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1、岩 石 力 学,岩石的物理性质,主 要 内 容,第一节 概述 第二节 岩石物理性质 第三节 岩石的各向异性和渗透性 第四节 岩石的工程分类,第一节 概述,地球的岩石圈：地球表面的固体部分。由地壳和上地幔顶部岩石组成的地球外壳固体圈层。,地球圈层分为地球外圈和地层内圈。 地球外圈包括大气圈、水圈、生物圈和岩石圈。,岩石的地质类型划分,1.岩浆岩：是由岩浆凝结形成的岩石。 2.变质岩：矿物成分、结构发生变化形成的岩石。 3.沉积岩：搬运、沉积、成岩作用而形成的岩石。,沉积岩的分类,碎屑沉积岩：砾岩、砂岩、粉砂岩、泥页岩 化学沉积岩：石灰岩、白云岩、燧石、蒸发岩 生物沉积岩：煤、石灰岩,砂岩（San
2、dstone）:由沙粒经过水搬运沉淀于河床上，经长时间的堆积坚固并经地质物理作用胶结而成的岩石。粒径1/16 2mm。,页岩（Shale）或泥岩（Mud rock）：是粘土岩的一种，由粘土物质经压实作用、脱水作用、重结晶作用后形成。粒径 1/256mm。,岩心照片,砾岩,颗粒直径大于2mm的圆形、次圆形砾石经胶结而形成的沉积碎屑岩。,岩心照片,致密细砂岩,岩心照片,泥岩,岩心照片,硬脆性泥页岩,盐膏岩,岩心照片,岩石的物理性质,岩石的物理性质：,物理性质：物质不需要经过化学变化就表现出来的性质叫做物理性质。,颜色、气味、形态、熔点、硬度、导电性等,岩石的物理性质：指岩石的力学、热学、电学、声学
3、、放射学等特性参数和物理量。,岩石的组构特征,1.岩石的物质组成,粘土矿物,硅酸盐类矿物,碳酸盐类矿物,氧化物类矿物,组成岩石的矿物,组成岩石的矿物成分及其相对含量在一定程度上决定着岩石的力学性质,2.岩石的结构,岩石的结构：岩石内矿物颗粒的大小、形状、排列方式及微结构面发育情况与粒间连结方式等反映在岩块构成上的特征。其中，粒间连结分结晶连结与胶结连结。,颗粒形状 强度：粒状、柱状 片状 鳞状,颗粒大小 强度：细粒 粗粒,排列形式 强度：等粒 不等粒,岩石的组构特征,微结构面：指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒间的软弱面或缺陷，包括矿物解理、晶格缺陷、粒间空隙、微裂隙、微层理及片理面、片麻理面等,
4、 降低岩石强度 导致岩石力学性质各向异性,岩石的微结构面,岩石的组构特征,基底型：彼此不发生接触的矿物颗粒埋在玻璃体中，这种情况下胶结程度很高，岩石强度与胶结物有关。 接触型：仅仅在颗粒的接触点存在胶结物，这种胶结程度低，岩石强度也不大。 间隙型：矿物颗粒彼此直接接触，而颗粒的孔隙被胶结物充填。 溶蚀型：胶结物不仅充填在矿物颗粒之间，而且进入到矿物颗粒本身中，胶结强度很高。,岩石的主要胶结类型：,岩石的组构特征,基底型 接触型 间隙型 溶蚀型,3 岩石的构造,岩石的构造：岩石的构造是指岩石组成成分在空间上相互排列及所占的位置。 岩浆岩的构造：块状构造、流纹状构造、气孔状构造、杏仁状构造 沉积岩
5、的构造：层理构造 变质岩的构造：片理构造,岩石的组构特征,流纹岩,气孔状构造,杏仁状构造,气孔构造被后来的其他矿物（如沸石、方解石）充填，在暗色岩体上显示出白色或其他浅色的斑体，形似杏仁 。,沉积岩中的层理构造,白云钾长片麻岩,第二节 岩石的物理性质,岩石和土一样，也是由固体、液体和气体组成的多相体系。 物理性质是指岩石由于三相组成的相对比例关系不同所表现的物理状态。 1. 岩石的密度 2. 岩石的孔隙性 3. 岩石的水理性,(一) 岩石的密度,1. 岩石的颗粒密度,岩石固体部分的质量与其体积的比值。它不包含孔隙在内，因此其大小仅取决于组成岩石的矿物密度及其含量。,颗粒密度,固体部分质量,固体
