岩石的物理性质讲稿.ppt

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1、岩石的物理性质岩石的物理性质第一页，讲稿共二十五页哦第一节第一节 岩石的物理性质指标岩石的物理性质指标一一.重量指标重量指标1.密度（密度（g/cm3）（实测指标）（实测指标）块体密度（块体密度（）：指岩石单位体积内的质量，）：指岩石单位体积内的质量，=m/v,kg/m3。包括：干密度包括：干密度d：d=ms/v 饱和饱和sat：sat=msat/v 量积法和蜡封法测定块体密度量积法和蜡封法测定块体密度。重度（重度（）:=w/v=.g KN/m3 岩石的重度岩石的重度=26.5-28.0KN/m3，土，土18-20，砼，砼24，钢砼，钢砼25 岩石的重度在一定程度上反映出岩石的力学性质情况，通

2、常岩石的岩石的重度在一定程度上反映出岩石的力学性质情况，通常岩石的重度越大，则它的性质就越好，反之越差。重度越大，则它的性质就越好，反之越差。2.比重比重GS GS=WS/VS.W 岩石的干重力与同体积岩石的干重力与同体积4水的重力之比水的重力之比 一般采用比重瓶法测定一般采用比重瓶法测定Gs，大部分岩石的比重介于，大部分岩石的比重介于2.5-2.8之间。之间。砂土砂土2.65，粘土，粘土2.75第二页，讲稿共二十五页哦二空隙性指标（计算指标）二空隙性指标（计算指标）各种孔隙及裂隙统称为空隙（性）。用空隙率表示。各种孔隙及裂隙统称为空隙（性）。用空隙率表示。空隙率（空隙率（n）：岩石中空隙体积

3、与岩石总体积之比，百）：岩石中空隙体积与岩石总体积之比，百分率形式表示。分率形式表示。n=vv/v100%=（1-d/Gs）100%空隙率是反映岩石致密程度和岩石质量的重要参数空隙率是反映岩石致密程度和岩石质量的重要参数。孔隙率越大，岩石的强度越低。孔隙率越大，岩石的强度越低。第三页，讲稿共二十五页哦岩石在水溶液作用下表现出来的性质。主要有吸水性、软化性岩石在水溶液作用下表现出来的性质。主要有吸水性、软化性、抗冻性及渗透性等。、抗冻性及渗透性等。1吸水性（吸水性（bibulous/suction property）（1）吸水率（）吸水率（Wa）：指岩石试件在大气压力和室温条件下自由吸）：指岩石

4、试件在大气压力和室温条件下自由吸入水的重量（入水的重量（Ww1）与岩样干重量（）与岩样干重量（Ws）之比。）之比。（2）饱和吸水率（）饱和吸水率（Wsa）：指岩石试件在高压（）：指岩石试件在高压（15MPa）或真空条）或真空条件下吸入水的重量（件下吸入水的重量（Ww2）与岩样干质量（）与岩样干质量（Ws）之比。）之比。（3）饱水系数）饱水系数K 吸水率（吸水率（Wa）/饱和吸水率（饱和吸水率（Wsa），），一般为一般为0.5-O.8间。间。饱水系数饱水系数，岩石中的大开空隙相对，岩石中的大开空隙相对，而小开空隙相对，而小开空隙相对，其抗冻，其抗冻性差性差。第二节第二节 岩石的水理性质和指标岩石

5、的水理性质和指标第四页，讲稿共二十五页哦2软化性（软化性（softening property）岩石与水相互作用时强度降低的性质。岩石浸水饱和后强度要降低，岩石与水相互作用时强度降低的性质。岩石浸水饱和后强度要降低，其程度大小用软化系数（其程度大小用软化系数（K）表示）表示:K=Rb/Rd 式中：式中：Rb 岩石试件饱和抗压强度；岩石试件饱和抗压强度；Rd干抗压强度。干抗压强度。K，岩石的软化性，岩石的软化性，岩石的软化系数小于岩石的软化系数小于1。岩石的软化性取决于岩石的矿物组成与空隙性。岩石的软化性取决于岩石的矿物组成与空隙性。一般地，一般地，k0.75，岩石软化性弱，抗冻性和抗风化能力强

