三岩石物理性质
岩石力学
岩石力学岩石的物理性质 一、 岩石的分类火成岩：侵入岩和喷出岩。
沉积岩：砂岩（95%的油气储量）、页岩（待开采，如页岩气、煤层气）、石灰岩。
变质岩：不含油气。
二、 岩石的强度主要取决于：组成其矿物的强度、连接结构形式、岩石的结构和整体构造、胶结物的成分和胶结方式 三、岩石的物理性质孔隙度、渗透率、可压缩性、导电性、传热性的总称。
1、 孔隙度：绝对孔隙度：φ = V 孔/V 岩总 孔隙度越高，岩石的力学性质越差。
有效孔隙度： φ有效 =V 连通/V 孔总。
2、 渗透性：在一定压力作用下，孔隙具有让流体（油、气、水）通过的性质。
其大小用渗透率来描述，反映了流体在岩石孔隙中流动的阻力的大小。
达西定律：A LhK Q ∆=φ...K Φ——反应岩石性质系数 含义：以粘度为1厘泊的流体完全饱和于岩石孔隙中，在1个大气压差的作用下，以层流的方式用过截面积为1cm 2,长度为1cm 的岩样时，其流量为1cm 3/s 。
则渗透率为1达西（D ）。
3、 岩石中的油、气、水饱和度。
…4、 岩石的粒度组成和比表面积：粒度组成的分析方法：筛分析法和沉降法。
通过粒度得孔隙度。
比表面积：单位体积岩石内颗粒的总表面积。
通过粒度组成估算比面。
孔隙度、粒度、比表三者之二求一岩石的力学性质岩石的类型、组成成分、结构构造、围压、温度、应变率、载荷等对其力学性质都有影响 一、 岩石变形性质的基本概念1、 弹性：… 基本弹性参数E 、υ。
2、 塑性3、 黏性：物体受力后，变形不能在瞬时完成，且应变率随应力的增加而增加的性质。
4、 脆性：受力后变形很小就发生破裂的性质。
（ε>5%就发生破裂的称为塑性材料,小于的称脆性材料）5、 延性：发生较大塑性变形，但不丧失其承载能力的性质。
岩石在常温，常压下，并不是理想的弹性或塑性材料，而是几种的复合体，如塑弹性、塑弹塑、弹塑蠕。
其本构关系略。
6、常温常压下岩石的典型应力-应变曲线：（重点）OA---塑性，应力增加快，但应变增加不多。
知识探究三大类岩石的特点
知识探究三大类岩石的特点岩石是地球表面的常见物质，构成了地壳的主要组成部分。
根据岩石的形成过程和性质，可以将岩石分为三大类：火成岩、沉积岩和变质岩。
每一类岩石都有自己独特的特点和形成机制。
1.火成岩：火成岩是在地球内部高温和高压条件下的岩浆（地球内部熔融的岩石）在地壳表面或地下凝固形成的。
火成岩可以分为深火成岩和浅火成岩。
深火成岩主要由于地壳深部岩浆侵入或喷发时的凝固形成，如花岗岩、正长岩等。
这些岩石的特点是结晶颗粒大、晶体完整、质地坚硬，具有优异的机械强度。
浅火成岩是形成于地壳浅部的火山喷发产物，如玄武岩、安山岩等。
这些岩石通常呈细粒状或玻璃状，结晶颗粒很小，质地相对较软，易于风化和磨损。
2.沉积岩：沉积岩是由于风、水、冰等作用，将从其他地方搬运来的碎屑、有机物质等沉积在地壳表面，经过时间和压力的作用形成的。
沉积岩可以分为碎屑岩和化学沉积岩。
碎屑岩是由碎石、砂砾、泥等被搬运到特定地点后沉积形成的，如砂岩、砾岩、泥岩等。
这些岩石通常含有明显的层状结构，颗粒之间没有明显的结晶，具有较强的透水性。
化学沉积岩是由于水中溶解物质的沉积形成的，如石盐、石膏等。
这些岩石的形成通常需要特殊的地球化学环境，如盐湖、盐沼等，具有特殊的物理和化学特性。
3.变质岩：变质岩是在地壳深部高温和高压的条件下，由于地壳的构造活动或岩石深埋的作用下，原有岩石发生物理、化学或结构性变化而形成的。
