第第 三三 章章 岩石的物理性质和水理性质岩石的物理性质和水理性质 上上 节节 回回 顾顾 结构面分级 结构面特征 岩块与结构体的区别 岩体的结构类型 (a)北区1110平台结构面赤平极射投影图 (b)西区1130平台结构面赤平极射投影图 注： 优势结构面16565 优势结构面32575 开挖边坡面 自然边坡面 注： 优势结构面22585 优势结构面19565 开挖边坡面 自然边坡面 (c)南1区1110平台结构面赤平极射投影图 (d)南2区1110平台结构面赤平极射投影图 注： 优势结构面3575 优势结构面16565 优势结构面22575 3 2 1 开挖边坡面 自然边坡面 自然边坡面 注： 优势结构面45 优势结构面22545 开挖边坡面 自然边坡面 边坡赤平极射投影及稳定性初步评价 不稳定结构 稳定结构 稳定结构 较稳定结构 第三章第三章 岩石的物理性质和水理性质岩石的物理性质和水理性质 岩石的物理性质岩石的物理性质 岩石的密度（容重、比重）、空隙性 岩石的岩石的水理性质水理性质 岩石的吸水性、软化性、透水性、抗冻性 膨胀性、崩解性 定义：物理性质物理性质是指岩石 三相组成部分的相对比例 关系不同所表现的物理状 态。 从物质成分上来说，岩石 和土一样，也是由固体、 液体和气体三相组成。 ms mw o 水 气 V0 VW VS VV 固 一、岩石的基本物理性质一、岩石的基本物理性质 （1）岩石的颗粒密度岩石的颗粒密度( ) 岩石固体相部分的质量 与其体积的比值 s 3 /g cm 1. 岩石的密度岩石的密度 测试方法：测试方法：比重瓶法比重瓶法 s s sw W G V 岩石固体部分的体积 3 m 岩石固体部分的重量 4C时单位体积水的容重 3 kN m 岩石的比重岩石的比重( ) 岩石固体部分的重量和4C 时同体积纯水重量的比值 s G 块体密度块体密度(岩石密度岩石密度)岩块单位体积的质量。与矿物组成、 岩石的孔隙性及含水状态有关。 （2）块体密度）块体密度 干密度干密度 饱和密度饱和密度 天然密度天然密度 按试按试 件含件含 水状水状 态分态分 s d m V sat sat m V m V 3 /g cm单位： 105110C,烘24h 测试方法：测试方法：量积法（规则试样） 蜡封法（不规则试样） 容重容重是工是工 程岩体稳程岩体稳 定性分析定性分析 计算及岩计算及岩 体压力计体压力计 算的基本算的基本 参数参数 3 kN m单位： 干容重干容重 饱和容重饱和容重 天然容重天然容重 d sat 容重容重 g 3 9.80kN m 常见岩石的物理性质指标值常见岩石的物理性质指标值( (部分部分) ) 颗粒密度与块体密度：颗粒密度与块体密度： 颗粒密度颗粒密度不包括孔隙，其大 小只与矿物密度及其含量有 关。 块体密度块体密度，不仅与矿物组成 有关，还与岩石的空隙性及 含水状态密切相关。 ？谁大谁小？谁大谁小 空隙性空隙性是岩石孔隙性与裂隙性的统称,用空隙空隙 率率表示,符号为 。 n 2. 岩石的空隙性岩石的空隙性 封闭空隙 开空隙 大开空隙 小开空隙 空隙空隙 类型类型 地质作用各种裂隙 除孔隙外，还有裂隙比土复杂 2. 岩石的空隙性岩石的空隙性 空隙率空隙率指岩石空隙的体积与岩石总体积的比值， 以百分数表示。 100% v V n V 1100% d s 总空隙率(n) 总开空隙率(no) 大开空隙率(nb) 小开空隙率(na) 闭空隙率(nc) %100 0 0 V V n v %100 V V n vb b b va a nn V V n 0 %100 0 %100nn V V n vc c %100)1(%100 s dv V V n 空 隙 率 2. 