第二章

巖石物理性質與巖體結構

巖石是組成地殼的自然物體，是經過地質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、變質巖。巖石的種類不同，其物理力學性質差異較大，加之不同時期、不同強度的構造作用，也就決定巖石力學問題復雜多變主要內容一、巖石物理性質指標二、水對巖石的作用三、巖體結構四、巖體的工程分類巖石的基本物理性質、巖體結構特點及工程分類一、巖石的物理性質指標容重密度比重孔隙率巖石的含水性抗凍性巖石的熱學性質巖石物理性質指標：用來描述巖石某種物理性質的數值。

巖石單位體積（包括巖石孔隙體積）的重力，稱為巖石的容重。

表達式：

γ—容重（KN/m3）W—巖石的重力（KN）V—巖石的體積(m3)

根據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。容重與含水率的關系：

干容重

γd

濕容重

γ

飽和容重

γm0天然含水量θ

n（孔隙度）

多數巖石的容重在26－28KN/m3之間。

1、容重定義：巖石單位體積（包括孔隙體積）的質量

表達式：2、密度

容重與密度關系：ρ—密度（Kg/m3）M—巖石質量（Kg）V—巖石體積（m3）Gs—巖石比重（無量綱）Ws—絕對干燥時的巖石重力（KN）Vs—巖石實體體積（m3）＝V－孔隙體積γw—水容重，4℃時等于10KN/m3定義：巖石干的重力除以巖石實體體積（不包括孔隙）,再與4℃時水的容重的比值。表達式：3、比重

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2.5—2.8之間。n—孔隙率，Vν—孔隙體積（m3），V—巖石總體積（m3）∵Vν＝V－Vs（巖石實體體積）定義：巖石中孔隙體積與巖石總體積的百分比

表達式：4、孔隙率巖石干容重巖石比重巖體結構模型巖石力學性質隨孔隙率的變化巖石天然吸水率

巖石的天然吸水率是指干燥巖石試樣在一個大氣壓和室溫條件下巖石吸入水的重力Ww1，對巖石干重力Ws之比的百分率。表達式：5、巖石的含水性

∵Ww1＝W（巖石濕重力）－Ws則

——巖石濕容重，

——干容重——巖石飽和重力巖石飽水率指巖石試樣在高壓（一般為150個大氣壓）或真空條件下，強制吸入水的重力Ww2對于巖石干重Ws之比的百分率。表達式：

則——飽和容重

∵

一般介于0.5－0.8之間飽水系數天然吸水率Wa與飽水率Wsa比值：含水率對巖石力學性質的影響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為抗凍系數：Rc1——凍融前巖石干抗壓強度（Mpa）Rc2——凍融后巖石干抗壓強度（Mpa）飽水系數Kw對于判別巖石的抗凍性具有重要意義。∵maxKw＝1，minKw＝0當Kw<0.91時，巖石中尚有孔隙未被水充填，在凍結過程中，水尚有余地發生膨脹和擠入剩余的敞開孔隙和裂隙中。當Kw>0.91時，孔隙基本上為水飽和，凍結中會產生冰劈作用，造成巖石脹裂破壞。巖石抗凍特性容熱性指巖石進行熱交換時巖石吸收熱量的能力，用比熱和容積熱容表示。7、巖石的熱學性質

，比熱C：在不存在相轉變條件下，為使單位質量巖石溫度變化1℃時所需輸入的熱量。單位為J/g﹒℃。容積熱容：單位體積的巖石在溫度變化1℃時所需要的熱量，用Cv表示，單位為J/m3﹒℃。ρ——巖石密度。二者關系導熱性指巖石傳導熱的能力，常用導熱系數（導熱率）來度量。

定義：當溫度梯度為1℃時，單位時間內通過單位面積巖石所傳導的熱量。用λ表示，單位為cal/cm2﹒s﹒℃。大多數造巖礦物的導熱系數介于0.40－7.00之間，一般為0.8－4.00。上述兩種性質有利于地熱的儲存和傳遞。熱膨脹性指溫度變化時,引起巖石的形狀和尺寸改變的性質。膨脹系數：巖石的溫度升高1℃所引起的線性伸長量（或體積增長量）與其在溫度為0℃時的長度（或體積）之比值。

