巖石的物理性質(zhì)

巖石的物理性質(zhì)第1頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)巖石的物理性質(zhì)指標(biāo)一.重量指標(biāo)1.密度（g/cm3）（實(shí)測指標(biāo)）

塊體密度（ρ）：指巖石單位體積內(nèi)的質(zhì)量，ρ=m/v,

kg/m3。包括：干密度ρd：ρd=ms/v

飽和ρsat：ρsat=msat/v

量積法和蠟封法測定塊體密度ρ。重度（γ）:γ

=w/v=ρ.gKN/m3

巖石的重度γ=26.5-28.0KN/m3，土18-20，砼24，鋼砼25

巖石的重度在一定程度上反映出巖石的力學(xué)性質(zhì)情況，通常巖石的重度越大，則它的性質(zhì)就越好，反之越差。2.比重GSGS

=WS/VS.γW

巖石的干重力與同體積4℃水的重力之比一般采用比重瓶法測定Gs，大部分巖石的比重介于2.5-2.8之間。砂土2.65，粘土2.75第2頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四二．空隙性指標(biāo)（計(jì)算指標(biāo)）

各種孔隙及裂隙統(tǒng)稱為空隙（性）。用空隙率表示。

空隙率（n）：巖石中空隙體積與巖石總體積之比，百分率形式表示。

n=vv/v×100%=（1-ρd/Gs）×100%

空隙率是反映巖石致密程度和巖石質(zhì)量的重要參數(shù)?？紫堵试酱螅瑤r石的強(qiáng)度越低。第3頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四巖石在水溶液作用下表現(xiàn)出來的性質(zhì)。主要有吸水性、軟化性、抗凍性及滲透性等。

1．吸水性（bibulous/suctionproperty）

（1）吸水率（Wa）：指巖石試件在大氣壓力和室溫條件下自由吸入水的重量（Ww1）與巖樣干重量（Ws）之比。

（2）飽和吸水率（Wsa）：指巖石試件在高壓（15MPa）或真空條件下吸入水的重量（Ww2）與巖樣干質(zhì)量（Ws）之比。

（3）飽水系數(shù)Kω

吸水率（Wa）/飽和吸水率（Wsa）， 一般為0.5-O.8間。

飽水系數(shù)↑，巖石中的大開空隙相對(duì)↑，而小開空隙相對(duì)↓，其抗凍性差↓。

第二節(jié)巖石的水理性質(zhì)和指標(biāo)第4頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四2．軟化性（softeningproperty）巖石與水相互作用時(shí)強(qiáng)度降低的性質(zhì)。巖石浸水飽和后強(qiáng)度要降低，其程度大小用軟化系數(shù)（K）表示:K=Rb/Rd

式中：Rb—巖石試件飽和抗壓強(qiáng)度；Rd—干抗壓強(qiáng)度。

K↓，巖石的軟化性↑，巖石的軟化系數(shù)小于1。巖石的軟化性取決于巖石的礦物組成與空隙性。

一般地，k＞0.75，巖石軟化性弱，抗凍性和抗風(fēng)化能力強(qiáng)；k＜0.75，巖石軟化性較強(qiáng)，工程地質(zhì)性質(zhì)較差。第5頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四3．抗凍性（frost-resistance）

巖石抵抗凍融破壞的能力。

用強(qiáng)度損失率即抗凍系數(shù)（Rd

）和重量損失率（Km）表示。

（1）Rd=Rc2/Rc1×100%

式中：Rc2—反復(fù)凍融后的干抗壓強(qiáng)度

Rc1—凍融前干抗壓強(qiáng)度；

（2）Km=(W1-W2)/W1

W1,W2分別為凍融試驗(yàn)前后巖石試樣的重量

巖石的凍融試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。凍融各4小時(shí)為1個(gè)循環(huán)，一般要進(jìn)行25次后計(jì)算Rd

和Km。Rd≤25%。

Km

≤5%，巖石抗凍性較好。第6頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四4．透水性（permeability）

