第1章 岩石组构及其物理性质
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岩石力学讲义(岩石的物理性质)
cw KR c
cw)与
岩石中含有较多的亲水性和可溶性矿物，大开空隙 较多，岩石的软化性较强，软化系数较小。
KR＞0.75，岩石的软化性弱，工程地质性质较好
1、岩石的密度
2、岩石的孔隙性
（一）、岩石的密度
1、颗粒密度(ρ s)：岩石固体部分的质量与
其体积的比值。它不包含孔隙在内，因此 其大小仅取决于组成岩石的矿物密度及其 含量： ρ s= ms/Vs ρ s—为岩石的颗粒密度
ms—为岩石固体部分的质量 Vs—为岩石固体部分的体积
（一）、岩石的密度
2、块体密度（或岩石密度）是指岩石单位体 积内的质量，按岩石的含水状态，又有干 密度（ρ d）、饱和密度（ρ 指岩石的天然密度。 ρ d=ms/V ρ
1. 结构面的成因类型 2. 结构面的规模与分级 3. 结构面特征及其对岩石性质的影响
一）结构面的成因类型
地质成因类型
原生结构面 构造结构面 次生结构面
力学成因类型
张性结构面 剪性结构面
结构面的地质成因类型
1. 原生结构面：在岩石形成过程中形成的软弱面
岩浆岩的流动构造面、冷缩形成的原生裂隙面、侵入
不规则，多呈折线或锯凿状。断面凹凸不平，粗
糙度大，破碎带宽度变化大，且易被岩脉、矿脉
充填，有时并有岩浆沿之入侵。张性破裂面常常
具有含水丰富，导水性强以及剪切强度高等特征
结构面的力学成因类型
剪性破裂面：是由剪应力而形成的，破裂面
两侧岩体沿破裂面切线方向发生有不同程度的
滑错位移。具有擦痕、共轭性、规律的位移方
变形性、渗透性，力学上的连续性及岩体应
力分布等都有显著影响。因此，在很多情况
下，软弱面是岩体力学问题的一个主要控制 因素。从本质上说，软弱面使岩体变得更加 软弱，更易于变形而且表现为高度的各向异 性。
cw)与
岩石中含有较多的亲水性和可溶性矿物，大开空隙 较多，岩石的软化性较强，软化系数较小。
KR＞0.75，岩石的软化性弱，工程地质性质较好
1、岩石的密度
2、岩石的孔隙性
（一）、岩石的密度
1、颗粒密度(ρ s)：岩石固体部分的质量与
其体积的比值。它不包含孔隙在内，因此 其大小仅取决于组成岩石的矿物密度及其 含量： ρ s= ms/Vs ρ s—为岩石的颗粒密度
ms—为岩石固体部分的质量 Vs—为岩石固体部分的体积
（一）、岩石的密度
2、块体密度（或岩石密度）是指岩石单位体 积内的质量，按岩石的含水状态，又有干 密度（ρ d）、饱和密度（ρ 指岩石的天然密度。 ρ d=ms/V ρ
1. 结构面的成因类型 2. 结构面的规模与分级 3. 结构面特征及其对岩石性质的影响
一）结构面的成因类型
地质成因类型
原生结构面 构造结构面 次生结构面
力学成因类型
张性结构面 剪性结构面
结构面的地质成因类型
1. 原生结构面：在岩石形成过程中形成的软弱面
岩浆岩的流动构造面、冷缩形成的原生裂隙面、侵入
不规则，多呈折线或锯凿状。断面凹凸不平，粗
糙度大，破碎带宽度变化大，且易被岩脉、矿脉
充填，有时并有岩浆沿之入侵。张性破裂面常常
具有含水丰富，导水性强以及剪切强度高等特征
结构面的力学成因类型
剪性破裂面：是由剪应力而形成的，破裂面
两侧岩体沿破裂面切线方向发生有不同程度的
滑错位移。具有擦痕、共轭性、规律的位移方
变形性、渗透性，力学上的连续性及岩体应
力分布等都有显著影响。因此，在很多情况
下，软弱面是岩体力学问题的一个主要控制 因素。从本质上说，软弱面使岩体变得更加 软弱，更易于变形而且表现为高度的各向异 性。
《岩石物理力学性质》PPT课件
▪ 矿物的解理就是矿物晶体受应力作用超过 弹性限度,沿结晶学方向破裂成光滑的平面 的现象.