線膨脹系數：或

L0——0℃時的巖石試件長度（m）Lt——t℃時的巖石試件長度（m）t——溫度體積膨脹系數：或

V0——0℃時的巖石試件體積（m3）Vt——t℃時的巖石試件體積（m3）

巖石的體積膨脹系數大致為線膨脹系數的3倍α值隨巖石中礦物成分而變化:

粗粒花崗巖的α值在(0.6－6)×10－5(1/℃),

礦物成分單調的石英巖,α值在（1－2）×10－5(1/℃)

巖石結構致密,α值小，如灰巖小于花崗巖。α作用：巖石風化速度，巖石開挖后，是否需要及時噴護；在選擇砼骨料中應特別注意α值，

因為溫度不僅引起尺寸變化，還會引起巖石內部應力的變化，即溫度應力：E——巖石彈模（Mpa）由虎克定律：。

虎克定律二、水對巖石的作用水普遍存在于巖石之中，水通過

力學的、物理的及化學的作用形式

促使巖石性狀發生變化，同時巖石對水的作用又有一定程度的阻抗作用，從而表現出不同的水理和水化性質：

滲透性、膨脹性、崩解性、溶解性、軟化性等這些性質就造成了水對巖石的各種作用，如：

滲漏、滲透壓力、膨脹、崩解、溶解、軟化等

這些作用對工程將產生各種不利影響。1、巖石的滲透性

有利——水資源、石油、地熱開發滲透作用產生滲透壓力，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水的能力。巖塊的滲透性裂隙的滲透性巖塊中的滲流是水通過巖塊中的孔隙進行滲透的，這種滲透可由達西公式表示：其中,K為滲透系數,為水力梯度巖塊的滲透性達西流VJ0JKH1H2L從巖石浸水開始直到巖石飽水，并在壓力梯度達到J0

后才會發生流動。考慮不同巖石的滲流時，巖石會表現為各向異性，即各方向的滲透系數各異。這時的達西公式表示為：滲透系數表明了巖石的透水能力和阻力，阻力大，則K小，即KH1H2h裂隙滲透性巖體是由裂隙切割的巖塊所組成的集合體。巖塊滲流主要是通過巖塊中的孔隙滲透，且巖塊的滲透性一般很小，遠小于裂隙的滲透性。因此，巖體滲流實質上是以裂隙滲流為主導。對任一條裂隙，可將其簡化為平行板之間的窄縫，水在裂隙中的流動可用流體力學中的單裂隙滲流公式（由Navier－Stokes導出）

在xy平面內穩定流方程導出：yxb連續方程斷面流量：平均速度：其中：I——水力梯度，b——裂隙開度（m），μ——水的粘滯系數（Pa·s），γ——水容重（KN/m3）

與達西公式`對比則裂隙的滲透系數可寫成：與達西公式形式相同，即裂隙滲流仍服從達西定律。yxb滲透系數是介質對某種流體的滲透能力，裂隙開度

b大，K值越大。當b足夠大時，滲透就偏離達西定律，用雷諾數為標準，d——裂隙間距（m）v——速度（m/s）γ——水的運動粘性系數（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。某些含粘土礦物成分（如蒙脫石、水云母、高嶺石等）的軟質巖石，經水化作用后使粘土礦物膨脹，對工程不利，巖土膨脹對建筑物產生較大壓力，

破壞建筑物。3、巖石的崩解性指巖石與水相互作用時失去粘結性，并變成完全喪失強度的松散物質的性能。這是由于水化過程中削弱了巖石內部的結構連接引起的，常見于可溶鹽和粘土膠結的沉積巖中。4、巖石的溶解性指巖石與水相互作用時某些礦物成分為水溶解的性質。如，石灰巖分布區的溶洞等。水庫位于這些地區易產生庫區滲漏。5、巖石的軟化性

