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1 内容提要 本书介绍了岩石力学的基本理论及其在工程中的应用 全书共分 8 章, 分别阐述了岩石的物理力学特性 岩石力学的室内和现场测试技术, 以及岩体工程中有关的岩石力学问题及其解决方法 本书供水利水电 矿山开采 铁路和公路交通 地下工程等涉及岩体工程方面的工程技术人员阅读, 也可作高等院校相关专业教材或作为相关专业教师和学生教学参考书 暋图书在版编目 (CIP) 数据暋工程实用岩石力学 / 张忠亭, 景锋, 杨和礼编著灡 北京 : 中国水利水电出版社,2009 暋 ISBN 栺灡工 暋栻灡栙张 栚景 栛杨 暋栿灡岩石力学暋桇灡 TU45 暋中国版本图书馆 CIP 数据核字 (2009) 第 号 书暋暋名 工程实用岩石力学 作暋暋者 张忠亭 景锋 杨和礼 编著 出版发行 中国水利水电出版社 ( 北京市三里河路 6 号暋 ) 网址 :www 灡 waterpub 灡 com 灡 cn E mail:sales@waterpub 灡 com 灡 cn 电话 :(010) ( 总机 ) ( 营销中心 ) 经暋暋售 北京科水图书销售中心 ( 零售 ) 电话 :(010) 全国各地新华书店和相关出版物销售网点 排暋暋版 中国水利水电出版社微机排版中心 印 刷 北京市兴怀印刷厂 规 格 184mm 暳 260mm 暋 16 开本暋 12 灡 75 印张暋 302 千字 版 次 2009 年 3 月第 1 版暋 2009 年 3 月第 1 次印刷 印 数 册 定 价 38 灡 00 元 凡购买我社图书, 如有缺页 倒页 脱页的, 本社营销中心负责调换 版权所有 侵权必究

2 暋暋暋前言 岩石力学是一门发展迅速的学科, 它涉及到固体力学 流体力学 工程地质学 数学和工程学等方面, 广泛应用于水利水电工程 采矿工程 铁路和公路交通 地下工程等领域, 由此形成了岩石力学发展的原动力 岩石力学也是一门实践性很强的学科, 它的诞生与人们的实践活动有关, 同时通过工程实践进一步丰富其研究的内容 岩石力学研究的目的, 是利用它的原理和方法解决工程安全 岩体稳定 岩石变形等方面的问题 遵循这一想法我们编写了这本 工程实用岩石力学 本书共 8 章, 第 1 章绪论, 主要阐述了岩石及岩石力学的基本概念 岩石力学学科形成及其发展简况 工程建设与岩石力学的关系及岩石力学的研究内容和方法等 ; 第 2 章 ~ 第 5 章介绍了岩石的物理力学性质及岩体初始应力, 对岩石力学研究对象的物态认识是重要的一步 第 6 章介绍了岩体的工程分类及其应用, 并以国内外最具广泛影响的几种岩体工程分类方法及其应用实例作了阐述和说明 第 7 章介绍了地下洞室 岩坡及岩基等工程中主要的岩石力学问题 第 8 章根据地下工程 岩坡工程和岩基工程各自特点分别介绍了一些适用的监测技术原理和方法, 这是岩石力学研究所具有的特色之一, 希望给予读者提供必要的知识 本书由武汉大学张忠亭教授 长江科学院景锋博士和武汉大学杨和礼教授编著 由于作者水平有限, 书中疏漏和不足之处在所难免, 恳请读者批评指正 作者 2009 年 1 月

3 目暋暋录 前言 第一章暋绪论 1 第一节暋岩石与岩石力学 1 第二节暋岩石力学与工程建设 2 第三节暋岩石力学研究的途径 3 第二章暋岩石的物理性质 5 第一节暋岩石的基本构成 5 第二节暋岩石的不连续性 不均匀性和各向异性 9 第三节暋岩石的物理性质指标 13 第三章暋岩石的强度特性 24 第一节暋概述 24 第二节暋岩石的破坏机制及破坏类型 24 第三节暋岩石的强度和室内强度试验 26 第四节暋现场岩体强度试验 39 第五节暋岩石的强度理论 48 第四章暋岩石的变形特性 56 第一节暋岩石变形特性室内试验研究 56 第二节暋现场岩石变形试验 62 第三节暋岩石的蠕变特性 72 第五章暋岩体初始应力及其测量 82 第一节暋概述 82 第二节暋岩体初始应力的影响因素及初始应力分布规律 83 第三节暋地应力测量 88 第四节暋工程实例 99 第六章暋岩石的工程分类及其应用 104 第一节暋概述 104 第二节暋岩块的工程分类 105 第三节暋岩体的工程分类 109 第四节暋工程实例 129

4 第七章暋岩体工程与岩石力学问题 136 第一节暋概述 136 第二节暋地下洞室围岩稳定性 137 第三节暋岩石边坡稳定性 158 第四节暋岩基稳定性 167 第八章暋岩石力学与工程的现场监测 177 第一节暋概述 177 第二节暋岩石地下工程的现场监测 177 第三节暋岩坡稳定性监测 190 第四节暋岩基稳定性现场监测 196 参考文献 198

5 第一章暋绪暋暋论 第一节暋岩石与岩石力学 岩石力学是近代发展起来的一门新兴学科和交缘 ( 边缘 ) 学科, 是一门应用性和实践性很强的应用基础学科 岩石力学不仅为工程建设服务, 它也与地学领域如 : 地质力学 构造物理学 构造地质学 地震地质学等有密切的关系 它的应用范围涉及土木工程 水利水电工程 矿山 铁路公路 地质 地震 石油等众多和岩石力学与工程有关的领域, 岩石力学研究岩石的基本物理力学性质和工程设计中与岩体有关的设计所需要的专门理论和方法 一方面, 岩石力学是上述领域的理论基础 ; 另一方面, 正是这些领域的实践活动促使岩石力学的诞生和不断完善与发展 1956 年 4 月, 在美国的科罗拉多矿业学院举行的岩石力学讨论会上, 开始使用 岩石力学暠这一名词 这次讨论会确定了这一学科的基本轮廓 本次讨论会论文集序言写道 : 它 ( 岩石力学 ) 是与过去作为一门学科发展起来的土壤力学, 有着相似概念的一种学科, 对这种有关岩石的力学方面的学科, 现取名为岩石力学 美国地质协会岩石力学委员会对岩石力学作了如下定义 : 岩石力学是研究岩石力学性态的一门理论和应用科学, 是探讨岩石对其周围物理环境中力场反应的一门力学分支暠 岩石力学是解决岩石工程 ( 与岩石有关的工程 ) 问题的理论基础 从这种意义上讲, 通常将岩石力学具体定义为 : 岩石力学是研究岩石在荷载作用下的应力 变形和破坏规律及工程稳定性等问题的一门学科 它的定义指出了岩石作为一种天然材料与其赋存的地质环境 形成条件 存在历史 地壳运动及工程活动之间的联系 岩石力学确立为一个专门学科而划出与之有着相似概念的 土力学暠的领域, 一个主要的理由是与土壤同为地质体的岩石的不连续性, 在这方面对岩石力学有重大贡献的 奥地利学派暠有较充分的阐述 岩石是经过地质作用而天然形成的 ( 一种或多种 ) 矿物集合体, 地壳的绝大部分都是由岩石构成 根据岩石的成因不同, 可将岩石分成三类, 即岩浆岩 沉积岩和变质岩 天然岩石既然是一种自然历史的产物, 它就具有一定的自然特征, 这些特征取决于其形成的方式和后来作用于其上的地质作用, 同时它也一直处于运动变化过程中 所以形成天然岩石的基本特征, 除了组成物质上的差异之外, 最根本的还在于地壳岩石在其形成和存在的整个地质历史中, 经受各种不均衡运动的结果 组成岩石的矿物成分, 会对由该类矿物组成的岩石力学性质产生十分重要的影响 岩石的结构与构造, 在力学上起着主要的甚至决定的作用 因此, 在研究岩石的强度或工程岩体稳定性时, 其着眼点除岩石的矿物成分外, 更应注重的则是岩石的结构构造 岩石这一术语, 是工程界和地学领域包括岩石力学和工程地质学领域的一般用语 岩暋 1