微裂隙
▪ 白云质灰岩晶间微裂隙
▪ 粒间空隙
粒间空隙
晶格
▪ 晶格边界、晶格缺陷
▪ 微构造面对岩石工程性质的影响 ▪ 大大降低岩石的强度 ▪ 导致岩石的各向异性 ▪ 增大岩石的变形、改变弹性波速、电阻率
和热传导率等
▪ 岩石是构成岩体的根本单元。
1.2.1 岩石的根本构成
▪ 岩石的根本构成是由组成岩石的物质成分和构造 两方面决定。
▪ 组成岩石的矿物称为造岩矿物。矿物是地壳中天 然生成的自然元素或化合物，它具有一定的物理 性质、化学成分和形态。
▪ 主要造岩矿物：最主要的造岩矿物只有30多种， 如石英、长石、辉石、角闪石、云母、方解石、 高岭石、绿泥石、石膏、赤铁矿、黄铁矿等。
基性和超基性岩石主要是由易于风化的矿物组成，非常容易风化 ；
酸性岩石主要由较难风化的矿物组成，抗风化能力比起同样构造的基性 岩要高 ；
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，稳定性一般都较高；
1.2.1.2 常见的岩石构造类型
▪ 岩石的构造是指岩石中矿物〔及岩屑〕颗 粒相互之间的关系，包括颗粒的大小、形 状、排列、构造连结特点及岩石中的微构 造面。
1.2.1.1 岩石的主要物质成分
按照生成条件划分，矿物可分为： 原生矿物——由岩浆岩冷凝生成，如石英、长石、辉石、角闪石、 云母等； 次生矿物——由原生矿物经风化作用直接生成，如由长石风化而成 的高岭石、由辉石或角闪石风化而成的绿泥石等，或 在水溶液中析出生成，如石膏、方解石。
矿物的外表形态： 结晶体——大多呈现规那么的几何形状； 非结晶体——呈现不规那么的形状。
微裂隙
▪ 白云质灰岩晶间微裂隙
▪ 粒间空隙
粒间空隙
晶格
▪ 晶格边界、晶格缺陷
▪ 微构造面对岩石工程性质的影响 ▪ 大大降低岩石的强度 ▪ 导致岩石的各向异性 ▪ 增大岩石的变形、改变弹性波速、电阻率
和热传导率等
▪ 岩石是构成岩体的根本单元。
1.2.1 岩石的根本构成
▪ 岩石的根本构成是由组成岩石的物质成分和构造 两方面决定。
▪ 组成岩石的矿物称为造岩矿物。矿物是地壳中天 然生成的自然元素或化合物，它具有一定的物理 性质、化学成分和形态。
▪ 主要造岩矿物：最主要的造岩矿物只有30多种， 如石英、长石、辉石、角闪石、云母、方解石、 高岭石、绿泥石、石膏、赤铁矿、黄铁矿等。
基性和超基性岩石主要是由易于风化的矿物组成，非常容易风化 ；
酸性岩石主要由较难风化的矿物组成，抗风化能力比起同样构造的基性 岩要高 ；
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，稳定性一般都较高；
1.2.1.2 常见的岩石构造类型
▪ 岩石的构造是指岩石中矿物〔及岩屑〕颗 粒相互之间的关系，包括颗粒的大小、形 状、排列、构造连结特点及岩石中的微构 造面。
1.2.1.1 岩石的主要物质成分
按照生成条件划分，矿物可分为： 原生矿物——由岩浆岩冷凝生成，如石英、长石、辉石、角闪石、 云母等； 次生矿物——由原生矿物经风化作用直接生成，如由长石风化而成 的高岭石、由辉石或角闪石风化而成的绿泥石等，或 在水溶液中析出生成，如石膏、方解石。
矿物的外表形态： 结晶体——大多呈现规那么的几何形状； 非结晶体——呈现不规那么的形状。
岩石的基本物理力学性质
③由正应力和剪应力组合 作用使岩石产生破坏 （受拉破坏、拉剪破 坏，压剪破坏）
三. 格里菲斯强度理论
（1920、1921）
