岩石的基本物理力学性质.docx

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岩石的基本物理力学性质

岩石的基本物理力学性质

岩石的基本物理力学性质是岩体最基本、最重

要的性质之一，也是岩体力学中研究最早、最完善

的力学性质。

岩石密度：

天然密度、饱和密度、

质量指标密度、重力密度

岩石颗粒密度

孔隙性孔隙比、孔隙率

含水率、吸水率

水理指标

渗透系数

抗风化指标软化系数、耐崩解性指数、膨胀率

抗冻性抗冻性系数

单轴抗压强度

单轴抗拉强度

抗剪强度

三向压缩强度

岩石的基本物理力学性质

◆岩石的变形特性

◆岩石的强度理论

试验方法参照标准：

《工程岩体试验方法标准》（GB/T50266-99）。

第二章岩石的基本物理力学性质

第一节岩石的基本物理性质

第二节岩石的强度特性

第三节岩石的变形特性

第四节岩石的强度理论

回顾----岩石的基本构成

岩石是自然界中各种矿物的集合体，是天然地质作用的产物，一般而言，大部分新鲜岩石质地均坚硬致密，空隙小而少，抗水性强，透水性弱，力学强度高。

岩石是构成岩体的基本组成单元。

相对于岩体而言，岩石可看作是连续的、均质的、各向同性的介质。

岩石的基本构成：

由组成岩石的物质成分和结构两大方面来决定的。

回顾----岩石的基本构成

一、岩石的物质成分

●岩石是自然界中各种矿物的集合体。

●岩石中主要的造岩矿物有：

正长石、斜长石、石英、黑云母、角闪石、辉石、方解石、白云石、高岭石等。

●岩石中的矿物成分会影响岩石的抗风化能力、物理性质和强度特性。

●岩石中矿物成分的相对稳定性对岩石抗风化能力有显著的影响，各矿物的相对稳定性主要与化学成分、结晶特征及形成条件有关。

回顾----岩石的基本构成

二、岩石的结构

是指岩石中矿物（及岩屑）颗粒相互之间的关系，包括颗粒的大小、性状、排列、结构连结特点及岩石中的微结构面（即内部缺陷）。

其中，以结构连结和岩石中的微结构面对岩石工程性质影响最大。

回顾----岩石的基本构成

●岩石结构连结

结晶连结和胶结连结。

结晶连结：

岩石中矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，如岩浆岩、大部分变质岩及部分沉积岩的结构连结。

这种连结结晶颗粒之间紧密接触，故岩石强度一般较大，但随结构的不同而有一定的差异。

胶结连结：

指颗粒与颗粒之间通过胶结物在一起的连结。

对于这种连结的岩石，其强度主要取决于胶结物及胶结类型。

从胶结物来看，硅质铁质胶结的岩石强度较高，钙质次之，而泥质胶结强度最低。

回顾----岩石的基本构成

●岩石中的微结构

岩石中的微结构面（或称缺陷），是指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒及矿物集合体之间微小的弱面及空隙。

它包括矿物的解理、晶格缺陷、晶粒边界、粒间空隙、微裂隙等。

注：

不同于岩体结构面。

回顾----岩石的基本构成

岩石中的微结构面对岩石工程性质的影响很大，其主要影响为：

首先，微结构面的存在将大大降低岩石（特别是脆性岩石）的强度。

其次，由于微结构面在岩石中常具有方向性，如裂隙等，因此它们的存在常导致岩石的各向异性。

此外，缺陷能增大岩石的变形，在循环加荷时引起滞后现象，还能改变岩石的弹性波波速，改变岩石的电阻率和热传导率等等。

第一节岩石的基本物理性质

岩石的物理性质（physicalpropertiesofrock）是指由岩石固有的物质组成和结构特征所决定的颗粒密度、密度、重力密度、孔隙率等基本属性。

第一节岩石的基本物理性质

一岩石的质量指标

一岩石的质量指标

1.颗粒密度（比重）

岩石固相的质量与固相体积之比

一岩石的质量指标

试验方法:

比重瓶法

步骤:

粉碎过筛烘干称重

放入比重瓶排气读数（计算）

一岩石的质量指标

s—岩石颗粒密度

m1—瓶和试液质量

ms—岩粉质量

m2—瓶、试液、岩粉质量

0—试验温度下试液的密度

2.岩石的密度

岩石试件的质量与体积之比，即单位体积内岩石的质量。

岩石的质量包括固相（颗粒）、液相（水）、气相（气）的质量。

一岩石的质量指标

（1）天然密度

岩石在自然条件下，单位体积的质量

（2）饱和密度

岩石中的孔隙都被水填充时单位体积的质量

（3）干密度

岩石孔隙中的液体全部被蒸发，试件中仅有固相和气相的状态下，单位体积的质量

一岩石的质量指标

（4）重力密度（γ）

重力密度指单位体积中岩石重量，简称重度，单位kN/m3，可用计算自重应力。

天然重度、干重度、饱和重度。

一岩石的质量指标

（5）测试方法

饱和密度可采用48h浸水法、抽真空法、煮沸法使岩石饱和，再称重；

干密度是把试件放入105～110℃烘箱中，将雨水烘至恒重（一般24h左右），再称重。

A、量积法测定岩石的密度

凡能制备成规则试样的岩石均宜采用量积法测定其容量。

用量积法可以测定岩石的干密度等。

一岩石的质量指标

B、水中称重法测定岩石的密度

首先称量出不规则岩样的重量，再根据阿基米德原理测定出不规则岩样的体积。

然后计算出天然密度。

但是当遇水崩解、溶解和干缩湿胀的岩石不能用此法测其密度。

C、蜡封法测定岩石的容重

蜡封法适用于不能用量积法和水中称重法测定其容重的岩石。

用这种方法是测定岩石的干容重等。

二岩石的孔隙性

孔隙率是衡量岩石工程质量的重要物理性质指标之一。

岩石的孔隙率反映了孔隙和裂隙在岩石中所占的百分率，孔隙愈大岩石中的孔隙和裂隙就愈多，岩石的力学性能则愈差。

二岩石的孔隙性

1.孔隙比e

孔隙的体积与固体的体积之比

2.孔隙率n

孔隙的体积与总体积的比值

二岩石的孔隙性

孔隙率是衡量岩石工程质量的重要物理性质指标之一。

岩石的孔隙率反映了孔隙和裂隙在岩石中所占的百分率，孔隙愈大岩石中的孔隙和裂隙就愈多，岩石的力学性能则愈差。

二岩石的孔隙性

3.孔隙比和孔隙率的关系

4.孔隙率的推求

三岩石的水理性质

岩石与水相互作用时所表现的性质称为岩石的水理性。

包括岩石的吸水性、透水性、软化性和抗冻性，一般指前二者。

三岩石的水理性质

1.含水率

岩石孔隙中含水的质量与固体质量之比的百分数

测试方法：

烘干称重法。

三岩石的水理性质

2.吸水率

岩石在一定条件下吸收水分的性能称为岩石的吸水性。

它取决于岩石的孔隙的数量、大小、开闭程度和分布情况。

表征岩石吸水性的指标有吸水率、饱和吸水率和饱水系数。

岩石吸水率的大小取决于岩石中孔隙的多少及其连通情况。

岩石的吸水率愈大，表明岩石中的孔隙大，数量多，并且连通性好，岩石的力学性质差。

三岩石的水理性质

吸水率

烘干岩石自由浸水48小时后吸入水的质量与固体质量之比

m0—烘干岩石浸水48小时后的质量

测试方法：

浸水法。

三岩石的水理性质

3.饱和吸水率

烘干岩石经煮沸或真空抽气饱和后吸入水的质量与试件固体的质量之比

式中：

为真空抽气饱和或煮沸后试件的质量（㎏）；

为岩样在105～110℃温度下烘干24小时的质量（㎏）。

在高压条件下，通常认为水能进入岩石中所有张开的孔隙和裂隙中。

三岩石的水理性质

4.岩石饱水系数

是指岩石吸水率与饱水率的比值，以百分率表示，即

三岩石的水理性质