6 石同时是岩石力学工作者和地质工作者的研究对象, 只不过研究的内容和目的不同而已 岩石力学或工程地质工作者视岩石为工程建筑物的环境 基础和材料, 因此, 可以约定 : 把 岩石暠作为一个泛指的名词, 即作为地壳岩石的统称 它包括 岩块暠和 岩体暠 所谓 岩块暠, 是指脱离天然状态母岩的块体, 如钻取的岩心 爆破得到的石块, 人工凿取的石料等, 而 岩体暠是指一定范围的天然岩石 ( 地壳岩石圈的自然状态 ) 就岩石的工程特性来说, 其最明显的特征是岩石组构的颗粒及它的裂隙性 许多裂隙是肉眼可见的, 而岩石的微裂隙常常发育于其组成颗粒之间, 这些特征导致岩石试件在加载一开始就出现不可恢复的塑性变形, 常伴有扩容和粒间摩擦, 从而使经典固体力学如弹塑性理论在岩石力学中的应用存在一定局限性, 这也是岩石力学有必要成为固体力学中独立分支的原因之一 随着岩石力学理论研究和工程实践的不断深入和发展, 人们发现, 岩石暠并不能简单地看成一般固体力学中的一种 材料暠, 作为岩石力学研究对象的 岩石暠, 是一种天然地质体, 它具有复杂的结构构造及生成历史与赋存条件, 而且岩体中还存在地应力, 而人类活动或工程建设使得以上问题更加复杂化 这些表明了 岩石力学暠作为一门专门学科它有着丰富的内涵和重要意义 第二节暋岩石力学与工程建设 说岩石力学是一门应用性和实践性很强的学科, 包含两方面的意思 : 一方面, 岩石力学研究岩石的力学现象及其发生和发展的规律性, 来为工程建设服务 ; 另一方面工程实践活动所提出的问题, 所积累起来的经验, 反过来又不断丰富了岩石力学研究内容并促进了岩石力学的发展 岩石力学与工程建设的密切关系, 体现了它作为一门科学的特殊性 就岩石力学服务于工程建设而言, 作为我们编写本书的主旨, 我们把它的内容仅限于 工程实用岩石力学暠这一范畴 人类在生产实践中同岩石打交道已有悠久的历史, 但岩石力学成了一门学科则是只到 20 世纪中叶的事情 20 世纪中叶二战结束后, 世界各国将注意力投向经济发展, 各种工程大力兴建, 比如水电开发 矿山开采 交通铁路建设等, 特别是 1959 年法国马尔帕塞 (Malpasset) 坝坝基失稳导致整个拱坝冲毁 ;1963 年 9 月意大利瓦依昂 (Vajont) 水库岸坡发生大规模滑坡等影响显著的工程岩体失稳问题, 迫切要求人们有相应的理论去解释 去控制 去解决, 这就形成了岩石力学的重要课题 再比如地下空间的开发利用, 地下水电站, 地下市政工程, 城市地铁, 越海隧道等地下工程的建设所提出的岩石力学问题, 如古德曼 (Goodman) 在他的 岩石力学原理及其应用 一书开头所指出的, 由于地下洞室一类的岩体结构有许多可能的破坏模式, 其作用荷载往往比初应力重分布所引起的力还难于确定, 而且材料 强度暠的确定既要量测, 也要判断 因而岩石力学在地下岩体工程建设中同样面临着一些紧迫的课题 这里所说的岩体工程是在水利水电工程 采矿工程 土木建筑工程 石油工程及交通铁道工程等许多工程建设方面, 都可能出现的地下开挖 岩质边坡 岩基工程等三大类岩体工程 在以下的工程中会涉及到一些与岩石力学有关的问题 暋 2

7 一 水利水电工程 (1) 大型水工洞室, 如水电站地下厂房等, 设计施工运营 (2) 坝基岩体稳定 ; 防渗加固 (3) 库岸边坡稳定性 (4) 高应力地区高水头下节理岩体渗流及岩石流变性 (5) 水库诱发地震 二 公路和铁路交通工程 (1) 线路边坡稳定性 (2) 隧洞工程设计施工及营运 (3) 高地应力区地下工程 (4) 水域环境中隧道工程的岩石力学问题 (5) 复杂地质条件下长大隧洞设计施工 三 开采矿山工程 (1) 矿山边坡的稳定性 ; 露天矿边坡设计及加固 (2) 采空区处理及地面沉陷 (3) 采场稳定性及采场优化布局 (4) 矿区巷道围岩稳定及加固 (5) 岩石破碎 四 其他工程 (1) 石油工程 (2) 土木建筑工程中的岩溶地区建基 (3) 核电站及核废料处理 (4) 军事工程 以上仅粗略提到某些工程实践中可能涉及的岩石力学问题, 它既有利用现有岩石力学的理论原理和技术方法直接解决的问题, 也有一些为岩石力学界提出的新课题, 或者说它可能是岩石力学得到进一步充实所出现的新问题, 因而作为岩石力学, 所面临的任务是复杂而艰巨的 第三节暋岩石力学研究的途径 岩石力学是固体力学的分支, 因而他有固体力学其他分支一样的研究内容和研究方法, 但又由于他的研究对象 岩石的特殊性, 因而岩石力学又有别于其他固体力学分支研究不同的内容和方法 工程实用岩石力学, 这里当然不全然讨论工程问题, 但也不会离开工程而研究 纯力学暠问题, 何况岩石力学本身又是与工程的联系那么紧密呢? 因此作者在这里的目的是将读者的兴趣吸引到工程实践为目的的岩石力学研究上来 首先, 岩石力学的基本原理, 仍是本书的核心内容之一 它在岩石以受荷对象出现暋 3

8 时, 它的基本力学性质, 如应力 应变 ( 变形 ) 强度和破坏等规律性的认识是极其必要的, 在讨论这些的时候, 是以工程实践为基础的, 而不是 理论暠的 也就是说, 在岩石应力应变 强度特性和破坏规律的研究和分析中, 是基于工程实践目的来实现的 其二, 考虑到岩石的地质特征的复杂性, 而且加之岩体工程的多样性, 使得岩体工程中所涉及的岩石力学问题的解决靠纯力学理论知识往往是难于行事的 因而试验的方法, 现场监测的方法是岩石力学与工程中不可或缺的另一个核心内容 这些测试, 既是为了研究岩石的力学特性, 也是为了提供岩石力学的参数指标, 同时也为检验理论分析研究结果的合理性, 为工程安全问题提供某种保证 因此, 岩石力学的发展历史中, 岩石力学试验是自始至终起重要作用的 工程岩石力学问题解决的一种重要手段, 是 20 世纪 70 年代兴起而后得到迅速发展的数值计算方法在岩石力学中的应用, 比如有限单元法 边界元法 离散元法 块体力学与反演分析法等, 还有包括概率分析, 可靠度分析神经网络法 灰色系统理论等 在这一方面, 已在很多研究者的专著中有完整的论述, 本书并未涉及 4 暋

9 第二章暋岩石的物理性质 第一节暋岩石的基本构成 岩石是一种自然历史的产物, 是构成地壳 ( 岩石圈 ) 的基本材料 地球表层, 即地壳 是人类生存和活动的地方, 是进行各种工程建设的场所 岩石这一术语是工程领域和地学 领域, 包括岩石力学和工程地质学领域的一般用语, 岩石同时是岩石力学工程者和地质工 作者的研究对象 天然岩石既是一种自然历史的产物, 同时也一直处于运动变化过程中, 所以形成天然岩石的基本特性, 除了组成物质的差异之外, 最根本的还在于地壳岩石在其 形成和存在的整个地质历史中, 经受各种不均衡运动 岩石的基本构成是由组成岩石的物 质成分和结构两个方面来决定的 一 岩石的主要物质成分 岩石是由矿物组成的 自然界中的矿物则是由自然元素或者是由它们的化合物所构 成 由于矿物在生成过程中, 受到了各种化学的或物理化学的作用, 它们绝大多数是结晶 状, 因此矿物是一种具有一定的化学成分和物理性质的质体 矿物的种类很多, 约在 3000 种以上, 但是在岩石中常见的矿物只有几十种, 这就是所谓的造岩矿物 最重要的 造岩矿物有石英 长石 云母 角闪石 辉石 方解石 橄榄石 白云石 高岭石 赤铁 矿等 由一种矿物组成的岩石称为单矿岩, 由两种或两种以上矿物组成的岩石称为复矿 岩 岩石中的矿物成分及其组成特征是区分岩石的重要标志之一, 它们也决定了岩石的物 理力学性质和抗风化的能力 岩石中矿物成分的相对稳定性对于岩石抗风化能力有显著的影响, 各种矿物的相对稳 定性主要与其化学成分 结晶特征及形成条件有关 从化学元素活动性来看,Cl 和 SO4 最易迁移, 其次是 K,Na,Ca,Mg, 再次是 SiO2, 最后是 Fe2O3 和 Al2O3, 至于低价铁 则易氧化 基性和超基性岩石主要是由易风化的橄榄石 辉石及基性斜长石组成, 所以非常容 易风化, 酸性岩石主要由较难风化的石英 钾长石 酸性斜长石及少量暗色矿物 ( 如 黑云母 ) 组成 故其抗风化能力比较起同样结构的基性岩更高, 中性岩则居两者之间 变质岩的风化性状与岩浆岩类似 沉积岩主要由风化产物组成, 大多数为原来岩石中 较难风化的碎屑物或是在风化和沉积过程中新生成的化学沉积物 因此, 它们在风化 作用中的稳定性一般都较高, 但是矿物成分并不是决定岩石风化性状的唯一因素, 因 为岩石的性状还取决于岩石的结构和构造特征, 所以不能将矿物抗风化的稳定性与岩 石的抗风化性等同起来 所示 通常可以将造岩矿物分为非常稳定的 稳定的 较稳定的和不稳定的四类, 如表 暋

