岩石物理基础

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。
三、岩石的不连续性、非均匀性、各
向异性和渗透性
岩石的不连续性
岩石中普遍存在的结构面，无论是物质分异面还是物
性质差
物质组成对力学性质的影响
碎屑岩的力学性质与胶结物成分的关系：
强度上：硅质>铁质>钙质>泥质
泥页岩的粘土矿物组成
蒙脱石
伊利石
粘土矿物
绿泥石
高岭石 伊蒙混层
力学性质
• 蒙脱石含量高→软，易变形，易水化
• 伊利石含量高→硬脆，不易变形，不易水化
二、岩石的组构特征
2 岩石的结构
sat=msat/V sat）和天然密
度（ρ ）之分，在未指明含水状态时一般 ρ =m/V
常见岩石的密度
密度 岩石名称 花 岗 岩 闪 长 岩 (g／cm3) 2.52～2.81 2.67～2.96 岩石名称 石 灰 岩 白 云 岩 2.37～2.75 2.75～2.80 密度(g／cm3)
辉 长 岩
积之比称裂隙率。
孔隙度与裂隙率含义相同，孔隙度多用于松散土、 石，裂隙率多用于结晶连接的坚硬岩石。 一般岩石的孔隙度在0.1-0.35之间
岩石的物理性质
孔隙比： 岩石中孔隙的体积与固体颗粒体积之比称 岩石的孔隙比(多以小数表示) 孔隙比和孔隙度可以互相换算：
n e 1 n
e n 1 e
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
所谓软弱面的力学成因类型，是指按照形成破裂面 的破坏应力的不同，所划分的破裂面的类型。根据 野外观察到的事实、大量岩体力学试验的结果以及 莫尔库伦破坏理论的分析，认为岩体的破坏只有剪 切破坏和拉断破坏两种类型。破裂面的力学成因， 应划分为剪性和张性两大类别。
结构面的力学成因类型
张性破裂面：是由张力形成的，在破坏过程中， 破坏面两侧岩体仅沿破裂面法向发生分离位移。 张性破裂面，一般张开度大，连续性差，形态多
辉 绿 岩 砂 页 岩 岩
2.85～3.12
2.80～3.11 2.17～2.70 2.06～2.66
片 麻 岩
片 岩
2.59～3.06
2.70～2.90 2.75左右 2.72～2.84
大 理 岩 板 岩
岩石的物理性质
孔隙度：岩石中孔隙体积与岩石总体积之比 (多用
百分数表示)。
裂隙率：岩石中各种节理、裂隙的体积与岩石总体
m w1 Wa 100% mw2
VVb dWa nb 100% dWa V w
（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
Wp m w2 1 0 0% ms
向以及断面比较光滑，是剪性破裂面共有的特
征，也是鉴定剪性破裂面的主要依据。
下盘上升
上盘下降
正断层——上盘相对下盘向下滑动的断层
三）结构面特征及其对岩体性质的影响
1. 产状
2. 连续性
3. 密度
4. 张开度 5. 形态 6. 充填胶结情况 7. 组合关系
软弱面的影响
岩石软弱面对岩体物理力学特性如岩体强度、
本次课的课程提纲
一、岩石的组构特征
二、岩石中的结构面（软弱面） 三、岩石的四个性质 四、岩石的物理 五、岩石的水理性能
二、岩石的组构特征
1 岩石的物质组成
硅酸盐类矿物
粘土矿物 组成岩石的矿物 碳酸盐类矿物 氧化物类矿物 组成岩石的矿物成分及其相对含量在一定程度上 决定着岩石的力学性质
物质组成对力学性质的影响
岩石的结构：岩石内矿物颗粒的大小、形状、排
列方式及微结构面发育情况与粒间连结方式等反映
在岩块构成上的特征。其中，粒间连结分结晶连结
与胶结连结
颗粒大小 颗粒形状 排列形式
强度： 粗粒<细粒 强度： 粒状、柱状>片状>鳞状 强度： 等粒>不等粒
二、岩石的组构特征
2 岩石的结构
微结构面：指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒间
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
式中： Kd --单向裂隙（1/m）
d -- 结构面间平均间距(m)
岩石的不连续性
b、平面裂隙率
平面裂隙率KA是指岩石单位面积上诸裂隙所占有的面积总
