岩石力学岩石的性质及分类.docx

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岩石力学岩石的性质及分类

第一章岩石的物理性质及岩石工程分类

学习对象

岩石及岩石的结构特征、岩石的不连续性、不均匀性和各向异性岩石的各项指标。

学习内容

岩石及岩石的结构特征、岩石的不连续性、不均匀性和各向异性岩石的容重、密度比重、孔隙率和孔隙比；含水量、吸水率与饱和系数；渗透系数。

学习目的

掌握有关概念，特别是掌握岩石及岩石的结构特征、岩石的不连续性、不均匀性和各向异性岩石的各项指标。

掌握岩石的容重、密度比重、孔隙率和孔隙比；含水量、吸水率与饱和系数；渗透系数等计算。

1.1岩石及岩石的结构特征

1岩石

工程岩石力学的研究对象是岩石。

岩石是构成地壳的基本材料，是经过地质作用而天然形成的（一种或多种）矿物集合体。

岩石通常按地质成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩等三种类型，下图为三类岩石的部分岩体。

a、岩浆岩

岩浆岩是岩浆冷凝而形成的岩石，绝大多数岩浆岩是由结晶矿物所组成，由于组成它的各种矿物化学成分和物理性质较为稳定，它们之间的联结是牢固的，因此岩浆岩通常具有较高的力学强度和均质性。

工程中常遇到的岩浆岩有花岗岩、玄武岩等。

b、沉积岩

沉积岩是母岩（岩浆岩、变质岩和早已形成的沉积岩）经风化剥蚀而产生的物质在地表经搬运沉积和硬结成岩作用而形成的岩石组成。

沉积岩的主要物质成分为颗粒和胶结构。

颗粒包括各种不同形状及大小的岩屑及某些矿物；胶结物常见的成分有钙质、硅质、铁质以及泥质等。

沉积岩的物理力学性质不仅与矿物和岩屑有关，而且也与胶结物性质有关。

沉积岩具有层理构造，这使得它的物理力学性质具有方向性。

工程建设中常见的沉积岩有灰岩、砂岩、页岩等。

c、变质岩

变质岩是由岩浆岩、沉积岩甚至变质岩在地壳中受到高温、高压及化学活动性流体的影响下发生变质而形成的岩石。

它在矿物成份、结构构造上具有变质过程中产生的特征，也常常残留有原岩的某些特点。

因此，变质岩的物理力学性质不仅与原岩的性质有关，而且与变质作用的性质及变质程度有关。

工程建设中常见的变质岩类有大理岩、片麻岩、板岩等。

岩石是自然历史的产物，由于它们的生成条件及在生成以后的漫长地质历史时期中，形成了许多各式各样的结构面，例如岩浆侵入岩与围岩接触面，不同侵入岩体彼此的接触面、冷凝裂隙，喷出岩和沉积岩的层理、不整合面，变质岩的片理、片麻理，组成各种岩石的矿物晶体的各种优势定向排列面以及由于地质构造运动、风化、重力和卸荷等各种不同动力的作用而产生的断层、节理、裂隙等。

它们严重地破坏了岩石的完整性。

在这种情况下，对岩体工程的安危起主要控制作用的，通常不再是被各种结构面分割的岩石块体，而主要是岩体中存在的结构面，或者是由岩石和结构面共同控制。

在岩石力学中常用到“岩块”、“岩体”、“岩石”等术语，一般地被结构面切割成的岩石块体或从地壳岩层中切取出来的无显著软弱面的岩石块体称为岩块，而把自然埋藏条件下的大范围分布的由岩块和各种结构面（软弱面）网络组成的地质体称为岩体。