岩石的空隙性岩石的空隙性 空隙性对岩块及岩体力学性质的影响 1、一般来说，n愈大，岩块的的强度愈小、 塑性变形和渗透性愈大，反之愈小 2、空隙的存在易造成岩石风化，工程地质 性质恶化 3、对可溶性岩石，空隙使岩溶发育 4、在寒区，为冻融效应提供了条件 定义定义：岩石在水溶液作用下表现出来的性质，称为 水理性质水理性质。包括： 吸水性、软化性、抗冻性吸水性、软化性、抗冻性 透水性、膨胀性、崩解性透水性、膨胀性、崩解性 二、岩石的水理性质二、岩石的水理性质 吸水性吸水性指岩石在一定条件下吸收水分的能力。常用 吸水率吸水率（ ）、饱和吸水率与饱水系数表示饱和吸水率与饱水系数表示。 1.1.岩石的吸水性岩石的吸水性 a W （1 1）吸水率）吸水率 1 100% w a s m W m 岩样在常温常压常温常压条件下吸入水的质量 岩样烘干质量 烘干温度：烘干温度：105105110110C,C, 时间：时间：2424小时小时 水只能进入大开空隙，不能进人小开空隙和闭空隙水只能进入大开空隙，不能进人小开空隙和闭空隙 取决于岩石中空隙的数、大小及其连通情况。空隙率 愈大空隙大、数量多、连通性好岩石吸水率越大 力学性质差。 %100 d d a w aVb b W W V V n 大开空隙率大开空隙率 吸水率、饱和吸水率与饱水系数吸水率、饱和吸水率与饱水系数 吸水率、饱和吸水率与饱水系数吸水率、饱和吸水率与饱水系数 2 100% w p s m W m 岩样在高压（高压（1515MPaMPa）或真空条件下吸入水的质量 岩样烘干质量 在高压或真空条件下，水能进入所有开空隙中。饱和吸水饱和吸水 率率反映岩石总开空隙的发育程度，可用来判断岩石的抗风化能 力和抗冻性，是岩石物理性质的一个重要指标是岩石物理性质的一个重要指标。 （2 2）饱和吸水率）饱和吸水率 %100 d d 0 0 Wp W V V n w p V 总开空隙率总开空隙率 吸水率、饱和吸水率与饱水系数吸水率、饱和吸水率与饱水系数 100% a w p W k W 吸水率 饱和吸水率 反映岩石中大、小开空隙的相对数量。一般情况下，饱水 系数愈大，大开空隙越多，岩石愈易被冻胀破坏。 几种岩石的吸水性指标值几种岩石的吸水性指标值 （3 3）饱水系数）饱水系数 软化性软化性指岩石浸水饱和后强度降低的性质， 用软化系数软化系数表示。 2.2.岩石的软化性岩石的软化性 软化系数软化系数( ( ) ) R K cw R c K 岩样饱和单轴抗压强度 岩样干抗压强度 工程意义：工程意义： 1 1. .岩石的软化系数愈小岩石的软化系数愈小，说明岩石吸水饱和后其抗压强说明岩石吸水饱和后其抗压强 度降低的越多度降低的越多, ,岩石软化性愈强岩石软化性愈强。 岩石软化性取决于岩石矿物组成和空隙性。亲水性矿物 和可溶性矿物愈多，且岩石大开空隙较多时，岩石的软化性 较强，软化系数愈小。 软化性软化系数软化性软化系数 软化性软化系数软化性软化系数 2 2. .软化系数软化系数K KR R0 0. .7575时时，岩石的软化性弱岩石的软化性弱，也说也说 明岩石的抗冻性和抗风化能力强明岩石的抗冻性和抗风化能力强。而而K KR R 0 0. .7575的岩的岩 石则是软化性较强和工程地质性质较差的岩石石则是软化性较强和工程地质性质较差的岩石，如如粘粘 土岩和泥质胶结的岩石土岩和泥质胶结的岩石，其软化系数一般为其软化系数一般为0 0. .4 40 0. .6 6。 3.3.软化系数是评价岩石力学性质的一个重要物理软化系数是评价岩石力学性质的一个重要物理 性质指标。