1、本次課的課程提綱本次課的課程提綱一、巖石的組構特征一、巖石的組構特征二、巖石中的結構面（軟弱面）二、巖石中的結構面（軟弱面）三、巖石的四個性質三、巖石的四個性質四、巖石的物理四、巖石的物理五、巖石的水理性能五、巖石的水理性能1 1 巖石的物質組成巖石的物質組成粘土礦物粘土礦物硅酸鹽類礦物硅酸鹽類礦物碳酸鹽類礦物碳酸鹽類礦物氧化物類礦物氧化物類礦物組成巖石的礦物組成巖石的礦物組成巖石的礦物成分及其相對含量在一定程度上組成巖石的礦物成分及其相對含量在一定程度上決定著巖決定著巖石的石的力學性質力學性質二、巖石的組構特征二、巖石的組構特征物質組成對力學性質的影響物質組成對力學性質的影響o 一般硅酸鹽礦

2、物有石英、長石、角閃石、輝一般硅酸鹽礦物有石英、長石、角閃石、輝石、橄欖石（粒狀）及云母和粘土礦物（片石、橄欖石（粒狀）及云母和粘土礦物（片狀）等狀）等o 含硬度大的粒狀礦物愈多，巖石強度高花含硬度大的粒狀礦物愈多，巖石強度高花崗巖、閃長巖、玄武巖崗巖、閃長巖、玄武巖o 含硬度小的片狀礦物愈多，巖石強度愈低含硬度小的片狀礦物愈多，巖石強度愈低粘土巖、泥巖粘土巖、泥巖o 碳酸鹽類礦物主要包括石灰巖和白云巖類，碳酸鹽類礦物主要包括石灰巖和白云巖類，巖石的物理力學性質取決于巖石中的巖石的物理力學性質取決于巖石中的CaCOCaCO3 3及酸不溶物的含量及酸不溶物的含量o CaCOCaCO3 3含量愈高

3、，如純灰巖、白云巖強度高含量愈高，如純灰巖、白云巖強度高o 泥質含量高的，如泥質灰巖、泥灰巖等力學泥質含量高的，如泥質灰巖、泥灰巖等力學性質差性質差物質組成對力學性質的影響物質組成對力學性質的影響o 碎屑巖的力學性質與膠結物成分的關系：碎屑巖的力學性質與膠結物成分的關系：o 強度上：硅質強度上：硅質 鐵質鐵質 鈣質鈣質 泥質泥質物質組成對力學性質的影響物質組成對力學性質的影響泥頁巖的粘土礦物組成泥頁巖的粘土礦物組成o 蒙脫石蒙脫石o 伊利石伊利石o 綠泥石綠泥石o 高嶺石高嶺石o 伊蒙混層伊蒙混層粘土礦物粘土礦物力學性質力學性質 蒙脫石含量高蒙脫石含量高軟，易變形，易水化軟，易變形，易水化 伊

4、利石含量高伊利石含量高硬脆，不易變形，不易水化硬脆，不易變形，不易水化2 2 巖石的結構巖石的結構巖石的結構巖石的結構：巖石內礦物顆粒的大小、形狀、排巖石內礦物顆粒的大小、形狀、排列方式及微結構面發育情況與粒間連結方式等反映列方式及微結構面發育情況與粒間連結方式等反映在巖塊構成上的特征。其中，粒間連結分結晶連結在巖塊構成上的特征。其中，粒間連結分結晶連結與膠結連結與膠結連結二、巖石的組構特征二、巖石的組構特征顆粒形狀顆粒形狀 強度：強度： 粒狀、柱狀粒狀、柱狀片狀片狀鱗狀鱗狀顆粒大小顆粒大小 強度：強度： 粗粒粗粒 不等粒不等粒2 2 巖石的結構巖石的結構微結構面微結構面：指存在于礦物顆粒內部