10 暋暋表 2 1 抗风化 稳定性 主要造岩矿物抗风化相对稳定性 非常稳定的稳定的较稳定的不稳定的 矿物 名称 石英锆长石白云母正长石钠长石 酸性 斜长石 角闪石辉石黑云母 基性 斜长石 霞石橄榄石贵铁矿 新鲜岩石的力学性质主要取决于岩石的矿物成分和颗粒间的连接, 对于具有结晶连接的岩石, 其矿物成分的影响要大一些 应当指出, 岩石中矿物的硬度和岩石的强度是两个既有联系而又不同的概念 例如, 即使组成岩石的矿物都是坚硬的, 岩石的强度也不见得一定是高的, 因为矿物之间的连接可能是弱的, 但就大部分岩石来说, 两者之间还是有相应关系的 如在许多岩浆岩中, 其强度常随暗色矿物 ( 辉石, 特别是橄榄石 ) 的增加而增加 在沉积岩中, 砂岩的强度常随石英的相对含量的增加而增大, 石灰岩的强度常随硅质混合物含量的增加而增大, 随粘土质含量的增大而降低 在变质岩中任何片状的硅酸盐类矿物如云母 绿泥石 滑石 蛇纹石等将使岩石强度降低, 特别是当这些矿物呈平行排列时 岩石中某些易溶物如粘土矿物 特殊矿物的存在, 常使岩石物理力学性质复杂化, 一些易溶矿物, 如石膏 芒硝 岩盐 钾盐等在水的作用下易被溶蚀, 从而使岩石的孔隙度加大 结构变松 强度降低 一些含芒硝的岩石, 由于芒硝的物态变化 ( 液态变固态, 不含结晶水变含结晶水 ) 能引起体积变化, 因此在温度由 32 灡 5 曟以上变成 32 灡 5 曟以下时, 或由干燥变渐湿时, 会导致芒硝由液态变固态, 由无水变含水, 体积增大, 引起岩石膨胀 含石膏的岩石, 也由于石膏 (CaSO4) 转变为水化石膏 (CaSO4 2H2O) 时体积增大而发生膨胀 另外, 粘土岩中的蒙脱石遇水膨胀且强度降低, 凝灰岩中一些不稳定的物质极易分解成斑脱土, 遇水也易膨胀和软化, 还有某些玻璃质和次生矿物, 如沸石等能促进岩石与磷之间的化学反应 二 岩石的结构构造岩石是在一定的地质环境中生成并存在的, 它具有一定的结构和构造特征, 所谓岩石的结构是指岩石中矿物的结晶程度 矿物或岩石碎屑颗粒的形状和大小以及它们之间相互连接的方式等, 岩石的构造则是指岩石的外貌特征, 是指岩石中的矿物在空间中的排列 配置和充填方式所形成的特征 岩石的结构和构造特征能够反映岩石生成时的地质环境, 岩石的物理力学性质与岩石的结构和构造关系密切 1 灡结晶连接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接 通过连接使晶体颗粒之间紧密接触, 故岩石强度一般较大, 但随结构的不同而有一定差异, 如岩浆岩和变质岩中等粒结晶结构一般比非等粒结晶结构的强度大, 抗风化能力强 在等粒结构中, 细粒结晶结构比粗粒结晶的强度高 在斑状结构中, 细粒基质比玻璃质基质的强度高 总之, 晶粒愈细 愈均匀 玻璃质愈少, 则强度愈高, 粗粒斑晶的酸性深层岩强度最低, 细粒微晶而无玻璃质的基性喷出岩强度最高 如粗粒花岗岩抗压强暋 6

11 度一般只有 120MPa, 而同一成分的细粒花岗岩则可达 260MPa 具有结晶连接的一些变质岩, 如石英岩 大理岩等情况与岩浆岩类似 沉积岩中的化学沉积岩是以可溶的结晶连接为主, 连接强度较大, 一般以等粒细晶的岩石强度最高 如成分均一的致密细粒石灰岩其抗压强度可达 260MPa, 但这种连接的缺点是抗水性差, 能不同程度地溶于水中, 对岩石的可溶性有一定的影响 因粘土岩的连接有一部分是再结晶的结晶连接, 其强度比其他坚硬岩石的要差得多 2 灡胶结连接胶结连接是指颗粒与颗粒之间通过胶结物胶结在一起的连接, 如沉积碎屑岩 部分粘土岩的结构连接, 对于这种连接的岩石, 其强度常常主要取决于胶结物及胶结类型 从胶结构来看, 硅质 铁质胶结的岩石强度较高, 钙质胶结次之, 而泥质胶结的强度最低 从胶结类型来看, 有三种胶结类型, 如图 2 1 所示 : 栙基质胶结, 颗粒彼此不直接接触, 完全受胶结物包围, 岩石强度基本取决于胶结物的性质 ; 栚接触胶结, 只有颗粒接触处才有胶结物胶结, 胶结一般不牢固, 故岩石强度低, 透水性较强 ; 栛孔隙胶结, 碎屑颗粒紧密接触, 胶结物充填于粒间孔隙中, 这种胶结方式通常较牢固, 岩石强度和透水性主要视胶结物性质和充填程度而定 图 2 1 暋岩石颗粒的胶结连结类型 (a) 基质胶结 ;(b) 孔隙胶结 ;(c) 接触胶结 3 灡岩石中的微结构面岩石中的微结构面 ( 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 岩石中的微结构面一般是很小的, 通常需要在显微镜下观察才能见到, 但是它们对岩石工程性质的影响却是很大的 首先, 微观结构面的存在将大大降低岩石 ( 特别是脆性岩石 ) 的强度, 许多学者如霍克 (Hock) 布雷斯 (Brace) 沃尔什 (Walsh) 等, 用试验论证了这一观点 根据格里菲斯 (Grifith) 强度理论的主要论点是 : 由于岩石中这些缺陷的存在, 当其受力时, 在微孔隙或微裂隙 ( 缺陷 ) 末端, 易造成应力集中, 使裂隙可能沿末端继续扩张, 导致岩石在比完全无缺陷时所能承受的拉应力或压应力低得多的应力的作用下破坏 其次, 由于微结构面在岩石中常具有方向性, 如节理等 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速 改变岩石的电阻率和热传导率等 但应指出, 缺陷对岩石的影响在低围压时是明显的, 而在岩石受高围压时, 缺陷的影响相对减弱, 这是因为在高围压下岩石微裂隙暋 7