变质岩可以分为构造变质岩和接触变质岩。
构造变质岩是由于地壳构造变动引起的岩石变质，如片麻岩、云母片岩等。
这些岩石具有平行排列的矿物颗粒，呈层状或片状，具有较强的抗压性能。
接触变质岩是由于岩浆侵入地壳或岩石受到高温的周围岩石对其进行加热而形成的，如大理岩、角闪岩等。
这些岩石通常含有明显的矿物变质，具有独特的纹理和颜色。
总之，三大类岩石具有各自独特的特点和形成机制。
火成岩具有完整的晶体结构和坚硬的特性；沉积岩具有层状结构和较强的透水性；变质岩具有平行排列的矿物和较强的抗压性能。
三大类岩石的辨别和描述
几种常见岩石的辨别和描述（野外编录）三种常见的岩浆岩：1.花岗岩是分布最广的深成侵入岩。
主要矿物成分是石英、长石和黑云母，颜色较浅，以灰白色和肉红色最为常见，具有等粒状和块状构造。
花岗岩既美观抗压强度又高，是优质建筑材料。
2.橄榄岩侵入岩的一种。
主要矿物成分是橄榄石及辉石，深绿色或绿黑色，比重大，粒状结构。
是钳及铭矿的惟一母岩，馍、金刚石、石棉、菱铁矿、滑石等也同这类岩石有关。
3.玄武岩一种分布最广的喷出岩。
矿物成分以斜长石、辉石为主，黑色或灰黑色，具有气孔构造和杏仁状构造，玄武岩本身可用作优良耐磨的铸石原料。
沉积岩又叫“水成岩”。
是在常温常压条件下岩石遭受风化作用的破坏产物，或生物作用和火山作用的产物，经过长时间的日晒、雨淋、风吹、浪打，会逐渐破碎成为砂砾或泥土。
在风、流水、冰川、海浪等外力作用下，这些破碎的物质又被搬运到湖泊、海洋等低洼地区堆积或沉积下来，形成沉积物。
随着时间的推移，沉积物越来越厚，压力越来越大，于是空隙逐渐缩小，水分逐渐排出，再加上可溶物的胶结作用，沉积物便慢慢固结而成岩石，这就是沉积岩。
沉积岩分布极广，占陆地面积的75%,是构成地壳表层的主要岩石。
四种常见的沉积岩：1.砾岩一种颗粒直径大于2毫米的卵石、砾石等岩石和矿物胶结而成的岩石，多呈厚层块状，层理不明显，其中砾石的排列有一定的规律性。
2.砂岩颗粒直径为0.1〜2毫米的砂粒胶结而成的岩石。
分布很广，主要成分是石英、长石等，颜色常为白色、灰色、淡红色和黄色。
3.页岩由各种黏土经压紧和胶结而成的岩石。
是沉积岩分布最广的一种岩石，层理明显，可以分裂成薄片，有各种颜色，如黑色、红色、灰色、黄色等。
4.石灰岩俗称“青石”，是一种在海、湖盆地中生成灰色或灰白色沉积岩。
主要由方解石的微粒组成，遇稀盐酸会发生化学反应，放出气泡。
石灰岩的颜色多为白色、灰色及黑灰色，呈致密块状。
变质岩：地壳中的火成岩或沉积岩，由于地壳运动、岩浆活动等所造成的物理、化学条件的变化，使其成分、结构、构造发生一系列改变，这种促成岩石发生改变的作用称为变质作用。
岩石的物理力学性质
nb Vnb 100% V
(3)小开空隙率nl:即岩石试件内小开型空隙的体积（Vnl) 占试件总体积(V)的百分比。
nl Vnl 100% V
(4)总开空隙率（孔隙率）n0: 即岩石试件内开型空隙的 总体积（Vn0)占试件总体积(V)的百分比。
cf ） , 以
此强度下降值与融冻试验前的抗压强度 σ c之比的百
c cf Cf 100% c
可见：抗冻系数Cf 越小，岩石抗冻融破坏的能力越强。
7.岩石的碎胀性
岩石破碎后的体积VP 比原体积 V增大的性能称为岩石
的碎胀性，用碎胀系数ξ 来表示。
VP V
碎胀系数不是一个固定值，是随时间而变化的。 永久碎胀系数（残余碎胀系数）――不能再压密时 的碎胀系数称为永久碎胀系数.