巖石的軟化是指巖石與水相互作用時降低強度的性能。

巖石的軟化性能用軟化系數表示，即巖石受水飽和狀態的抗壓強度（濕抗壓強度）和干燥狀態的抗壓強度之比值：Rw——濕抗壓強度（Mpa）Rd——干抗壓強度（Mpa）巖石軟化對工程極為不利。

水對巖石的影響水對巖石的影響三、巖體結構任何巖體都發育有各種裂隙和斷層，并被分割成大小、形狀各異的巖塊體，這就決定了巖體是巖塊的集合體。不同的裂隙斷層組合，就會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性質。因此，需了解巖體的結構。結構面巖體中的各種裂隙、斷層、層面等地質界面。結構體各種形狀的大小的巖塊塊體。巖體結構

結構面和結構體的排列組合方式。1、結構面(1)結構面類型按成因有：原生結構面、構造結構面、次生結構面。原生結構面：在成巖過程中形成，如層面、各種成巖裂隙節理等。其特點是僅在巖體內部或影響帶分布，無方向性。次生結構面：巖體受卸荷作用、風化作用、水作用、人工爆破開挖等影響所產生的各種裂隙。其特點是：卸荷裂隙和人工裂隙分布極為局限，且無方向性。風化裂隙發育密集，延伸短，無方向性，分布在地表淺部。構造結構面：在構造應力作用下產生的破裂面或破碎帶，如斷層和裂隙。其特點是：規模大、分布廣、延伸長、具有方向性，是巖體中結構面的主體。(2)結構面的自然特性

為了確定結構面的工程性質，必須研究結構面的自然特性。結構面等級

按結構面的規模劃分四級，各級對巖體穩定性的影響程度不同：Ⅰ級直接關系到區域穩定性，Ⅳ級對具體工程有直接影響。結構面的形態與物質組成形態上：光滑或粗糙組合形式：閉合或張開物質組成：無填充物質；有充填物質：結晶體和膠結物(鈣質、硅質)、泥質(粘土質、石膏、高嶺土等)上述特性的不同組合將對工程性質產生不同的影響：如光滑、張開、夾泥，最不利。結構面的分布特征延伸性：延伸連續；間斷延伸，中間為巖橋。分布密度：a)體積密度：單位體積內裂隙數量b)線密度：單位長度上的裂隙個數，用k表示；c)間距：兩相鄰裂隙距離，用d表示。

d＝1/k裂隙組：方向相同的一組裂隙。裂隙產狀：傾向、傾角。裂隙統計分析：裂隙組產狀、間距d

和密度(頻率)K。裂隙頻率Kd為平均裂隙間距（m3）微裂隙切割的最小單元體的體積(近似看作立方體)：二向裂隙度

三向裂隙度：

某一組裂隙在巖體中所占據的總的裂隙面積與巖體體積之比2、結構體結構體的形狀：受裂隙的產狀、組數所控制的，如三組正交裂隙形成立方結構體。結構體的大小：取決于裂隙的密度，密度大，結構體小。結構體的力學性質：取決于巖石的礦物組成，致密的結晶巖強度一般較大,

如花崗巖抗壓強度為100～250，具有彈性變形、脆性破壞的特征。泥質膠結的碎屑巖類（如砂巖等）、泥巖、頁巖、粘土巖等強度較低，具有塑性變形、柔性破壞的特征。3、巖體結構類型根據結構面等級及組合方式，將巖體結構劃分為四大類型與九個亞類（P20頁表2－5），進而可確定出巖體的力學介質類型，如連續介質和非連續介質。關于巖體的介質特性非連續性：物理量在空間上為一個非連續函數。非均質性：力學參數、物理量性質隨空間位置不同而有差異，巖體的這一特性使其試驗結果常具有較大的離散性。各向異性：力學性質隨巖體結構的取向而有差異。

