1、第二章 巖石物理性質(zhì)與巖體結(jié)構(gòu)巖石是組成地殼的自然物體，是經(jīng)過(guò)地質(zhì)作用而形成的礦物集合體，在陸地和海洋廣泛分布。巖石按成因有三大類型：巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖。巖石的種類不同，其物理力學(xué)性質(zhì)差異較大，加之不同時(shí)期、不同強(qiáng)度的構(gòu)造作用，也就決定巖石力學(xué)問(wèn)題復(fù)雜多變。本章主要介紹：巖石的基本物理性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工程分類。一、巖石物理性質(zhì)指標(biāo)用來(lái)描述巖石地某種物理性質(zhì)地某種數(shù)值就是巖石物理性質(zhì)指標(biāo)。1、 容重巖石單位體積（包括巖石孔隙體積）的重力，稱為巖石的容重。表達(dá)式：容重（KN/m3）W 巖石的重力（KN）V 巖石的體積（m3）根據(jù)巖石的含水程度不同，巖石容重可分為干容重、濕容重、飽和容重。

2、干容重 濕容重 飽和容重 0 天然含水量 n（孔隙度） 多數(shù)巖石 在2.62.8KN/m3之間。書(shū)中P5 表1 列出部分巖石的容重。2、 密度巖石單位體積（包括孔隙體積）的質(zhì)量，表達(dá)式：密度（Kg/m3）M 巖石質(zhì)量（Kg）V 巖石體積（m3） 容重與密度關(guān)系： 3、 比 重巖石干的重力除以巖石實(shí)體體積（不包括孔隙）,再與4時(shí)水的容重的比值。 表達(dá)式： Gs巖石比重（無(wú)量綱），Ws絕對(duì)干燥時(shí)的巖石重力（KN）Vs巖石實(shí)體體積（m3）V孔隙體積水容重，4時(shí)等于10KN/m3巖石的比重取決于組成巖石的礦物比重，大部分巖石的比重介于2.52.8之間。4、 孔隙率巖石中孔隙體積與巖石總體積的百分比稱為

3、孔隙率。表達(dá)式：n孔隙率， V孔隙體積（m3），V巖石總體積（m3）VVVs（巖石實(shí)體體積），5、 巖石含水性l 巖石天然吸水率巖石的天然吸水率是指干燥巖石試樣在一個(gè)大氣壓和室溫條件下巖石吸入水的重力Ww1，對(duì)巖石干重力Ws之比的百分率。表達(dá)式：， Ww1W（巖石濕重力）Ws則 巖石濕容重， 干容重l 巖石飽水率指巖石試樣在高壓（一般為150個(gè)大氣壓）或真空條件下，強(qiáng)制吸入水的重力Ww2對(duì)于巖石干重Ws之比的百分率。表達(dá)式： ， 巖石飽和重力則飽和容重l 飽水系數(shù)天然吸水率與飽水率比值： 一般介于0.50.8之間6、 抗凍性巖石抗凍性就是巖石抵抗凍融破壞的性能。表征巖石抗凍性的指標(biāo)為抗凍系數(shù)：

4、Rc1凍融前巖石干抗壓強(qiáng)度（Mpa）Rc2凍融后巖石干抗壓強(qiáng)度（Mpa）飽水系數(shù)對(duì)于判別巖石的抗凍性具有重要意義。maxKw1， minKw0當(dāng)Kw0.91時(shí)，孔隙基本上為水飽和，凍結(jié)中會(huì)產(chǎn)生冰劈作用，造成巖石脹裂破壞。7、 巖石的熱學(xué)性質(zhì)（1）容熱性指巖石進(jìn)行熱交換時(shí)巖石吸收熱量的能力，用比熱和容積熱容表示。比熱C：在不存在相轉(zhuǎn)變條件下，為使單位質(zhì)量巖石溫度變化1時(shí)所需輸入的熱量。單位為J/g。容積熱容：?jiǎn)挝惑w積的巖石在溫度變化1時(shí)所需要的熱量，用Cv表示，單位為J/m3。兩者關(guān)系：， 巖石密度。（2）導(dǎo)熱性指巖石傳導(dǎo)熱的能力，常用導(dǎo)熱系數(shù)（導(dǎo)熱率）來(lái)度量。其定義是當(dāng)溫度梯度為1時(shí)單位時(shí)間那