1）基本假设（观点）： ①物体内随机分布许多裂隙； ②所有裂隙都张开、贯通、独立； ③裂隙断面呈扁平椭圆状态； ④在任何应力状态下，裂隙尖端产生拉应力集 中，导致裂隙沿某个有利方向进一步扩展。 ⑤最终在本质上都是拉应力引起岩石破坏。
Et d / d
3）割线模量，由应力应变曲线的起始点与曲线上另一点作割线， 割线的斜率就是割线模量， 一般 选强度为50%的应力点
Es /
第四节 岩石的流变理论
流变现象：材料应力-应变关系与时间因素有关的性
质，称为流变性。材料变形过程中具有时间效 应的现象，称为流变现象。
1
即有蠕变现象
应，受力瞬间不变形， 随时间流逝变形趋于 无限的特点
描述流变性质的三个基本元件
(3)粘性元件
牛顿体的性能： b.无瞬变
1
d 本构方程 dt
o
t (b)应变-时间曲线
c.无松弛
t , 应变与时间有关系不能瞬时完成
应变-时间曲线
d 当＝ 0＝const时， 0, 代入本构方程 dt 得＝0，应力与时间无关，无松弛现象
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，也是岩石力学学科中研究最早、 最完善的内容之一。
基本要求：
掌握岩石的基本物理性质，理解岩石的变形性质
掌握岩石的强度性质；
理解岩石的流变特性及分类，理解岩石介质模型 理解岩石的破坏机理，了解格里菲斯理论 掌握莫尔强度理论，掌握库仑—莫尔强度理论
三. 格里菲斯强度理论
（1920、1921）
1）基本假设（观点）： ①物体内随机分布许多裂隙； ②所有裂隙都张开、贯通、独立； ③裂隙断面呈扁平椭圆状态； ④在任何应力状态下，裂隙尖端产生拉应力集 中，导致裂隙沿某个有利方向进一步扩展。 ⑤最终在本质上都是拉应力引起岩石破坏。
Et d / d
3）割线模量，由应力应变曲线的起始点与曲线上另一点作割线， 割线的斜率就是割线模量， 一般 选强度为50%的应力点
Es /
第四节 岩石的流变理论
流变现象：材料应力-应变关系与时间因素有关的性
质，称为流变性。材料变形过程中具有时间效 应的现象，称为流变现象。
1
即有蠕变现象
应，受力瞬间不变形， 随时间流逝变形趋于 无限的特点
描述流变性质的三个基本元件
(3)粘性元件
牛顿体的性能： b.无瞬变
1
d 本构方程 dt
o
t (b)应变-时间曲线
c.无松弛
t , 应变与时间有关系不能瞬时完成
应变-时间曲线
d 当＝ 0＝const时， 0, 代入本构方程 dt 得＝0，应力与时间无关，无松弛现象
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，也是岩石力学学科中研究最早、 最完善的内容之一。
基本要求：
掌握岩石的基本物理性质，理解岩石的变形性质
掌握岩石的强度性质；
理解岩石的流变特性及分类，理解岩石介质模型 理解岩石的破坏机理，了解格里菲斯理论 掌握莫尔强度理论，掌握库仑—莫尔强度理论
岩石力学(岩石的性质及分类)
第一章岩石的物理性质及岩石工程分类学习对象岩石及岩石的结构特征、岩石的不连续性、不均匀性和各向异性岩石的各项指标。
学习内容岩石及岩石的结构特征、岩石的不连续性、不均匀性和各向异性岩石的容重、密度比重、孔隙率和孔隙比；含水量、吸水率与饱和系数；渗透系数。
学习目的掌握有关概念，特别是掌握岩石及岩石的结构特征、岩石的不连续性、不均匀性和各向异性岩石的各项指标。
掌握岩石的容重、密度比重、孔隙率和孔隙比；含水量、吸水率与饱和系数；渗透系数等计算。
1.1 岩石及岩石的结构特征1岩石工程岩石力学的研究对象是岩石。
岩石是构成地壳的基本材料，是经过地质作用而天然形成的（一种或多种）矿物集合体。