在一定的水力梯度或壓力差作用下，巖石能被水透過的性質(zhì)。反映了巖石中裂隙向相互連通的程度，大多滲透性可用達(dá)西（Darcy）定律描述：

-----水頭變化率

qx---沿x方向水的流量；h—水頭高度；A—垂直x方向的截面面積；k—滲透系數(shù)。K現(xiàn)場或室內(nèi)試驗(yàn)確定。野外用鉆孔壓水試驗(yàn)，測定單位吸水量。巖石室內(nèi)滲透（儀）試驗(yàn)，與土類似，但試驗(yàn)時(shí)的壓力差要大得多。灰?guī)rK=1-10-4cm/s，砂巖10-4-10-6

，泥巖10-7-10-11cm/s第7頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四

第三節(jié)巖石的熱學(xué)性質(zhì)

在深埋隧洞、高寒地區(qū)及地溫異常地區(qū)的工程建設(shè)，地?zé)衢_發(fā)以及核廢料處理和石質(zhì)文物保護(hù)中均具有重要的實(shí)際意義。

1．比熱

2．導(dǎo)熱系數(shù)

3．熱膨脹系數(shù)

4．溫度對(duì)巖石特性的影響（1）對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)的影響

低溫條件，巖石力學(xué)性質(zhì)有不同程度的改善；

高溫條件，巖石的抗壓強(qiáng)度Rc和變形模量E降低。

（2）由于溫度變化引起的熱應(yīng)力的影響（研究較少）。第8頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四第四節(jié)巖體結(jié)構(gòu)一.結(jié)構(gòu)面的定義，分類及分級(jí)結(jié)構(gòu)面（structuralplane）：指地質(zhì)歷史發(fā)展過程中，在巖體內(nèi)形成的具有一定的延伸方向和長度、厚度相對(duì)較小的宏觀地質(zhì)界面或帶。

“不連續(xù)面（discontinuities）或節(jié)理（joint）”1.結(jié)構(gòu)面的成因類型

（1）地質(zhì)成因類型

原生結(jié)構(gòu)面：巖體在成巖過程中形成的。

（包括沉積結(jié)構(gòu)面如層理面、軟弱夾層、沉積間斷面和不整合面；巖漿結(jié)構(gòu)面；變質(zhì)結(jié)構(gòu)面）

構(gòu)造結(jié)構(gòu)面：斷層、節(jié)理、劈理和層間錯(cuò)動(dòng)面等。

次生結(jié)構(gòu)面：如卸荷、風(fēng)化裂隙和次生夾泥和泥化夾層等。

第9頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四（2）力學(xué)成因類型

剪性結(jié)構(gòu)面：剪應(yīng)力引起，如逆斷層、平移斷層以及多數(shù)正斷層。

連續(xù)性好，面較平直，延伸較長并有擦痕鏡面等現(xiàn)象發(fā)育。

張性結(jié)構(gòu)面：拉應(yīng)力引起。如羽毛狀張裂面、縱張及橫張破裂面、巖漿巖中的冷凝節(jié)理等。

張開度大、連續(xù)性差、形態(tài)不規(guī)則、面粗糙，起伏度大及破碎帶較寬等特征。其構(gòu)造巖多為角礫巖，易被充填。含水豐富，導(dǎo)水性強(qiáng)。軟弱和硬性結(jié)構(gòu)面：結(jié)構(gòu)面內(nèi)夾有軟弱物質(zhì)者屬于軟弱結(jié)構(gòu)面，無充填或充填物較上下巖層強(qiáng)度大者則屬于堅(jiān)硬結(jié)構(gòu)面。第10頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四2.結(jié)構(gòu)面的規(guī)模及分級(jí)

（1）絕對(duì)分級(jí):按結(jié)構(gòu)面延伸長度，并考慮其寬度，可將結(jié)構(gòu)面分為I-V級(jí)。級(jí)序分級(jí)依據(jù)力學(xué)屬性地質(zhì)構(gòu)造特征對(duì)巖體穩(wěn)定性的作用I結(jié)構(gòu)面延展長，貫通巖體，延伸數(shù)至數(shù)十公里以上，破碎帶寬約數(shù)米至數(shù)十米以上。1．軟弱結(jié)構(gòu)面2．構(gòu)造獨(dú)立的力學(xué)模型-軟弱夾層大斷層區(qū)域性斷層影響區(qū)域穩(wěn)定性，山體穩(wěn)定性Ⅱ

