岩石的主要物理性质和力学性质

岩石的主要物理性质和力学性质岩石的主要物理性质岩石由固体，水，空气等三相组成。一、密度（ρ）和重度(γ)：单位体积的岩石的质量称为岩石的密度。单位体积的岩石的重力称为岩石的重度。所谓单位体积就是包括孔隙体积在内的体积。（g/cm3），γ＝ρg(kN/m3)岩石的密度可分为天然密度、干密度和饱和密度。相应地，岩石的重度可分为天然重度、干重度和饱和重度。VW1、天然密度（ρ）和天然重度（γ）指岩石在天然状态下的密度和重度。VW（g/cm3）(kN/m3)g式中：W――天然状态下岩石试件的质量(g；)V——岩石试件的体积(cm3)；g——重力加速度。干密度是指岩石孔隙中的液体全部被蒸发后单位体积岩石的质量，相应的重度即为干重度。VWsd2、干密度（ρd）和干重度(γd)（g/cm3）(kN/m3)gdd式中：Ws——岩石试件烘干后的质量(g)；V——岩石试件的体积(cm3)；g——重力加速度。3、饱和密度（ρ）和饱和重度(γw)饱和密度就是饱水状态下岩石试件的密度。V式中：WW——饱水状态下岩石试件的质量(g)；V——岩石试件的体积(cm3)；g——重力加速度。gww（g/cm3）(kN/m3)二、比重(Δ)岩石的比重就是指岩石固体的质量与同体积水的质量之比值。岩石固体体积，就是指不包括孔隙体积在内的体积。岩石的比重可在实验室进行测定，其计算公式为：式中：Δ——岩石的比重；Ws——干燥岩石的质量(g);Vs——岩石固体体积(cm3);ΔW—40C时水的密重。wssVWCVVVe/VVnV/三、岩石的孔隙性：反映裂隙发育程度的指标（一）孔隙比VV——孔隙体积（水银充填法求出）（二）孔隙率V=VC+VV四、岩石的水理性质岩石遇水后会引起某些物理、化学和力学性质的改变，岩石的这种性质称为岩石的水理性。1、岩石的吸水性岩石吸收水分的性能称为岩石的吸水性，其吸水量的大小取决于岩石孔隙体积的大小及其密闭程度。岩石的吸水性指标有吸水率、饱水率和饱水系数。（1）岩石吸水率(ω1)：是指岩石试件在标准大气压力下吸入水的重量Wω1与岩石干重量Ws之比。岩石的吸水率的大小，取决于岩石所含孔隙、裂隙的数量、大小、开闭程度及其分布情况，并且还与试验条件（整体和碎块，浸水时间等）有关。%10011sWW（2）岩石的饱水率（ω2）岩石的饱水率指在高压（150个大气压）或真空条件下，岩石吸入水的重量Wω2与岩石干重量Ws之比，即：%10022sWW（3）岩石的饱水系数（Ks）岩石吸水率与饱水率之比称为岩石的饱水系数，即21sK饱水系数反映了岩石中大开空隙和小开空隙的相对含量。饱水系数越大，岩石中的大开空隙越多，而小开空隙越少。吸水性较大的岩石吸水后往往会产生膨胀，给井巷支护造成很大压力。五、岩石的软化性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σcb与在干燥状态下的抗压强度σc之比，即ccbc各类岩石的ηc=0.45～0.9之间。ηc0.75,岩石软化性弱、抗水、抗风化能力强；ηc0.75，岩石的工程地质性质较差。六、岩石的抗冻性岩石的抗冻性是指岩石抵抗冻融破坏的性能，是评价岩石抗风化稳定性的重要指标。岩石的抗冻性用抗冻系数Cf表示，指岩石试样在±250C的温度期间内，反复降温、冻结、融解、升温，然后测量其抗压强度的下降值（σc-σcf）,以此强度下降值与融冻试验前的抗压强度σc之比的百分比代表抗冻系数Cf，即%100ccfcfC可见：抗冻系数Cf越小，岩石抗冻融破坏的能力越强。