岩石通常按地质成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩等三种类型，下图为三类岩石的部分岩体。
a、岩浆岩岩浆岩是岩浆冷凝而形成的岩石，绝大多数岩浆岩是由结晶矿物所组成，由于组成它的各种矿物化学成分和物理性质较为稳定，它们之间的联结是牢固的，因此岩浆岩通常具有较高的力学强度和均质性。
工程中常遇到的岩浆岩有花岗岩、玄武岩等。
b、沉积岩沉积岩是母岩（岩浆岩、变质岩和早已形成的沉积岩）经风化剥蚀而产生的物质在地表经搬运沉积和硬结成岩作用而形成的岩石组成。
沉积岩的主要物质成分为颗粒和胶结构。
颗粒包括各种不同形状及大小的岩屑及某些矿物；胶结物常见的成分有钙质、硅质、铁质以及泥质等。
沉积岩的物理力学性质不仅与矿物和岩屑有关，而且也与胶结物性质有关。
沉积岩具有层理构造，这使得它的物理力学性质具有方向性。
工程建设中常见的沉积岩有灰岩、砂岩、页岩等。
c、变质岩变质岩是由岩浆岩、沉积岩甚至变质岩在地壳中受到高温、高压及化学活动性流体的影响下发生变质而形成的岩石。
它在矿物成份、结构构造上具有变质过程中产生的特征，也常常残留有原岩的某些特点。
因此，变质岩的物理力学性质不仅与原岩的性质有关，而且与变质作用的性质及变质程度有关。
工程建设中常见的变质岩类有大理岩、片麻岩、板岩等。
11岩石性质12岩石分级
合理布置炮孔，充分利用岩石 构造，可改善爆破效果。
③岩石孔隙率
是指岩石中孔隙体积与岩石体 积之比，用百分数来表示。
孔隙率越大，可压缩性及含水 性亦越大，抗剪强度越小。岩石 孔隙存在，对爆破不利。
④岩石炸胀性
是指岩石破碎后体积增大的性 能。
炸胀系数：岩石破碎后体积与
破碎前体积之比值。
意义：估算爆破后岩石体积多 少；估算地下补偿空间大小。
②只适用于静力破岩。
复习思考题
1.何谓岩石孔隙率?何谓岩石 炸胀性?研究它们有何实际意义?
2.为什么要对岩石进行工程分 级?普氏岩石分级法的实质是什 么?你对普氏分级法有何评价?
式中 —岩石的单向抗压强度， pa；
100—坚实粘土单向抗压强 度，pa。
岩石分级：表2.1。
工程分级：松软Βιβλιοθήκη (f＝1.5～2)， 中硬岩(f＝4～6)，坚硬岩(f＝8～
(3)对普氏岩石分级法的评价 优点： ①来自实践，反映规律； ②用途甚广； ③材料消耗和劳动定额的理论 依据。 缺点： ①估计过低；
1.2.2 普氏岩石分级法
(1)何谓普氏分级法？
大多数岩石的坚固性在各方面 的表现是趋于一致的，即难破碎 的岩石不论采用哪种方法都难于 破碎，容易破碎的岩石不论采用 哪种方法都于破碎。
坚固性：岩石对任何一种破坏 方式的抵抗能力，用它表示岩石
破碎的难易性。
(2)如何对岩石进行分级？
根据岩石单向抗压强度与 坚实粘土单向抗压强度的相 对值进行分级，即
第1章 岩石性质与分级 1.1 岩石性质
爆破对象：地壳中的岩体。 岩体：一种岩石或多种岩石 的集合体。 结构面：岩石体内部的各种构 造形态，例如断层、裂隙等，或 称为弱面。
③岩石孔隙率
是指岩石中孔隙体积与岩石体 积之比，用百分数来表示。
孔隙率越大，可压缩性及含水 性亦越大，抗剪强度越小。岩石 孔隙存在，对爆破不利。
④岩石炸胀性
是指岩石破碎后体积增大的性 能。
炸胀系数：岩石破碎后体积与
破碎前体积之比值。
意义：估算爆破后岩石体积多 少；估算地下补偿空间大小。
②只适用于静力破岩。
复习思考题
1.何谓岩石孔隙率?何谓岩石 炸胀性?研究它们有何实际意义?
2.为什么要对岩石进行工程分 级?普氏岩石分级法的实质是什 么?你对普氏分级法有何评价?