岩石的软化性是指岩石在饱水状态下其强度相对 于干燥状态下降低的性能，可用软化系数η 表示。
软化系数指岩石试样在饱水状态下的抗压强度
σ
cb与在干燥状态下的抗压强度σ c之比，即
cb c c
各类岩石的η c=0.45～0.9之间。 η η
c c
Байду номын сангаас
>0.75,岩石软化性弱、抗水、抗风化能力强； <0.75，岩石的工程地质性质较差。
1 与 主 应 力 差 ( σ 1-
σ 3) 的关 系 曲 线 表 示 。
反复加卸载对岩石变形的影响
围压对岩石变形的影响
三轴应力状态下大理岩的应力－应变曲线
围压对岩石刚度的影响
砂岩：孔隙较多，岩性较软， σ3增大，弹性模量变大。 辉长岩：致密坚硬， σ3增大，弹性模量几乎不变。
岩石的物理、水理与热学性质
第三章岩石的物理、水理与热学性质第一节岩石的物理性质岩石和土一样，也是由固体、液体和气体三相组成的。
所谓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。
与工程密切相关的物理性质有密度和空隙性。
一、岩石的密度岩石密度(rock density)是指单位体积内岩石的质量，单位为g/cm3。
它是建筑材料选择、岩石风化研究及岩体稳定性和围岩压力预测等必需的参数。
岩石密度又分为颗粒密度和块体密度，各类常见岩石的密度值列于表3-1。
表3-1 常见岩石的物理性质指标值(一)颗粒密度岩石的颗粒密度(ρs)是指岩石固体相部分的质量与其体积的比值。
它不包括空隙在内，因此其大小仅取决于组成岩石的矿物密度及其含量。
如基性、超基性岩浆岩，含密度大的矿物较多，岩石颗粒密度也大，一般为 2.7～3.2g ／cm3；酸性岩浆岩含密度小的矿物较多，岩石颗粒密度也小，多变化在2.5～2.85g ／cm3之间；而中性岩浆岩则介于上二者之间。
又如硅质胶结的石英砂岩，其颗粒密度接近于石英密度；石灰岩和大理岩的颗粒密度多接近于方解石密度，等等。
岩石的颗粒密度属实测指标，常用比重瓶法进行测定。
(二)块体密度块体密度(或岩石密度)是指岩石单位体积内的质量，按岩石试件的含水状态，又有干密度(ρd)、饱和密度(ρsat)和天然密度(ρ)之分，在未指明含水状态时一般是指岩石的天然密度。
各自的定义如下： V m sd =ρ (3-1)Vm satsat =ρ (3-2) V m=ρ (3-3) 式中：ms 、msat 、m 分别为岩石试件的干质量、饱和质量和天然质量；V 为试件的体积。
岩石的块体密度除与矿物组成有关外，还与岩石的空隙性及含水状态密切相关。
致密而裂隙不发育的岩石，块体密度与颗粒密度很接近，随着孔隙、裂隙的增加，块体密度相应减小。
岩石的块体密度可采用规则试件的量积法及不规则试件的蜡封法测定。
二、岩石的空隙性岩石是有较多缺陷的多晶材料，因此具有相对较多的孔隙。
三大岩类岩性描述
三大岩类野外工作描述一、岩浆岩的观察与描述对岩浆岩的观察，一般是观察其颜色、结构、构造、矿物成分及其含量，最后确定其岩石名称。
肉眼鉴定岩浆岩，首先看到的就是颜色。
颜色基本可以反映出岩石的成分和性质。
-对岩浆岩进行肉眼鉴定第一步是要依据其颜色大致定出属于何种岩类。
比如，若是浅色，一般为酸性岩（花岗岩类）或中性岩（正长岩类）；若是深色，一般为基性岩或超基性岩。
由酸性岩到基性岩，深色矿物的含量逐渐增多，岩石的颜色也就由浅到深。
同时还要注意区别岩石新鲜面的颜色和风化后的颜色。
还可根据其中暗色矿物与浅色矿物的相对含量来进行描述，如暗色矿物含量超过60%者为暗色岩，在30—60%者为中色岩，在30%以下者为浅色岩。
第二步是观察岩浆岩的结构与构造。
据此，便可区分出是属深成岩类、浅成岩类或是喷出岩类。
根据岩石中各组分的结晶程度，可分为全晶质、半晶质和玻璃质等结构。
不仅要对全晶质的结构区分出显晶质或隐晶质结构，还要对其中的显晶质结构岩石按其矿物颗粒大小，进一步细分出等粒、不等粒、粗粒或细粒等结构。
