第2講 巖石的物理性質(zhì)(2016版)

2.1巖石的基本構(gòu)成和地質(zhì)分類1、巖石的基本構(gòu)成巖石：各種礦物的集合體，組成巖體的基本單元。相對(duì)巖體而言，可看成：連續(xù)、均質(zhì)、各向同性。第二講巖石的物理性質(zhì)第二講巖石的物理力學(xué)性質(zhì)2.1巖石的基本構(gòu)成和地質(zhì)分類1、巖石的基本構(gòu)成巖石中的主要造巖礦物：長石（多種形態(tài)）、石英、黑云母、白云母、角閃石、輝石、橄欖石、方解石、白云石、高嶺石、赤鐵礦等礦物成分影響巖石的抗風(fēng)化能力、物理性質(zhì)、強(qiáng)度特性1、巖石的基本構(gòu)成常見的巖石結(jié)構(gòu)類型巖石結(jié)構(gòu)是指礦物顆粒之間的相互關(guān)系，包括：顆粒大小、形狀、排列，顆粒聯(lián)結(jié)和微結(jié)構(gòu)面，以結(jié)構(gòu)連接和微結(jié)構(gòu)面最影響巖石的工程性質(zhì)。結(jié)晶聯(lián)結(jié)：礦物顆粒通過結(jié)晶相互嵌合在一起。巖漿巖、大部分變質(zhì)巖、部分沉積巖。顆粒接觸緊密，強(qiáng)度高。

等粒結(jié)晶比非等粒結(jié)晶強(qiáng)度高，細(xì)粒結(jié)晶比粗粒結(jié)晶強(qiáng)度高。膠結(jié)聯(lián)結(jié)：礦物顆粒通過膠結(jié)物聯(lián)結(jié)在一起。沉積碎屑巖、部分粘土巖。膠結(jié)物的類型決定了聯(lián)結(jié)的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性：硅質(zhì)、鐵質(zhì)膠結(jié)，強(qiáng)度高；鈣質(zhì)膠結(jié)次之；泥質(zhì)膠結(jié)強(qiáng)度最低。巖石中的微結(jié)構(gòu)面：存在于礦物顆粒內(nèi)部，或礦物顆粒之間，或礦物集合體之間的微小弱面及空隙。包括：解理、晶格缺陷、晶粒邊界、粒間空隙、微裂隙。2、巖石的地質(zhì)成因分類巖漿巖：巖漿沖破地殼深部巖層，沿著裂縫上升，到一定高度后壓力、溫度降低，迫使巖漿停留，冷凝成巖漿巖。

深成巖（巖基、巖盤）

淺成巖（巖床、巖墻、巖脈）

噴出巖（熔巖與碎屑相間，類似層狀構(gòu)造。玄武巖的柱狀節(jié)理、流紋巖的板狀節(jié)理）沉積巖：風(fēng)化剝蝕、火山作用的產(chǎn)物，在適當(dāng)條件下（沖積、淤積、飄落）沉積下來，經(jīng)膠結(jié)、成巖作用形成。

礦物成分：粘土礦物、碳酸鹽、石英、長石變質(zhì)巖：已有巖石經(jīng)變質(zhì)混合作用（侵入體的重結(jié)晶作用、斷裂帶的動(dòng)力作用、區(qū)域變質(zhì)作用）形成。

高溫高壓、高溫中壓、中溫高壓、低溫高壓……A－巖石中的空氣部分B－巖石骨架（基質(zhì)固體）C－巖石中的孔隙水巖石組成示意圖第二節(jié)巖石的物理性質(zhì)巖石是由固體、液體和氣體組成的多相體系。固相組分和三相之間的比例關(guān)系及其相互作用，決定了巖石的性質(zhì)。在研究分析巖石受力后的行為表現(xiàn)時(shí)，必然要聯(lián)系到巖石的物理性質(zhì)。

巖石的物理性質(zhì)是指由物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征所決定的巖石基本屬性，如：比重、容重、孔隙度、滲透率、硬度等。為了測(cè)定這些指標(biāo)，一般采用巖芯，或露頭巖樣，加工成巖石試件，進(jìn)行室內(nèi)或現(xiàn)場試驗(yàn)。選取巖樣應(yīng)考慮其對(duì)所研究地質(zhì)單元的代表性，盡可能保持其天然結(jié)構(gòu)。巖石的容重取決于其礦物成分、孔隙多少及含水量。根據(jù)含水狀況，分為天然容重（）、干容重（）和飽水容重（），孔隙度低的巖石其干容重和濕容重的差別不大。一、巖石的容重巖石單位體積（含孔隙體積）的重量稱為巖石的容重（unitweight），表達(dá)式：巖石試件的重量巖石試件的體積巖石的容重已知巖石的天然含水率（%），則可根據(jù)干容重計(jì)算巖石的天然容重：碳酸鹽巖單軸抗壓強(qiáng)度隨巖石容重的變化巖石的容重可在一定程度上反映巖石的力學(xué)性質(zhì)。通常容重愈大的巖石其力學(xué)性質(zhì)就愈好。巖石容重測(cè)定方法（1）量積法將巖石制備成平均斷面為、平均高度為的規(guī)則試樣（即體積），并稱重，代入公式能計(jì)算巖石的天然容重。試樣在105-110℃溫度下烘干24小時(shí)稱重，可測(cè)定巖石的干容重。