5、通過(guò)單位面積巖石所傳導(dǎo)的熱量。用表示，單位為cal/cm2s。大多數(shù)造巖礦物的導(dǎo)熱系數(shù)介于0.407.00之間，一般為0.84.00。上述兩種性質(zhì)有利于地?zé)岬膬?chǔ)存和傳遞。（3）熱膨脹性指巖石溫度變化引起巖石的形狀和尺寸的改變。用膨脹系數(shù)表示：即巖石的溫度升高1所引起的線性伸長(zhǎng)量（或體積增長(zhǎng)量）與其在溫度為0時(shí)的長(zhǎng)度（或體積）之比值。線膨脹系數(shù)： 或 L00時(shí)的巖石試件長(zhǎng)度（m） Ltt時(shí)的巖石試件長(zhǎng)度（m） t溫度體積膨脹系數(shù)： 或 V00時(shí)的巖石試件體積（m3） Vtt時(shí)的巖石試件體積（m3）巖石的體積膨脹系數(shù)大致為線膨脹系數(shù)的3倍。值隨巖石中礦物成分而變化，粗粒花崗巖的值在(0.66)10

6、5(1/),而礦物成分單調(diào)的石英巖的值在（12）105(1/)。巖石結(jié)構(gòu)致密的值小，如灰?guī)r小于花崗巖。在選擇砼骨料中應(yīng)特別注意值，因?yàn)闇囟炔粌H引起尺寸變化，還會(huì)引起巖石內(nèi)部應(yīng)力的變化，即溫度應(yīng)力：, E巖石彈模（Mpa） 則由虎克定律：。 二、水對(duì)巖石的作用水普遍存在于巖石之中，水通過(guò)力學(xué)的、物理的及化學(xué)的作用形式促使巖石性狀發(fā)生變化，同時(shí)巖石對(duì)水的作用又有一定程度的阻抗作用，從而表現(xiàn)出不同水理和水化性質(zhì)：滲透性、膨脹性、崩解性、溶解性、軟化性等。這些性質(zhì)就造成了水對(duì)巖石的各種作用，如：滲漏、滲透壓力、膨脹、崩解、溶解、軟化等，這些作用對(duì)工程將產(chǎn)生各種不利影響。1、 巖石的滲透性 有利水資源、

7、石油、地?zé)衢_(kāi)發(fā)滲透作用 產(chǎn)生滲透壓力，破壞巖體和建筑物 不利 滲漏、涌水、污染、核素遷移巖石的滲透性是指在水壓力作用下，巖石的孔隙和裂隙透過(guò)水的能力。l 巖塊滲透性巖塊中的滲流是水通過(guò)巖塊中的孔隙進(jìn)行滲透的，這種滲透可由達(dá)西公式表示：, 其中 為水力梯度達(dá)西流 v K H1 H2 LJ0 J從巖石浸水開(kāi)始直到巖石飽水，并在壓力梯度達(dá)到J0后才會(huì)發(fā)生流動(dòng)?？紤]不同巖石的滲流時(shí)，巖石會(huì)表現(xiàn)為各向異性，即各方向的身體系數(shù)各異。這時(shí)的達(dá)西公式表示為：滲透系數(shù)表明了巖石的透水能力和阻力，阻力大，則K小，即l 裂隙滲透性巖體是由裂隙切割的巖塊的集合體。巖塊滲流主要是通過(guò)巖塊中的孔隙滲透，巖塊的滲透性一般很

8、小，遠(yuǎn)小于裂隙的滲透性。因此，巖體滲流實(shí)質(zhì)上是以裂隙滲流為主導(dǎo)。對(duì)任一條裂隙，可將其簡(jiǎn)化為平行板之間的窄縫，水在裂隙中的流動(dòng)可用流體力學(xué)中的單裂隙滲流公式（NavierStokes）在xy平面內(nèi)穩(wěn)定流方程導(dǎo)出：bxy連續(xù)方程：粘性阻力張量：， ， ， 。對(duì)窄縫來(lái)說(shuō)， ，0， 則有： ，。 在滲流方向上，壓力梯度與流體運(yùn)動(dòng)反向的粘性摩擦阻力相等，則有： ，因此， 積分，當(dāng)時(shí)，有斷面流量：平均速度：其中：I水力梯度，b裂隙開(kāi)度（m），水的粘滯系數(shù)（Pas），水容重（KN/m3）。與達(dá)西公式 對(duì)比， 則裂隙的滲透系數(shù)可寫(xiě)成： 與達(dá)西公式形式相同，即裂隙滲流仍服從達(dá)西定律。滲透系數(shù)是介質(zhì)對(duì)某種流體的滲