6、；，岩石软化性弱，抗冻性和抗风化能力强；k0.75，岩石软化性较强，工程地质性质较差。，岩石软化性较强，工程地质性质较差。第五页，讲稿共二十五页哦3抗冻性（抗冻性（frost-resistance）岩石抵抗冻融破坏的能力。岩石抵抗冻融破坏的能力。用用强度损失率即抗冻系数（强度损失率即抗冻系数（Rd）和重量损失率（）和重量损失率（Km）表示。表示。（1）Rd=Rc2/Rc1100%式中：式中：Rc2反复冻融后的干抗压强度反复冻融后的干抗压强度 Rc1冻融前干抗压强度；冻融前干抗压强度；（2）Km=(W1-W2)/W1 W1,W2分别为冻融试验前后岩石试样的重量分别为冻融试验前后岩石试样的重量 岩

7、石的岩石的冻融试验冻融试验在实验室进行。冻融各在实验室进行。冻融各4小时为小时为1个循环，一般个循环，一般要进行要进行25次后计算次后计算Rd 和Km。Rd25%。Km 5%，岩石抗冻性较好。，岩石抗冻性较好。第六页，讲稿共二十五页哦4透水性（透水性（permeability）在一定的水力梯度或压力差作用下，岩石能被水透过的性质。在一定的水力梯度或压力差作用下，岩石能被水透过的性质。反映了岩石中裂隙向相互连通的程度，大多渗透性可用达西（反映了岩石中裂隙向相互连通的程度，大多渗透性可用达西（Darcy）定律描述：定律描述：qx-沿沿x方向水的流量；方向水的流量；h水头高度；水头高度；A垂直垂直x

8、方向的截面面积方向的截面面积；k渗透系数。渗透系数。K现场或室内试验确定。野外用钻孔压水试验，测定单位吸水量。岩现场或室内试验确定。野外用钻孔压水试验，测定单位吸水量。岩石室内渗透（仪）试验，与土类似，但试验时的压力差要大得多。石室内渗透（仪）试验，与土类似，但试验时的压力差要大得多。灰岩灰岩K=1-10-4cm/s，砂岩，砂岩10-4-10-6，泥岩，泥岩10-7-10-11 cm/sAdxdhkqxdxdh第七页，讲稿共二十五页哦 第三节第三节 岩石的热学性质岩石的热学性质在深埋隧洞、高寒地区及地温异常地区的工程建设，地热开发以在深埋隧洞、高寒地区及地温异常地区的工程建设，地热开发以及核废

9、料处理和石质文物保护中均具有重要的实际意义。及核废料处理和石质文物保护中均具有重要的实际意义。1比热比热 2导热系数导热系数 3热膨胀系数热膨胀系数 4温度对岩石特性的影响温度对岩石特性的影响（1）对岩体力学性质的影响）对岩体力学性质的影响低温条件，岩石力学性质有不同程度的改善；低温条件，岩石力学性质有不同程度的改善；高温条件，岩石的抗压强度高温条件，岩石的抗压强度Rc和变形模量和变形模量E降低。降低。（2）由于温度变化引起的热应力的影响（研究较少）。）由于温度变化引起的热应力的影响（研究较少）。第八页，讲稿共二十五页哦第四节第四节 岩体结构岩体结构一一.结构面的定义，分类及分级结构面的定义，

10、分类及分级结构面（结构面（structural plane）：指地质历史发展过程中，）：指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度、厚度相对较在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度、厚度相对较小的宏观地质界面或带。小的宏观地质界面或带。“不连续面（不连续面（discontinuities）或节理（）或节理（joint）”1.结构面的成因类型结构面的成因类型（1）地质成因类型）地质成因类型原生结构面：岩体在成岩过程中形成的。原生结构面：岩体在成岩过程中形成的。（包括沉积结构面如层理面、软弱夹层、沉积间断（包括沉积结构面如层理面、软弱夹层、沉积间断 面和不面和不 整合面；岩浆结构

