第二章岩石物理性质与岩体结构.docx

第二章岩石物理性质与岩体结构.docx

《第二章岩石物理性质与岩体结构.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第二章岩石物理性质与岩体结构.docx（19页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

第二章岩石物理性质与岩体结构

第二章岩石物理性质与岩体结构

岩石是组成地壳的自然物体，是通过地质作用而形成的矿物集合体，在陆地和海洋普遍散布。

岩石按成因有三大类型：

岩浆岩、沉积岩、变质岩。

岩石的种类不同，其物理力学性质不同较大，加上不同时期、不同强度的构造作用，也就决定岩石力学问题复杂多变。

本章要紧介绍：

岩石的大体物理性质、岩体结构特点及工程分类。

一、岩石物理性质指标

用来描述岩石地某种物理性质地某种数值确实是岩石物理性质指标。

1、容重

岩石单位体积（包括岩石孔隙体积）的重力，称为岩石的容重。

表达式：

—容重（KN/m3）

W—岩石的重力（KN）

V—岩石的体积（m3）

依照岩石的含水程度不同，岩石容重可分为干容重、湿容重、饱和容重。

干容重湿容重饱和容重

0天然含水量θ→n（孔隙度）

多数岩石在－m3之间。

书中P5表1列出部份岩石的容重。

2、密度

岩石单位体积（包括孔隙体积）的质量，

表达式：

—密度（Kg/m3）

M—岩石质量（Kg）

V—岩石体积（m3）

容重与密度关系：

3、比重

岩石干的重力除以岩石实体体积（不包括孔隙）,再与4℃时水的容重的比值。

表达式：

Gs—岩石比重（无量纲），Ws—绝对干燥时的岩石重力（KN）

Vs—岩石实体体积（m3）＝V－孔隙体积

—水容重，4℃时等于10KN/m3

岩石的比重取决于组成岩石的矿物比重，大部份岩石的比重介于—之间。

4、孔隙率

岩石中孔隙体积与岩石整体积的百分比称为孔隙率。

表达式：

n—孔隙率，Vν—孔隙体积（m3），V—岩石整体积（m3）

∵Vν＝V－Vs（岩石实体体积），，

5、岩石含水性

●岩石天然吸水率

岩石的天然吸水率是指干燥岩石试样在一个大气压和室温条件下岩石吸入水的重力Ww1，对岩石干重力Ws之比的百分率。

表达式：

，∵Ww1＝W（岩石湿重力）－Ws

则

——岩石湿容重，——干容重

●岩石饱水率

指岩石试样在高压（一样为150个大气压）或真空条件下，强制吸入水的重力Ww2关于岩石干重Ws之比的百分率。

表达式：

，

∵

——岩石饱和重力

则

——饱和容重

●饱水系数

天然吸水率与饱水率比值：

一样介于－之间

6、抗冻性

岩石抗冻性确实是岩石抗击冻融破坏的性能。

表征岩石抗冻性的指标为抗冻系数：

Rc1——冻融前岩石干抗压强度（Mpa）

Rc2——冻融后岩石干抗压强度（Mpa）

饱水系数关于判别岩石的抗冻性具有重要意义。

∵maxKw＝1，minKw＝0

当Kw<时，岩石中尚有孔隙未被水充填，在冻结进程中，水尚有余地发生膨胀和挤入剩余的放开孔隙和裂隙中。

当Kw>时，孔隙大体上为水饱和，冻结中会产生冰劈作用，造成岩石胀裂破坏。

7、岩石的热学性质

（1）容热性

指岩石进行热互换时岩石吸收热量的能力，用比热和容积热容表示。

比热C：

在不存在相转变条件下，为使单位质量岩石温度转变1℃时所需输入的热量。

单位为J/g﹒℃。

容积热容：

单位体积的岩石在温度转变1℃时所需要的热量，用Cv表示，单位为J/m3﹒℃。

二者关系：

，ρ——岩石密度。

（2）导热性

指岩石传导热的能力，经常使用导热系数（导热率）来气宇。

其概念是当温度梯度为1时单位时刻那通过单位面积岩石所传导的热量。

用λ表示，单位为cal/cm2﹒s﹒℃。

大多数造岩矿物的导热系数介于－之间，一样为－。

上述两种性质有利于地热的贮存和传递。

（3）热膨胀性