9、透能力，裂隙開(kāi)度大，K值越大。當(dāng)e足夠大時(shí)，滲透就偏離達(dá)西定律，用雷諾數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)， d裂隙間距（m） v速度（m/s） 水的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)（m2/s）2、 巖石的遇水膨脹性巖石的膨脹性是指巖石浸水后體積增大的性質(zhì)。某些含粘土礦物（如蒙脫石、水云母、高嶺石等）成分的軟質(zhì)巖石，經(jīng)水化作用后使粘土礦物膨脹，對(duì)工程不利，巖土膨脹對(duì)建筑物產(chǎn)生較大壓力，破壞建筑物。3、 巖石的崩解性指巖石與水相互作用時(shí)失去粘結(jié)性并變成完全喪失強(qiáng)度的松散物質(zhì)的性能。這是由于水化過(guò)程中削弱了巖石內(nèi)部的結(jié)構(gòu)連接引起的，常見(jiàn)于可溶鹽和粘土膠結(jié)的沉積巖中。4、 巖石的溶解性指巖石與水相互作用時(shí)某些礦物成分為水溶解的性質(zhì)。石灰?guī)r分布區(qū)的

10、溶洞等。水庫(kù)位于這些地區(qū)易產(chǎn)生庫(kù)區(qū)滲漏。5、 巖石的軟化性巖石的軟化是指巖石與水相互作用時(shí)降低強(qiáng)度的性能。軟化作用也是由于水分子進(jìn)入粒間間隙而削弱了粒間連結(jié)所造成的。巖石的軟化性與其礦物成分、粒間連結(jié)方式、孔隙率以及裂隙發(fā)育程度有關(guān)。大部分未經(jīng)風(fēng)化的結(jié)晶巖在水中不易軟化，許多沉積巖如粘土巖、泥質(zhì)膠結(jié)的碎屑巖類等，在水中極易軟化。巖石的軟化性能用軟化系數(shù)表示，即巖石受水飽和狀態(tài)的抗壓強(qiáng)度（濕抗壓強(qiáng)度）和干燥狀態(tài)的抗壓強(qiáng)度之比值： Rw濕抗壓強(qiáng)度（Mpa） Rd干抗壓強(qiáng)度（Mpa） 巖石軟化對(duì)工程極為不利。三、巖體結(jié)構(gòu)任何巖體都發(fā)育有各種裂隙和斷層，并被分割成大小、形狀各異的巖塊體，這就決定了巖體

11、是巖塊的集合體。不同的裂隙斷層組合，就會(huì)有不同的巖塊集合體形式，這也就決定了巖體的物理和力學(xué)性質(zhì)。因此，需了解巖體的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)面 即為巖體中的各種裂隙、斷層、層面等地質(zhì)界面。結(jié)構(gòu)體 即為各種形狀的大小的巖塊塊體。巖體結(jié)構(gòu) 是指結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的排列組合方式。1、 結(jié)構(gòu)面 (1) 結(jié)構(gòu)面類型按成因有：原生結(jié)構(gòu)面、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面、次生結(jié)構(gòu)面。l 原生結(jié)構(gòu)面：在成巖過(guò)程中形成，如層面、各種成巖裂隙節(jié)理等。其特點(diǎn)是僅在巖體內(nèi)部或影響帶分布，無(wú)方向性。l 次生結(jié)構(gòu)面：巖體受卸荷作用、風(fēng)化作用、水作用、人工爆破開(kāi)挖等影響所產(chǎn)生的各種裂隙。其特點(diǎn)是：卸荷裂隙和人工裂隙分布極為局限，且無(wú)方向性。風(fēng)化裂隙發(fā)育密集，延

12、伸短，無(wú)方向性，分布在地表淺部。l 構(gòu)造結(jié)構(gòu)面：在構(gòu)造應(yīng)力作用下產(chǎn)生的破裂面或破碎帶，如斷層和裂隙。其特點(diǎn)是：規(guī)模大、分布廣、延伸長(zhǎng)、具有方向性，是巖體中結(jié)構(gòu)面的主體。(2)結(jié)構(gòu)面的自然特性為了確定結(jié)構(gòu)面的工程性質(zhì)，必須研究結(jié)構(gòu)面的自然特性。 結(jié)構(gòu)面等級(jí) 按結(jié)構(gòu)面的規(guī)模劃分四級(jí)，各級(jí)對(duì)巖體穩(wěn)定性的影響程度不同：級(jí)直接關(guān)系到區(qū)域穩(wěn)定性，級(jí)對(duì)具體工程有直接影響。 結(jié)構(gòu)面的形態(tài)與物質(zhì)組成l 形態(tài)上：光滑 或 粗糙l 組合形式：閉合 或 張開(kāi)l 物質(zhì)組成：無(wú)填充物質(zhì)；有充填物質(zhì)：結(jié)晶體和膠結(jié)物(鈣質(zhì)、硅質(zhì))、泥質(zhì)(粘土質(zhì)、石膏、高嶺土等)上述特性的不同組合將對(duì)工程性質(zhì)產(chǎn)生不同的影響：如光滑、張開(kāi)、夾泥