5、或礦物顆粒間指存在于礦物顆粒內部或礦物顆粒間的軟弱面或缺陷，包括礦物解理、晶格缺陷、粒間的軟弱面或缺陷，包括礦物解理、晶格缺陷、粒間空隙、微裂隙、微層理及片理面、片麻理面等空隙、微裂隙、微層理及片理面、片麻理面等 降低巖石強度降低巖石強度 導致巖石力學性質各向異性導致巖石力學性質各向異性二、巖石的組構特征二、巖石的組構特征2 2 巖石的結構巖石的結構結晶連結結晶連結：礦物顆粒通過結晶相互嵌合在一起，礦物顆粒通過結晶相互嵌合在一起，它是通過共用原子或離子使不同晶粒緊密接觸它是通過共用原子或離子使不同晶粒緊密接觸巖漿巖、變質巖、沉積巖中的碳酸巖巖漿巖、變質巖、沉積巖中的碳酸巖膠結連結膠結連結：礦物

6、顆粒通過膠結物連結在一起礦物顆粒通過膠結物連結在一起碎屑巖碎屑巖二、巖石的組構特征二、巖石的組構特征二、二、巖石的組構特征巖石的組構特征o 基底型：彼此不發生接觸的礦物顆粒埋在玻璃體重，這基底型：彼此不發生接觸的礦物顆粒埋在玻璃體重，這種情況下膠結程度很高，巖石強度與膠結物有關種情況下膠結程度很高，巖石強度與膠結物有關o 接觸型：僅僅在顆粒的接觸點存在膠結物，這種膠結程接觸型：僅僅在顆粒的接觸點存在膠結物，這種膠結程度低，巖石強度也不大度低，巖石強度也不大o 間隙型：礦物顆粒彼此直接接觸，而顆粒的孔隙被膠結間隙型：礦物顆粒彼此直接接觸，而顆粒的孔隙被膠結物充填物充填o 溶蝕型：膠結物不僅充填在

7、礦物顆粒之間，而且進入到溶蝕型：膠結物不僅充填在礦物顆粒之間，而且進入到礦物顆粒本身中，膠結強度很高。礦物顆粒本身中，膠結強度很高。巖石的主要膠結類型：巖石的主要膠結類型：A）基底型）基底型 B）間隙型）間隙型 C）接觸型接觸型 D）溶蝕型）溶蝕型3 3 巖石的構造巖石的構造巖石的構造巖石的構造：巖石的構造是指巖石組成成分在空巖石的構造是指巖石組成成分在空間上相互排列及所占的位置。間上相互排列及所占的位置。巖漿巖的構造巖漿巖的構造：塊狀構造、流紋狀構造、氣孔狀塊狀構造、流紋狀構造、氣孔狀構造、杏仁狀構造構造、杏仁狀構造沉積巖的構造沉積巖的構造：層理構造層理構造變質巖的構造變質巖的構造：片理構造

8、片理構造二、巖石的組構特征二、巖石的組構特征三、巖石中的結構面（軟弱面）三、巖石中的結構面（軟弱面）o 結構面就是巖石內具有一定方向性、延展性結構面就是巖石內具有一定方向性、延展性較大、厚度較小的兩維面狀地質界面，包括較大、厚度較小的兩維面狀地質界面，包括物質的異面和不連續面（如層理、斷裂面等）物質的異面和不連續面（如層理、斷裂面等）n 結構面的成因類型結構面的成因類型n 結構面的規模與分級結構面的規模與分級1. 結構面特征及其對巖石性質的影響結構面特征及其對巖石性質的影響一）結構面的成因類型一）結構面的成因類型o地質成因類型地質成因類型n 原生結構面原生結構面n 構造結構面構造結構面n 次生

9、結構面次生結構面o力學成因類型力學成因類型n 張性結構面張性結構面n 剪性結構面剪性結構面結構面的地質成因類型結構面的地質成因類型o 原生結構面：原生結構面：在巖石形成過程中形成的在巖石形成過程中形成的軟弱面軟弱面n巖漿巖的流動構造面、冷縮形成的原生裂隙面、侵入巖漿巖的流動構造面、冷縮形成的原生裂隙面、侵入體與圍巖的接觸面；體與圍巖的接觸面；n沉積巖體內的層理面、不整合面；沉積巖體內的層理面、不整合面；n變質巖體內的片理面，以及片麻構造面等。變質巖體內的片理面，以及片麻構造面等。o 在原生結構面中，除了原生裂隙，以及由于受構在原生結構面中，除了原生裂隙，以及由于受構造運動和風化作用的影響，已經

