)四、巖石的的物理五、巖石的的水理性能能1巖石的物質(zhì)質(zhì)組成粘土礦物硅酸鹽類(lèi)礦礦物碳酸鹽類(lèi)礦礦物氧化物類(lèi)礦礦物組成巖石的的礦物組成巖石的的礦物成分分及其相對(duì)對(duì)含量在一一定程度上上決定著巖巖石的力學(xué)性質(zhì)二、巖石的的組構(gòu)特征征物質(zhì)組成對(duì)對(duì)力學(xué)性質(zhì)質(zhì)的影響一般硅酸鹽鹽礦物有石石英、長(zhǎng)石石、角閃石石、輝石、、橄欖石（（粒狀）及及云母和粘粘土礦物（（片狀）等等含硬度大的的粒狀礦物物愈多，巖巖石強(qiáng)度高高－花崗巖巖、閃長(zhǎng)巖巖、玄武巖巖含硬度小的的片狀礦物物愈多，巖巖石強(qiáng)度愈愈低－粘土土巖、泥巖巖碳酸鹽類(lèi)礦礦物主要包包括石灰?guī)r巖和白云巖巖類(lèi)，巖石石的物理力力學(xué)性質(zhì)取取決于巖石石中的CaCO3及酸不溶物物的含量CaCO3含量愈高，，如純灰?guī)r巖、白云巖巖強(qiáng)度高泥質(zhì)含量高高的，如泥泥質(zhì)灰?guī)r、、泥灰?guī)r等等力學(xué)性質(zhì)質(zhì)差物質(zhì)組成對(duì)對(duì)力學(xué)性質(zhì)質(zhì)的影響碎屑巖的力力學(xué)性質(zhì)與與膠結(jié)物成成分的關(guān)系系：強(qiáng)度上：硅硅質(zhì)>鐵質(zhì)>鈣質(zhì)>泥質(zhì)物質(zhì)組成對(duì)對(duì)力學(xué)性質(zhì)質(zhì)的影響泥頁(yè)巖的粘粘土礦物組組成蒙脫石伊利石綠泥石高嶺石伊蒙混層粘土礦物力學(xué)性質(zhì)蒙脫石含量量高→軟，，易變形，，易水化伊利石含量量高→硬脆脆，不易變變形，不易易水化2巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)：巖石內(nèi)礦物物顆粒的大大小、形狀狀、排列方方式及微結(jié)結(jié)構(gòu)面發(fā)育育情況與粒粒間連結(jié)方方式等反映映在巖塊構(gòu)構(gòu)成上的特特征。其中中，粒間連連結(jié)分結(jié)晶晶連結(jié)與膠膠結(jié)連結(jié)二、巖石的的組構(gòu)特征征顆粒形狀強(qiáng)強(qiáng)度：粒粒狀、柱柱狀>片狀>鱗狀顆粒大小強(qiáng)強(qiáng)度：：粗粒<細(xì)粒排列形式強(qiáng)強(qiáng)度：等等粒>不等粒2巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)微結(jié)構(gòu)面：指存在于礦礦物顆粒內(nèi)內(nèi)部或礦物物顆粒間的的軟弱面或或缺陷，包包括礦物解解理、晶格格缺陷、粒粒間空隙、、微裂隙、、微層理及及片理面、、片麻理面面等①降低巖石強(qiáng)度度②導(dǎo)致巖石石力學(xué)性質(zhì)各各向異性二、巖石的組組構(gòu)特征2巖石的結(jié)構(gòu)結(jié)晶連結(jié)：礦物顆粒通過(guò)過(guò)結(jié)晶相互嵌嵌合在一起，，它是通過(guò)共共用原子或離離子使不同晶晶粒緊密接觸觸－巖漿巖、變質(zhì)質(zhì)巖、沉積巖巖中的碳酸巖巖膠結(jié)連結(jié)：礦物顆粒通過(guò)過(guò)膠結(jié)物連結(jié)結(jié)在一起－碎屑巖二、巖石的組組構(gòu)特征二、巖石的組構(gòu)特特征基底型：彼此此不發(fā)生接觸觸的礦物顆粒粒埋在玻璃體體重，這種情情況下膠結(jié)程程度很高，巖巖石強(qiáng)度與膠膠結(jié)物有關(guān)接觸型：僅僅僅在顆粒的接接觸點(diǎn)存在膠膠結(jié)物，這種種膠結(jié)程度低低，巖石強(qiáng)度度也不大間隙型：礦物物顆粒彼此直直接接觸，而而顆粒的孔隙隙被膠結(jié)物充充填溶蝕型：膠結(jié)結(jié)物不僅充填填在礦物顆粒粒之間，而且且進(jìn)入到礦物物顆粒本身中中，膠結(jié)強(qiáng)度度很高。