11、面；变质结构面）整合面；岩浆结构面；变质结构面）构造结构面：断层、节理、劈理和层间错动面等。构造结构面：断层、节理、劈理和层间错动面等。次生结构面：如卸荷、风化裂隙和次生夹泥和泥化夹层等。次生结构面：如卸荷、风化裂隙和次生夹泥和泥化夹层等。第九页，讲稿共二十五页哦（2）力学成因类型）力学成因类型剪性结构面：剪性结构面：剪应力引起，如逆断层、平移断层以及多数正断层。剪应力引起，如逆断层、平移断层以及多数正断层。连续性好，面较平直，延伸较长并有擦痕镜面等现象发育。连续性好，面较平直，延伸较长并有擦痕镜面等现象发育。张性结构面：张性结构面：拉应力引起。如羽毛状张裂面、纵张及横张破裂拉应力引起。如羽毛

12、状张裂面、纵张及横张破裂面、岩浆岩中的冷凝节理等。面、岩浆岩中的冷凝节理等。张开度大、连续性差、形态不规则、面粗糙，起伏度大及破碎张开度大、连续性差、形态不规则、面粗糙，起伏度大及破碎带较宽等特征。其构造岩多为角砾岩，易被充填。含水丰富，带较宽等特征。其构造岩多为角砾岩，易被充填。含水丰富，导水性强。导水性强。软弱和硬性结构面：软弱和硬性结构面：结构面内夹有软弱物质者属于软弱结构面，无充填结构面内夹有软弱物质者属于软弱结构面，无充填或充填物较上下岩层强度大者则属于坚硬结构面或充填物较上下岩层强度大者则属于坚硬结构面。第十页，讲稿共二十五页哦2.结构面的规模及分级结构面的规模及分级（1）绝对分级

13、）绝对分级:按结构面延伸长度，并考虑其宽度，可将结构面分为按结构面延伸长度，并考虑其宽度，可将结构面分为I-V级。级。级级序序分级依据分级依据力学属性力学属性地质构造特征地质构造特征对岩体稳定性的作用对岩体稳定性的作用I I结构面延展长，贯通岩体，延伸数结构面延展长，贯通岩体，延伸数至数十公里以上，破碎带宽约数米至数十公里以上，破碎带宽约数米至数十米以上。至数十米以上。1 1软弱结构面软弱结构面2 2构造独立的力构造独立的力学模型学模型-软弱夹层软弱夹层大断层大断层区域性断层区域性断层影响区域稳定性，山影响区域稳定性，山体稳定性体稳定性 延伸数百米至数千米，破碎带宽约延伸数百米至数千米，破碎带

14、宽约数十厘米至数米数十厘米至数米软弱结构面软弱结构面较大的断层、层间错动、较大的断层、层间错动、不整合面及原生软弱夹不整合面及原生软弱夹层等层等控制工程区的山体稳控制工程区的山体稳定性或岩体稳定性定性或岩体稳定性延伸数十米至数百米，宽度数厘米延伸数十米至数百米，宽度数厘米至至1m1m左右左右多数属坚硬结构面，多数属坚硬结构面，少数属软弱结构面少数属软弱结构面各种类型的断层、区域各种类型的断层、区域性节理、层面及层间错性节理、层面及层间错动带等动带等影响或控制工程岩体影响或控制工程岩体如地下洞室围岩及边如地下洞室围岩及边坡岩体的稳定性坡岩体的稳定性延伸数十厘米至延伸数十厘米至202030m30m

15、，宽度为零，宽度为零至数厘米不等，统计结构面至数厘米不等，统计结构面 坚硬结构面坚硬结构面节理、层面、次生裂隙、节理、层面、次生裂隙、小断层、片理、劈理、小断层、片理、劈理、卸荷裂隙、风化裂隙等卸荷裂隙、风化裂隙等 影响或控制工程岩体影响或控制工程岩体如地下洞室围岩及边如地下洞室围岩及边坡岩体的稳定性坡岩体的稳定性连续性差，刚性接触的细小或隐微连续性差，刚性接触的细小或隐微裂面，统计结构面裂面，统计结构面 硬性结构面硬性结构面隐节理、微层面、微裂隐节理、微层面、微裂隙和线理等隙和线理等分布随机，降低岩块分布随机，降低岩块强度，是岩块力学性强度，是岩块力学性质效应基础质效应基础第十一页，讲稿共二