12 等缺陷被压密闭合之故 三 岩石的地质成因分类自然界中有各种各样的岩石, 不同的岩石具有不同的地质特征和工程特性 根据地质成因不同, 可以把岩石分为三类, 即岩浆岩 沉积岩和变质岩 1 灡岩浆岩岩浆岩就是由熔融的岩浆冷凝而成的岩石 岩浆侵入周围的岩石中形成的岩石称为侵入岩, 侵入岩按其生成部位的深浅又可分为深层侵入岩和浅层侵入岩 岩浆沿周围岩石中的裂隙和空隙上升, 溢出地表形成的岩石则称为喷出岩 岩浆岩中的矿物成分是由岩浆中的化学成分决定的, 如果用岩浆中含量最多的氧化物 SiO2 来划分, 则岩浆岩可分为酸性岩浆岩 (SiO2>65%), 其中含有比较多的石英 正长石和黑云母等矿物 ; 中性岩浆岩 (SiO2=65%~52%), 是以正长石或斜长石和角闪石等矿物为主要成分 ; 基性岩浆岩 (SiO2=52%~45%), 其中以斜长石 辉石一类矿物占多数, 而在超基性岩浆岩 (SiO2<45%) 中, 则主要的矿物是橄榄石和辉石 大多数岩浆岩具有结晶结构和半结晶结构, 只是一些喷出岩和火山碎屑岩才具有非结晶质结构 ( 分别呈玻璃质结构和碎屑状结构 ), 结晶颗粒有大有小 当岩石中同类矿物颗粒大小相近时等为等粒结构, 否则叫斑状结构 对于常见花岗岩来说, 它是一种全晶质 等粒结构 ; 而安山岩则是半晶质细粒 斑状结构 在深层岩浆岩中, 矿物颗粒的排列严密而又缺少规律, 通常称为致密块状构造 而在一些喷出岩的表面上, 往往可以看到由于岩石中矿物的定向排列所构成的细微纹理 ( 流纹 ), 或者是由于熔岩在冷却过程中, 气体的逸散所造成的气孔, 分别称为它们流纹状构造 ( 如流纹岩 ) 和气孔状构造 ( 如玄武岩 ) 绝大部分浅层侵入岩是属于致密块状构造 ( 如花岗斑岩 ), 有时也可看到流纹状构造和气孔状构造 2 灡沉积岩沉积岩是在地壳表层常温常压条件下, 由风化物 有机质和某些火山作用产生的物质, 经搬运沉积和成岩等一系列地质作用而形成的层状岩石, 自然界中有两类沉积岩, 即碎屑沉积岩和化学沉积岩 沉积岩广泛分布于地表, 占陆地面积的 75%, 组成沉积岩的常见矿物仅有 20 多种, 按成因可分为 : 栙碎屑矿物, 也称原生矿物, 是原岩风化破碎后残存下来的矿物, 如石英 长石 白云母等一些耐磨损而抗风化性较强和较稳定的矿物 ; 栚粘土矿物, 是原岩经风化分解后生成的次生矿物, 如高岭石 蒙脱石 水云母等 ; 栛化学沉积矿物, 如方解石 白云石 石膏 岩盐 铁和锰的氧化物或氢氧化物等 ; 栜有机质或生物残骸, 是由生物残骸或经有机化学变化而形成的矿物, 如贝壳 硅藻土 泥炭 石油等 在以上矿物中, 石英 长石及白云母是岩浆岩中常见矿物, 其他矿物则是地表条件下形成的特有矿物 岩浆岩中的橄榄石 辉石 角闪石 黑云母等暗色矿物由于易于风化, 所以在沉积岩中极少见到 沉积岩的结构主要有三种 : 栙碎屑结构, 即碎屑物质被胶结物粘结起来而形成的一种结构 根据碎屑物质粒径大小可分为砾状结构 砂质结构 粉砂质结构等, 其胶结物常见有 : 硅质 铁质 钙质 泥质 石膏质等 碎屑结构胶结类型有基底胶结 孔暋 8

13 隙胶结和接触胶结三种, 如图 2 1 所示 ; 栚泥质结构, 几乎全部由粒径小于 0 灡 005mm 的粘土颗粒组成, 这种结构是粘土岩的主要特征, 主要由粘土矿物组成, 此外还有石英等 ; 栛结晶结构, 是由岩石中的颗粒在水溶液中结晶 ( 如方解石 白云石等 ) 或呈胶体形态凝结沉淀 ( 如燧石 ) 而成的, 可分为鲕状 结核状 纤维状 致密块状和晶粒结构等 层理是沉积岩最重要的一种构造特征, 它是沉积岩形成过程中由于沉积环境的改变所引起的沉积物的成分 颗粒大小形状或颜色在垂直方向上发生变化而形成的现象, 层面构造则是沉积岩的另一种特征, 它是岩层层面上的由于水流 风 生物活动作用留下的痕迹, 此外还有结核 构造 生物成因构造等 3 灡变质岩变质岩是先成岩受变质作用后生成的新岩石 变质作用是由地壳构造运动或岩浆流动所引起的 高温高压或新的化学成分的加入, 会使原来的岩石的性状和成分发生深刻的变化 例如花岗岩能够变成花岗片麻岩, 粘土岩变成千枚岩和板岩等 变质岩的矿物成分大多数是岩浆岩中可见到的, 如石英 云母 角闪石等, 但是有一些矿物如柘榴子石 绿泥石 绢云母等则是变质作用的新产物, 这些矿物常作为鉴别变质岩的标志性矿物 变质岩的结构, 主要是粒状和片状结晶, 其中有的结晶是变质作用的结果, 叫做变晶结构 ( 如绿泥石片岩具有鳞片状变晶结构 ); 有的结晶则是先成岩本身就具有的, 叫做变余结构 ( 如片麻状的变余花岗结构 ) 常见变质岩的构造有 : 栙片状构造, 片状 柱状矿物相互平行排列, 形成薄片状 沿片理方向易于裂开, 如云母片岩 绿泥石片岩等 ; 栚片麻状构造, 粒状与片状矿物相间, 作定向排列, 在岩石横断面上, 可以看见黑白相间的条带 ; 如花岗片麻岩 角闪片麻岩等 ; 栛板状构造, 结构致密 呈平整板状, 板状平面可能是先成岩的层理面, 也可能是由于区域性的构造运动造成的劈理面, 如炭质板岩 硅质板岩等 ; 栜块状构造, 矿物颗粒的排列没有一定的方向, 大多是杂乱无章的, 如大理岩 白云岩等 变质岩形成的地质环境, 大多是地壳最活跃的部位, 这使得变质岩类岩石组合特别复杂, 岩石种类繁多 变质岩的性质与变质作用的特点及原岩性质有关, 其力学性质差别很大, 大多数常见变质岩都经过重结晶作用, 具有一定的结晶连接, 其结构一般较紧密 抗水性较强 孔隙较小 透水性较弱 强度较高, 但也有相反的情况, 如变质岩中的片理及片麻理, 往往使岩石的连接减弱, 力学性质呈各向异性 强度降低, 另外某些矿物成分的影响也使得变质岩容易风化 第二节暋岩石的不连续性 不均匀性和各向异性 在大多数场合, 固体力学研究对象都是连续 均匀和各向同性的材料 但是, 岩石是一种自然历史的产物, 在漫长的地质历史中, 它经历过多次反复的地质作用, 形成了自然状况极为复杂的岩石结构构造, 使得岩石具有不连续性 不均匀性和各向异性的特征, 同时也使得岩石力学研究的课题较之其他力学分支具有特别的复杂性 暋 9

14 一 岩石的不连续性岩石的不连续性决定于岩石的地质结构 构造特征 岩石中存在各种地质界面, 它包括物质分异面和不连续面 它们实际上是地质历史上在岩体内形成的具有一定方向 一定规模 一定形态和特性的面 缝 层和带的地质界面, 如断层面 节理面 层理面等, 这些不同成因 不同特性的地质界面, 包括物质分异面和物质不连续面, 统称为结构面 岩石中的结构面破坏了岩体的完整性, 使得岩石的矿物分布及其物理力学性质上都具有不连续性特征, 如图 2 2 所示 图 2 2 暋岩体结构型式示意图 (a) 整体结构 ;(b) 块状结构 ;(c) 层状结构 ;(d) 薄层状结构 ;(e) 镶嵌结构 ;(f) 层状破碎结构 ;(g) 碎裂结构 ;(h) 散粒结构 1 节理 ;2 层面 ;3 断层 ;4 断层破碎带 1 灡结构面的成因类型 按照地质成因的不同, 可将结构面划分为以下几类 : (1) 原生结构面 在成岩过程中所形成的结构面, 如沉积结构面 ( 物质分异面 ) 火 成结构面及变质结构面等 (2) 构造结构面 岩体受地壳运动的作用所形成的结构面, 如断层 节理 劈理等 (3) 次生结构面 岩体在外营力 ( 如风化 卸荷 应力变化 ) 等作用下而形成的结构 面, 它的发育多呈无序状 不平整 不连续的状态 2 灡结构面的空间分布 结构面在空间的分布主要是指结构面的产状及其变化 结构面的延展性 结构面密集 的程度 结构面空间组合关系等 (1) 结构面的产状及其变化是指结构面的走向与倾斜及其变化 (2) 结构面的延展性是指结构面在某一方向上的连续性或结构面连续段长短的程度, 它可分为非贯通的 半贯通的及贯通的 结构面延展性常用切割度 Xe 来表示 假设有一 暋 10