巖石的主要膠膠結(jié)類(lèi)型：A）基底型B）間隙型C）接觸型D）溶蝕型3巖石的構(gòu)造巖石的構(gòu)造：巖石的構(gòu)造是是指巖石組成成成分在空間間上相互排列列及所占的位位置。巖漿巖的構(gòu)造造：塊狀構(gòu)造、流流紋狀構(gòu)造、、氣孔狀構(gòu)造造、杏仁狀構(gòu)構(gòu)造沉積巖的構(gòu)造造：層理構(gòu)造變質(zhì)巖的構(gòu)造造：片理構(gòu)造二、巖石的組組構(gòu)特征三、巖石中的的結(jié)構(gòu)面（軟軟弱面）結(jié)構(gòu)面就是巖巖石內(nèi)具有一一定方向性、、延展性較大大、厚度較小小的兩維面狀狀地質(zhì)界面，，包括物質(zhì)的的異面和不連連續(xù)面（如層層理、斷裂面面等）結(jié)構(gòu)面的成因因類(lèi)型結(jié)構(gòu)面的規(guī)模模與分級(jí)結(jié)構(gòu)面特征及及其對(duì)巖石性性質(zhì)的影響一）結(jié)構(gòu)面的的成因類(lèi)型地質(zhì)成因類(lèi)型型原生結(jié)構(gòu)面構(gòu)造結(jié)構(gòu)面次生結(jié)構(gòu)面力學(xué)成因類(lèi)型型張性結(jié)構(gòu)面剪性結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)面的地質(zhì)質(zhì)成因類(lèi)型原生結(jié)構(gòu)面：：在巖石形成過(guò)過(guò)程中形成的的軟弱面巖漿巖的流動(dòng)動(dòng)構(gòu)造面、冷冷縮形成的原原生裂隙面、、侵入體與圍圍巖的接觸面面；沉積巖體內(nèi)的的層理面、不不整合面；變質(zhì)巖體內(nèi)的的片理面，以以及片麻構(gòu)造造面等。在原生結(jié)構(gòu)面面中，除了原原生裂隙，以以及由于受構(gòu)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和風(fēng)風(fēng)化作用的影影響，已經(jīng)脫脫開(kāi)的軟弱面面外，多具有一定的連連結(jié)力和較高高的強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)面的地質(zhì)質(zhì)成因類(lèi)型構(gòu)造結(jié)構(gòu)面：：巖石形成后的的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過(guò)過(guò)程中產(chǎn)生的的各種破裂面面斷裂面、層間間錯(cuò)動(dòng)面構(gòu)造造作用形成的的軟弱夾層，，以及構(gòu)造裂裂隙面等這類(lèi)軟弱面除除了已經(jīng)膠合合者以外，絕絕大部分都是是脫開(kāi)的規(guī)模較大的，，多充填有厚厚度不等、類(lèi)類(lèi)型和連續(xù)程程度不同的充充填物，其中中大部分已泥泥化，或者已已變成了軟弱弱夾層就一般情況而而言，除了部部分構(gòu)造裂隙隙以外，大部分構(gòu)造軟軟弱面的特性性都很壞，強(qiáng)度多接近近于巖體的剩剩余強(qiáng)度，往往導(dǎo)致復(fù)雜雜。結(jié)構(gòu)面的地質(zhì)質(zhì)成因類(lèi)型次生結(jié)構(gòu)面：：巖體在外力作作用下產(chǎn)生的的軟弱面如風(fēng)化裂隙面面、卸荷裂隙隙面等。風(fēng)化化裂隙面發(fā)育育深度不大，，方向紊亂，，連續(xù)性很低低。但可降低低巖體的強(qiáng)度度和變形模量量。卸荷裂隙隙是由于卸荷荷作用引起巖巖體在垂直于于卸荷自由面面方向發(fā)生伸伸長(zhǎng)而形成。。卸荷裂隙面面基本上平行行于巖體卸荷荷自由面。