16、十五页哦2.相对分级相对分级:根据结构面延展长度同工程结构类型和大小之间根据结构面延展长度同工程结构类型和大小之间关系，把结构面分成细小的，中等的和大型的三级。关系，把结构面分成细小的，中等的和大型的三级。第十二页，讲稿共二十五页哦二结构面特征的定量描述二结构面特征的定量描述多在岩体的天然露头或人工露头上进行多在岩体的天然露头或人工露头上进行,也可在钻孔岩也可在钻孔岩心上进行。心上进行。国际岩石力学学会现场试验标准化委员会推荐的结构面国际岩石力学学会现场试验标准化委员会推荐的结构面特征定量描述包括特征定量描述包括10个参数。即个参数。即产状，间距，持续性，产状，间距，持续性，粗糙度，结构面壁强

17、度，裂缝开度，充填物，渗透，节粗糙度，结构面壁强度，裂缝开度，充填物，渗透，节理组数和岩块尺寸。理组数和岩块尺寸。结构面的统计分析，裂隙极坐标图，节理玫瑰花图等结构面的统计分析，裂隙极坐标图，节理玫瑰花图等。第十三页，讲稿共二十五页哦三结构体三结构体结构体（结构体（structural element）：指岩体中被结构）：指岩体中被结构面切割围限的岩石块体。面切割围限的岩石块体。“岩块岩块”与与“结构体结构体”的区别：只有的区别：只有级结构面切级结构面切割的割的级结构体才称为级结构体才称为“岩块岩块”。规模（取决于结构面的密度）、形态（柱状、板状规模（取决于结构面的密度）、形态（柱状、板状、楔

18、状和菱形等）和产状（长轴方向）来描述结构、楔状和菱形等）和产状（长轴方向）来描述结构体特征。体特征。第十四页，讲稿共二十五页哦四岩体结构的划分四岩体结构的划分结构类型结构类型结构面间距结构面间距（cmcm）结构体形态结构体形态力学介质类型力学介质类型岩体质量岩体质量整体块状整体块状100100整体或巨型整体或巨型块体块体连续介质连续介质极好极好层状结构层状结构100-30100-30连续连续-似连续似连续好好碎裂结构碎裂结构似连续似连续-不连续不连续差差散体结构散体结构密集密集碎屑，岩粉碎屑，岩粉似连续似连续极差极差岩体结构类型岩体结构类型第十五页，讲稿共二十五页哦第五节第五节 岩石（体）的工

19、程分类岩石（体）的工程分类一、一、分类的目的分类的目的（1 1）为岩石工程建设的勘察、设计、施工和编制定额提）为岩石工程建设的勘察、设计、施工和编制定额提供必要的基本依据。供必要的基本依据。（2 2）便于施工方法的总结）便于施工方法的总结,交流，推广。交流，推广。（3 3）为便于行业内技术改革和管理。）为便于行业内技术改革和管理。二、二、分类原则分类原则（1）有明确的类级和适用对象。）有明确的类级和适用对象。（2）有定量的指标。）有定量的指标。（3）类级一般分五级为宜。）类级一般分五级为宜。（4）分类方法简单明了、数字便于记忆和应用。）分类方法简单明了、数字便于记忆和应用。（5）根据适用对象，