指岩石温度转变引发岩石的形状和尺寸的改变。

用膨胀系数表示：

即岩石的温度升高1℃所引发的线性伸长量（或体积增加量）与其在温度为0℃时的长度（或体积）之比值。

线膨胀系数：

或

L0——0℃时的岩石试件长度（m）

Lt——t℃时的岩石试件长度（m）

t——温度

体积膨胀系数：

或

V0——0℃时的岩石试件体积（m3）

Vt——t℃时的岩石试件体积（m3）

岩石的体积膨胀系数大致为线膨胀系数的3倍。

α值随岩石中矿物成份而转变，粗粒花岗岩的α值在－6）×10－5（1/℃）,而矿物成份单调的石英岩的α值在（1－2）×10－5（1/℃）。

岩石结构致密的α值小，如灰岩小于花岗岩。

在选择砼骨料中应专门注意α值，因为温度不仅引发尺寸转变，还会引发岩石内部应力的转变，即温度应力：

E——岩石弹模（Mpa）

∵那么

由虎克定律：

。

二、水对岩石的作用

水普遍存在于岩石当中，水通过力学的、物理的及化学的作用形式促使岩石性状发生转变，同时岩石对水的作用又有必然程度的阻抗作用，从而表现出不同水理和水化性质：

渗透性、膨胀性、崩解性、溶解性、软化性等。

这些性质就造成了水对岩石的各类作用，如：

渗漏、渗透压力、膨胀、崩解、溶解、软化等，这些作用对工程将产生各类不利阻碍。

1、岩石的渗透性

有利——水资源、石油、地热开发

渗透作用产生渗透压力，破坏岩体和建筑物

不利

渗漏、涌水、污染、核素迁移

岩石的渗透性是指在水压力作用下，岩石的孔隙和裂隙透过水的能力。

●岩块渗透性

岩块中的渗流是水通过岩块中的孔隙进行渗透的，这种渗透可由达西公式表示：

其中为水力梯度

v

H1H2

L

J

从岩石浸水开始直到岩石饱水，并在压力梯度达到J0后才会发生流动。

考虑不同岩石的渗流时，岩石会表现为各向异性，即各方向的躯体系数各异。

这时的达西公式表示为：

渗透系数说明了岩石的透水能力和阻力，阻力大，那么K小，即

●裂隙渗透性

岩体是由裂隙切割的岩块的集合体。

岩块渗流主若是通过岩块中的孔隙渗透，岩块的渗透性一样很小，远小于裂隙的渗透性。

因此，岩体渗流实质上是以裂隙渗流为主导。

对任一条裂隙，可将其简化为平行板之间的窄缝，水在裂隙中的流动可用流体力学中的单裂隙渗流公式（Navier－Stokes）在xy平面内稳固流方程导出：

持续方程：

粘性阻力张量：

，，

，。

对窄缝来讲，，，＝0，那么有：

，。

在渗流方向上，压力梯度与流体运动反向的粘性摩擦阻力相等，那么有：

，

因此，

积分，当时，有

断面流量：

平均速度：

其中：

I——水力梯度，b——裂隙开度（m），

μ——水的粘滞系数（Pa·s），——水容重（KN/m3）。

与达西公式对照，

那么裂隙的渗透系数可写成：

与达西公式形式相同，即裂隙渗流仍服从达西定律。

渗透系数是介质对某种流体的渗透能力，裂隙开度大，K值越大。

当e足够大时，渗透就偏离达西定律，用雷诺数为标准，

，

d——裂隙间距（m）

v——速度（m/s）

γ——水的运动粘性系数（m2/s）

2、岩石的遇水膨胀性

岩石的膨胀性是指岩石浸水后体积增大的性质。

某些含粘土矿物（如蒙脱石、水云母、高岭石等）成份的软质岩石，经水化作用后使粘土矿物膨胀，对工程不利，岩土膨胀对建筑物产生较大压力，破坏建筑物。

3、岩石的崩解性

指岩石与水彼此作历时失去粘结性并变成完全丧失强度的松散物质的性能。

这是由于水化进程中减弱了岩石内部的结构连接引发的，常见于可溶盐和粘土胶结的沉积岩中。

4、岩石的溶解性

指岩石与水彼此作历时某些矿物成份为水溶解的性质。

石灰岩散布区的溶洞等。

水库位于这些地域易产生库区渗漏。

5、岩石的软化性

岩石的软化是指岩石与水彼此作历时降低强度的性能。

软化作用也是由于水分子进入粒间间隙而减弱了粒间连结所造成的。

岩石的软化性与其矿物成份、粒间连结方式、孔隙率和裂隙发育程度有关。