一般來(lái)說(shuō)，次次生結(jié)構(gòu)面主主要影響地面面附近巖體的的穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)面的力學(xué)學(xué)成因類(lèi)型這里所說(shuō)的結(jié)構(gòu)面是指巖巖體中的破裂裂面而言所謂軟弱面的的力學(xué)成因類(lèi)類(lèi)型，是指按照形成破破裂面的破壞壞應(yīng)力的不同同，所劃分的的破裂面的類(lèi)類(lèi)型。根據(jù)野外觀觀察到的事實(shí)實(shí)、大量巖體體力學(xué)試驗(yàn)的的結(jié)果以及莫莫爾庫(kù)倫破壞壞理論的分析析，認(rèn)為巖體體的破壞只有有剪切破壞和和拉斷破壞兩兩種類(lèi)型。破破裂面的力學(xué)學(xué)成因，應(yīng)劃劃分為剪性和和張性?xún)纱箢?lèi)類(lèi)別。結(jié)構(gòu)面的力學(xué)學(xué)成因類(lèi)型張性破裂面：是由張力形成成的，在破壞壞過(guò)程中，破破壞面兩側(cè)巖巖體僅沿破裂裂面法向發(fā)生生分離位移。。張性破裂面面，一般張開(kāi)開(kāi)度大，連續(xù)續(xù)性差，形態(tài)態(tài)多不規(guī)則，，多呈折線(xiàn)或或鋸鑿狀。斷斷面凹凸不平平，粗糙度大大，破碎帶寬寬度變化大，，且易被巖脈脈、礦脈充填填，有時(shí)并有有巖漿沿之入入侵。張性破破裂面常常具具有含水豐富富，導(dǎo)水性強(qiáng)強(qiáng)以及剪切強(qiáng)強(qiáng)度高等特征征結(jié)構(gòu)面的力學(xué)學(xué)成因類(lèi)型剪性破裂面：是由剪應(yīng)力而而形成的，破破裂面兩側(cè)巖巖體沿破裂面面切線(xiàn)方向發(fā)發(fā)生有不同程程度的滑錯(cuò)位位移。具有擦擦痕、共軛性性、規(guī)律的位位移方向以及及斷面比較光光滑，是剪性性破裂面共有有的特征，也也是鑒定剪性性破裂面的主主要依據(jù)。正斷層——上盤(pán)相對(duì)下盤(pán)盤(pán)向下滑動(dòng)的的斷層上盤(pán)下降下盤(pán)上升三）結(jié)構(gòu)面特特征及其對(duì)巖巖體性質(zhì)的影影響產(chǎn)狀連續(xù)性密度張開(kāi)度形態(tài)充填膠結(jié)情況況組合關(guān)系軟弱面的影響響巖石軟弱面對(duì)對(duì)巖體物理力力學(xué)特性如巖巖體強(qiáng)度、變變形性、滲透透性，力學(xué)上上的連續(xù)性及及巖體應(yīng)力分分布等都有顯顯著影響。因因此，在很多多情況下，軟軟弱面是巖體體力學(xué)問(wèn)題的的一個(gè)主要控控制因素。從從本質(zhì)上說(shuō)，，軟弱面使巖巖體變得更加加軟弱，更易易于變形而且且表現(xiàn)為高度度的各向異性性。三、巖石的不不連續(xù)性、非非均勻性、各各向異性和滲滲透性巖石的不連續(xù)續(xù)性巖石中普遍存存在的結(jié)構(gòu)面面，無(wú)論是物物質(zhì)分異面還還是物質(zhì)不連連續(xù)面，都會(huì)會(huì)使結(jié)構(gòu)面兩兩側(cè)附近的巖巖石物理力學(xué)學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)不不連續(xù)變化。對(duì)于裂隙性巖巖石，通常采采用裂縫率作作為定量評(píng)價(jià)價(jià)巖石被裂隙隙切割后破碎碎程度的指標(biāo)標(biāo)。巖石的不連續(xù)續(xù)性a、單向裂隙隙(或裂隙頻頻率)單向裂隙指一一組結(jié)構(gòu)面的的法線(xiàn)方向上上每單位長(zhǎng)度度(m)內(nèi)，法線(xiàn)與結(jié)結(jié)構(gòu)面的交割割數(shù)目，以Kd(1/m)表示。