20、选择考虑因素。）根据适用对象，选择考虑因素。趋势：趋势：“综合特征值综合特征值”分类法分类法 第十六页，讲稿共二十五页哦三、三、分类的独立因素分类的独立因素 在分类中起主导和控制作用的有如下几方面因素：在分类中起主导和控制作用的有如下几方面因素：（1）岩石材料的质量（强度指标）。）岩石材料的质量（强度指标）。（2）岩体的完整性，结构面产状、密度、声波等。）岩体的完整性，结构面产状、密度、声波等。（3）水文状态（软化、冲蚀、弱化）水文状态（软化、冲蚀、弱化）（4）地应力）地应力（5）其它因素（自稳时间、位移率）其它因素（自稳时间、位移率）其中：岩性是最重要因素其中：岩性是最重要因素 第十七页，讲

21、稿共二十五页哦四四.岩块（石）的工程分类岩块（石）的工程分类1迪尔（迪尔（Deere）和米勒（）和米勒（Miller）的双指标分类（）的双指标分类（1966年）年）单轴抗压强度（单轴抗压强度（R）和单轴抗压强度（）和单轴抗压强度（R）与切线模量）与切线模量Et之之比值作为分类指标。比值作为分类指标。2岩石坚硬程度分类岩石坚硬程度分类岩土工程勘察规范岩土工程勘察规范（GB50021-2001）分为五类：）分为五类：坚硬程度坚硬程度坚硬岩坚硬岩 软坚硬岩软坚硬岩 较软岩较软岩软岩软岩极软岩极软岩饱和单轴抗饱和单轴抗压强度压强度（MPaMPa）606030-6030-605-305-30 5-155

22、-155 5第十八页，讲稿共二十五页哦五、五、岩体的工程分类岩体的工程分类1岩体质量分级（岩体质量分级（工程岩体分级标准工程岩体分级标准GB50218-94）采用二级分级法：先按采用二级分级法：先按BQ初步分级；然后针对工程岩体特点，考初步分级；然后针对工程岩体特点，考虑天然应力、地下水和结构面的影响，再按修正后的虑天然应力、地下水和结构面的影响，再按修正后的BQ分分级。级。岩体基本质量（岩体基本质量（rock mass basic guality）（）（BQ）：）：岩体所固有的影响工程岩体稳定性的最基本属性。它是由岩石岩体所固有的影响工程岩体稳定性的最基本属性。它是由岩石坚硬程度和岩体完整程

23、度两个因素确定。坚硬程度和岩体完整程度两个因素确定。两种方法：定性划分和定量指标。两种方法：定性划分和定量指标。第十九页，讲稿共二十五页哦定量指标法：定量指标法：岩石坚硬程度岩石坚硬程度岩石单轴饱和抗压强度（岩石单轴饱和抗压强度（Rc），为实测值。），为实测值。当无当无条件实测时，也可用实测的岩石点荷载强度指数条件实测时，也可用实测的岩石点荷载强度指数 换算：换算：点荷载强度指数点荷载强度指数（Point Load Strength Index）：直径）：直径50mm圆柱形试圆柱形试件径向加压时的点荷载强度。件径向加压时的点荷载强度。岩体完整程度岩体完整程度岩体完整性系数（岩体完整性系数（Kv

24、），为实测值。），为实测值。当无条件取实当无条件取实测时值，可用指岩体体积节理数（测时值，可用指岩体体积节理数（Jv），按表查出。），按表查出。岩体基本质量指标（岩体基本质量指标（BQ）：）：BQ=90+3Rc+250Kv式中，当式中，当Rc90Kv+30时，取时，取Rc=90Kv+30；当当Kv0.04Rc+0.4时，取时，取Kv=0.04Rc+0.4；其中其中Kv=（Vpm/Vpr）2Vpm岩体弹性纵波速度（岩体弹性纵波速度（km/s）；）；Vpr岩石弹性纵波速度（岩石弹性纵波速度（km/s）。）。工程岩体（也叫围岩）的稳定性，除与岩体基本质量的好坏有关外，工程岩体（也叫围岩）的稳定性，除