15 平直的断面, 它与考虑的结构面重叠而且完全地横贯所考虑的岩体, 令其面积为 A, 如图 2 3 所示, 则它与结构面的面积 a 之间的比率, 即为切割度 : Xe = a A (2 1) 暋暋若在同一切割面上出现结构面的面积为 a1 a2 a3, 则 : Xe= a1+a2+a3 暺 ai = A A (2 2) 图 2 3 暋岩石结构面的二维分布 按切割度的大小, 可将岩体分类, 如表 2 2 所示 暋暋表 2 2 岩体按切割度 Xe 分类 名暋暋称 Xe (%) 名暋暋称 Xe (%) 完整的 10~20 强节理化 60~80 弱节理化 20~40 完全节理化 80~100 中等节理化 40~60 3 灡结构面的密度结构面的密度, 是指岩体中结构面发育的程度, 它可以用结构面的线密度 间距或体密度表示 (1) 结构面的线密度 k 结构面的线密度 k 是指同一组结构面沿着法线方向, 单位长度上结构面的数目, 如以 l 代表在法线量测的长度,n 为在长度 l 内出现的结构面数目, 则 : k = n l (2 3) 暋暋实际测定结构面的线密度时, 测线长度可在 20~50m 之间 如果岩体上有几组结构 暋 11

16 面时, 测在线的线密度为各组线密度之和 如果实际测线与结构面法线方向不一致时, 应使测线水平, 并与结构面走向垂直, 此时实际测线长度为 l, 结构面倾角为毩, 则 : k = n (2 4) lsin 毩暋暋 (2) 结构面间距 结构面间距是指同一组结构面在法线方向上, 该组结构面的平均间距, 如以 d 表示, 则 : d = l n = 1 k (2 5) 暋暋即结构面的间距为线密度的倒数 Watkins (1970) 对结构面 ( 不连续面 ) 进行了分类, 如表 2 3 所示 暋暋表 2 3 结构面间距分类 描述的术语 间暋暋距 层理 节理 mm in 薄页层的 断裂的 <6 <0 灡 24 页状的 破裂的 6~20 0 灡 24~0 灡 8 非常薄的 非常密集的 20~60 0 灡 8~2 灡 4 薄的 密集的 60~200 2 灡 4~8 中等的 中等密集的 200~600 8~24 厚的 稀疏的 600~ ~80 极厚的 极稀疏的 >2000 >80 4 灡岩石的各向异性 岩石的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 首先, 我 们知道构成岩石的矿物, 它的每一结晶都具有一定的化学成分, 都有一定的晶格排列, 很 多矿物都由于结晶的方向不同而显示不同的力学性质 更主要的在天然岩体条件下, 使岩 体具有各向异性的基本原因是由于岩体内普遍存在着的层面 片理 夹层和裂隙 ( 断裂 ) 系统, 即岩石中的结构面的存在 这些定向结构面, 通常是岩体各向异性的最主要的原因 之一 目前, 在实际工作中对于成层岩体, 往往考虑其平行于层理和垂直于层理方向的差 异性, 而对于不具有层理的岩体 例如, 完整花岗岩等则在试验时往往假定它是各向同性 体, 而不考虑其各向异性的差别 表 2 4 列出了某些岩石室内试验的结果, 显示其具有 各向异性的特点 二 岩石的不均匀性 不均匀性是指天然岩石的物理力学性质随空间位置不同而异的特性, 通常借助数理统 计方法来估计岩石的不均匀性 但是, 数理统计方法所研究的不是各种不同事件的物理性 质本身, 而是这些事件的概率之间的定量关系 因此, 数理统计方法对所研究的对象是有 要求的, 就对于估计岩石的物理力学性质方面来说, 其要求是所统计的岩体的资料, 只能 具有纯数量上的性质, 而不应服从于某一空间规律 如果存在某一空间规律, 例如随深度 而变化, 则应划分为不同的集合, 而每一统计集合中的数据的差异只具有纯数量的性质 暋 12

17 因此, 我们在进行统计分析之前, 必须研究岩石性质是否存在空间变化的规律, 没有这种 初步分析, 就不允许采用统计方法, 因为这可能造成很大误差 暋暋表 2 4 某些岩石室内试验结果 岩石种类 E 曂暶 E 曃 毺曂暶毺曃 氁 c 曂暶氁 c 曃 氂 f 曂暶氂 f 曃 细砂岩 1 灡 01~0 灡 93 0 灡 15~0 灡 52 0 灡 97~0 灡 91 1 灡 21~1 灡 09 中砂岩 0 灡 93~0 灡 80 0 灡 83~1 灡 83 1 灡 26~0 灡 95 1 灡 45~1 灡 28 粗砂岩 0 灡 89~1 灡 08 1 灡 20~0 灡 80 1 灡 20~1 灡 18 0 灡 97 石英砂岩 0 灡 93 1 灡 17 石灰岩 0 灡 91 0 灡 72 片麻岩 0 灡 91~0 灡 63 页岩 0 灡 98 1 灡 56 暋暋在分析岩石试验数据时, 可以采用综合性统计特征数 偏差系数 Cv% 来估计岩体 的不均匀性, 即 : 式中暋 X 各观测值 X 的算术平均值 ; 氁 标准差 ( 均方差 ) 式中暋 Xi 第 i 次观测值 ; N 观测总次数 氁 Cv(%)= 暳 100 (2 6) X é ê 氁 = ê ë N 暺 i=1 (Xi -X) 2 ù ú N -1 ú û -1/2 (2 7) 试验表明, 岩石的不均匀性也具有各向异性的特征, 即同一岩石的偏差系数有随方向 而异的趋向, 这对于层状岩石特别明显 第三节暋岩石的物理性质指标 岩石的物理性质是由岩石固有物质组成和结构特征所决定的基本属性, 通常用某种数值来描述岩石的某种物理性质, 这些用来描述岩石物理性质的数值就是岩石的物理性质指标 在工程上常用到的物理性质指标 : 容重 ( 密度 ) 比重 孔隙率 ( 孔隙比 ) 含水率等 一 岩石的容重和密度岩石单位体积 ( 包括岩石孔隙体积在内 ) 的重量, 称为岩石的容重 ( 也称重度 ) 岩石容重的表达式为 : 毭 = W V (2 8) 式中暋毭 岩石容重 (kn/m 3 ); 暋 13

18 W 被测岩样的重量 (kn); V 被测岩样的体积 (m 3 ) 与岩石的容重类似, 岩石的密度定义为 : 岩石单位体积 ( 包括岩石孔隙体积 ) 的质量, 以 kg/m 3 为单位, 记为氀, 即 : 氀 = m V (2 9) 式中暋氀 岩石密度 (kg/m 3 ); m 岩样的质量 (kg); V 岩样的体积 (m 3 ) 岩石密度与岩石容重有如下关系 : 毭 =g 氀 (2 10) 式中暋 g 重力加速度, 通常近似地取 g=9 灡 80m/s 2 岩石的容重取决于组成岩石的矿物成分 孔隙发育程度和含水状况 当其他条件相同时, 在一定程度上岩石的容重也与它的埋深有关 一般而言, 同类岩石靠近地表的岩石容重往往小于埋深较大的岩石容重, 表 2 5 列出了某些岩石的容重值, 可资参考 暋暋表 2 5 某些岩石的天然容重 岩石名称 天然容重 (kn/m 3 ) 岩石名称 天然容重 (kn/m 3 ) 岩石名称 天然容重 (kn/m 3 ) 花岗岩 23 灡 0~28 灡 0 砾岩 24 灡 0~26 灡 6 新鲜花岗片麻岩 29 灡 0~33 灡 0 闪长岩 25 灡 2~29 灡 6 石英砂岩 26 灡 1~27 灡 0 角闪片麻岩 27 灡 6~30 灡 5 辉长岩 25 灡 5~29 灡 8 硅质胶结砂岩 25 混合片麻岩 24 灡 0~26 灡 3 斑岩 27 灡 0~27 灡 4 砂岩 22 灡 0~27 灡 1 片麻岩 23 灡 0~30 灡 0 玢岩 24 灡 0~28 灡 6 坚固的页岩 28 灡 0 片岩 29 灡 0~29 灡 2 辉绿岩 25 灡 3~29 灡 7 砂质页岩 26 灡 0 特别坚硬石英岩 30 灡 0~33 灡 0 粗面岩 23 灡 0~26 灡 7 页岩 23 灡 0~26 灡 2 片状石英岩 28 灡 0~29 灡 0 安山岩 23 灡 0~27 灡 0 硅质灰岩 28 灡 1~29 灡 0 大理岩 26 灡 0~27 灡 0 玄武岩 25 灡 0~31 灡 0 白云质灰岩 28 灡 0 白云岩 21 灡 0~27 灡 0 凝灰岩 22 灡 9~25 灡 0 泥质灰岩 23 灡 0 板岩 23 灡 1~27 灡 5 凝灰角砾岩 22 灡 0~29 灡 0 灰岩 23 灡 0~27 灡 7 蛇纹岩 26 灡 0 暋暋岩石容重的大小在一定程度上反映出岩石的力学性质的情况, 通常岩石的容重愈大, 则它的力学性质就愈好, 反之愈差 图 2 4 上绘出了岩石单轴抗压强度与容重的相互关系 从图 2 4 可看出, 随着岩石容重的增加, 岩石极限抗压强度也相应的增大 岩石力学计算及工程设计中常用到岩石容重, 根据岩石的含水状况, 将容重分为天然容重 ( 毭 ) 干容重 ( 毭 d) 和饱和容重 (dm) 测定岩石的容重关键是测出岩样的重量和体积, 一般可采用直接法 水中称重法或蜡封法, 具体采用何种方法, 应根据岩石性质和岩样形态来确定 暋 14