10、脫開的軟弱面外，造運動和風化作用的影響，已經脫開的軟弱面外，多多具有一定的連結力和較高的強度具有一定的連結力和較高的強度。結構面的地質成因類型結構面的地質成因類型o 構造結構面：構造結構面：巖石形成后的構造運動過程中產生的各種巖石形成后的構造運動過程中產生的各種破裂面破裂面o 斷裂面、層間錯動面構造作用形成的軟弱夾層，以及構斷裂面、層間錯動面構造作用形成的軟弱夾層，以及構造裂隙面等造裂隙面等o 這類軟弱面除了已經膠合者以外，絕大部分都是脫開的這類軟弱面除了已經膠合者以外，絕大部分都是脫開的o 規模較大的，多充填有厚度不等、類型和連續程度不同規模較大的，多充填有厚度不等、類型和連續程度不同的充填

11、物，其中大部分已泥化，或者已變成了軟弱夾層的充填物，其中大部分已泥化，或者已變成了軟弱夾層o 就一般情況而言，除了部分構造裂隙以外，就一般情況而言，除了部分構造裂隙以外，大部分構造大部分構造軟弱面的特性都很壞軟弱面的特性都很壞，強度多接近于巖體的剩余強度，強度多接近于巖體的剩余強度，往往導致復雜往往導致復雜。結構面的地質成因類型結構面的地質成因類型o 次生結構面：次生結構面：巖體在外力作用下產生的軟弱面巖體在外力作用下產生的軟弱面o 如風化裂隙面、卸荷裂隙面等。風化裂隙面發育深如風化裂隙面、卸荷裂隙面等。風化裂隙面發育深度不大，方向紊亂，連續性很低。但可降低巖體的度不大，方向紊亂，連續性很低。

12、但可降低巖體的強度和變形模量。卸荷裂隙是由于卸荷作用引起巖強度和變形模量。卸荷裂隙是由于卸荷作用引起巖體在垂直于卸荷自由面方向發生伸長而形成。卸荷體在垂直于卸荷自由面方向發生伸長而形成。卸荷裂隙面基本上平行于巖體卸荷自由面。裂隙面基本上平行于巖體卸荷自由面。一般來說，一般來說，次生結構面主要影響地面附近巖體的穩定性次生結構面主要影響地面附近巖體的穩定性。結構面的力學成因類型結構面的力學成因類型o 這里所說的這里所說的結構面是指巖體中的破裂面結構面是指巖體中的破裂面而言而言o 所謂軟弱面的力學成因類型，是所謂軟弱面的力學成因類型，是指按照形成破裂面指按照形成破裂面的破壞應力的不同，所劃分的破裂面

13、的類型的破壞應力的不同，所劃分的破裂面的類型。根據。根據野外觀察到的事實、大量巖體力學試驗的結果以及野外觀察到的事實、大量巖體力學試驗的結果以及莫爾庫倫破壞理論的分析，認為巖體的破壞只有剪莫爾庫倫破壞理論的分析，認為巖體的破壞只有剪切破壞和拉斷破壞兩種類型。破裂面的力學成因，切破壞和拉斷破壞兩種類型。破裂面的力學成因，應劃分為剪性和張性兩大類別。應劃分為剪性和張性兩大類別。結構面的力學成因類型結構面的力學成因類型o 張性破裂面張性破裂面：是由張力形成的，在破壞過程中，是由張力形成的，在破壞過程中，破壞面兩側巖體僅沿破裂面法向發生分離位移。破壞面兩側巖體僅沿破裂面法向發生分離位移。張性破裂面，一

14、般張開度大，連續性差，形態多張性破裂面，一般張開度大，連續性差，形態多不規則，多呈折線或鋸鑿狀。斷面凹凸不平，粗不規則，多呈折線或鋸鑿狀。斷面凹凸不平，粗糙度大，破碎帶寬度變化大，且易被巖脈、礦脈糙度大，破碎帶寬度變化大，且易被巖脈、礦脈充填，有時并有巖漿沿之入侵。張性破裂面常常充填，有時并有巖漿沿之入侵。張性破裂面常常具有含水豐富，導水性強以及剪切強度高等特征具有含水豐富，導水性強以及剪切強度高等特征結構面的力學成因類型結構面的力學成因類型o 剪性破裂面剪性破裂面：是由剪應力而形成的，破裂面是由剪應力而形成的，破裂面兩側巖體沿破裂面切線方向發生有不同程度的兩側巖體沿破裂面切線方向發生有不同程