延伸數(shù)百米至數(shù)千米，破碎帶寬約數(shù)十厘米至數(shù)米軟弱結(jié)構(gòu)面較大的斷層、層間錯(cuò)動(dòng)、不整合面及原生軟弱夾層等控制工程區(qū)的山體穩(wěn)定性或巖體穩(wěn)定性Ⅲ延伸數(shù)十米至數(shù)百米，寬度數(shù)厘米至1m左右多數(shù)屬堅(jiān)硬結(jié)構(gòu)面，少數(shù)屬軟弱結(jié)構(gòu)面各種類型的斷層、區(qū)域性節(jié)理、層面及層間錯(cuò)動(dòng)帶等影響或控制工程巖體如地下洞室圍巖及邊坡巖體的穩(wěn)定性Ⅳ延伸數(shù)十厘米至20～30m，寬度為零至數(shù)厘米不等，統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)面

堅(jiān)硬結(jié)構(gòu)面節(jié)理、層面、次生裂隙、小斷層、片理、劈理、卸荷裂隙、風(fēng)化裂隙等

影響或控制工程巖體如地下洞室圍巖及邊坡巖體的穩(wěn)定性Ⅴ連續(xù)性差，剛性接觸的細(xì)小或隱微裂面，統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)面

硬性結(jié)構(gòu)面隱節(jié)理、微層面、微裂隙和線理等分布隨機(jī)，降低巖塊強(qiáng)度，是巖塊力學(xué)性質(zhì)效應(yīng)基礎(chǔ)第11頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四2.相對(duì)分級(jí):根據(jù)結(jié)構(gòu)面延展長度同工程結(jié)構(gòu)類型和大小之間關(guān)系，把結(jié)構(gòu)面分成細(xì)小的，中等的和大型的三級(jí)。第12頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四二．結(jié)構(gòu)面特征的定量描述多在巖體的天然露頭或人工露頭上進(jìn)行,也可在鉆孔巖心上進(jìn)行。國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)現(xiàn)場試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)推薦的結(jié)構(gòu)面特征定量描述包括10個(gè)參數(shù)。即產(chǎn)狀，間距，持續(xù)性，粗糙度，結(jié)構(gòu)面壁強(qiáng)度，裂縫開度，充填物，滲透，節(jié)理組數(shù)和巖塊尺寸。結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)計(jì)分析，裂隙極坐標(biāo)圖，節(jié)理玫瑰花圖等。第13頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四三．結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)體（structuralelement）：指巖體中被結(jié)構(gòu)面切割圍限的巖石塊體。

“巖塊”與“結(jié)構(gòu)體”的區(qū)別：只有Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面切割的Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)體才稱為“巖塊”。

規(guī)模（取決于結(jié)構(gòu)面的密度）、形態(tài)（柱狀、板狀、楔狀和菱形等）和產(chǎn)狀（長軸方向）來描述結(jié)構(gòu)體特征。第14頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四四．巖體結(jié)構(gòu)的劃分結(jié)構(gòu)類型結(jié)構(gòu)面間距（cm）結(jié)構(gòu)體形態(tài)力學(xué)介質(zhì)類型巖體質(zhì)量整體塊狀＞100整體或巨型塊體連續(xù)介質(zhì)極好層狀結(jié)構(gòu)100-30連續(xù)-似連續(xù)好碎裂結(jié)構(gòu)似連續(xù)-不連續(xù)差散體結(jié)構(gòu)密集碎屑，巖粉似連續(xù)極差巖體結(jié)構(gòu)類型第15頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四第五節(jié)巖石（體）的工程分類一、分類的目的（1）為巖石工程建設(shè)的勘察、設(shè)計(jì)、施工和編制定額提供必要的基本依據(jù)。（2）便于施工方法的總結(jié),交流，推廣。（3）為便于行業(yè)內(nèi)技術(shù)改革和管理。二、分類原則（1）有明確的類級(jí)和適用對(duì)象。（2）有定量的指標(biāo)。（3）類級(jí)一般分五級(jí)為宜。（4）分類方法簡單明了、數(shù)字便于記憶和應(yīng)用。（5）根據(jù)適用對(duì)象，選擇考慮因素。趨勢：“綜合特征值”分類法