岩石则是“岩块”和“岩体”的统称。

1.1.2岩石的结构特征

岩石的结构包括两个基本要素：

结构面和结构体。

∙结构面就是岩体内具有一定方向性、延展性较大、厚度较小的两维面状地质界面，包括物质的异面和不连续面（如层理、断裂面等）

∙结构体则是被不同层状结构组合切割形成大小不一形态各异的单元岩块。

在不同类型的岩体中，结构面的切割形单元有不同的几何形状，如图1.1.1所示为单元岩块的主要形状。

图1.1.2为岩体的结构型式

1---节理；2---层理；3---断层；4---断层破碎带

（a）整体结构；（b）块状结构；（c）层状结构；（d）薄层状结构；（e）镶嵌结构；（f）层状破坏结构；

（g）破裂结构；（h）散粒结构

图1.1.2

岩体结构的基本类型

岩体结构类别

地质背景

结构面特征

结构体特征

整体块状结构

整体结构

岩性单一、构造变形轻微的巨厚层沉积岩、变质岩和火山溶岩、火成侵入岩

结构面少，一般不超过三组，延续性极差，多呈闭合状态，无填充或含少量碎屑

巨型块状

块状结构

岩性较单一，受轻微构造作用的厚层沉积岩和变质岩、火成岩侵入体

结构面一般2-3组，裂隙延续性极差，多呈闭合状态。

层面有一定的结合力

块状、菱形块状

层状结构

层状结构

受构造破坏或较轻的中厚层（大于30cm）岩体

结构面2-3组，以层面为主，有时也有软弱夹层或层间错动面，其延续性较好，层间结合力较差

块状、柱状、厚板状

薄层状结构

厚度小于30cm，在构造作用下发生强烈褶曲和层间错动

层理、片理发达，原生软弱夹层、层间错动和小断层不时出现。

结构面多为泥膜、碎屑和泥质充填

板状、薄板状

碎裂结构

镶嵌结构

一般发育于脆硬岩层中，结构组数较多，密度较大

以规模不大的结构面为主，但组数多，密度大，延续性差，闭合无填充或充填少量碎屑

形状不规则，但菱角显著

层状碎裂结构

受构造裂隙切割的层状岩体

以层面、软弱夹层、层间错动面等为主，构造裂隙甚发达

以碎块状、板状、短柱状为主

碎裂结构

岩性复杂，构造破碎较强烈，弱风化带

延续性差的结构面，密度大，相互交切

碎屑和大小不等的岩块。

形状多种，不规则

散体结构

构造破碎带、强烈的风化带

裂隙和节理很发达，无规则

岩屑、碎片、碎块、岩粉

1.2岩石的不连续性、不均匀性和各向异性

1.2.1岩石的不连续性

岩石中普遍存在的结构面，无论是物质分异面还是物质不连续面，都会使结构面两侧附近的岩石物理力学性质呈现不连续变化。

在这里着重讨论岩石裂隙性的情况，通常采用率作为定量评价岩石被裂隙切割后破碎程度的指标。

a、单向裂隙（或裂隙频率）

单向裂隙指一组结构面的法线方向上每单位长度（m）内，法线与结构面的交割数目，以Kd（m

）表示。

即单向裂隙率的倒数为成组结构面之间的平均间距，以d表示：

式中，Kd--单向裂隙（m

）

d--结构面间平均间距（m）

b、平面裂隙率

平面裂隙率KA是指岩石单位面积上诸裂隙所占有的面积总和，亦即：

式中：

li--第i条裂隙面长度（m）