式中 —岩石的单向抗压强度， pa；
100—坚实粘土单向抗压强 度，pa。
岩石分级：表2.1。
工程分级：松软Βιβλιοθήκη (f＝1.5～2)， 中硬岩(f＝4～6)，坚硬岩(f＝8～
(3)对普氏岩石分级法的评价 优点： ①来自实践，反映规律； ②用途甚广； ③材料消耗和劳动定额的理论 依据。 缺点： ①估计过低；
1.2.2 普氏岩石分级法
(1)何谓普氏分级法？
大多数岩石的坚固性在各方面 的表现是趋于一致的，即难破碎 的岩石不论采用哪种方法都难于 破碎，容易破碎的岩石不论采用 哪种方法都于破碎。
坚固性：岩石对任何一种破坏 方式的抵抗能力，用它表示岩石
破碎的难易性。
(2)如何对岩石进行分级？
根据岩石单向抗压强度与 坚实粘土单向抗压强度的相 对值进行分级，即
第1章 岩石性质与分级 1.1 岩石性质
爆破对象：地壳中的岩体。 岩体：一种岩石或多种岩石 的集合体。 结构面：岩石体内部的各种构 造形态，例如断层、裂隙等，或 称为弱面。
岩石力学-岩石物理力学性质
（1）承压板端部的摩擦力及其刚度（加垫块的依据） （2）试件的形状和尺寸
形状：圆形试件不易产生应力集中，好加工 尺寸：大于矿物颗粒的10倍； φ50的依据 高径比：研究表明；h/d≥(2－3)较合理 （3）加载速度 加载速度越大，表现强度越高 我国规定加载速度为0.5 －1.0MPa/s （4）环境 含水量：含水量越大强度越低；岩石越软越明显，对泥岩、 粘土等软弱岩体，干燥强度是饱和强度的2－3倍。 温度度：180℃以下部明显：大于180℃，湿度越高强度越 小。
计算公式：由弹性力学Boursinesq公式
σt
=
2P πdt
劈裂破坏时最大压力 岩石圆盘试件厚度
岩石圆盘试件直径
①荷载沿轴向均匀分布 要求
②破坏面必须通过试件的直径 注：①端部效应 ②并非完全单向应力
由巴西人Hondros提出
抗弯法（梁的三点弯曲试验）
梁边缘到中性轴的距离
σ t = MC / I 梁截面绕中性轴的惯性矩
岩石单轴抗压强度
试验施加的围压
S ''' c
=
Sc
+
1+ 1−
sin sin
ϕ ϕ
σa
岩石三轴抗压强度
岩石内摩擦角
粘聚力 内摩擦角
Mohr’s strength envelop
1.4.1.4点荷载强度指标(point load strength index)
是上世纪发展起来的一种简便的现场试验方法。 试件：任何形状，尺寸大致5cm，不做任何加工。 试验：在直接带到现场的点荷载仪上，加载劈裂破坏。
岩石三向压缩强度的影响因素
（1）侧压力的影响 围压越大，轴向压力越大
(2)加载途径对岩石三向压缩强度影响(下图)
形状：圆形试件不易产生应力集中，好加工 尺寸：大于矿物颗粒的10倍； φ50的依据 高径比：研究表明；h/d≥(2－3)较合理 （3）加载速度 加载速度越大，表现强度越高 我国规定加载速度为0.5 －1.0MPa/s （4）环境 含水量：含水量越大强度越低；岩石越软越明显，对泥岩、 粘土等软弱岩体，干燥强度是饱和强度的2－3倍。 温度度：180℃以下部明显：大于180℃，湿度越高强度越 小。
计算公式：由弹性力学Boursinesq公式
σt
=
2P πdt
劈裂破坏时最大压力 岩石圆盘试件厚度
岩石圆盘试件直径
①荷载沿轴向均匀分布 要求
②破坏面必须通过试件的直径 注：①端部效应 ②并非完全单向应力
由巴西人Hondros提出
抗弯法（梁的三点弯曲试验）
梁边缘到中性轴的距离
σ t = MC / I 梁截面绕中性轴的惯性矩
岩石单轴抗压强度
试验施加的围压
S ''' c
=
Sc
+
1+ 1−
sin sin
ϕ ϕ
σa
岩石三轴抗压强度
岩石内摩擦角
粘聚力 内摩擦角
Mohr’s strength envelop
1.4.1.4点荷载强度指标(point load strength index)
是上世纪发展起来的一种简便的现场试验方法。 试件：任何形状，尺寸大致5cm，不做任何加工。 试验：在直接带到现场的点荷载仪上，加载劈裂破坏。
岩石三向压缩强度的影响因素
（1）侧压力的影响 围压越大，轴向压力越大
(2)加载途径对岩石三向压缩强度影响(下图)
岩石的物理性质与性质分析
岩石的物理性质与性质分析岩石是地壳中主要的固体物质，由矿物粒子和胶结物质组成。
岩石的物理性质是指岩石在外部作用下所表现出的性质，包括密度、硬度、磁性、导电性等。
岩石的性质分析是对岩石物理性质的具体研究，通过对岩石的性质分析，可以更好地了解岩石的组成和结构，为勘探、开采和利用岩石资源提供参考。
1. 密度分析岩石的密度是指单位体积岩石的质量，通常以g/cm³或kg/m³为单位。
密度是岩石的一个重要物理性质，可以通过密度的测定来判断岩石的成分和结构。
常见的岩石密度范围在2.4-3.0g/cm³之间，不同种类的岩石其密度也会有所差异。