25、与岩体基本质量的好坏有关外，还受地下水、主要软弱结构面、天然应力的影还受地下水、主要软弱结构面、天然应力的影响。第二十页，讲稿共二十五页哦岩体级别岩体级别岩体基本质量定性特征岩体基本质量定性特征岩体基本质量岩体基本质量BQBQI I坚硬岩坚硬岩,岩体完整岩体完整550550IIII坚硬岩坚硬岩,岩体较完整岩体较完整550-451550-451IIIIII坚硬岩，岩体较破碎坚硬岩，岩体较破碎450-351IVIV坚硬岩，岩体破碎坚硬岩，岩体破碎 350-251 V V较软岩较软岩,岩体破碎岩体破碎250250结合工程特点，考虑各影响因素来修正岩体基本质量指标：结合工程特点，考虑各影响因素来修正岩

26、体基本质量指标：BQ=BQ-100（k1+k2+k3）式中：式中：k1为地下水影响修正系数；为地下水影响修正系数；k2为主要软弱面产状影响修正系数；为主要软弱面产状影响修正系数；k3为天然应力影响修正系数。为天然应力影响修正系数。岩体基本质量分级岩体基本质量分级第二十一页，讲稿共二十五页哦2岩体地质力学分类（岩体地质力学分类（RMR分类）分类）（Rock Mass Rating）由南非科学和工业研究委员会提出的由南非科学和工业研究委员会提出的CSIR分类指标值。分类指标值。RMR包包括括岩石强度、岩石强度、RQD值，节理间距、节理条件及地下水值，节理间距、节理条件及地下水5种指标种指标。%10

27、010钻孔进尺长度的岩心累计长度大于cmRQD第二十二页，讲稿共二十五页哦3巴顿岩体质量（巴顿岩体质量（Q）分类）分类1974年，挪威岩土工程研究所的巴顿（年，挪威岩土工程研究所的巴顿（Barton）等人提出的）等人提出的“NGI”岩体的隧道开挖质量分类法。其分类指标值岩体的隧道开挖质量分类法。其分类指标值Q：式中：式中：RQD（rock quality designation）为岩石质量指标）为岩石质量指标，由迪尔，由迪尔1964年提出的年提出的.Q=RQD/Jn.Jr/Ja.Jww/SRFJn为节理组数；为节理组数；Jr为节理粗糙系数；为节理粗糙系数；Ja为节理蚀变系数；为节理蚀变系数；J

28、ww为为节理水折减系数；节理水折减系数；SRF为应力折减系数。为应力折减系数。式中式中RQD/Jn-岩体的完整性；岩体的完整性；Jr/Ja-结构面（节理）的形态，结构面（节理）的形态，充填物特征及其次生变化程度；充填物特征及其次生变化程度；Jw/SRF-水与其它应力存在水与其它应力存在时对岩体质量的影响。时对岩体质量的影响。第二十三页，讲稿共二十五页哦4洞室围岩分类洞室围岩分类国标国标锚杆喷射混凝土支护技术规范锚杆喷射混凝土支护技术规范（GB50086-2001）该规范考虑了岩体结构、结构面发育特征、岩石强度及岩体声学该规范考虑了岩体结构、结构面发育特征、岩石强度及岩体声学性质等指标，将岩体划

29、分为性质等指标，将岩体划分为5类，给出了毛洞自稳定性的工程类，给出了毛洞自稳定性的工程地质评价。地质评价。六、岩体工程分类的发展趋势六、岩体工程分类的发展趋势1采用多因素综合指标的岩体分类采用多因素综合指标的岩体分类（岩体结构、结构面特征、岩块强度、岩石类型、地下水、风化程（岩体结构、结构面特征、岩块强度、岩石类型、地下水、风化程度、天然应力状态等）度、天然应力状态等）2向定性和定量相结合的方向发展；向定性和定量相结合的方向发展；3岩体工程分类与地质勘探结合起来；岩体工程分类与地质勘探结合起来；4新理论、新方法在岩体分类中的应用；新理论、新方法在岩体分类中的应用；5强调工程岩体分类与岩体力学参数估算的定量关系的建立强调工程岩体分类与岩体力学参数估算的定量关系的建立，与工程岩体处理方法、施工。，与工程岩体处理方法、施工。第二十四页，讲稿共二十五页哦第二十五页，讲稿共二十五页哦