5.岩石的渗透性

岩石在一定的水压力作用下，水穿透岩石的能力

三岩石的水理性质

水只能沿连通孔隙渗透。

渗透系数反映岩石透水性大小，它主要决定于岩石的孔隙的大小、方向及其相互连通情况。

岩石渗透性解决实际问题的重要意义，如洞室中储存液体、评价水库渗透性等。

注意：

岩体的渗透性远比岩石的渗透性重要，原因在于岩体的结构面，进行岩体渗透性是研究岩石渗透性的方向。

四岩石的抗风化指标

1.软化系数

四岩石的抗风化指标

2.耐崩解性指数

通过对岩石试件进行烘干，浸水循环试验所得的指数

四岩石的抗风化指标

3.岩石的膨胀性

含有粘土矿物的岩石，遇水后会发生膨胀现象。

（1）自由膨胀率

岩石试件在无任何约束的条件下浸水后产生膨胀变形与试件原尺寸的比值。

常用的有岩石径向自由膨胀率VD和轴向自由膨胀率VH

四岩石的抗风化指标

D、H—浸水后试件径向、轴向膨胀变形量

D、H—试件试验前的直径和高度

四岩石的抗风化指标

（2）侧向约束膨胀率

将具有侧向约束的试件浸入水中，使岩石试件仅产生轴向膨胀变形而求得

四岩石的抗风化指标

（3）膨胀压力

岩石浸水后，使试件保持原有体积所施加的最大压力

四岩石的抗风化指标

五岩石的其他特性

1.岩石的抗冻性Kf

岩石冻融后的饱和单轴抗压强度和冻融前的饱和单轴抗压强度的比值

2、岩石硬度

3、热传导性、热容量、热膨胀系数等

第二章岩石的基本物理力学性质

岩石的基本物理力学性质是岩体最基本、最重

要的性质之一，也是岩体力学中研究最早、最完善

的力学性质。

岩石密度：

天然密度、饱和密度、

质量指标密度、重力密度

岩石颗粒密度

孔隙性孔隙比、孔隙率

含水率、吸水率

水理指标

渗透系数

抗风化指标软化系数、耐崩解性指数、膨胀率

抗冻性抗冻性系数

单轴抗压强度

单轴抗拉强度

抗剪强度

三向压缩强度

第二章岩石的基本物理力学性质

◆岩石的变形特性

◆岩石的强度理论

试验方法参照标准：

《工程岩体试验方法标准》（GB/T50266-99）。

第二章岩石的基本物理力学性质

回顾----岩石的基本构成

岩石是自然界中各种矿物的集合体，是天然地质作用的产物，一般而言，大部分新鲜岩石质地均坚硬致密，空隙小而少，抗水性强，透水性弱，力学强度高。

岩石是构成岩体的基本组成单元。

相对于岩体而言，岩石可看作是连续的、均质的、各向同性的介质。

岩石的基本构成：

由组成岩石的物质成分和结构两大方面来决定的。

回顾----岩石的基本构成

一、岩石的物质成分

●岩石是自然界中各种矿物的集合体。

●岩石中主要的造岩矿物有：

正长石、斜长石、石英、黑云母、角闪石、辉石、方解石、白云石、高岭石等。

●岩石中的矿物成分会影响岩石的抗风化能力、物理性质和强度特性。

●岩石中矿物成分的相对稳定性对岩石抗风化能力有显著的影响，各矿物的相对稳定性主要与化学成分、结晶特征及形成条件有关。

回顾----岩石的基本构成

二、岩石的结构

是指岩石中矿物（及岩屑）颗粒相互之间的关系，包括颗粒的大小、性状、排列、结构连结特点及岩石中的微结构面（即内部缺陷）。

其中，以结构连结和岩石中的微结构面对岩石工程性质影响最大。

回顾----岩石的基本构成

●岩石结构连结

结晶连结和胶结连结。

结晶连结：

岩石中矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，如岩浆岩、大部分变质岩及部分沉积岩的结构连结。