和，亦即
式中：
li -- 第i条裂隙面长度(m)；
ti -- 第i条裂隙面的宽度(m)； A -- 性
不均匀性是指天然岩体的物理、力学性质随空间位置不同
碎屑岩
二、岩石的组构特征
岩石的主要胶结类型：
基底型：彼此不发生接触的矿物颗粒埋在玻璃体重， 这种情况下胶结程度很高，岩石强度与胶结物有关 接触型：仅仅在颗粒的接触点存在胶结物，这种胶结 程度低，岩石强度也不大 间隙型：矿物颗粒彼此直接接触，而颗粒的孔隙被胶 结物充填 溶蚀型：胶结物不仅充填在矿物颗粒之间，而且进入 到矿物颗粒本身中，胶结强度很高。
如风化裂隙面、卸荷裂隙面等。风化裂隙面发育深
度不大，方向紊乱，连续性很低。但可降低岩体的
强度和变形模量。卸荷裂隙是由于卸荷作用引起岩 体在垂直于卸荷自由面方向发生伸长而形成。卸荷 裂隙面基本上平行于岩体卸荷自由面。一般来说， 次生结构面主要影响地面附近岩体的稳定性。
结构面的力学成因类型
这里所说的结构面是指岩体中的破裂面而言
岩石径向渗透性试验原理
径向渗透试验时，其渗透系数计算
式中 P－试样外壁上的水压力(KPa)； L－试验段(小孔)长度(m)； R1－试件内半径(m)； R2－试件外半径(m)； π－圆周率。
四、岩石的物理性质
岩石和土一样，也是由固体、液体和 相组成的。 物理性质是指岩石由于三相组成的相对比例关 系不同所表现的物理状态。 气体三
质不连续面，都会使结构面两侧附近的岩石物理力学 性质呈现不连续变化。 对于裂隙性岩石，通常采用裂缝率作为定量评价岩石
被裂隙切割后破碎程度的指标。
岩石的不连续性
a、单向裂隙(或裂隙频率) 单向裂隙指一组结构面的法线方向上每单位长度(m)内， 法线与结构面的交割数目，以Kd(1/m)表示。即单向裂隙 率的倒数为成组结构面之间的平均间距，以d表示：
A）基底型
B）间隙型 C）接触型 D）溶蚀型
二、岩石的组构特征
3 岩石的构造
岩石的构造：岩石的构造是指岩石组成成分在空
间上相互排列及所占的位置。
岩浆岩的构造：块状构造、流纹状构造、气孔状
构造、杏仁状构造
沉积岩的构造：层理构造 变质岩的构造：片理构造
三、岩石中的结构面（软弱面）
结构面就是岩石内具有一定方向性、延展性 较大、厚度较小的两维面状地质界面，包括 物质的异面和不连续面（如层理、断裂面等）
一般硅酸盐矿物有石英、长石、角闪石、辉 石、橄榄石（粒状）及云母和粘土矿物（片 状）等
含硬度大的粒状矿物愈多，岩石强度高－花 岗岩、闪长岩、玄武岩
含硬度小的片状矿物愈多，岩石强度愈低－ 粘土岩、泥岩
物质组成对力学性质的影响
碳酸盐类矿物主要包括石灰岩和白云岩类， 岩石的物理力学性质取决于岩石中的CaCO3 及酸不溶物的含量 CaCO3含量愈高，如纯灰岩、白云岩强度高 泥质含量高的，如泥质灰岩、泥灰岩等力学
这类软弱面除了已经胶合者以外，绝大部分都是脱开的
规模较大的，多充填有厚度不等、类型和连续程度不同 的充填物，其中大部分已泥化，或者已变成了软弱夹层
就一般情况而言，除了部分构造裂隙以外，大部分构造 软弱面的特性都很坏，强度多接近于岩体的剩余强度， 往往导致复杂。
结构面的地质成因类型
次生结构面：岩体在外力作用下产生的软弱面
而异的特性。分析现场岩体试验资料时可采用综合性的统
计特征--偏差系数V(%)来估算岩体的不均匀性，即：
式中：
x --各观测值xi的算术平均值。
σ--标准差估计值。
式中：N -- 试验观测点(次)数。
岩石的各向异性
岩石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，具体表现在它的强度及变形 特性等各方面。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石内普遍存在着层理、 片理、夹层和定向裂隙（断层）系统所致。目前在
实际工程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。然而对于不具有层理的 岩体，则把它视为各自同性体。
岩石的渗透性
有压水可以透过岩石的孔隙、裂隙而流动， 岩石能透过水的能力称为岩石的渗透性。不 同岩石或裂隙性不同的岩石的渗透性不同， 渗透性的大小用渗透系数K表示。