第16頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四三、分類的獨(dú)立因素

在分類中起主導(dǎo)和控制作用的有如下幾方面因素：（1）巖石材料的質(zhì)量（強(qiáng)度指標(biāo)）。（2）巖體的完整性，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、密度、聲波等。（3）水文狀態(tài)（軟化、沖蝕、弱化）（4）地應(yīng)力（5）其它因素（自穩(wěn)時(shí)間、位移率）其中：巖性是最重要因素第17頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四四.巖塊（石）的工程分類

1．迪爾（Deere）和米勒（Miller）的雙指標(biāo)分類（1966年）

單軸抗壓強(qiáng)度（R）和單軸抗壓強(qiáng)度（R）與切線模量Et之比值作為分類指標(biāo)。

2．巖石堅(jiān)硬程度分類

《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001）分為五類：堅(jiān)硬程度堅(jiān)硬巖

軟堅(jiān)硬巖

較軟巖軟巖極軟巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度（MPa）＞6030-605-30

5-15≤5

第18頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四五、巖體的工程分類1．巖體質(zhì)量分級(jí)（《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》GB50218-94）

采用二級(jí)分級(jí)法：先按BQ初步分級(jí)；然后針對(duì)工程巖體特點(diǎn)，考慮天然應(yīng)力、地下水和結(jié)構(gòu)面的影響，再按修正后的［BQ］分級(jí)。

※巖體基本質(zhì)量（rockmassbasicguality）（BQ）：

巖體所固有的影響工程巖體穩(wěn)定性的最基本屬性。它是由巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整程度兩個(gè)因素確定。

兩種方法：定性劃分和定量指標(biāo)。第19頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四●定量指標(biāo)法：

①巖石堅(jiān)硬程度→巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度（Rc），為實(shí)測值。當(dāng)無條件實(shí)測時(shí)，也可用實(shí)測的巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)換算：

點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)（PointLoadStrengthIndex）：直徑50mm圓柱形試件徑向加壓時(shí)的點(diǎn)荷載強(qiáng)度。

②巖體完整程度→巖體完整性系數(shù)（Kv），為實(shí)測值。當(dāng)無條件取實(shí)測時(shí)值，可用指巖體體積節(jié)理數(shù)（Jv），按表查出。

巖體基本質(zhì)量指標(biāo)（BQ）：

BQ=90+3Rc+250Kv

式中，當(dāng)Rc＞90Kv+30時(shí)，取Rc=90Kv+30；

當(dāng)Kv＞0.04Rc+0.4時(shí)，取Kv=0.04Rc+0.4；

其中Kv=（Vpm/Vpr）2

Vpm—巖體彈性縱波速度（km/s）；

Vpr—巖石彈性縱波速度（km/s）。

工程巖體（也叫圍巖）的穩(wěn)定性，除與巖體基本質(zhì)量的好壞有關(guān)外，還受地下水、主要軟弱結(jié)構(gòu)面、天然應(yīng)力的影響。第20頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四巖體級(jí)別巖體基本質(zhì)量定性特征巖體基本質(zhì)量BQI堅(jiān)硬巖,巖體完整＞550II堅(jiān)硬巖,巖體較完整550-451III堅(jiān)硬巖，巖體較破碎450-351IV堅(jiān)硬巖，巖體破碎350-251V較軟巖,巖體破碎≤250結(jié)合工程特點(diǎn)，考慮各影響因素來修正巖體基本質(zhì)量指標(biāo)：

［BQ］=BQ-100（k1+k2+k3）

式中：k1為地下水影響修正系數(shù)；

k2為主要軟弱面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)；

k3為天然應(yīng)力影響修正系數(shù)。

巖體基本質(zhì)量分級(jí)第21頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四2．巖體地質(zhì)力學(xué)分類（RMR分類）（RockMassRating）

由南非科學(xué)和工業(yè)研究委員會(huì)提出的CSIR分類指標(biāo)值。RMR包括巖石強(qiáng)度、RQD值，節(jié)理間距、節(jié)理?xiàng)l件及地下水5種指標(biāo)。第22頁，共25頁，2023年，2