这种连结结晶颗粒之间紧密接触，故岩石强度一般较大，但随结构的不同而有一定的差异。

胶结连结：

指颗粒与颗粒之间通过胶结物在一起的连结。

对于这种连结的岩石，其强度主要取决于胶结物及胶结类型。

从胶结物来看，硅质铁质胶结的岩石强度较高，钙质次之，而泥质胶结强度最低。

回顾----岩石的基本构成

●岩石中的微结构

岩石中的微结构面（或称缺陷），是指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒及矿物集合体之间微小的弱面及空隙。

它包括矿物的解理、晶格缺陷、晶粒边界、粒间空隙、微裂隙等。

注：

不同于岩体结构面。

回顾----岩石的基本构成

岩石中的微结构面对岩石工程性质的影响很大，其主要影响为：

首先，微结构面的存在将大大降低岩石（特别是脆性岩石）的强度。

其次，由于微结构面在岩石中常具有方向性，如裂隙等，因此它们的存在常导致岩石的各向异性。

此外，缺陷能增大岩石的变形，在循环加荷时引起滞后现象，还能改变岩石的弹性波波速，改变岩石的电阻率和热传导率等等。

第一节岩石的基本物理性质

岩石的物理性质（physicalpropertiesofrock）是指由岩石固有的物质组成和结构特征所决定的颗粒密度、密度、重力密度、孔隙率等基本属性。

第一节岩石的基本物理性质

一岩石的质量指标

一岩石的质量指标

1.颗粒密度（比重）

岩石固相的质量与固相体积之比

一岩石的质量指标

试验方法:

比重瓶法

步骤:

粉碎过筛烘干称重

放入比重瓶排气读数（计算）

一岩石的质量指标

s—岩石颗粒密度

m1—瓶和试液质量

ms—岩粉质量

m2—瓶、试液、岩粉质量

0—试验温度下试液的密度

一岩石的质量指标

2.岩石的密度

岩石试件的质量与体积之比，即单位体积内岩石的质量。

岩石的质量包括固相（颗粒）、液相（水）、气相（气）的质量。

一岩石的质量指标

（1）天然密度

岩石在自然条件下，单位体积的质量

一岩石的质量指标

（2）饱和密度

岩石中的孔隙都被水填充时单位体积的质量

一岩石的质量指标

（3）干密度

岩石孔隙中的液体全部被蒸发，试件中仅有固相和气相的状态下，单位体积的质量

一岩石的质量指标

（4）重力密度（γ）

重力密度指单位体积中岩石重量，简称重度，单位kN/m3，可用计算自重应力。

天然重度、干重度、饱和重度。

一岩石的质量指标

（5）测试方法

饱和密度可采用48h浸水法、抽真空法、煮沸法使岩石饱和，再称重；

干密度是把试件放入105～110℃烘箱中，将雨水烘至恒重（一般24h左右），再称重。

A、量积法测定岩石的密度

凡能制备成规则试样的岩石均宜采用量积法测定其容量。

用量积法可以测定岩石的干密度等。

一岩石的质量指标

B、水中称重法测定岩石的密度

首先称量出不规则岩样的重量，再根据阿基米德原理测定出不规则岩样的体积。

然后计算出天然密度。

但是当遇水崩解、溶解和干缩湿胀的岩石不能用此法测其密度。

C、蜡封法测定岩石的容重

蜡封法适用于不能用量积法和水中称重法测定其容重的岩石。

用这种方法是测定岩石的干容重等。

二岩石的孔隙性

孔隙率是衡量岩石工程质量的重要物理性质指标之一。

岩石的孔隙率反映了孔隙和裂隙在岩石中所占的百分率，孔隙愈大岩石中的孔隙和裂隙就愈多，岩石的力学性能则愈差。

二岩石的孔隙性

1.孔隙比e

孔隙的体积与固体的体积之比

2.孔隙率n

孔隙的体积与总体积的比值

二岩石的孔隙性

孔隙率是衡量岩石工程质量的重要物理性质指标之一。

岩石的孔隙率反映了孔隙和裂隙在岩石中所占的百分率，孔隙愈大岩石中的孔隙和裂隙就愈多，岩石的力学性能则愈差。

二岩石的孔隙性

3.孔隙比和孔隙率的关系

4.孔隙率的推求

三岩石的水理性质

岩石与水相互作用时所表现的性质称为岩石的水理性。

包括岩石的吸水性、透水性、软化性和抗冻性，一般指前二者。

三岩石的水理性质

1.含水率

岩石孔隙中含水的质量与固体质量之比的百分数

测试方法：

烘干称重法。

三岩石的水理性质

2.吸水率

岩石在一定条件下吸收水分的性能称为岩石的吸水性。

它取决于岩石的孔隙的数量、大小、开闭程度和分布情况。

表征岩石吸水性的指标有吸水率、饱和吸水率和饱水系数。

岩石吸水率的大小取决于岩石中孔隙的多少及其连通情况。

岩石的吸水率愈大，表明岩石中的孔隙大，数量多，并且连通性好，岩石的力学性质差。

三岩石的水理性质

吸水率

烘干岩石自由浸水48小时后吸入水的质量与固体质量之比

m0—烘干岩石浸水48小时后的质量

测试方法：

浸水法。

三岩石的水理性质

3.饱和吸水率

烘干岩石经煮沸或真空抽气饱和后吸入水的质量与试件固体的质量之比

式中：

为真空抽气饱和或煮沸后试件的质量（㎏）；

为岩样在105～110℃温度下烘干24小时的质量（㎏）。

在高压条件下，通常认为水能进入岩石中所有张开的孔隙和裂隙中。

三岩石的水理性质

4.岩石饱水系数

是指岩石吸水率与饱水率的比值，以百分率表示，即

三岩石的水理性质

5.岩石的渗透性

岩石在一定的水压力作用下，水穿透岩石的能力

三岩石的水理性质

水只能沿连通孔隙渗透。

渗透系数反映岩石透水性大小，它主要决定于岩石的孔隙的大小、方向及其相互连通情况。

岩石渗透性解决实际问题的重要意义，如洞室中储存液体、评价水库渗透性等。

注意：

岩体的渗透性远比岩石的渗透性重要，原因在于岩体的结构面，进行岩体渗透性是研究岩石渗透性的方向。

四岩石的抗风化指标

1.软化系数

四岩石的抗风化指标

2.耐崩解性指数

通过对岩石试件进行烘干，浸水循环试验所得的指数

四岩石的抗风化指标

四岩石的抗风化指标

3.岩石的膨胀性

含有粘土矿物的岩石，遇水后会发生膨胀现象。

（1）自由膨胀率

岩石试件在无任何约束的条件下浸水后产生膨胀变形与试件原尺寸的比值。

常用的有岩石径向自由膨胀率VD和轴向自由膨胀率VH

四岩石的抗风化指标

D、H—浸水后试件径向、轴向膨胀变形量

D、H—试件试验前的直径和高度

四岩石的抗风化指标

（2）侧向约束膨胀率

将具有侧向约束的试件浸入水中，使岩石试件仅产生轴向膨胀变形而求得

四岩石的抗风化指标

（3）膨胀压力

岩石浸水后，使试件保持原有体积所施加的最大压力

四岩石的抗风化指标

五岩石的其他特性

1.岩石的抗冻性Kf

岩石冻融后的饱和单轴抗压强度和冻融前的饱和单轴抗压强度的比值

2、岩石硬度

3、热传导性、热容量、热膨胀系数等