巖體結構類型

結構類型亞類地質背景結構面間距（cm）結構體形態力學介質類型整體塊狀結構（I）整體結構（I1）巖體單一，構造變形輕微的巖漿巖、變質巖及巨厚層沉積巖>100巖體呈整體狀態或巨型塊體連續介質整體結構（I2）巖體單一，構造變形輕-中等的厚層沉積巖、變質巖和火成巖體100－50長方體、立方體、菱形塊體及多角行塊體連續或不連續介質層狀結構（II）層狀結構（II1）構造變形輕-中等的、單層厚度大于30cm的層狀巖體50－30長方體、柱狀體、厚板狀體及塊體不連續介質層狀結構（II2）同II1，但單層厚度小于30cm，有強烈褶皺（曲）及層向錯動<30組合板狀體或薄板狀體碎裂結構（II）鑲嵌結構（III1）一般發育在脆性巖層中的壓碎巖帶，節理、劈理組數多，密度大<50形態不一，大小不同，棱角互相咬合似連續介質層狀碎裂結構（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、形態各異的巖塊不連續介質碎裂結構（III3）巖性復雜，構造變動劇烈，斷裂發育，也包括弱風化帶<50碎屑和大小不等形態不同的巖塊不連續或似連續介質散體結構（IV）一般為斷層破碎帶、侵入接觸破碎帶及劇烈-強劇烈風化帶泥、巖粉、碎屑、碎塊、碎片等似連續介質楊房溝錦屏I楊房溝水電站位置示意圖西域高原美景2000馬道2300馬道2080馬道PD43勘二PD47PD45導流泄洪進水邊坡勘三勘一四、巖體的工程分類巖體工程分類：以工程實用為目的巖體類型的劃分稱為巖體工程分類。它是巖石力學研究的一個重要方面。巖體工程分類應充分考慮工程的需要，用明確的概念和嚴謹的判據去區分巖石的級別，以便工程技術人員合理的選擇工程布局及采用相應的技術處理方法。目前，巖體工程分類方法較多，每一種分類都有其特點，這是由于巖體十分復雜。1、完整巖塊的工程分類編號類別單軸飽和抗壓強度（Mpa）巖石I硬質巖>80中細花崗巖、花崗片麻巖、閃長巖、輝綠巖、安山巖、石英巖等II中等堅硬巖30－80石灰巖、大理巖、白云巖、砂巖、鈣質礫巖、粗粒花崗巖等III軟質巖<30泥質巖、砂頁巖、泥質灰巖、片巖、千枚巖等單因素的強度分類并不能完全反映巖塊的工程特性。在工程上設計中最主要的兩個力學性質指標是：抗壓強度和彈性模量，因此，米勒Miller和迪爾Deere提出按抗壓強度和彈性模量的分類方法：首先按巖石單軸抗壓強度將完整巖塊劃分為五個等級，等級Rc（Mpa）特征A>225強度極高的B112-225強度高的C56-112中等強度D28-56強度低E<28強度極低其次，按巖石彈性模量與巖石單軸抗壓強度比值，

即模量比E/Rc，將完整巖塊分為三個等級。等級模量比（E/Rc）H>500高M200-500中L<200低HMLELDL

E

D

C

A

B最后，根據強度等級與模量比的等級

對完整巖塊加以分類，其方法是取兩者組合。HMLRcE2、巖體的工程分類巖體是巖塊的集合體，由于結構面的存在，以及有地下水滲透、風化等作用，使巖體強度與完整巖塊有較大差別。因此，對巖體的工程分類就應綜合考慮各種因素對巖體強度的影響。目前巖體工程分類主要依據于巖體質量的評價。巖石單軸抗壓強度巖石質量指標RQD裂隙特征（間距、性質、狀態及產狀）地下水滲流地應力巖石飽和單軸抗壓強度σcw(MPa)＞6060~3030~1515~5＜5堅硬程度堅硬巖較堅硬巖較軟巖軟巖極軟巖巖石堅硬程度劃分表

巖體完整程度劃分表

巖體完整性系數Kv＞0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15＜0.15完整程度完整較完整較破碎破碎極破碎1、巖體質量分級（《工程巖體分級標準》GB50218-94）