19 1 灡直接法测定岩石容重 凡能制备成规则试样的岩石, 均宜采用直接法测 定其容重, 用直接法测定岩石容重时, 需测定规则试 样的平均断面积 A, 平均高度 h, 以及试样的重量 W, 代入式 (2 11) 中即得岩石的天然容重 当试 样放在 105~110 曟温度下烘干 24h 称重, 可测定岩 石的干容重毭 d, 即 : 毭 d = WS Ah 式中暋毭 d 岩石的干容重 (kn/m 3 ); (2 11) WS 被测岩样在 105~110 曟的温度下烘干 24h 的重量 (kn); A h 岩样的平均断面积 (m 2 ) 和平均高度 (m) 2 灡水中称重法测定岩石容重 除了遇水崩解 溶解和干缩湿胀的岩石外, 可采 用水中称重法测量岩石的容重, 首先称量出不规则岩 图 2 4 暋碳酸盐类岩石的抗压 强度与容重的关系 1 大理岩 ;2 大理岩化石灰岩 ; 3 石灰岩和白云岩 样的重量 (W ), 再根据阿基米德原理测定出不规则岩样的体积 (V), 然后根据式 (2 8) 计算岩石的容重 ( 毭 ), 此法一般用测定岩石吸水率和饱和吸水率的同一试样进行测定 3 灡蜡封法 不能用直接法和水中称重法测定的岩石, 可采用蜡封法测定岩石容重, 首先取有代表 性岩样在 105~110 曟温度下烘干 24h 后取出, 系上细线, 称岩样重量 WS, 持线将岩样缓 缓浸入刚过熔点的蜡液中, 浸后立即提出, 检查试样周围蜡膜, 若有气泡应用针刺破, 再 用蜡被平, 冷却后称蜡封岩样的重量 (W1), 然后将蜡封岩样浸没于纯水中称其重量 (W2), 则岩石的干容重为 : 毭 d = 式中暋毭 W 水容重 ( 取 10kN/m 3 ); 毭 n 石蜡容重 (kn/m 3 ) WS W1 -W2 W1 -WS - 毭 W 毭 n 若已知岩石的天然含水率, 则可根据干容重 ( 毭 d), 计算岩石的天然容重 ( 毭 ): 式中暋氊 岩石的天然含水率 (%) 二 岩石比重 (GS) (2 12) 毭 = 毭 d(1+0 灡 01 氊 ) (2 13) 岩石的比量是岩石固体部分重量和 4 曟时同体积纯水重量之比, 即 : 式中暋 GS 岩石的比重 ; GS = WS VS 毭 W (2 14) 暋 15

20 WS 岩样的干重量 ; VS 岩样固体部分实体体积 ( 不包括孔隙裂隙 ); 毭 W 4 曟时纯水的容重 岩石的比重取决于组成岩石的矿物比重及其在岩石中的相对含量, 成岩矿物的比重愈大, 测岩石的比重愈大 反之, 则岩石比重愈小, 岩石的比重可采用比重瓶法进行测定, 试验时先将岩样研磨成粉末, 烘干后用比重瓶法测定, 其原理 方法见土工试验规程 对于无裂隙或只有张开裂隙的岩石, 国内也有人提出采用水中称重法推算出岩样的实体体积 VS, 再由式 (2 14) 计算确定比重 GS 的建议, 表 2 6 列出了部分岩石的比重 暋暋表 2 6 某些岩石的比重 岩石名称 比重 GS 岩石名称 比重 GS 岩石名称 比重 GS 花岗岩 25 灡 0~28 灡 4 砾岩 26 灡 7~27 灡 1 片麻岩 26 灡 3~30 灡 1 闪长岩 26 灡 0~31 灡 0 砂岩 26 灡 0~27 灡 5 花岗片麻岩 26 灡 0~28 灡 0 橄榄岩 29 灡 0~34 灡 0 细砂岩 27 灡 0 角闪片麻岩 30 灡 7 斑岩 26 灡 0~28 灡 0 粘土质砂岩 26 灡 8 石英片岩 26 灡 0~28 灡 0 玢岩 26 灡 0~29 灡 0 砂质页岩 27 灡 2 绿泥石片岩 28 灡 0~29 灡 0 辉绿岩 26 灡 0~31 灡 0 页岩 25 灡 7~27 灡 7 粘土质片岩 24 灡 0~28 灡 0 流纹岩 26 灡 5 石灰岩 24 灡 0~28 灡 0 板岩 27 灡 0~29 灡 0 粗面岩 24 灡 0~27 灡 0 泥质灰岩 27 灡 0~28 灡 0 大理岩 27 灡 0~29 灡 0 安山岩 24 灡 0~28 灡 0 白云岩 27 灡 0~29 灡 0 石英岩 25 灡 3~28 灡 4 玄武岩 25 灡 0~33 灡 0 石膏 22 灡 0~23 灡 0 蛇纹岩 24 灡 0~28 灡 0 凝灰岩 25 灡 0~27 灡 0 煤 19 灡 8 三 岩石的孔隙率和孔隙比 天然岩石中包含着数量不等 成因不同的孔隙和裂隙, 这是岩石的重要的结构特征之 一, 岩石的这种地质特征, 称为岩石的孔隙性 岩石的孔隙性常用孔隙率 n 表示 岩石的孔隙率 n 是指岩石孔隙的体积与岩石总体积的比值, 以百分数表示, 其值可按 下式计算 : 或 æç n= 1- è n= Vv 暳 100(%) (2 15) V 毭 d ö GS 毭 W ø 上两式中暋 n 岩石孔隙率, 以百分数表示 ; Vv 试样中孔隙 ( 包括裂隙 ) 体积 (m 3 ); V 试样总体积 ( 包括孔隙 裂隙体积 )(m 3 ); 其他符号意义同前 暋 16 暳 100(%) (2 16) 从上两式可见, 如果实验室内能测定出孔隙体积 Vv 和总体积 V, 则可由式 (2 15) 直接计算出孔隙率 n, 如果实验室内已测出岩样的干容重毭 d 和比重 GS, 则可用式 (2 16) 计算求得孔隙率 n