13、，最不利。 結(jié)構(gòu)面的分布特征l 延伸性：延伸連續(xù)；間斷延伸，中間為巖橋。l 分布密度：a) 體積密度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)裂隙數(shù)量b) 線密度：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度上的裂隙個(gè)數(shù)，用k表示；c) 間距：兩相鄰裂隙距離，用d表示。 d1/kl 裂隙組：方向相同的一組裂隙。l 裂隙產(chǎn)狀：傾向、傾角。裂隙統(tǒng)計(jì)分析：裂隙組產(chǎn)狀、間距或密度。微裂隙切割的最小單元體的體積(近似看作立方體)： （m3）二向裂隙度： 三向裂隙度： （）2、結(jié)構(gòu)體l 結(jié)構(gòu)體的形狀：受裂隙的產(chǎn)狀、組數(shù)所控制的，如三組正交裂隙形成立方結(jié)構(gòu)體。l 結(jié)構(gòu)體的大?。喝Q于裂隙的密度，密度大，結(jié)構(gòu)體小。l 結(jié)構(gòu)體的力學(xué)性質(zhì)：取決于巖石的礦物組成，致密的結(jié)晶巖強(qiáng)度

14、一般較大，如花崗巖抗壓強(qiáng)度為100250，具有彈性變形、脆性破壞的特征。泥質(zhì)膠結(jié)的碎屑巖類（如砂巖等）、泥巖、頁(yè)巖、粘土巖等強(qiáng)度較低，具有塑性變形、柔性破壞的特征。3、巖體結(jié)構(gòu)類型根據(jù)結(jié)構(gòu)面等級(jí)及組合方式，將巖體結(jié)構(gòu)劃分為四大類型與九個(gè)亞類（P20頁(yè)表25），進(jìn)而可確定出巖體的力學(xué)介質(zhì)類型，如連續(xù)介質(zhì)和非連續(xù)介質(zhì)。關(guān)于巖體的介質(zhì)特性 非連續(xù)性：物理量在空間上為一個(gè)非連續(xù)函數(shù)。 非均質(zhì)性：力學(xué)參數(shù)、物理量性質(zhì)隨空間位置不同而有差異，巖體的這一特性使其試驗(yàn)結(jié)果常具有較大的離散性。 各向異性：力學(xué)性質(zhì)隨巖體結(jié)構(gòu)的取向而有差異。表2-5 巖 體 結(jié) 構(gòu) 類 型結(jié)構(gòu)類型亞 類地 質(zhì) 背 景結(jié)構(gòu)面間距（c

15、m）結(jié)構(gòu)體形態(tài)力學(xué)介質(zhì)類型整體塊狀結(jié)構(gòu)（I）整體結(jié)構(gòu)（I1）巖體單一，構(gòu)造變形輕微的巖漿巖、變質(zhì)巖及巨厚層沉積巖100巖體呈整體狀態(tài)或巨型塊體連續(xù)介質(zhì)整體結(jié)構(gòu)（I2）巖體單一，構(gòu)造變形輕-中等的厚層沉積巖、變質(zhì)巖和火成巖體10050長(zhǎng)方體、立方體、菱形塊體及多角行塊體連續(xù)或不連續(xù)介質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)（II）層狀結(jié)構(gòu)（II1）構(gòu)造變形輕-中等的、單層厚度大于30cm的層狀巖體5030長(zhǎng)方體、柱狀體、厚板狀體及塊體不連續(xù)介質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)（II2）同II1，但單層厚度小于30cm，有強(qiáng)烈褶皺（曲）及層向錯(cuò)動(dòng)30組合板狀體或薄板狀體碎裂結(jié)構(gòu)（II）鑲嵌結(jié)構(gòu)（III1）一般發(fā)育在脆性巖層中的壓碎巖帶，節(jié)理、劈理組數(shù)