对具有斑状结构的岩石要描述斑晶成分、基质的成分及结晶程度。
假如岩石中矿物颗粒大，呈等粒状、似斑状结构，则属深成岩类；假如矿物颗粒微细致密，呈隐晶质、玻璃质结构，则一般皆属喷出岩类；假如岩石中矿物为细粒及斑状结构，即介于上述两者之间，属于浅成岩类。
观察岩石中矿物有无定向排列，进而就能推断岩石的形成环境，含挥发组分多少以及岩浆流动的方向。
若无定向排列称之为块状构造；若有定向排列，则可能是流纹构造、气孔构造或条带状构造。
深成岩、浅成岩大多是块状构造；喷出岩则为流纹构造和气孔构造等。
对于岩石中有规律排列的长柱状矿物、气孔捕虏体等均要观测其方向。
对于那些在接触面上有规则排列的片状矿物，要描述其组成成分，并测其产状要素。
第三步是观察岩浆岩的矿物成分。
矿物成分是岩石定名最重要的依据。
岩浆岩类别是根据SiO2含量百分比确定的，而SiO2含量可在岩石矿物成分上反映出来。
岩石分类及其特征
岩石分类及其特征岩石是地球上最基本的物质之一，它们是由不同的矿物质组成的固态物质。
根据其形成过程和组成成分的不同，岩石可以分为三大类：火成岩、沉积岩和变质岩。
下面将对这三类岩石的分类及其特征进行介绍。
一、火成岩火成岩是由岩浆在地质过程中冷却凝固形成的岩石。
根据其形成环境和结晶方式的不同，火成岩可分为火山岩和深成岩。
1. 火山岩火山岩是由火山喷发时所喷出的岩浆在地表冷却、硬化形成的岩石。
常见的火山岩有玄武岩、安山岩和流纹岩等。
火山岩具有以下特征：质地细腻，颜色深浅不一，有些种类质地泡沫状；具有玻璃状质地，容易进行摩擦火花；具有多孔结构，孔隙度较高。
2. 深成岩深成岩是由岩浆在地壳深部冷却形成的岩石。
常见的深成岩有花岗岩、二长岩和橄榄岩等。
深成岩具有以下特征：晶体发育良好，颗粒细致；岩石中的矿物质颗粒较大，肉眼可见；结构均匀致密，没有孔隙。
二、沉积岩沉积岩是由岩层在地表产生的物理、化学作用和生物作用影响下，经过风化、侵蚀、沉积、压实等过程形成的岩石。
根据其成因和组成特点，沉积岩可分为碎屑岩、生物碎屑岩和化学沉积岩。
1. 碎屑岩碎屑岩是由岩屑颗粒通过风化和侵蚀作用剥离、运移和沉积形成的岩石。
常见的碎屑岩有砂岩、泥岩和粉砂岩等。
碎屑岩具有以下特征：颗粒较大，可肉眼分辨；结构松散，含有明显孔隙；容易分解成颗粒状物质。
2. 生物碎屑岩生物碎屑岩是由藻类、贝壳、骨骼等有机物质通过生物作用堆积形成的岩石。
常见的生物碎屑岩有石灰岩和磷灰岩等。
生物碎屑岩具有以下特征：颗粒尺寸不一，可见贝壳和化石；含有丰富的有机物，不易分解。
3. 化学沉积岩化学沉积岩是由水中溶解的化学物质沉积形成的岩石。
常见的化学沉积岩有盐岩、石膏岩和硫化岩等。
化学沉积岩具有以下特征：质地坚硬、致密；不含岩屑，没有明显的颗粒；具有特殊的化学成分和结构。
三、变质岩变质岩是由原来的岩石在高温、高压和地壳运动等作用下发生化学、物理变化而形成的岩石。
根据变质程度和组成成分的不同，变质岩可分为页岩、片岩和大理岩。
岩石物理力学性质-知识归纳整理
1 岩石的物理力学性质岩石是由固体相、液体相和蔼体相组成的多相体系。
理论以为，岩石中固体相的组分和三相之间的比例关系及其相互作用决定了岩石的性质。
在研究和分析岩石受力后的力学表现时，必然要联系到岩石的某些物理性质指标。
岩石物理性质：岩石由于其固体相的组分和三相之间的比例关系及其相互作用所表现出来的性质。
主要包括基本物理性质和水理性质。
岩石在受到外力作用下所表现出来的性质称为岩石的力学性质。
岩石的力学性质主要有变形性质和强度性质，在静荷载和动荷载作用时，岩石的力学性质是有所不同的，表如今性质指标的差异上。
岩石的物理力学性质通常经过岩石物理力学性质测试才干确定。
1.1 岩石的基本物理性质指标 反映岩石组分及结构特征的物理量称为岩石的物理性质指标，这里主要是指一些基本属性：密度、比重、孔隙性、水理性等。
反映了岩石的组分和三相之间的比例关系。
为了测定这些指标，一股都采用岩样在室内作试验，，必要时也可以在天然露头上或探洞(井)中举行现场试骀。