例如，花岗岩的密度较高，大理石的密度较低，通过密度分析可以区分不同种类的岩石。
2. 硬度分析岩石的硬度是指岩石抵抗外力破坏的能力，通常以莫氏硬度来表示。
莫氏硬度是一个用来标定矿物硬度的量值，取值范围从1到10，硬度越大表示矿物的抗压能力越强。
常见的岩石硬度在2-7之间，硬度较高的岩石如石英、玄武岩等在建筑和工程领域中有重要的应用。
通过硬度分析可以进行岩石分类和评价。
3. 磁性分析岩石的磁性是指岩石在外磁场作用下表现出的性质，包括磁化强度、剩磁、磁化率等。
岩石的磁性与岩石的矿物成分密切相关，一些含铁矿物的岩石具有较强的磁性。
通过磁性分析可以对岩石中的矿物组成和结构进行识别和研究，为地质勘探和矿产资源调查提供基础数据。
4. 导电性分析岩石的导电性是指岩石导电能力的强弱，不同类型的岩石具有不同的导电性。
一些含水的岩石、矿石等具有较好的导电性，通过导电性分析可以进行矿石探测和地下水勘探。
导电性分析还可以用于岩石的工程评价和建筑设计，对岩石的稳定性和耐久性进行评估。
综上所述，岩石的物理性质与性质分析对于岩石资源的开发利用具有重要的意义。
通过对岩石的密度、硬度、磁性和导电性等方面的分析，可以更加深入地了解岩石的成分和结构，为岩石资源的综合利用提供科学依据。
2-1岩石构成及物理性质
岩浆岩
岩浆岩：由岩浆凝结形成的岩石称为岩浆岩或火成岩。 岩浆岩的构造：包括块状构造，流动构造，气孔构造。 常见的岩浆岩：有花岗岩、闪长岩、辉长岩、橄榄岩、 正长岩，它可形成石林、花岗岩地貌等地质遗迹
沉积岩——菊石类化石
沉积岩——三叶虫化石
沉积岩——植物类化石
沉积岩构造
变质岩——板岩
变质岩——大理岩
钙长石
更长石
表2-1 沉积岩与火成岩平均矿物成分比较表
矿物 粘土矿物 沉积铁质矿物 白云石及一部 分菱铁矿 方解石 石膏及硬石膏 磷酸盐矿物 有机物 白云母 石英 沉积岩 （%） 14.51 4.00 9.07 4.25 0.97 0.15 0.73 15.11 34.80 3.85 20.40 火成岩 （%） 矿物 榍石及钛铁 矿 磁铁矿 正长石 钠长石 钙长石 黑云母 角闪石 辉石 橄榄石 沉积岩 （%） 0.02 0.07 11.02 4.55 火成岩 （%） 1.45 3.15 14.85 25.60 9.80 3.86 1.66 12.10 2.65
长石次之，其它种类长石罕见。 因为，在表生条件下，石英最稳定，长石次之， 铁镁矿物稳定性最差；长石中钾长石最稳定，酸 性斜长石次之，基性斜长石稳定性最差；粘土矿 物、氧化物矿物、氢氧化物矿物和碳酸盐矿物是 母岩分解过程中残余的或新生成的，其稳定性较
好。
橄榄石 岩浆岩中的矿物成分
3、变质岩的矿物成分 变质岩是由不同原岩经变质作用形成的； 变质作用的类型和强度复杂多样； 所以变质岩的化学成分一方面与原有岩石 的化学成分有密切的关系，另一方面又和 变质作用的特点相关。
岩石中某些易溶物、粘土矿物等特殊矿物的存在， 常使岩石的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容易 被溶蚀，从而使岩石的孔隙度增大，结构变松， 强度降低。
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v2 p ( 2G)/
2 vs G/
vp为纵波速度,vs为横波速 度，可反求Ed和μd，二者 之比大于1.7
vp /vs [2(1- )/(1- 2 )]1/2
2018/12/3
26
§2 声波在岩石中的传播速度
影响声波传播速度的主要因素是矿物成分、裂隙或孔隙、充
水程度及其所处的压力、温度条件。
裂隙介质
松散介质
10
第二节 岩石基本物理性质 §1 岩石的质量指标（密度/比重）
岩石含：固相、液相、气相 三相比例不同，物理性质指标也有所不同(详见土力学)
§2 岩石的空隙性
空隙有：孔隙、裂隙、溶隙
① 空隙比
e VV / Vs
VV—孔隙体积(m3) Vs —岩石固体的体积(m3)
2018/12/3 11
34
Q和α之间存在一定关系 ③衰减系数α与声波频率f有关(弥散)
2018/12/3 29
§4 声波在界面上的反射与折射
声波在各种界面上会发生反射和折射，这是无损探测(TSP)的基础。
2018/12/3
30
§5 岩石声发射和电磁辐射
岩石声发射主要是指岩石在微破裂时由于弹性能的释放引起
的剧烈振动而产生的声振动(脉冲)和声传播现象。
Rc —— 干燥单轴抗压强度； η (η≤1)越小，表示岩石受水的影响越大。
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岩石的遇水膨胀性
泥岩含有大量细颗粒(d＜0.005mm)黏土矿物成分(蒙脱石/伊利
石/高岭石)，比表面积大，遇水膨胀性最典型。 可对支护造成较大的膨胀压力