性质指标。 常见岩石的物理性质指标值常见岩石的物理性质指标值 抗冻性抗冻性指岩石抵抗冻融破坏的能力，用抗抗 冻系数和质量损失率冻系数和质量损失率表示。 3.3.岩石的抗冻性岩石的抗冻性 抗抗 冻冻 性性 质量损失率质量损失率( ( ) )： m K 12 1 100% ss m s mm K m 岩样冻融后干质量 岩样冻融前干质量 抗冻系数抗冻系数( ( ) )： d R 2 1 100% c d c R 岩样经反复冻融后的干抗压强度 岩样冻融前的干抗压强度 岩石在冻融作用下强度降低和破坏的原因：岩石在冻融作用下强度降低和破坏的原因： 岩石矿物组分的膨胀系数不同岩石矿物组分的膨胀系数不同，及温度不均及温度不均 匀匀，导致产生内应力；导致产生内应力； 岩石空隙水的冻胀作用岩石空隙水的冻胀作用。使岩石产生更多的使岩石产生更多的 裂隙裂隙，结构破坏结构破坏，强度降低强度降低。 抗冻性抗冻系数、质量损失率抗冻性抗冻系数、质量损失率 Rd75，Km2时，为抗冻性高的岩石； Wa5、KR0.75和饱水系数小于0.8的岩石，其 抗冻性也高。 冻融循环试验后岩石外观特征冻融循环试验后岩石外观特征 1#红色泥质粉砂岩，3次 冻融循环，肉眼可见的初 始裂纹；冻融循环10次左 右，初始裂纹就已拓展为 宏观裂纹，伴随着岩样表 面出现片落、剥落现象， 直至形成贯通面，试件遭 受破坏。 2#蚀变辉绿岩，自身存在 蚀变造成的软弱结构面， 部分岩样5次冻融循环沿 软弱结构面出现裂纹，随 着冻融次数增加，岩样顶 端边缘出现局部颗粒脱落， 裂纹进一步发展，直至试 件遭受破坏 3、6#辉绿岩20次左 右循环，岩石表面 无明显裂纹出现； 30次冻融循环后， 部分岩样表面局部 会沿已有层理面出 现裂纹扩展的现象， 但并不明显。 岩石物理力学性能劣化研究岩石物理力学性能劣化研究 相同冻融温度（30C）、不同冻融循环次数试验后岩样质量损失率质量损失率直方图 0 1 2 3 4 5 6 7 102030 冻融循环次数（N） 质量损失率（%） 1#红色粉砂岩 2#蚀变辉绿岩 3#辉绿岩 6#辉绿岩 质量损失率分析质量损失率分析 质量损失率分析质量损失率分析 0 1 2 3 4 5 6 7 温度-20C温度-30C温度-40C 冻融循环温度（C） 质量损失率（%） 1#红色粉砂岩 2#蚀变辉绿岩 3#辉绿岩 6#辉绿岩 相同冻融循环次数（20次）、不同冻融温度试验后质量损失率质量损失率直方图 强度损失率分析强度损失率分析 相同冻融温度（-30C）、不同冻融循环次数试验后岩样强度损失率强度损失率直方图 0 10 20 30 40 50 60 10次20次30次 冻融循环次数（N） 强度损失率（%） 2#蚀变辉绿岩 3#辉绿岩 6#辉绿岩 透水性透水性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。岩石的透水性大小用渗透系渗透系 数数衡量。 4.4.岩石的透水性岩石的透水性 线性渗透规律达西定律：线性渗透规律达西定律： UKJ 渗透系数渗透系数数值上等于水力梯度为1时的渗透流速， cm/s或m/d 水力梯度 渗透流速 透水性渗透系数透水性渗透系数 渗透系数渗透系数是表征岩石透水性的重要指标，其大 小主要取决于岩石空隙的数量、大小、方向及其连 通性等，水只能通过连通的空隙渗透。 对于工程岩体对于工程岩体，裂隙岩体的渗透系数裂隙岩体的渗透系数（透水性透水性） 远大于岩块的渗透系数远大于岩块的渗透系数，岩体的渗透规律非常复杂岩体的渗透规律非常复杂， 运用裂隙岩体渗流理论解决运用裂隙岩体渗流理