七、岩石的透水性地下水存在于岩石孔隙、裂隙之中，而且大多数岩石的孔隙裂隙是连通的，因而在一定的压力作用下，地下水可以在岩石中渗透。岩石的这种能透水的性能称为岩石的透水性。岩石的透水性大小不仅与岩石的孔隙度大小有关，而且还与孔隙大小及其贯通程度有关。衡量岩石透水性的指标为渗透系数(K)。一般来说，完整密实的岩石的渗透系数往往很小。岩石的渗透系数一般是在钻孔中进行抽水或压水试验而测定的。八、岩石的变形特性弹性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形能够恢复的性质。塑性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形不能恢复的性质。脆性：物体在外力作用下变形很小时就发生破坏的性质。延性：物体能够承受较大的塑性变形而不丧失其承载能力的性质。弹性变形塑性变形线弹性变形非线弹性变形变形Ea线弹性类岩石――σ～ε曲线呈线性关系，曲线上任一点P的弹性模量E：泊松比μ：岩石在单轴压缩条件下横向应变与纵向应变之比。1212aacc九、岩石的强度特性概念：（1）屈服：岩石受荷载作用后，随着荷载的增大，由弹性状态过渡到塑性状态，这种过渡称为屈服。（2）破坏：把材料进入无限塑性增大时称为破坏。（3）岩石的强度：是指岩石抵抗破坏的能力。岩石在外力作用下，当应力达到某一极限值时便发生破坏，这个极限值就是岩石的强度。岩石的单轴抗压强度σC端部效应破坏形态APc岩石的单轴抗拉强度σt直接拉伸试验APt岩石的剪切强度τf：岩石抵抗剪切破坏的能力。十、影响岩石力学性质的因素（1）矿物成分对岩石力学性质的影响矿物硬度大，岩石的弹性越明显，强度越高。如岩浆岩，橄榄石等矿物含量的增多，弹性越明显，强度越高；沉积岩中，砂岩的弹性及强度随石英含量的增加而增高；石灰岩的弹性和强度随硅质物含量的增加而增高。变质岩中，含硬度低的矿物（如云母、滑石、蒙脱石、伊利石、高岭石等）越多，强度越低。（2）岩石的结构构造对岩石力学性质的影响岩石结构的影响岩石的结构——指岩石中晶粒或岩石颗粒的大小、形状以及结合方式。岩浆岩：粒状结构、斑状结构、玻璃质结构；沉积岩：粒状结构、片架结构、斑基结构；变质岩：板理结构、片理结构、片麻理结构。岩石的结构对岩石力学性质的影响主要表现在结构的差异上。例如：粒状结构中，等粒结构比非等粒结构强度高；在等粒结构中，细粒结构比粗粒结构强度高。岩石构造的影响岩石的构造——指岩石中不同矿物集合体之间或矿物集合体与其他组成部分之间的排列方式及充填方式。岩浆岩：颗粒排列无一定的方向，形成块状构造；沉积岩：层理构造、页片状构造；变质岩：板状构造、片理构造、片麻理构造。层理、片理、板理和流面构造等统称为层状构造。宏观上，块状构造的岩石多具有各向同性特征，而层状构造岩石具有各向异性特征。（3）风化对岩石力学性能的影响风化程度不同，对岩石力学性质的影响程度也不同：1、降低岩体结构面的粗糙程度并产生新的裂隙，使岩体分裂成更小的碎块，进一步破坏岩体的完整性。2、岩石在化学风化过程中，矿物成分发生变化，原生矿物受水解、水化、氧化等作用，逐渐为次生矿物所代替，特别是产生粘土矿物，并随着风化程度的加深，这类矿物逐渐增多。3、由于岩石和岩体的成分结构和构造的变化，岩体的物理力学性质也随之变化。一般：抗水性降低，亲水性增高（如膨胀性、崩解性、软化性增强），强度降低，压缩性加大，孔隙性增加，透水性增强（但当风化剧烈，粘土矿物较多时，透水性又趋于降）。总之，岩体在风化营力作用下，岩体的力学性质大大恶化。