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§ 2 渗流基本知识
层理 (Lamina)
褶皱 (Drape)
断层 （Fault）
岩块和岩体的重要区别就是岩体包含若干不连续面(Joint)。由于 不连续面的存在，岩体强度远低于岩块强度。
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（工程）岩体=岩块+结构面
岩体 结构面 岩块 不连续面包括： 节理、裂隙、孔 隙、断面、孔洞、 层面、溶洞
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岩石组构的特性 • ① 岩石组构单元充满了各式缺陷；
• ② 节理是岩石组构的一个最独有的特点
• ③ 微小的节理裂隙肉眼难辨；不能逐一考虑，试验结果反映在
统一指标中；
• ④ 岩石的空隙是储存水、气体的地方；
• ⑤ 岩石组构的不同影响程度会使岩性大范围变化（三非一异）。
连续介质
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岩浆岩、沉积岩、变质岩
不同成因类型的岩石具有不同 的物理力学性质。
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§2 岩石的成因种类及特性 岩浆岩：即火成岩，地壳深处的岩浆在地下或喷出地表
后结晶、固化而形成的岩石。 • 分为侵入岩（深成岩/浅成岩，花岗岩、辉长岩），和喷出岩 （凝灰岩、流纹岩） • 可视为均质各向同性体，强度高、均质性好
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§ 3 岩石的抗冻性
抗冻性是岩石抵抗冻(胀)融破坏的性能，通常用抗冻系数表示。 抗冻系数是指岩样在±25℃的温度区间内，反复降温、冻结、 升温、融解，其抗压强度有所下降，岩样抗压强度的下降值与 冻融前的抗压强度之比：
cf
Rc Rcf Rc
100%
Cf—岩石的抗冻系数； Rcf—岩石冻融后的抗压强度(kPa)
② 空隙率
n VV / V =e 1 e
V—包含孔隙在内的岩石体积(m3) 反映岩石致密程度的参数。 ③ 吸水率
干燥岩石试样在一个大气压和室温条件下吸入水的重量与岩石烘 干重量之比 WW W0 WS a 100% WS WS
W0－烘干岩样浸水48h后的湿重(kN) 吸水率是一个间接反映岩石内孔隙多少的指标
η动力黏度Pa· s υ运动黏度cm2s-1 牛顿流体 非牛顿流体 黏性：物体受力后变形 不能瞬时完成，且应变 速率随应力增加而增加 的现象，具有时间效应。
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渗透规律
达西渗流规律（H. Darcy，1856）
q = K·(h1-h2)/L
测压管水头为位置水头与压力水头之和 水力梯度
§1 岩石中机械波类型
机械/应力波是机械振动在固体介质中的传播，固体中的应力波主 要有弹性波、粘弹性波、塑性波和冲击波。岩体中主要是弹性波。 体波 纵波/拉压波/P波 横波/剪切波/S波
弹性波 面波
20 次声波
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瑞利波/R波 勒夫波/L波 1*1010 特超声波
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2*104 声波 超声波
瞬态法
根据达西定律计算岩石的渗透系数，对于气体渗透性一般采 用渗透率表示。
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§5 地下水的压力
静水的压力作用
P= γw H
dH Pd 1 w ds1
静水压力是表面力，方向总是与作用面垂直 动水的压力作用
动水压力是体积力，方向总是与水流方向一致
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第四节 岩石中的声波
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变质岩：原有的岩石受到高温或高压作用，重新结晶或
结合形成的新矿物结合体。
• 岩性受母岩性质及变质程度的影响，差异较大，一般具有结
晶和定向排列特点。 • 一般较致密，透水性弱，强度较高，但各向异性极为明显。
片岩 板岩 大理岩
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§3 岩石循环圈
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沉积岩：也叫水成岩，地表物质或者岩石风化或溶解的