21 孔隙率直接反映出岩石中孔隙和裂隙所占体积的百分比, 所以孔隙率也是衡量岩石工程质量的重要物理指针之一, 显然孔隙率愈大, 空隙和微裂隙也就愈多, 岩石的力学性能就愈差, 图 2 5 为碳酸盐类岩石的抗压强度与孔隙率之间的关系, 表 2 7 为部分岩石的孔隙率 岩石的孔隙性也可用孔隙比 e 表示, 所谓孔隙比是指岩石中孔隙体积与岩石实体体积之比, 即 : e= Vv Vs 或 e= n 1-n 式中暋 e 岩石的孔隙比 ; 其他符号意义同前 (2 17) (2 18) 图 2 5 暋碳酸盐类岩石的抗压强度与孔隙率之关系 1 大理岩 ;2 大理岩化石灰岩 ; 3 石灰岩与白云岩 暋暋表 2 7 某些岩石的孔隙率 岩石名称 孔隙率 n (%) 岩石名称 孔隙率 n (%) 岩石名称 孔隙率 n (%) 花岗岩 0 灡 5~4 灡 0 凝灰岩 1 灡 5~7 灡 5 片麻岩 0 灡 7~2 灡 2 闪长岩 0 灡 18~5 灡 0 流纹岩 4 灡 0~6 灡 0 花岗片麻岩 0 灡 3~2 灡 4 辉长岩 0 灡 29~4 灡 0 砾岩 0 灡 8~10 灡 0 石英片岩及角闪岩 0 灡 7~3 灡 0 辉绿岩 0 灡 29~5 灡 0 砂岩 1 灡 6~28 灡 0 板岩 0 灡 1~0 灡 5 玢岩 2 灡 1~5 灡 0 泥岩 3 灡 0~7 灡 0 云母片岩及绿泥石片岩 0 灡 8~2 灡 1 安山岩 1 灡 1~4 灡 5 页岩 0 灡 4~10 灡 0 千枚岩 0 灡 4~3 灡 6 玄武岩 0 灡 5~7 灡 2 石灰岩 0 灡 5~27 灡 0 大理岩 0 灡 1~6 灡 0 灿集块岩 2 灡 2~7 灡 0 泥灰岩 1 灡 0~10 灡 0 石英岩 0 灡 1~8 灡 7 灿角砾岩 4 灡 4~11 灡 2 白云岩 0 灡 3~25 灡 0 蛇纹岩 0 灡 1~2 灡 5 四 岩石的水理性指标 岩石遇水作用后会引起某些物理 化学和力学等性质的改变, 水对岩石的这种作用, 称为岩石的水理性, 包括岩石的吸水性 透水性 软化性和抗冻性等 1 灡岩石的天然含水率氊 天然状态下岩石中含水的质量 m 氊与岩石的烘干品质 ms 的比值, 称为岩石的天然含 水率, 以百分率表示, 即 : 式中暋 m 氊 岩样天然状况下的岩量 ; 氊 = m 氊暳 100% (2 19) ms ms 岩样在 105~110 曟温度下烘干 24h 的质量 暋 17

22 2 灡岩石的吸水性岩石在一定条件下吸收水分的性能称为岩石的吸水性, 它取决于岩石孔隙的数量大小 开闭程度 分布情况和连通性, 表征岩石吸水性的指标包括 : 吸水率 饱和吸水率和饱水系数等 (1) 岩石的吸水率氊 a 岩石的吸水率是岩石在常温常压下吸入水的质量 ma 与其烘干质量 ms 的比值, 以百分率表示, 记为氊 a, 即 : 氊 a = ma -ms ms 暳 100% (2 20) 式中暋 ma 烘干岩样浸水 48h 后的总质量 ; 其余符号意义同前 岩石的吸水率愈大, 表明岩石的孔隙大 数量多 孔隙连通性好, 岩石的力学性质差 (2) 岩石的饱和吸水率氊 sa 岩石的饱和吸水率是岩石在强制 ( 高压或真空 煮沸 ) 条件下, 岩石吸入水的质量 mw 与岩样烘干品质 ms 的比值, 记为氊 sa, 以百分率表示, 即 : 氊 sa = msa -ms ms 暳 100% (2 21) 式中暋 msa 强制 ( 抽真空或煮沸 ) 条件下吸水饱和后的总质量 ; 其他符号意义同前 通常认为在高压条件下水能进入岩石中所有张开的孔隙和裂隙中, 国外采用高压设备测定岩石的饱和吸水率, 国内常用真空抽气或者沸法测定饱水吸水率, 饱水率反映岩石中总的张开型孔隙和裂隙的发育程度, 对岩石的抗冻性和抗风化能力具有较大影响 (3) 岩石的饱水系数 k 氊 岩石的饱水系数是指岩石吸水率与饱水率的比值, 记为 k 氊, 以百分率表示, 即 : k 氊 = 氊 a 氊 sa 暋暋表 2 8 列出了某些岩石的吸水性指标 暳 100% (2 22) 暋暋表 2 8 列出了某些岩石的吸水性指标 岩石名称 吸水率氊 a (%) 饱和吸水率氊 sa (%) 饱水系数 k 氊 (%) 花岗岩 0 灡 46 0 灡 84 0 灡 55 石英闪长岩 0 灡 32 0 灡 54 0 灡 59 玄武岩 0 灡 27 0 灡 39 0 灡 69 基性斑岩 0 灡 35 0 灡 42 0 灡 83 云母片岩 0 灡 13 1 灡 31 0 灡 10 砂岩 7 灡 灡 99 0 灡 58 石灰岩 0 灡 09 0 灡 25 0 灡 36 白云质灰岩 0 灡 74 0 灡 92 0 灡 80 3 灡岩石的膨胀性和岩石的崩解性 (1) 岩石的膨胀性 岩石的膨胀性是指岩石浸水后体积增大的性质, 某些含粘土矿物 暋 18

23 ( 如蒙脱石 水云母及高岭石 ) 成分的软质岩石, 经水理作用后在粘土矿物晶格内部或细 颗粒的周围生成结合水溶剂膜 ( 水化膜 ), 并在相邻近的颗粒间产生楔劈效应, 岩石显示 膨胀性 如果岩石含具有片状结构的矿物结晶, 如绢云母 石墨 绿泥石等, 水可进入片 状层之间产生楔劈效应, 也会引起岩石体积增大 岩石膨胀性大小一般用膨胀力和膨胀率两项指标表 示, 这些指标可通过室内试验测定 目前国内大多采用 土的固结仪和膨胀仪的测定岩石的膨胀性, 岩石膨胀仪 的结构原理如图 2 6 所示, 测定岩石膨胀力和膨胀率有 以下几种试验方法 : 1) 平衡加压法 在试验过程中不断加压, 使试样体 积始终保持不变, 所测得的最大应力就是岩石的最大膨 胀力 然后逐级减压直至荷载退到零, 测定其最大膨胀 变形量, 膨胀变形量与试样原始体积之比值即为岩石的 膨胀率 2) 压力恢复法 试样浸水后, 使其在有侧限的条件 暋 19 图 2 6 暋侧限膨胀仪 1 千分表 ;2 上压板 ;3 透水石 ; 4 套环 ;5 试件 ;6 容器 下进行自由膨胀 然后, 再逐级加压, 待膨胀稳定后, 测定该压力下的膨胀率 最后加压 使试样恢复至浸水前的厚度, 这时的压应力就是岩石的膨胀力 3) 加压膨胀法 试验浸水前预先加一级大于试件膨胀力的压应力, 等变压变形稳定 后, 再将试样浸水膨胀并让其完全饱和, 做逐级减压测定不同压应力下的膨胀率, 膨胀率 为零时的压应力即为膨胀应力 ; 压应力为零时的膨胀率, 即为有侧限的自由膨胀率 由于上述三种方法的初始条件不同, 测试结果相差较大, 如压力恢复法所测的膨胀力 可比平衡加压法大 20%~40%, 甚至大 1~4 倍 由于平衡加压法能保持岩石的原始容积 和结构是等容过程做功, 所以测出的膨胀力能够比较真实地反映岩石原始结构的膨胀势 能, 试验结果比较符合实际情况, 因此, 为许多部门所采用 (2) 岩石的崩解性 岩石的崩解性是指岩石与水相互作用时失去粘结性并变成完全丧 失强度的松散物质的性能, 这种现象是由于水化过程中削弱了岩石内部的结构联络引起 的 常见于可溶盐和粘土质胶结的沉积岩地层中 岩石的崩解性一般用岩石的耐崩解性指标表示 这项指标可以在实验室内做干湿循环 试验确定, 图 2 7 是试验所用的仪器装置, 试验选用 10 块有代表性的岩石试样, 每块质 量约 40~60g, 磨去棱角使其近于球粒状, 将试样放进带筛的圆筒内 ( 筛眼直径为 2mm), 图 2 7 暋岩石崩解性测定仪 1 圆筒 ;2 轴 ;3 水槽 在温度 105 曟下烘干至恒重后称重, 然后再将 圆筒支承在水槽上, 并向槽中注入蒸馏水, 使 水面达到低于圆轴 20mm 的位置, 用 20r/min 的均匀速度转动圆筒, 历时 10min 后取下圆 筒作第二次烘干称重, 这样就完成了一次干湿 循环试验 重复上述试验步骤就可完成多次干 湿循环试验, 规范建议以第二次干湿循环的资 料作为计算耐崩解性指数的根据, 计算公式