在选用岩样时应思量到它们对所研究地质单元的代表性并尽可能地保持其天然结构。
最好采用同一岩样逐次地测定岩石的各种物理性质指标。
下面分述各种物理性质指标。
1.1.1 岩石的密度和重度(容重)1、定义密度：单位体积岩石(包括岩石内空隙体积在内)所具有的质量。
重度(容重)：单位体积岩石所受的重力。
2、计算式密度：V M =ρ(g/cm 3，t/m 3)容重度：V MgV W ==ρ(kN/m 3)密度与重度的关系：γ=ρg。
上述各式中，M —岩石质量；W —岩石分量；V —岩石体积(包括空隙在内)；g 为重力加速度，g=9.8m/s 2，工程上普通取10m/s 2。
密度与容重的种类：天然密度ρ、干密度ρd 、饱和密度ρsat 。
天然密度与干密度的关系：ρ=ρd (1+0.01ω)(ω为含水率，以百分数计)。
3、影响因素 影响岩石密度大小的因素：矿物成分、孔隙及微裂隙发育程度、含水量。
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岩石和土一样，也是由固体、液体和气体 三相组成的。
o
气
定义：物理性质是指岩 石三相组成部分的相对比 mw
水
例关系不同所表现的物理
状态。
ms
固
一、岩石的密度
二、岩石的空隙性
V0
VV VW
VS
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一、岩石的密度（单位体积内的岩石质量）
1、颗粒密度(ρs)：岩石固体相部分的质量与体
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
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§3.2 岩石的水理性质
定义：岩石在水溶液作用下表现出来 的性质，称为水理性质。主要有：
1.吸水性 2.软化性 3.抗冻性 4.透水性 5.膨胀性 6.崩解性
Wa＜5％、KR＞0.75和饱水系数小于0.8的岩石，其抗 冻性也相当高。
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四、岩，岩 石能被水透过的性质，称为透水性。
一般认为，水在岩石中的流动，如同水 在土中流动一样，也服从于线性渗流规 律——达西定律，即
U KJ
K：cm/s m/d
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颗粒密度(ρs)：岩石固体相部分的质量与体积的比值
ρs= ms/Vs
块体密度(ρ)：岩块单位体积的质量。
ρ= m/V
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常见岩石的物理性质指标值
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二、岩石的空隙性：岩石孔隙性与裂隙性的统称。
岩石的空隙
(裂隙、孔隙)
闭空隙 开空隙
大开空隙 小开空隙
总空隙率(n)
n Vv 100% (1 d ) 100%
dWa
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2.饱和吸水率
岩石的饱和吸水率(Wp)是指岩石试件在高压(一般压力
为15MPa)或真空条件下吸入水的质量(mw2)与岩样干质 量(ms)之比，用百分数表示，即
总开空隙率
3.饱水系数
Wp
mw2 ms
100%
n0
VV 0 V
100%
dWp w
dWp
岩石的吸水率(Wa)与饱和吸水率(Wp)之比，称为饱水系 数 。它反映了岩石中大、小开空隙的相对比例关系。饱 水系数大,大开空隙越多岩石愈易被冻坏，即抗冻性差
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几种岩石的吸水性指标值