15、度的滑錯位移。具有擦痕、共軛性、規律的位移方滑錯位移。具有擦痕、共軛性、規律的位移方向以及斷面比較光滑，是剪性破裂面共有的特向以及斷面比較光滑，是剪性破裂面共有的特征，也是鑒定剪性破裂面的主要依據。征，也是鑒定剪性破裂面的主要依據。正斷層正斷層上盤相對下盤向下滑動的斷層上盤相對下盤向下滑動的斷層上盤下降上盤下降下盤上升下盤上升三）結構面特征及其對巖體性質的影響三）結構面特征及其對巖體性質的影響o 產狀產狀o 連續性連續性o 密度密度o 張開度張開度o 形態形態o 充填膠結情況充填膠結情況o 組合關系組合關系 軟弱面的影響軟弱面的影響o 巖石軟弱面對巖體物理力學特性如巖體強度、巖石軟弱面對巖體物

16、理力學特性如巖體強度、變形性、滲透性，力學上的連續性及巖體應變形性、滲透性，力學上的連續性及巖體應力分布等都有顯著影響。因此，在很多情況力分布等都有顯著影響。因此，在很多情況下，軟弱面是巖體力學問題的一個主要控制下，軟弱面是巖體力學問題的一個主要控制因素。從本質上說，軟弱面使巖體變得更加因素。從本質上說，軟弱面使巖體變得更加軟弱，更易于變形而且表現為高度的各向異軟弱，更易于變形而且表現為高度的各向異性。性。 三、巖石的不連續性、非均勻性、各三、巖石的不連續性、非均勻性、各向異性和滲透性向異性和滲透性巖石的不連續性巖石的不連續性巖石中普遍存在的結構面，無論是物質分異面還是物巖石中普遍存在的結構面

17、，無論是物質分異面還是物質不連續面，都會使結構面兩側附近的巖石物理力學質不連續面，都會使結構面兩側附近的巖石物理力學性質呈現不連續變化性質呈現不連續變化。 對于裂隙性巖石，通常采用裂縫率作為定量評價巖石對于裂隙性巖石，通常采用裂縫率作為定量評價巖石被裂隙切割后破碎程度的指標被裂隙切割后破碎程度的指標。 巖石的不連續性巖石的不連續性a a、單向裂隙、單向裂隙( (或裂隙頻率或裂隙頻率) )單向裂隙指一組結構面的法線方向上每單位長度單向裂隙指一組結構面的法線方向上每單位長度(m)(m)內，內，法線與結構面的交割數目，以法線與結構面的交割數目，以Kd(1/m)Kd(1/m)表示。即單向裂隙率表示。即

18、單向裂隙率的倒數為成組結構面之間的平均間距，以的倒數為成組結構面之間的平均間距，以d d表示：表示：式中：Kd -單向裂隙（1/m）d - 結構面間平均間距(m)巖石的不連續性巖石的不連續性式中：li - 第i條裂隙面長度(m)；ti - 第i條裂隙面的寬度(m)；A - 被測量的巖石總面積（m）b b、平面裂隙率、平面裂隙率 平面裂隙率平面裂隙率KAKA是指巖石單位面積上諸裂隙所占有的面積總是指巖石單位面積上諸裂隙所占有的面積總和，亦即和，亦即巖石的不均勻性巖石的不均勻性不均勻性不均勻性是指天然巖體的物理、力學性質隨空間位置不同是指天然巖體的物理、力學性質隨空間位置不同而異的特性。分析現場巖

19、體試驗資料時可采用綜合性的統而異的特性。分析現場巖體試驗資料時可采用綜合性的統計特征計特征-偏差系數偏差系數V(%)V(%)來估算巖體的不均勻性，即：來估算巖體的不均勻性，即：式中： -各觀測值xi的算術平均值。-標準差估計值。式中：N - 試驗觀測點(次)數。x巖石的各向異性巖石的各向異性o 巖石各向異性是指天然巖體的物理力學性質隨空間巖石各向異性是指天然巖體的物理力學性質隨空間方位不同而異的特性，具體表現在它的強度及變形方位不同而異的特性，具體表現在它的強度及變形特性等各方面。特性等各方面。在天然巖體條件下，使巖體具有各在天然巖體條件下，使巖體具有各向異性的基本原因是由于巖石內普遍存在著層