6、部分体积,(一) 岩石的密度,2. 岩石的块体密度,是指岩石单位体积内的质量，按岩石的含水状态，又有干密度（d）、饱和密度（sat）和天然密度（）之分，在未指明含水状态时一般指岩石的天然密度。,d=dry sat=saturated,常见岩石的密度,(二) 岩石的孔隙特性,孔隙度：岩石中孔隙体积与岩石总体积之比 (多用百分数表示)。 裂隙率：岩石中各种节理、裂隙的体积与岩石总体积之比称裂隙率。 孔隙度与裂隙率含义相同，孔隙度多用于相对松散土、石，裂隙率多用于结晶连接的坚硬岩石。 一般岩石的孔隙度在10%-35%之间。,孔隙比：岩石中孔隙的体积与固体颗粒体积之比称岩石的孔隙比(多以小数表示)。,
7、(二) 岩石的孔隙特性,孔隙比和孔隙度可以互相换算：,密度是实验指标，只有通过实验才能得到具体数值，而孔隙度和孔隙比是计算指标。,孔隙比,孔隙度,岩石的饱和密度为2.65g/cm3，干密度为2.49g/cm3，计算岩石的孔隙比和颗粒密度。,例题：,岩石在水溶液作用下表现出来的性质，称为水理性质。主要包括：,(三)岩石的水理性质,吸水性 软化性 抗冻性 膨胀性 崩解性,1.岩石的吸水性,岩石在一定的实验条件下吸收水分的能力，称为岩石的吸水性。,吸水率(Wa)：岩石试件在大气压力和室温条件下自由吸入水的质量(mw1)与岩样干质量(ms)之比，用百分数表示。,1.岩石的吸水性,岩石的饱和吸水率(Wp
8、)：是指岩石试件在高压(一般压力为15MPa)或真空条件下吸入水的质量(mw2)与岩样干质量(ms)之比，用百分数表示。,岩石的吸水率(Wa)与饱和吸水率(Wp)之比，称为饱水系数。它反映了岩石中大、小开空隙的相对比例关系。,2.岩石的软化性,岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性 软化系数(KR)为岩石试件的饱和抗压强度(cw)与干抗压强度(c)的比值,岩石中含有较多的亲水性和可溶性矿物，大开空隙较多，岩石的软化性较强，软化系数较小。 KR0.75，岩石的软化性弱，工程地质性质较好 KR0.75，岩石软化性较强，工程地质性质较差,常见岩石的软化系数,弹性模量随含水量的变化情况,泊松比随含水
9、量的变化情况,粘聚力随含水量的变化情况,内摩擦角随含水量的变化情况,3.岩石的抗冻性,岩石抵抗冻融破坏的能力，称为抗冻性。 抗冻系数(Rd)：岩石试件经反复冻融后的干抗压强度(c2)与冻融前干抗压强度(c1)之比，用百分数表示。,质量损失率(Km)：冻融试验前后干质量之差(ms1ms2)与试验前干质量(ms1)之比，以百分数表示。,Rd75，Km2，抗冻性高 吸水率Wa5、软化系数KR0.75，饱水系数小于0.8的岩石，抗冻性高。,3.岩石的抗冻性,4.岩石的膨胀性,岩石的膨胀性：岩石吸水后体积增大引起岩石结构破坏的性能称膨胀性。 一般含有粘土矿物的岩石均具有定的膨胀性，特别是含有蒙脱石类矿物
10、的岩石膨胀性最大。 在铁路建设中，膨胀岩地段路堑边坡坍滑将造成严重危害。 钻井工程中，钻遇膨胀性岩石容易导致井眼缩径、井壁坍塌等问题。,5.岩石的崩解性,岩石的崩解性：岩石被水浸泡，内部结构遭到完全破坏呈碎块状崩开散落的性能。具有强烈崩解性的岩石和土，短时间内即发生崩解。 我国西北地区的黄土，在水中浸泡一天左右即崩解，西南某地风化钙泥质粉砂岩置于水中仅十多分钟就全部崩解。,(四)岩石的热理性质,岩石的热理性是指岩石温度发生变化时所表现出来的物理性质。（热胀冷缩）,温度升高,体积膨胀,强度降低,变形特性改变,体胀系数与线胀系数,体胀系数：温度上升1所引起的体积增量与初始体积的比值。,线胀系数：温