ti--第i条裂隙面的宽度（m）

A--被测量的岩石总面积（m

）

裂隙率愈大，表明岩石愈破碎、强度愈低透水性愈大，且易被风化产物所充填，形成软弱结构面，酿成工程隐患。

1.2.2岩石的不均匀性

不均匀性是指天然岩体的物理、力学性质随空间位置不同而异的特性。

分析现场岩体试验资料时可采用综合性的统计特征--偏差系数V（%）来估算岩体的不均匀性，即：

式中,

--各观测值xi的算术平均值。

σ--标准差估计值。

式中,N--试验观测点（次）数。

1.2.3岩石的各向异性

岩石各向异性是指天然岩体的物理力学性质随空间方位不同而异的特性，具体表现在它的强度及变形特性等各方面。

在天然岩体条件下，使岩体具有各向异性的基本原因是由于岩石内普遍存在着层理、片理、夹层和定向裂隙（断层）系统所致。

目前在实际工程中对于成层岩体往往考虑其平行于层理和垂直于层理方向的差异性。

然而对于不具有层理的岩体，则把它视为各自同性体。

表1.2.1为某些岩石室内静力试验的结果。

表1.2.1某些岩石室内静力试验的结果

岩石种类

细砂岩

1.01～0.93

0.15～0.52

0.97～0.91

1.21～1.09

中砂岩

0.93～0.80

0.83～1.83

1.26～0.95

1.45～1.28

粗砂岩

0.89～1.08

1.20～0.80

1.20～1.18

0.97

石英砂岩

0.93

1.17

-

-

石灰岩

0.91

0.72

-

-

片麻岩

0.910.63

-

-

-

页岩

0.98

1.56

-

-

注表中⊥和‖指测试时加荷方向与结构面相垂直或相平行

1.3岩石的物理性质指标

1.3.1岩石的容重

岩石单位体积（包括岩石孔隙体积）的重力，称为岩石的容重。

根据试样的含水情况不同，岩石容重可分为干容重（γd）、湿容重（γ）（或天然容重）和饱和容重（γω），一般未说明含水状态时，是指湿容重。

岩石容重用下式计算：

式中，γ－容重（KN/m

）

W－岩石重力（KN）

V－岩石体积（m

）

岩石容重取决于组成岩石的矿物成分、孔隙大小及含水的多少，岩石容重在一定程度上反映出岩石的力学性质。

通常，岩石的容重愈大，它的性质就愈好。

图1.3.1a

1.3.2岩石的比重、孔隙率

a、岩石比重

岩石的比重就是指岩石的干比重除以岩石实体体积（不包括孔隙），再与4℃时水的容重相比，即：

式中，Gs－岩石比重

Ws－绝对干燥时体积为V的岩石重力（KN）

Vs－岩石实体（不包括孔隙）体积（m

）

γw－在4℃时水的容重，γw＝10（KN/m

）

b、孔隙率

岩石内孔隙体积与总体积（包括孔隙体积）之比，计算式为：

根据岩石干容重γd和比重Gs，也可以用下式计算：

式中,n－孔隙率,以百分数表示

Vv－孔隙、裂隙体积（m

）

V－岩样总体积（m

）

图1.3.1b碳酸盐类岩石的抗压强度与孔隙率的关系

图1.3.1b

描述岩体孔隙性的另一个指标，孔隙比е。

它是岩石孔隙体积与岩石实体体积之比，即:

岩石名称

比重

密度（g/cm

）

孔隙率（%）

吸水率（%）

岩

浆

岩

花岗岩

2.50～2.84

2.30～2.80

0.04～3.53

0.2～1.7

花岗闪长岩

2.65～

2.65

1.5～1.8

1.5～1.8

闪长岩

2.60～3.10

2.52～2.96

0.25～3.0

0.18～0.40

正长岩

2.50～2.90

2.40～2.85

0.47～1.94

辉长岩

2.70～3.20

2.55～2.98

0.29～3.13

流纹斑岩

2.62～2.65

2.58～2.51

0.9～2.30

0.14～0.35

流纹岩

2.65

2.60～2.65

粗面岩

2.40～2.70

2.30～2.67

安山岩

2.40～2.80

2.30～2.75

1.09～2.19

闪长玢岩

2.66～2.84

2.49～2.78

2.1～5.1

0.4～1.0

斑岩

2.62～2.84

2.20～2.74

0.29～2.75

玢岩

2.60～2.90

2.40～2.86

辉绿岩

2.60～3.10

2.53～2.97

0.40～6.38

0.20～1.0

玄武岩

2.50～3.10

2.53～3.10

0.35～3.0

0.39～0.80

橄榄岩

2.90～3.40

2.90～3.40

霏细岩

2.66～2.84

2.62～2.78

1.59～2.23

0.18～0.35

响岩

2.40～2.70

2.40～2.70

火山碎

屑岩

火山角砾岩

2.50～3.00

2.20～2.90

安山凝灰岩

2.68

2.58

4.59

0.55

粗面凝灰岩

25.07

凝灰质熔岩

2.87

2.64

3.35

沉

积

岩

硅质砾岩

2.64～2.77

2.42～2.70

0.40～4.10

0.16～4.40

石英砾岩

2.67～2.71

2.60

0.34～9.3

钙质胶结砾岩

2.42～2.66

粘土质胶结砾岩

2.20

石英砂岩

2.64～2.77

2.42～2.77

1.04～9.30

0.14～4.10

硅质胶结砂岩

2.50

泥质胶结砂岩

2.60～2.70

2.20～2.60

5.00～20.0

1.00～9.00

页岩

2.57～2.77

2.30

2.46～7.59

砂质钙质页岩

2.47～2.60

2.00～7.00

2.30～6.00

灰质页岩

2.65～2.70

致密石灰岩

2.70～2.80

2.60～2.77

1.00～3.5

0.20～3.00

白云质灰岩

2.75

2.70～2.75

1.64～3.22

0.50～0.66

泥质灰岩

2.70～2.75

2.45～2.65

1.00～3.00

2.00～4.00

变

质

岩

片麻岩（新鲜）

2.69～2.82

2.65～2.79

0.70～2.20

0.10～0.70

花岗片麻岩（强风化）

2.30～2.50

石英、角闪石片岩

2.72～3.02

2.68～2.92

0.70～3.00

0.10～0.30

云母、绿泥石片岩

2.75～2.83

2.69～2.76

0.80～2.10

0.10～0.60

硅质板岩

2.74～2.81

2.71～2.75

0.30～3.80

0.70

泥质板岩

2.68～2.77

2.31～2.75

2.5～13.5

千枚岩

2.81～2.96

2.71～2.86

0.50～0.80

石英岩

2.70～2.75

2.65～2.75

0.50～2.80

0.10～0.40

白云岩

2.78

2.70

0.3～25

一些主要岩石的物理性质

1.4岩石的含水量、吸水率、饱和吸水率

1.4.1岩石的含水量

岩石的含水量是岩石天然状态下含水重量与岩石干重之比，用百分数表示，即:

式中,Ww－岩石中含水的重力（KN）

Ws－岩石干重力（KN）

对于中、小型地下洞室工程，不可能耗费巨资进行大量的室内和现场岩体物理力学试验。

因此，对中小型地下洞室工程岩体的物理力学参数选取，工程类比法显得尤为重要。

1.4.2岩石的吸水率

岩石的吸水率是指干燥的岩石试样在一个大气压和温室条件下，岩石吸入的水重Ww1对于岩石干重Ws之比的百分率，一般以ωa表示之，即：

岩石的吸水率在室内通过试验测定。

试验时可将岩样放在保持105摄氏度的烘箱内烘干，求得岩石的干重Ws，然后再将它放入水中浸泡12-24小时，称得岩石湿重后再算出被试样吸入的水重Ww1，由上式算得ωa。

岩石的吸水能力一般取决于岩石的含孔隙的多少及其细微裂隙的连通情况。

工程上常用岩石的吸水率作为判断岩石的抗冻及风化程度的指标。

1.4.3岩石的饱水系数

a、岩石的饱和吸水率

岩石的饱和吸水率是指岩石试样在高压（一般为150个大气压强度下）或真空条件下，强制吸入水的重量Ww2对于岩石干重Ws之比的百分率，以Wsa表示，即：

测定饱和吸水率的方法，多采用煮沸法和抽真空法。

b、饱水系数

通常把岩石的吸水率与饱水率之比值称为饱水系数,以Kw表示

一般岩石的饱和系数Kw为0.5-0.8，饱和系数对于判别岩石的抗冻性具有重要意义。

当Kw<0.91时，表示岩石在其冻结过程中，水尚有膨胀和挤入剩余的敞开孔隙和裂隙的余地；当Kw>0.91时，在冻结过程中形成的冰会对岩石中的孔隙和裂隙产生“冰劈”作用，从而造成岩石的胀裂破坏。