产物，经过搬运、沉积并在不同固结作用下形成的岩石。
• 分为机械沉积（砾石、砂岩）、化学沉积（石灰岩，白云岩） 和生物沉积（煤，珊瑚） •机械沉积的组分包括颗粒成分和胶结成分，化学沉积易溶解 •为各种层理结构，致密度低，力学性能较差，各向异性
J=(h1-h2)/L Q = K·J·A
达西定律适用于层流情况（雷诺数＜10）。
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渗透系数
渗透系数(水力传导系数)反映流体与渗透介质之间的相互影响。
①渗流介质的孔隙率、通道大小与形状、平直程度 ②流体自身的粘度、重度
g K k k
k 称为渗透率，其量纲为L2
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§4 岩石的组构
岩块(Rock element材料)—狭义岩石 微观：胶结、结晶 但是宏观上不包含有显著弱面的、工程 上可看作连续均匀介质。
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岩体 (Rock Mass 地质体)
岩体是指在一定地质条件下，含有诸如节理、层理、劈理、裂隙、 断层等不连续结构面的复杂地质体。
岩石类型 一般范围 火 成 岩 花岗岩 辉长岩 玄武岩 纵波速 度/km.s-1 3－7 4.2-6.0 4.0-7.0 3.0-6.0 变 质 岩 岩石类型 一般范围 石英岩 片麻岩 大理岩 纵波速 度/km.s-1 2.0-5.8 3.0-5.8 2.2-4.8 3.2-5.6 沉 积 岩 岩石类型 一般范围 砂岩 泥岩 石灰岩 纵波速度 /km.s-1 1.8-6.2 1.8-4.2 2.2-5.2 3.0-6.2
第一章 岩石组构及其物理性质
第一节 岩石的生成及其组构
第二节 岩石的基本物理性质
第三节 岩石中的水及其渗流 第四节 岩石中的声波
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第一节 岩石的生成及其组构 §1 岩石的定义
岩石是组成地球固体圈（地壳）的
主要成分，是经历了漫长地质史的 大自然产物，是天然矿物晶体以及 其它物质（如有机质等）的集合体 岩石按照其成因可分为三类：
流体运动及其黏性
？
胡克定律
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牛顿粘性定律
水头差/剪应力是水流动的原因，其速度还与流体黏性阻力有关
牛顿内摩擦（黏性）定律
du db
dudt db db
u+du dudt u
流动可以视为连续变形 Nhomakorabeadt
塑性变形也叫塑性流动
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岩石电磁辐射是岩石变形或有微破裂的同时伴有电磁辐射
的现象。
岩石的声发射和电磁辐射性质是研究岩石变形和破裂的重要手段。
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微震在冲击地压预报中的应用
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§6 记忆效应
记忆效应 是指材料可以重现其承载历史的性质(称为凯萨尔效
岩石的声发射和电磁辐射现象可以反映其记忆性特点。
b3 gb3 Q J J 12 12
立方定律
b2 gb2 Kf 12 12
考虑裂隙的粗糙度和联通情况可以进行修正。 描述方法 岩体渗流既有裂隙渗流，又有孔隙渗流，描述方法有：等效 孔隙渗流模型、裂隙网络模型和双重介质模型。
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§ 4 岩石渗透试验
渗透试验一般采用自然含水的圆柱状试件，试件直径50mm， 高径比1:1。 稳态法
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第三节 岩石中的水及其渗流 §1 水对岩石物理性质的影响
岩石软化与崩解
岩石软化主要指岩石受潮或吸水后引起的强度降低的特性。
黏土矿物成分遇水膨胀削弱了矿物结构间的联系导致强度降 低(软化)，或者从岩石中剥裂(崩解)。 软化系数
Rcw / Rc
Rcw——饱和单轴抗压强度；
裂隙的存在会严重降低声波的传递速度，松动圈测试的依据
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§3 声波在传播过程中的衰减
声波在岩石中传播由于耗散能量(内部摩擦生热/界面引起散射) 会发生衰减。 ①振幅减小 ②能量损耗
A( x) A0 exp(x)
Q 2 W W