量積法適用于能夠制備成規(guī)則試樣的巖石。（2）水中稱重法首先給不規(guī)則巖樣稱重，根據(jù)阿基米德原理測(cè)出不規(guī)則巖樣的體積，計(jì)算出巖石的天然容重。此法不適于遇水膨脹、崩解、溶解的巖石類型。（3）蠟封法巖樣在105-110℃溫度下烘干24小時(shí)后，稱重；將系上細(xì)線的巖樣緩緩浸入剛過熔點(diǎn)的蠟液中，完全浸沒后立即提出，檢查蠟?zāi)ぴ趲r石表面的粘附情況，如果蠟?zāi)ぐ藲馀輵?yīng)將氣泡刺破后用蠟補(bǔ)平，冷卻后給蠟封巖樣稱重；然后將蠟封巖樣浸沒于純水中稱其重量，則巖石的干容重為蠟的容重蠟封法適用于不能用量積法或水中法測(cè)定容重的巖石。二、巖石的比重巖石的比重（specificweight）是指巖石固體部分（不包括孔隙體積在內(nèi)）的重量與同體積4℃時(shí)純水的重量之比，其表達(dá)式為巖石固體部分的重量巖石固體部分所占體積4℃時(shí)單位體積純水的重量巖石的比重取決于巖石礦物的比重，在數(shù)值上等于巖石密度。三、巖石的孔隙性巖石的孔隙體積（包含各種大小、連通或不連通的孔隙、裂隙等）與巖石全部體積之比稱為巖石的孔隙率或孔隙度（porosity），以百分率表示，如下式一般巖石的孔隙率都比較小，很少達(dá)到百分之幾，但也有沉積巖和火山噴出巖如某些砂巖、凝灰?guī)r和浮石等孔隙率可達(dá)百分之十幾~幾十。巖石孔隙度與埋藏深度的關(guān)系巖石孔隙度與單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系孔隙率反映巖石的致密程度和巖石質(zhì)量。通?？紫堵试酱螅瑤r石的整體性降低，巖石的力學(xué)性能就越差。隨著埋藏深度增大，巖石孔隙率有減小的趨勢(shì)巖石的孔隙性還可以用孔隙比表示?？紫侗仁侵笌r石試件內(nèi)各種孔隙、裂隙的體積與試件固體部分的體積之比。它與孔隙率之關(guān)系為：四、巖石的天然含水率天然狀態(tài)下巖石中水的質(zhì)量與巖石的烘干質(zhì)量之比稱為巖石的天然含水率(naturalmoisturecontent)，以百分率表示：五、巖石的吸水率、飽水率和飽水系數(shù)巖石的吸水率（rateofrockabsorption），為巖石試件在常溫常壓下吸入水的質(zhì)量與巖石干質(zhì)量之比。

為烘干巖樣浸水48小時(shí)后的總質(zhì)量。巖石吸水率取決于巖石所含孔隙、裂隙的多少、開閉和連通程度。巖石中包含的孔隙和細(xì)微裂隙愈多，連通的情況愈好，則巖石吸入的水量就愈多。一般巖石的吸水率很少達(dá)到百分之幾。巖石的飽水率（percentofsaturation）為巖石達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的吸水率，即巖石在高壓或真空條件下水完全進(jìn)入巖石張開的孔隙、裂隙時(shí)水的質(zhì)量（飽水巖石總質(zhì)量減去巖石固體部分質(zhì)量）與巖石固體部分質(zhì)量之比，以百分率表示：飽水率反映巖石中總的張開型孔隙、裂隙的發(fā)育程度，對(duì)評(píng)價(jià)巖石的抗凍性和抗風(fēng)化能力是一個(gè)重要的參數(shù)。巖石飽水系數(shù)（saturationcoefficient）為巖石吸水率與飽水率之比，以百分率表示：飽水系數(shù)對(duì)于判別巖石的抗凍性具有重要意義。當(dāng)巖石飽水系數(shù)<0.91時(shí)，表示巖石在凍結(jié)過程中，水尚有膨脹和擠入剩余敞開孔隙和裂隙的余地；而當(dāng)>0.91時(shí)，在凍結(jié)過程中形成的冰會(huì)對(duì)巖石中的孔隙和裂隙產(chǎn)生“冰劈”、“凍脹”作用，從而造成巖石的脹裂破壞。六、巖石的滲透性在單位壓力梯度作用下巖石能被水透過的能力稱為巖石的滲透性，其大小與巖石的孔隙度、孔/裂隙大小、方向及其連通性有關(guān)。衡量滲透性的指標(biāo)為滲透系數(shù)（permeability），它在數(shù)值上等于水力坡度為1時(shí)巖石滲流的速度。K巖石的滲透系數(shù)在實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場通過試驗(yàn)確定。室內(nèi)試驗(yàn)的儀器和方法與土的滲透儀相類似，但采用的壓力差比做土的試驗(yàn)大得多。試驗(yàn)采用下式計(jì)算滲透系數(shù)：單位：1－注水管路；2－圍壓室；3－巖樣；4－放水閥在各向異性介質(zhì)中，滲透系數(shù)以張量形式表示。巖石的滲透系數(shù)不僅與巖石及水的物理性質(zhì)有關(guān)，而且與巖石的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。滲透率是表征巖石本身傳導(dǎo)液體能力的參數(shù)，它與巖石的孔隙度、液體滲透方向上孔隙的幾何形狀、顆粒大小及排列方向等因素有關(guān)，而與在巖石中流動(dòng)的液體性質(zhì)無關(guān)。滲透率：壓力差為1Pa，動(dòng)力粘滯系數(shù)為1Pa.S的滲流液體，滲流通過面積為1m2，長度為1m的多孔介質(zhì)，體積流量為1m3/s時(shí)，多孔介質(zhì)的滲透率定義為1m2，常用