16、多，密度大50形態(tài)不一，大小不同，棱角互相咬合似連續(xù)介質(zhì)層狀碎裂結(jié)構(gòu)（III2）軟硬相間的巖石組合，通常為一系列近于平行的軟弱破碎帶與完整性較好的巖體組成100軟弱破碎帶以碎屑、碎塊、巖粉和泥為主，骨架部分巖體為大小不等、形態(tài)各異的巖塊不連續(xù)介質(zhì)碎裂結(jié)構(gòu)（III3）巖性復(fù)雜，構(gòu)造變動(dòng)劇烈，斷裂發(fā)育，也包括弱風(fēng)化帶80中細(xì)花崗巖、花崗片麻巖、閃長(zhǎng)巖、輝綠巖、安山巖、石英巖等II中等堅(jiān)硬巖3080石灰?guī)r、大理巖、白云巖、砂巖、鈣質(zhì)礫巖、粗粒花崗巖等III軟質(zhì)巖225強(qiáng)度極高的B112-225強(qiáng)度高的C56-112中等強(qiáng)度D28-56強(qiáng)度低E500高M(jìn)200-500中L200低其次，按巖石彈性模量與

17、巖石單軸抗壓強(qiáng)度比值，即模量比E/Rc，將完整巖塊分為三個(gè)等級(jí)。最后，根據(jù)強(qiáng)度等級(jí)與模量比的等級(jí)就可對(duì)完整巖塊加以分類，其方法是取兩者組合。HMLRcE2. 巖體工程分類巖體是巖塊的集合體，由于結(jié)構(gòu)面的存在，以及有地下水滲透、風(fēng)化等作用，使巖體強(qiáng)度與完整巖塊有較大差別。因此，對(duì)巖體的工程分類就應(yīng)綜合考慮各種因素對(duì)巖體強(qiáng)度的影響。目前巖體工程分類主要依據(jù)于巖體質(zhì)量的評(píng)價(jià)。 巖石單軸抗壓強(qiáng)度 巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD巖體質(zhì)量評(píng)價(jià) 裂隙特征（間距、性質(zhì)、狀態(tài)及產(chǎn)狀） 地下水滲流 地應(yīng)力(1)巖石單軸抗壓強(qiáng)度Rc：完整巖塊的強(qiáng)度是巖體強(qiáng)度基礎(chǔ)。Rc大小代表巖石軟硬程度。(2)RQD：128182010101

18、57614是用來(lái)表示巖體良好度的一種方法，是根據(jù)修正的巖芯采取率來(lái)決定的。所謂修正的巖芯采取率，就是將鉆孔中直接獲取的巖芯總長(zhǎng)度，扣除碎巖芯和軟弱夾泥的長(zhǎng)度，再與鉆孔總進(jìn)尺之比，以百分比表示。在計(jì)算巖芯長(zhǎng)度時(shí)，只計(jì)算大于10cm堅(jiān)硬的和完整的巖芯。如圖：RQD = 90 / 120 = 75%(3)裂隙發(fā)育特征 間距：描述了裂隙發(fā)育密度，間距愈小裂隙愈密集，巖體愈破碎。 狀態(tài)：指裂隙開(kāi)度及粗糙度。裂隙開(kāi)度小，粗糙，則強(qiáng)度高；反之，小。當(dāng)充填物為泥質(zhì)時(shí)強(qiáng)度低。 裂隙產(chǎn)狀：裂隙面的走向和傾角。裂隙產(chǎn)狀對(duì)巖體穩(wěn)定較大，對(duì)不同工程及部位，裂隙產(chǎn)狀將有不同作用。如，順河向?qū)Π镀虏焕?4)地下水滲流：地下水的存在一方面軟化巖石，沖蝕裂縫，另一方面對(duì)裂隙面施加水壓力，無(wú)水干燥巖石其強(qiáng)度大于有水巖石。(5)地應(yīng)力：地應(yīng)力大小及方向?qū)鷰r穩(wěn)定有很大影響，如大主應(yīng)力與裂隙面交角越小越不利。裂隙面的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其抗剪強(qiáng)度。除上述幾個(gè)方面外，還可考慮巖體的穩(wěn)定時(shí)間、施工條件及加固措施等。根據(jù)上述巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)來(lái)劃分巖體工程類別。下面介紹地質(zhì)力學(xué)巖體分類，即比尼奧斯基巖體工程分類法，根據(jù)巖塊強(qiáng)度、節(jié)理產(chǎn)狀、狀態(tài)、間距、RQD、地下水等因素對(duì)巖體評(píng)分，簡(jiǎn)稱RMR。各因素在RMR中的評(píng)分值各有側(cè)重。步驟：首先，確定各因素的分?jǐn)?shù)值，并累加；然后，根據(jù)裂隙產(chǎn)狀對(duì)RMR加以修正，以反映節(jié)理對(duì)