20、理、向異性的基本原因是由于巖石內普遍存在著層理、片理、夾層和定向裂隙（斷層）系統所致。目前在片理、夾層和定向裂隙（斷層）系統所致。目前在實際工程中對于成層巖體往往考慮其平行于層理和實際工程中對于成層巖體往往考慮其平行于層理和垂直于層理方向的差異性。然而對于不具有層理的垂直于層理方向的差異性。然而對于不具有層理的巖體，則把它視為各自同性體。巖體，則把它視為各自同性體。 巖石的滲透性巖石的滲透性o 有壓水可以透過巖石的孔隙、裂隙而流動，有壓水可以透過巖石的孔隙、裂隙而流動，巖石能透過水的能力稱為巖石的滲透性。不巖石能透過水的能力稱為巖石的滲透性。不同巖石或裂隙性不同的巖石的滲透性不同，同巖石或裂隙

21、性不同的巖石的滲透性不同，滲透性的大小用滲透系數滲透性的大小用滲透系數K K表示表示。o 巖石的滲透系數不僅與水的物理性質有關，巖石的滲透系數不僅與水的物理性質有關，也與巖石的應力狀態有關。也與巖石的應力狀態有關。 巖石巖石軸向滲透軸向滲透性性試驗試驗原理原理巖石滲透儀(軸向滲透)1-注水管路；2-圍壓室；3-巖樣；4-放水閥巖石軸向滲透性試驗原理巖石軸向滲透性試驗原理假定巖體滲流符合達西定律，則滲透系數可計算如下假定巖體滲流符合達西定律，則滲透系數可計算如下式中式中 K巖石滲透系數巖石滲透系數(m/s)； Q單位時間里透過試樣的水量單位時間里透過試樣的水量(m3)； L試樣長度試樣長度(m)

22、；A試樣截面積試樣截面積(m2)； P試樣兩端的水壓力差試樣兩端的水壓力差(KPa)；w水的容重水的容重(KN/m3）巖石徑向滲透性試驗原理巖石徑向滲透性試驗原理徑向滲透試驗時，其滲透系數計算徑向滲透試驗時，其滲透系數計算式中式中 P試樣外壁上的水壓力試樣外壁上的水壓力(KPa)； L試驗段試驗段(小孔小孔)長度長度(m)； R1試件內半徑試件內半徑(m)； R2試件外半徑試件外半徑(m)； 圓周率。圓周率。 四、巖石的物理性質四、巖石的物理性質巖石和土一樣，也是由固體、液體和巖石和土一樣，也是由固體、液體和 氣體氣體三三相組成相組成的。的。物理性質是指巖石由于物理性質是指巖石由于三相三相組成

23、的組成的相對比例關相對比例關系不同系不同所表現的所表現的物理狀態物理狀態。1 1、巖石的密度巖石的密度2 2、巖石的孔隙性、巖石的孔隙性（一）、巖石的密度（一）、巖石的密度 1 1、顆粒密度顆粒密度(s s) )：巖石固體部分的質量與：巖石固體部分的質量與其體積的比值。它不包含孔隙在內，因此其體積的比值。它不包含孔隙在內，因此其大小僅取決于組成巖石的礦物密度及其其大小僅取決于組成巖石的礦物密度及其含量：含量： s s= m= ms s/V/Vs ss s為巖石的顆粒密度為巖石的顆粒密度m ms s為巖石固體部分的質量為巖石固體部分的質量V Vs s為巖石固體部分的體積為巖石固體部分的體積（一）

24、、巖石的密度（一）、巖石的密度2 2、塊體密度（或巖石密度）是指巖石單位體、塊體密度（或巖石密度）是指巖石單位體積內的質量，按巖石的含水狀態，又有干積內的質量，按巖石的含水狀態，又有干密度（密度（d d）、飽和密度（）、飽和密度（satsat）和天然密）和天然密度（度（）之分，在未指明含水狀態時一般）之分，在未指明含水狀態時一般指巖石的天然密度。指巖石的天然密度。 d d=m=ms s/V /V satsat=m=msatsat/V =m/V/V =m/V常見巖石的密度常見巖石的密度 巖巖 石石 名名 稱稱密度密度(gcm3)巖巖 石石 名名 稱稱密度密度(gcm3)花花 崗崗 巖巖2.522