分級指標：巖體基本質量指標BQ

BQ=90+3σcw+250Kv

當σcw＞90Kv＋30時，令σcw＝90Kv＋30當Kv＞0.04σcw＋0.4時，令Kv＝0.04σcw＋0.4Jv與Kv對照表Jv(條/m3)＜33~1010~2020~35＞35Kv＞0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15＜0.15分級方法：（1）按巖體基本質量指標BQ進行初步分級（2）根據天然應力、地下水和結構面方位等對BQ進行修正（3）按修正后的［BQ］進行詳細分級基本質量級別巖體質量的定性特征巖體基本質量指標(BQ)Ⅰ堅硬巖，巖體完整＞550Ⅱ堅硬巖，巖體較完整；較堅硬巖，巖體完整550~451Ⅲ堅硬巖，巖體較破碎；較堅硬巖或軟、硬巖互層，巖體較完整；較軟巖，巖體完整450~351Ⅳ堅硬巖，巖體破碎；較堅硬巖，巖體較破碎—破碎；較軟巖或軟硬巖互層，且以軟巖為主，巖體較完整—較破碎；軟巖，巖體完整—較完整350~251Ⅴ較軟巖，巖體破碎；軟巖，巖體較破碎—破碎；全部極軟巖及全部極破碎巖＜250各級巖體物理力學參數及圍巖自穩能力表

級別密度ρ(g/cm3)抗剪強度變形模量E(GPa)泊松比μ圍巖自穩能力φ(°)C(MPa)Ⅰ＞2.65＞60＞2.1＞330.2跨度≤20m，可長期穩定，偶有掉塊，無塌方Ⅱ＞2.6560~502.1~1.533~200.2~0.25跨度10~20m，可基本穩定，局部可掉塊或小塌方;跨度＜10m，可長期穩定，偶有掉塊Ⅲ2.65~2.4550~391.5~0.720~60.25~0.3跨度10~20m，可穩定數日~1月，可發生小至中塌方；跨度5~10m，可穩定數月，可發生局部塊體移動及小至中塌方；跨度＜5m，可基本穩定Ⅳ2.45~2.2539~270.7~0.26~1.30.3~0.35跨度＞5m，一般無自穩能力，數日至數月內可發生松動、小塌方，進而發展為中至大塌方。埋深小時，以拱部松動為主，埋深大時，有明顯塑性流動和擠壓破壞；跨度≤5m，可穩定數日至1月Ⅴ＜2.25＜27＜0.2＜1.3＞0.35無自穩能力當地下洞室圍巖處于高天然應力區或圍巖中有不利于巖體穩定的軟弱結構面和地下水時，巖體BQ值應進行修正，修正值［BQ］按下式計算：［BQ］＝BQ－100(K1＋K2＋K3)

K1-地下水影響修正系數；

K2-主要軟弱面產狀影響修正系數；

K3-天然應力影響修正系數。根據修正值的［BQ］進行重新分級。確定各級巖體的物理力學參數和圍巖自穩能力。K1BQ＞450450~350350~250＜25地下水狀態潮濕或點滴狀出水00.10.2~0.30.4~0.6淋雨狀或涌流狀出水，水壓≤0.1MPa或單位水量＜10L／min0.10.2~0.30.4~0.60.7~0.9淋雨狀或涌流狀出水，水壓＞0.1MPa或單位水量＞10L／min0.20.4~0.60.7~0.91.0地下水影響修正系數(K1)表

結構面產狀及其與洞軸線的組合關系結構面走向與洞軸線夾角α＜30°，傾角β＝30°~75°結構面走向與洞軸線夾角α＞60°，傾角β＞75°其他組合K20.4~0.50~0.20.2~0.4主要軟弱結構面產狀影響修正系數(K2)表

K3BQ

＞550550~450450~350350~250＜250天然應力狀態極高應力區1.01.01.0~1.51.0~1.51.0高應力區0.50.50.50.5~1.00.5~1.0天然應力影響修正系數(K3)表

61271481820101015巖石質量指標RQD