即單向向裂隙率的倒倒數(shù)為成組結(jié)結(jié)構(gòu)面之間的的平均間距，，以d表示：式中：Kd--單向裂隙（1/m）d--結(jié)構(gòu)面間平均均間距(m)巖石的不連續(xù)續(xù)性式中：li--第i條裂隙面長(zhǎng)度度(m)；ti--第i條裂隙面的寬寬度(m)；A--被測(cè)量的巖石石總面積（m）b、平面裂隙率率平面裂隙率KA是指巖石單位位面積上諸裂裂隙所占有的的面積總和，，亦即巖石的不均勻勻性不均勻性是指天然巖體體的物理、力力學(xué)性質(zhì)隨空空間位置不同同而異的特性性。分析現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)巖體試驗(yàn)資資料時(shí)可采用用綜合性的統(tǒng)統(tǒng)計(jì)特征--偏差系數(shù)V(%)來(lái)估算巖體的的不均勻性，，即：式中：--各觀測(cè)值xi的算術(shù)平均值值。σ--標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)值值。式中中：：N--試驗(yàn)驗(yàn)觀觀測(cè)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)(次)數(shù)。。巖石石的的各各向向異異性性巖石石各各向向異異性性是是指指天天然然巖巖體體的的物物理理力力學(xué)學(xué)性性質(zhì)質(zhì)隨隨空空間間方方位位不不同同而而異異的的特特性性，，具具體體表表現(xiàn)現(xiàn)在在它它的的強(qiáng)強(qiáng)度度及及變變形形特特性性等等各各方方面面。。在天天然然巖巖體體條條件件下下，，使使巖巖體體具具有有各各向向異異性性的的基基本本原原因因是是由由于于巖巖石石內(nèi)內(nèi)普普遍遍存存在在著著層層理理、、片片理理、、夾夾層層和和定定向向裂裂隙隙（（斷斷層層））系系統(tǒng)統(tǒng)所所致致。。目目前前在在實(shí)實(shí)際際工工程程中中對(duì)對(duì)于于成成層層巖巖體體往往往往考考慮慮其其平平行行于于層層理理和和垂垂直直于于層層理理方方向向的的差差異異性性。。然然而而對(duì)對(duì)于于不不具具有有層層理理的的巖巖體體，，則則把把它它視視為為各各自自同同性性體體。。巖石石的的滲滲透透性性有壓壓水水可可以以透透過(guò)過(guò)巖巖石石的的孔孔隙隙、、裂裂隙隙而而流流動(dòng)動(dòng)，，巖巖石石能能透透過(guò)過(guò)水水的的能能力力稱(chēng)稱(chēng)為為巖巖石石的的滲滲透透性性。。不不同同巖巖石石或或裂裂隙隙性性不不同同的的巖巖石石的的滲滲透透性性不不同同，，滲滲透透性性的的大大小小用用滲滲透透系系數(shù)數(shù)K表示示。巖石石的的滲滲透透系系數(shù)數(shù)不不僅僅與與水水的的物物理理性性質(zhì)質(zhì)有有關(guān)關(guān)，，也也與與巖巖石石的的應(yīng)應(yīng)力力狀狀態(tài)態(tài)有有關(guān)關(guān)。。巖石石軸向向滲滲透透性試驗(yàn)驗(yàn)原理理巖石石滲滲透透儀儀(軸向向滲滲透透)1-注水水管管路路；；2-圍壓壓室室；；3-巖樣樣；；4-放水水閥閥巖石石軸軸向向滲滲透透性性試試驗(yàn)驗(yàn)原原理理假定定巖巖體體滲滲流流符符合合達(dá)達(dá)西西定定律律，，則則滲滲透透系系數(shù)數(shù)可可計(jì)計(jì)算算如如下下式中中K－巖巖石石滲滲透透系系數(shù)數(shù)(m/s)；Q－單位時(shí)時(shí)間里透透過(guò)試樣樣的水量量(m^3)；L－試樣長(zhǎng)長(zhǎng)度(m)；A－試樣截截面積(m^2)；P－試樣兩兩端的水水壓力差差(KPa)；γw－水的容容重(KN/m^3）巖石徑向向滲透性性試驗(yàn)原原理徑向滲透透試驗(yàn)時(shí)時(shí)，其滲滲透系數(shù)數(shù)計(jì)算式中P－試樣外外壁上的的水壓力力(KPa)；L－試驗(yàn)段段(小孔)長(zhǎng)度(m)；R1－試件內(nèi)內(nèi)半徑(m)；R2－試件外外半徑(m)；π－圓周率率。