1.5岩石的渗透系数

1.5.1岩石的渗透系数

有压水可以透过岩石的孔隙、裂隙而流动，岩石能透过水的能力称为岩石的渗透性。

不同岩石或裂隙性不同的岩石的渗透性不同，渗透性的大小用渗透系数K表示。

岩体渗透性试验原理如图1.5.1和图1.5.2所示，假定岩体渗流符合达西定律，则渗透系数可计算如下

a、轴向渗透试验时渗透系数计算

式中,K－岩石渗透系数（m/s）

Q－单位时间里透过试样的水量（m

）

L－试样长度（m）

A－试样截面积（m

）

P－试样两端的水压力差（KPa）

γw－水的容重（KN/m

）

图1.5.1岩石渗透仪（轴向渗透）

1-注水管路；2-围压室；3-岩样；4-放水阀

b.径向渗透试验时，其渗透系数计算（图1.5.2）

式中,P－试样外壁上的水压力（KPa）

L－试验段（小孔）长度（m）

R1－试件内半径（m）

R2－试件外半径（m）

π－圆周率

K－意义同上岩石的渗透系数不仅与水的物理性质有关，也与岩石的应力状态有关。

Ws－岩石干重力（KN）

图1.5.2径向渗透试验示意图

（长度单位：

mm）

表1.5.1某些岩体的渗透系数数值

岩石名称

地质特征

渗透系数k（cm/s）

花岗岩

新鲜完整

5～6×10

玄武岩

1.0～1.9×10

安山质玄武岩

弱裂隙的

中等裂隙的

强裂隙的

1.16×10

1.16×10

1.16×10

结晶片岩

新鲜的

风化的

1.2～1.9×10

1.4×10

凝灰质角砾岩

1.5～2.3×10

凝灰岩

6.4×10

～4.4×10

石灰岩

小裂隙的

中裂隙的

大裂隙的

大管道内

1.4×10

～2.4×10

3.6×10

5.3×10

4.0～8.5

泥质页岩

新鲜、微裂隙

风化、中等裂隙

3.0×10

4～5×10

砂岩

新鲜

新鲜、中等裂隙

具有大裂隙

4.4×10

～3×10

8.6×10

0.5～1.3×10

1.6完整岩块的工程分类

以工程实用为目的的岩石（包括岩块和岩体）类型的划分叫做岩石的工程分类。

它是岩石力学研究的重要方面之一。

在对岩石实行工程分类时，应当充分考虑工程的需要，用明确的概念和严谨的判断去区分岩石的级别，以便工程技术人员合理的选择工程布局及采用相适应的技术处理方法。

自四十年代中期以来，人们提出了许多分类方法。

本教材仅选择几个比较有代表性的分类方法，在本节先介绍完整岩块的工程分类，关于岩体的工程分类将在下节介绍。

所谓完整岩块是指那些能够取样在实验室内进行试验，没有明显构造（如层理、节理、夹层）特征的岩石材料。

关于完整岩块的工程分类，最初是根据岩石的单轴抗压强度进行的，如我国自20世纪50年代一度采用的分类法，就是如此。

表1.6.1所示。

这种分类将岩石划分为硬质岩、中等坚硬岩以及软岩三个类别，界限明确，使用方便，但是单一的抗压强度并不是以表述岩石的工程性质，况且对于某些岩石来说，强度并不是固定不变的，因此，仅考虑抗压强度这一单一因素的分类法存在一定的局限性。

表1.6.1岩石的强度分类

编号

类别

单轴饱和抗压强度（MPa）

代表性岩石

Ⅰ

硬质岩

>80

中细粒花岗岩，花岗片麻岩，闪长岩，辉绿岩，安山岩，流纹岩，石英砂岩，石英岩，硅质灰岩，硅质胶结的砾岩

Ⅱ

中等坚硬岩

30～80

厚层、中厚层石灰岩，大理岩，白云岩，砂岩，钙质砾岩，板岩，粗粒的或斑状结构的岩浆岩

Ⅲ

软质岩

<30

泥质岩，砂页岩互层，泥质灰岩。

部分凝灰岩，绿泥石片岩，千枚岩

1.6.2具体作法

20世纪60年代初由米勒（Miller）和迪尔（Deere）提出了根据岩石的两个重要力学性质指标--单轴抗压强度和弹性模量--的分类方法，用这种分类方法时岩石力学与工程界产生较大影响，具有一定代表性，具体作法如下：