大部份未经风化的结晶岩在水中不易软化，许多沉积岩如粘土岩、泥质胶结的碎屑岩类等，在水中极易软化。

岩石的软化性能用软化系数表示，即岩石受水饱和状态的抗压强度（湿抗压强度）和干燥状态的抗压强度之比值：

Rw——湿抗压强度（Mpa）

Rd——干抗压强度（Mpa）

岩石软化对工程极为不利。

三、岩体结构

任何岩体都发育有各类裂隙和断层，并被分割成大小、形状各异的岩块体，这就决定了岩体是岩块的集合体。

不同的裂隙断层组合，就会有不同的岩块集合体形式，这也就决定了岩体的物理和力学性质。

因此，需了解岩体的结构。

结构面即为岩体中的各类裂隙、断层、层面等地质界面。

结构体即为各类形状的大小的岩块块体。

岩体结构是指结构面和结构体的排列组合方式。

1、结构面

（1）结构面类型

按成因有：

原生结构面、构造结构面、次生结构面。

●原生结构面：

在成岩进程中形成，如层面、各类成岩裂隙节理等。

其特点是仅在岩体内部或阻碍带散布，无方向性。

●次生结构面：

岩体受卸荷作用、风化作用、水作用、人工爆破开挖等阻碍所产生的各类裂隙。

其特点是：

卸荷裂隙和人工裂隙散布极为局限，且无方向性。

风化裂隙发育密集，延伸短，无方向性，散布在地表浅部。

●构造结构面：

在构造应力作用下产生的破裂面或破碎带，如断层和裂隙。

其特点是：

规模大、散布广、延伸长、具有方向性，是岩体中结构面的主体。

（2）结构面的自然特性

为了确信结构面的工程性质，必需研究结构面的自然特性。

1结构面品级

按结构面的规模划分四级，各级对岩体稳固性的阻碍程度不同：

Ⅰ级直接关系到区域稳固性，Ⅳ级对具体工程有直接阻碍。

2结构面的形态与物质组成

●形态上：

滑腻或粗糙

●组合形式：

闭合或张开

●物质组成：

无填充物质；

有充填物质：

结晶体和胶结物（钙质、硅质）、

泥质（粘土质、石膏、高岭土等）

上述特性的不同组合将对工程性质产生不同的阻碍：

如滑腻、张开、夹泥，最不利。

3结构面的散布特点

●延伸性：

延伸持续；

中断延伸，中间为岩桥。

●散布密度：

a）体积密度：

单位体积内裂隙数量

b）线密度：

单位长度上的裂隙个数，用k表示；

c）间距：

两相邻裂隙距离，用d表示。

d＝1/k

●裂隙组：

方向相同的一组裂隙。

●裂隙产状：

偏向、倾角。

裂隙统计分析：

裂隙组产状、间距或密度。

微裂隙切割的最小单元体的体积（近似看做立方体）：

（m3）

二向裂隙度：

三向裂隙度：

（）

二、结构体

●结构体的形状：

受裂隙的产状、组数所操纵的，如三组正交裂隙形成立方结构体。

●结构体的大小：

取决于裂隙的密度，密度大，结构体小。

●结构体的力学性质：

取决于岩石的矿物组成，致密的结晶岩强度一样较大，如花岗岩抗压强度为100～250，具有弹性变形、脆性破坏的特点。

泥质胶结的碎屑岩类（如砂岩等）、泥岩、页岩、粘土岩等强度较低，具有塑性变形、柔性破坏的特点。

3、岩体结构类型

依照结构面品级及组合方式，将岩体结构划分为四大类型与九个亚类（P20页表2－5），进而可确信出岩体的力学介质类型，如持续介质和非持续介质。

关于岩体的介质特性

1非持续性：

物理量在空间上为一个非持续函数。

2非均质性：

力学参数、物理量性质随空间位置不同而有不同，岩体的这一特性使其实验结果常具有较大的离散性。

3各向异性：

力学性质随岩体结构的取向而有不同。

表2-5岩体结构类型

结构类型

亚类

地质背景

结构面间距（cm）

结构体形态

力学介质类型

整体块状结构（I）

整体结构（I1）

岩体单一，构造变形轻微的岩浆岩、变质岩及巨厚层沉积岩

>100

岩体呈整体状态或巨型块体

连续介质

整体结构（I2）

岩体单一，构造变形轻-中等的厚层沉积岩、变质岩和火成岩体

100－50

长方体、立方体、菱形块体及多角行块体

连续或不连续介质

层状结构（II）

层状结构（II1）

构造变形轻-中等