24 如下 : W2 -W0 Id2 = W1 -W0 暳 100% (2 23) 式中暋 Id2 第二次循环耐崩解指数 ; W1 试验前试样和圆筒的烘干重量 (N); W2 第二次循环后试样和圆筒的烘干重量 (N); W0 试验结束后, 冲洗干净的圆筒烘干重量 (N) 对于松软的岩石及耐崩解性低的岩石, 还应综合考虑崩解物的塑性指数, 颗粒成分与耐崩解指数划分岩石质量等级 试验规程建议, 根据耐崩解性指数 Id2 的大小, 可将岩石耐崩解性划分为六个等级, 即很低的 (Id2<30) 低的 (Id2=31~60) 中等的 (Id2= 61~85) 中高的 (Id2=86~95) 高的 (Id2=96~98) 和很高的 (Id2>98) 4 灡岩石的软化性岩石的软化性是指岩石与水相互作用时降低强度的性能, 以软化系数毲 c 表示, 软化系数是岩样饱水状态的抗压强度与其干燥状态抗压强度之比值, 记为毲 c, 即 : 毲 c = ( Rc) 饱水 (Rc) 干燥 (2 24) 式中暋 (Rc) 饱水 岩样在饱和含水状态下的抗压强度 (MPa); (Rc) 干燥 岩样在干燥状态下的抗压强度 (MPa) 岩石的软化系数毲 c 总是不大于 1 的数值, 最多等于 1 岩石含水以后, 强度降低的机理是多方面的, 如水分子不仅吸附在岩石表面, 且能挤入宽度小于分子直径的细微裂隙中去, 甚至能进入矿物晶体的解理面中, 这种水的所谓 楔劈作用暠的结果, 势必对裂纹两壁施加一定的压力而造成岩石强度下降, 又如岩体裂隙壁上的水膜将使岩体受到剪切位移时能增加其润滑作用而降低了摩擦角, 再如重力水对结构面内充填物将产生机械和化学潜能, 从而扩大了岩体的孔隙体积, 这也将使强度降低 尤其是温度变化范围涉及冰点时, 岩石中的液态水将结冰, 或是冰融解为水, 这种裂隙水的冻融作用交替反复, 必将使岩石结构遭受破坏而导致岩石强度降低 表 2 9 列出了某些岩石的软化系数毲 c 值 暋暋表 2 9 某些岩石的软化系数毲 c 岩石名称 软化系数毲 c 岩石名称 软化系数毲 c 花岗岩 0 灡 80~0 灡 98 砂岩 0 灡 60~0 灡 97 闪长岩 0 灡 70~0 灡 90 泥岩 0 灡 10~0 灡 50 辉长岩 0 灡 65~0 灡 92 页岩 0 灡 55~0 灡 70 辉绿岩 0 灡 92 片麻岩 0 灡 70~0 灡 96 玄武岩 0 灡 70~0 灡 95 片岩 0 灡 50~0 灡 95 凝灰岩 0 灡 65~0 灡 88 石英岩 0 灡 80~0 灡 98 白云岩 0 灡 83 板岩 0 灡 68~0 灡 85 石灰岩 0 灡 68~0 灡 94 千枚岩 0 灡 76~0 灡 95 暋 20

25 五 岩石的渗透性 岩石的渗透性是指在水压力作用下, 岩石通过孔隙和裂隙透过水的能力 水普遍存在 于岩石之中, 当有水力坡降 ( 或压力水头 ) 存在时, 水就会透过岩石中的孔隙裂隙而流 动, 形成所谓渗流 描述岩石渗透性大小的指标为渗透系数和透水率 1 灡岩石的渗透系数 岩石为孔隙裂隙介质, 为了近似地分析岩体中的渗透问题, 假定渗透水流服从达西 (Darcy) 定律 按照这个定律, 渗透速度 V 与水力坡降 i 成正比, 即 : 式中暋 V 渗流速度 (cm/s); K 渗透系数 (cm/s); i 水力坡降 V = Ki (2 25) 渗透系数的物理意义是介质对某种特定流体的渗透能力 因此, 对于水在岩石中渗透 来说, 渗透系数的大小取决于岩石的物理特性和结构特征, 例如岩石中孔隙和裂隙的大 小, 开启程度及连通情况 此外, 岩石的应力状态也会影响岩石的渗透性 岩石的渗透系数可在现场或实验室内通过试验确定 室内试验的仪器和方法与土的渗 透仪相类似, 不过试验时采用的压力差比做土的试验大得多 图 2 8 表示岩石渗透试验 的装置和试验原理, 试验时, 采用下式计算渗透系数 K: 式中暋毭 W 水的容重 (kn/m 3 ); K = QL 毭 W PA Q 单位时间内通过试样的水量 (m 3 ); L 试样的长度 (m); A 试样的截面积 (m 2 ); P 试样两端的压力差 (kpa) (2 26) 渗透试验也可用图 2 9 所示径向渗透方法进行, 试样一般是直径为 60mm 长为 图 2 8 暋岩石渗透试验装置示意图 1 注水管路 ;2 围压室 ;3 岩样 ;4 放水阀图 2 9 暋径向渗透试验示意图 暋 21

26 150mm 的岩心, 在岩心内钻一直径为 12mm 长为 125mm 的轴向小孔 试验前把轴向小孔上端 25mm 长的一段堵塞起来, 但要用一根导管使小孔与外界相通, 将试样放进盛有压力水的容器内, 并保持试样轴向小孔壁上的水压力与试样外壁上的水压力不等, 这样引起径向渗透, 水流几乎在试样的整个高度上都是径向的, 试验可以在各种压力状态下进行, 该试样外壁上的压力为 P, 内壁或小孔内的压力为零, 则压力水从试样外壁向小孔内渗流, 如果小孔长度为 L, 渗过半径为 r 的同心圆柱体 则渗透系数为 : K = Q 毭 W 2 毿 LP lnr2 R1 (2 27) 式中暋 Q 试样内部所接纳水量 (m 3 ); R1 试样的小孔内半径 (m); R2 试样外半径 (m); L 试样小孔长度 (m); P 试样外壁上的水压力 (kpa); 毭 W 水的容重 (kn/m 3 ) 表 2 10 列出了几种常见岩石的渗透系数范围值 暋暋表 2 10 某些岩石的渗透系数 岩石空隙情况渗透系数 K (cm/s) 花岗岩 较致密 微裂 含微裂隙 微裂隙及部分粗裂隙 1 灡 1 暳 ~9 灡 5 暳 灡 1 暳 ~2 灡 5 暳 灡 8 暳 10-9 ~7 灡 0 暳 10-8 石灰岩 致密 微裂隙 孔隙 空隙较发育 3 灡 0 暳 ~6 灡 0 暳 灡 0 暳 10-9 ~3 灡 0 暳 灡 0 暳 10-5 ~3 灡 0 暳 10-4 片麻岩 致密 微裂隙 微裂隙发育 < 灡 0 暳 10-9 ~3 灡 0 暳 灡 0 暳 10-6 ~3 灡 0 暳 10-5 辉绿岩 玄武岩致密 <10-13 砂岩 较致密 空隙较发育 ~2 灡 5 暳 灡 5 暳 10-6 页岩微裂隙发育 2 灡 0 暳 ~8 灡 0 暳 10-9 片岩微裂隙发育 10-9 ~5 灡 0 暳 10-8 石英岩微裂隙 1 灡 2 暳 ~1 灡 8 暳 灡渗透率 渗透率是在不含水或含水的岩层中进行钻孔压水试验所测得的表示岩石渗透性的指 标, 记为 q, 并采用 Lu ( 吕荣 ) 为单位,1Lu 为 : 在 1MPa 的压力下, 每米试验段的平均 暋 22

27 流入量为 L/min, 试验要求试验段长为 5m 左右, 每个试验的试验时间为 10min 1Lu 大致相当于渗透系数 K=1 灡 5 暳 10-4 ~2 暳 10-5 cm/s 渗透系数数值是代表较大范围内岩石的平均透水性, 而渗透率 q 则是代表钻孔中某个试验段岩层的透水性, 它代表的范围较小, 但它可说明岩层不同部位的渗透性和岩层的渗透性的不均匀程度 暋 23