（1）根据岩块的单轴抗压强度Rc，把岩石分成五个等级，如表1.6.2所示。

其界限划分采用几何级数，由于大多数岩石的强度上限低于225MPa，所以将225MPa定为A类与B类的界限。

∙属于A类的岩石，只有石英岩、辉绿岩和致密的玄武岩等少数岩石。

∙属于B类的岩石，包括大多数岩浆岩，变质程度较深的变质岩，胶结良好的砂岩，质地坚硬的页岩以及石灰岩等。

∙C类是中等强度岩石，它包括大部分的页岩，多孔隙的砂岩和石灰岩，片理发育的各种片岩。

∙D类和E类的岩石强度很低，包括那些多孔凝灰岩，粘土质页岩，岩盐以及风化了的或发生了化学变化的任何岩盐的岩石。

表1.6.2完整岩块的（Rc）

系数

描述

单轴抗压强度Rc（MPa）

a

强度极高的

>225

b

强度高的

112-255

c

中等强度的

56-112

d

强度低的

28-56

e

强度极低的

<28

注：

强度实验的试件尺寸，D/H=1:

2；D--直径；H--高

2）根据模量比进行完整岩块分类，该分类法考虑的第二个因素是弹性模量E，但是不采用模量本身，而采用的是模量与单轴抗压强度之比，即E/Rc。

根据模量比，将完整岩块分成三个等级，即模量比超过500的为等级高的，模量比在200到500之间的为中等的，模量比小于200的为等级低的。

如表1.6.3

表1.6.3

等级

描述

模量比E/Rc

H

模量比高的

>500

M

模量比中等的

200-500

L

模量比低的

<200

（3）完整岩块的工程分类：

根据强度大小和模量比高低，就可以对完整岩块进行分类。

如强度极高的，中等模量比的完整岩块属AM类。

此外，还有BL、BH、CM、CH等总共十五种类型。

为了应用方便可应用图1.6.1三种不同岩石的图解形式表示，图中的纵坐标为弹性模量E（MPa），横坐标为单轴抗压强度Rc（MPa）,纵横坐标均是对数比。

图中两根斜级代表两模量比的分界线，上面一根为500:

1，下面一根为200:

1，两斜级范围内，为中等模量比（M），岩的上方为高模量（H），岩的刚返防下方为低模量比（L）。

大多数致密块状结构的大多是属于中等模量比。

图1.6.1

1.7岩体的工程分类

1.7.1岩体的工程分类概要

在岩体的分类方面,国内外有许多岩石力学工作者和地质工作者做了大量的工作,提出了许多分类方案。

早期一般沿用地质学的岩石成因分类，后来逐步发展成结合某种工程需要的岩石工程分类，此后又提出了着重考虑岩体结构特征的岩体工程分类。

20世纪70年代以后，在岩体工程分类方面有了显著进步，即大家都十分重视岩体质量的确定。

一个鲜明的特点就是利用各种测试技术和手段，去获取能够反映岩体工程特性的“综合特征值”，并用它作为工程分类的依据。

由于岩体的工程特性与多种因素有关，各研究者在评价岩体质量时，对每个因素评价和侧重程度不同，相应地他们所赋予各因素的评分数值也就不同，这样就造成有多种算法的“综合特性值”，因而也就存在有多种形式的岩体工程分类。

在后面的内容中，我们先介绍作为评价岩体质量主要因素之一的岩石质量指标的概念，然后再介绍按岩体质量划分的工程分类法。

1.7.2岩石质量指标RQD

岩石质量指标RQD（RockQualityDesignation），它是迪尔1964年提出的概念，是用来表示岩体良好度的一种方法。

RQD是根据修正的岩心采取率来决定的，所谓修正的岩心采取率就是将钻孔中直接获取的岩心总长度，扣除破碎岩心和软弱夹泥的长度，再与钻孔总长之比。

方法规定在计算岩心长度时，只计算大于10cm坚硬的和完整的岩心。