11、度上升1所引起的长度增量与初始长度的比值。,岩石的导热率,岩石的导热率是度量岩石的热传导能力的参数，是指当温度上升1时，热量在单位时间内传递单位距离的损耗值。,岩石导热率的影响因素：矿物组成、结构构造以及赋存环境。,第三节 岩石的各向异性和渗透性,岩石的不连续性 岩石的不均匀性 岩石的各向异性 岩石的渗透性,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。 对于裂隙性岩石，通常采用裂缝率作为定量评价岩石被裂隙切割后破碎程度的指标。,岩石中的裂隙,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
12、(m)内，法线与结构面的交割数目，以Kd(1/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（1/m） d 结构面间平均间距(m),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与总面积的比值。,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)。,岩石的不均匀性：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。,标准差估计值,各观测值xi的算术平均值,2.岩石的不均匀性,3.岩石的各向异性,岩
13、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。对于不具有层理的岩体，则把它视为各自同性体。,SPE 124464,SPE 890,1965,4.岩石的渗透性,在一定压差下，岩石允许流体通过的性质的称为岩石的渗透性。有压流体可以透过岩石的孔隙、裂隙而流动，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。 岩石的渗透系数不仅与岩石的物理
14、性质有关，也与岩石的应力状态有关。,岩石轴向渗透性试验原理,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,假定岩体渗流符合达西定律，则渗透系数可采用如下方法计算：,式中 K岩石渗透系数(m/s)； Q单位时间里透过试样的水量(m3/s)； L试样长度(m)；A试样截面积(m2)； P试样两端的水压力差(KPa)； w水的容重(KN/m3）,岩石轴向渗透性试验原理,径向渗透试验时，其渗透系数计算：,岩石轴向渗透性试验原理,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)； 圆周率。,岩石的渗透系数数值,渗
15、透系数与渗透率的关系,渗透系数(hydraulic conductivity)的单位：m/s 渗透率(permeability)的单位：,渗透系数：定义为单位水力梯度下的单位流量，表示流体通过孔隙骨架的难易程度。 渗透率：压力差为1Pa时，动力黏滞系数为1Pa.s的渗流液体，渗流通过面积为1m2长度为1m的多孔介质，体积流量为1m3时，多孔介质的渗透率定义为1m2。表征土或岩石本身传导液体能力。,第四节 岩石的工程分类,以工程实用为目的的岩石类型划分叫岩石的工程分类(岩体的工程分类)。主要目的是指导工程技术人员合理选择工程布局及技术处理方法。,1.完整岩块的工程分类,岩土工程勘察规范分类,2.岩体的工程分类,岩石：是固态矿物或矿物的混合物，由一种或多种矿物组成，具有一定结构、构造的集合体。,岩体：含有结构面的原生地质体，是由处于一定地质环境中的各种岩性和结构特征岩石所组成的集合体。特点：显著的不连续性。,岩石质量指标RQD,岩石质量指标RQD (Rock Quality Designation):长度大于10cm的岩心长度之和与钻孔总进尺的百分比。,(迪尔，1964.),根据RQD的岩体质量分级,岩体基本质量指标BQ,认为岩石的坚硬程度和岩体的完整程度决定岩体的基本质量：,Kv为岩体的完整性系数，用声波实验资料确定：,岩体的BQ分级,