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二、岩石的软化性
岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性，
软化系数(KR)为岩石试件的饱和 抗 压 强 度 (σcw) 与 干 抗 压 强 度 (σc)的比值，即
KR
cw c
岩石中含有较多的亲水性和可溶性矿物，且含 大开空隙较多时，岩石的软化性较强，软化系 数较小。（软化性与岩石矿物成分及空隙性有关）
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一、岩石的吸水性
定义：岩石在一定的试验条件下吸收水
分的能力，称为岩石的吸水性。
1.吸水率(Wa)：是指岩石试件在大气压力和室温
条件下自由吸入水的质量(mw1)与岩样干质量 (ms)之 比，用百分数表示，即
Wa
mw1 ms
100 %
大开空隙率
nb
VVb V
100%
dWa w
V
s
总开空隙率(no)
空 隙 大开空隙率(nb) 率 小开空隙率(na)
闭空隙率(nc)
n0
Vv0 V
100%
nb
Vvb 100% V
na
Vva V
100% n0
nb
nc
Vvc V
100% n n0
空隙比 e VV s 1
Vs d
第5页/共颗18粒页 体积
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第三章 岩石的物理、水理性质
1、岩石的物理性质
1)岩石的密度
颗粒密度(ρs) 块体密度(ρ、 ρd、 ρwt)
2)岩石的空隙性
空隙率(n 空隙比(e
n0 )
na
nb
nc )
2、岩石的水理性质
1).吸水性：吸水率(Wa)、饱和吸水率(Wp)、饱水系数 2).软化性：软化系数(KR) 3).抗冻性：抗冻系数(Rd)、质量损失率(Km) 4). 透水性：渗透系数(K )
抗 压 强 度 (σcd2) 与 冻 融 前 干 抗 压 强 度 (σcd1)
之比，用百分数表示，即
Rd
cd2 cd1
100 %
质量损失率(Km)是指冻融试验前后干质量之差(ms1-
ms2)与试验前干质量(ms1)之比，以百分数表示，
即
Km
ms1 ms2 ms1
100%
Rd＞75％，Km＜2％时，为抗冻性高的岩石；
渗透流速 渗透系数
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水力梯度
几种岩石的渗透系数值
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五、岩石的膨胀性
◆岩石浸水后体积增大的性质 ◆表述：
岩石的自由膨胀率 岩石的侧向约束膨胀率 岩石的膨胀压力
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六、岩石的崩解性
◆岩石与水相互作用时失去黏结性， 变成完全失去强度的松散物质
◆用耐崩解性指数表示
软化系数KR＞0.75时，岩石的软化性弱，同时 也说明岩石的抗冻性和抗风化能力强。而KR＜ 0.75的岩石则是软化性较强和工程地质性质较 差的岩石
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常见岩石的物理性质指标值
第12页/共18页
三、岩石的抗冻性
岩石抵抗冻融破坏的能力，称为抗冻性。
抗冻系数(Rd)是指岩石试件经反复冻融后的干
积的比值。ρs= ms/Vs
2、块体密度(ρ)：岩块单位体积的质量。
按含水量的多少可分为：
o
气
mw
水
ms
固
V0
VV VW
VS
天然密度： ρ= m/V
干密度：ρd= ms/V 饱和密度:ρwt= mwt/V
第2页/共18页
注意： （1）ρs与ρ的区别 (ρs>ρ) （2）ρs与ρ的单位 （g/cm3 KN/m3） （3）测试方法（ρs--比重瓶法；ρ --量积法)