四、巖石石的物理理性質(zhì)巖石和土土一樣，，也是由由固體、、液體和和氣氣體三相組成成的。物理性質(zhì)質(zhì)是指巖巖石由于于三相組成的相對(duì)比例例關(guān)系不不同所表現(xiàn)的的物理狀態(tài)態(tài)。1、巖石的密密度2、巖石的的孔隙性性（一）、、巖石的的密度1、顆粒密度度(ρs)：巖石固固體部分分的質(zhì)量量與其體體積的比比值。它它不包含含孔隙在在內(nèi)，因因此其大大小僅取取決于組組成巖石石的礦物物密度及及其含量量：ρs=ms/Vsρs—為巖石的的顆粒密密度ms—為巖石固固體部分分的質(zhì)量量Vs—為巖石固固體部分分的體積積（一）、、巖石的的密度2、塊體密密度（或或巖石密密度）是是指巖石石單位體體積內(nèi)的的質(zhì)量，，按巖石石的含水水狀態(tài)，，又有干干密度（（ρd）、飽和和密度（（ρsat）和天然然密度（（ρ）之分，，在未指指明含水水狀態(tài)時(shí)時(shí)一般指指巖石的的天然密密度。ρd=ms/Vρρsat=msat/Vρρ=m/V常見(jiàn)巖石石的密度度巖石名稱(chēng)密度(g／cm3)巖石名稱(chēng)密度(g／cm3)花崗巖2.52～2.81石灰?guī)r2.37～2.75閃長(zhǎng)巖2.67～2.96白云巖2.75～2.80輝長(zhǎng)巖2.85～3.12片麻巖2.59～3.06輝綠巖2.80～3.11片巖2.70～2.90砂巖2.17～2.70大理巖2.75左右頁(yè)巖2.06～2.66板巖2.72～2.84巖石的物物理性質(zhì)質(zhì)孔隙度：：巖石中孔孔隙體積積與巖石石總體積積之比(多用百分分?jǐn)?shù)表示示)。裂隙率：：巖石中各各種節(jié)理理、裂隙隙的體積積與巖石石總體積積之比稱(chēng)稱(chēng)裂隙率率。孔隙度與與裂隙率率含義相相同，孔孔隙度多多用于松松散土、、石，裂裂隙率多多用于結(jié)結(jié)晶連接接的堅(jiān)硬硬巖石。。一般巖石的孔孔隙度在0.1-0.35之間巖石的物理性性質(zhì)孔隙比：巖石中孔隙的的體積與固體體顆粒體積之之比稱(chēng)巖石的的孔隙比(多以小數(shù)表示示)孔隙比和孔隙隙度可以互相換算算：式中：e－孔隙比;n－孔隙度密度是試驗(yàn)指指標(biāo)，只有通通過(guò)試驗(yàn)才能能得到具體數(shù)數(shù)值,而孔隙度和孔孔隙比是計(jì)算算指標(biāo)。五、巖石的水水理性質(zhì)巖石在水溶液作用下表現(xiàn)出出來(lái)的性質(zhì)，，稱(chēng)為水理性性質(zhì)。主要有有：1.吸水性2.軟化性3.抗凍性4.透水性（一）、巖石石的吸水性巖石在一定的的試驗(yàn)條件下下吸收水分的能能力，稱(chēng)為巖石的的吸水性。1.吸水率(Wa)：巖石試件在在大氣壓力和和室溫條件下下自由吸入水水的質(zhì)量(mw1)與巖樣干質(zhì)量量(ms)之比，用百分分?jǐn)?shù)表示巖石的飽和吸吸水率(Wp)是指巖石試件件在高壓(一般壓力為15MPa)或真空條件下下吸入水的質(zhì)質(zhì)量(mw2)與巖樣干質(zhì)量量(ms)之比，用百分分?jǐn)?shù)表示，即即3.飽水系數(shù)巖石的吸水率率(Wa)與飽和吸水率率(Wp)之比，稱(chēng)為飽飽水系數(shù)。它它反映了巖石石中大、小開(kāi)開(kāi)空隙的相對(duì)對(duì)比例關(guān)系。（2）飽和吸水率率（二）、巖石石的軟化性巖石浸水飽和和后強(qiáng)度降低的性質(zhì)，稱(chēng)為為軟化性軟化系數(shù)(KR)為巖石試件的的飽和抗