25、.81石石 灰灰 巖巖2.372.75閃閃 長長 巖巖2.672.96白白 云云 巖巖2.752.80輝輝 長長 巖巖2.853.12片片 麻麻 巖巖2.593.06輝輝 綠綠 巖巖2.803.11片片 巖巖2.702.90砂砂 巖巖2.172.70大大 理理 巖巖2.75左右左右頁頁 巖巖2.062.66板板 巖巖2.722.84巖石的物理性質o 孔隙度：孔隙度：巖石中孔隙體積與巖石總體積之比巖石中孔隙體積與巖石總體積之比 ( (多用多用百分數表示百分數表示) )。 o 裂隙率：裂隙率：巖石中各種節理、裂隙的體積與巖石總體巖石中各種節理、裂隙的體積與巖石總體積之比稱裂隙率。積之比稱裂隙率。o

26、 孔隙度與裂隙率含義相同，孔隙度多用于松散土、孔隙度與裂隙率含義相同，孔隙度多用于松散土、石，裂隙率多用于結晶連接的堅硬巖石。石，裂隙率多用于結晶連接的堅硬巖石。 o 一般巖石的孔隙度在一般巖石的孔隙度在0.10.1- -0.350.35之間之間巖石的物理性質巖石的物理性質o 孔隙比：孔隙比：巖石中孔隙的體積與固體顆粒體積之比稱巖石中孔隙的體積與固體顆粒體積之比稱巖石的孔隙比巖石的孔隙比( (多以小數表示多以小數表示) )o 孔隙比和孔隙度孔隙比和孔隙度可以互相換算： 式中：式中： e e 孔隙比孔隙比; n; n孔隙度孔隙度 密度是試驗指標，只有通過試驗才能得到具體數值密度是試驗指標，只有通

27、過試驗才能得到具體數值, ,而孔隙度和孔隙比是計算指標。而孔隙度和孔隙比是計算指標。 een1nne1五、巖石的水理性質五、巖石的水理性質巖石在巖石在水溶液水溶液作用下表現出來的性質，稱為作用下表現出來的性質，稱為水理性質。主要有：水理性質。主要有： 1.1.吸水性吸水性 2.2.軟化性軟化性 3.3.抗凍性抗凍性 4.4.透水性透水性（一）、巖石的吸水性（一）、巖石的吸水性巖石在一定的試驗條件下吸收水分的能力，稱為巖石的吸水性。 1.吸水率(Wa)：巖石試件在大氣壓力和室溫條件下自由吸入水的質量(mw1)與巖樣干質量(ms)之比，用百分數表示 %10021wwammW %100ddawaVb

28、bWWVVn巖石的飽和吸水率巖石的飽和吸水率( (W Wp p) )是指巖石試件在高壓是指巖石試件在高壓( (一般壓力為一般壓力為15MPa)15MPa)或真空條件下吸入水的質量或真空條件下吸入水的質量(m(mw2w2) )與巖樣干質量與巖樣干質量(m(ms s) )之比，用百分數表示，即之比，用百分數表示，即%1002swpmmW3.3.飽水系數飽水系數巖石的吸水率(Wa)與飽和吸水率(Wp)之比，稱為飽水系數。它反映了巖石中大、小開空隙的相對比例關系。 %100dd00WpWVVnwpV（2 2）飽和吸水率）飽和吸水率（二）、巖石的軟化性（二）、巖石的軟化性o 巖石浸水飽和后強度降低的性質，稱為軟化性o 軟化系數軟化系數(KR)為巖石試件的飽和抗壓強度(cw)與干抗壓強度(c)的比值ccwRKo 巖石中含有較多的親水性和可溶性礦物，大開空隙較多，巖石的軟化性較強，軟化系數較小。o K KR R0.750.75，巖石的軟化性弱，工程地質性質較好o K KR R0.750.75，巖石軟化性較強，工程地質性質較差（三）、巖