巖石的力學性質(zhì)

1、巖石的密度巖石的密度巖石密度（巖石密度（rock densityrock density）是指單位體積內(nèi)巖石的質(zhì)量）是指單位體積內(nèi)巖石的質(zhì)量，單位為單位為g/cmg/cm3 3。它是研究巖石風化、巖體穩(wěn)定性、圍巖壓力和選取建它是研究巖石風化、巖體穩(wěn)定性、圍巖壓力和選取建筑材料等必需的參數(shù)筑材料等必需的參數(shù)； 巖石密度又分為顆粒密度和塊體密度：巖石密度又分為顆粒密度和塊體密度：1.2.2 1.2.2 巖石的基本物理性質(zhì)巖石的基本物理性質(zhì)顆粒密度顆粒密度巖石的顆粒密度巖石的顆粒密度（s s）是指巖石固體相部分的質(zhì)量與其是指巖石固體相部分的質(zhì)量與其體積的比值。它不包括空隙在內(nèi)，因此其大小僅取決于組體

2、積的比值。它不包括空隙在內(nèi)，因此其大小僅取決于組成巖石的礦物密度及其含量。成巖石的礦物密度及其含量。巖石的顆粒密度屬實測指標，常用比重瓶法進行測定。巖石的顆粒密度屬實測指標，常用比重瓶法進行測定。 物理性質(zhì)物理性質(zhì)：1.2.2 1.2.2 巖石的基本物理性質(zhì)巖石的基本物理性質(zhì)塊體密度塊體密度塊體密度塊體密度（或巖石密度）是指巖石單位體積內(nèi)的質(zhì)量，按巖石試件（或巖石密度）是指巖石單位體積內(nèi)的質(zhì)量，按巖石試件的含水狀態(tài)，又有干密度（的含水狀態(tài)，又有干密度（d d）、飽和密度（）、飽和密度（satsat）、和天然密度）、和天然密度（）之分，在未指明含水狀態(tài)時一般是指巖石的天然密度。）之分，在未指明含

3、水狀態(tài)時一般是指巖石的天然密度。 d d= = （1-161-16） satsat= = （1-171-17） （1-181-18） 物理性質(zhì)物理性質(zhì)：1.2.2 1.2.2 巖石的基本物理性質(zhì)巖石的基本物理性質(zhì)VmsVmsatVm巖石的空隙性巖石的空隙性巖石的空隙率分為總空隙率（巖石的空隙率分為總空隙率（n n）、總開空隙率（）、總開空隙率（n n0 0）、大開空隙率）、大開空隙率（n nb b）、小開空隙率（）、小開空隙率（n na a）和閉空隙率）和閉空隙率(n(nc c) )幾種，各自的定義如下：幾種，各自的定義如下： n= *100%=(1- )100% （1-4） n0= *100

4、% （1-5） nb= *100% （1-6） na= *100%=n0-nb （1-7） nc= *100%=n-n0 （1-8） 物理性質(zhì)物理性質(zhì)：1.2.2 1.2.2 巖石的基本物理性質(zhì)巖石的基本物理性質(zhì)VVVsdVVV 0VVVbVVVaVVVc巖石在水溶液作用下表現(xiàn)出來的性質(zhì)，稱為水理性質(zhì)。主要有巖石在水溶液作用下表現(xiàn)出來的性質(zhì)，稱為水理性質(zhì)。主要有吸水吸水性、軟化性、抗凍性、滲透性、膨脹性及崩解性性、軟化性、抗凍性、滲透性、膨脹性及崩解性等。等。1)1) 巖石的吸水性巖石的吸水性巖石在一定的試驗條件下吸收水分的能力，稱為巖石在一定的試驗條件下吸收水分的能力，稱為巖石的吸水性巖石的

5、吸水性。常。常用吸水率，飽和吸水率與飽水系數(shù)等指標表示。用吸水率，飽和吸水率與飽水系數(shù)等指標表示。(1(1）吸水率：）吸水率：巖石的吸水率（巖石的吸水率（ a a）是指巖石試件在大氣壓力條件下自）是指巖石試件在大氣壓力條件下自由吸入水的質(zhì)量（由吸入水的質(zhì)量（m mw1w1）與巖樣干質(zhì)量（）與巖樣干質(zhì)量（m ms s）之比，用百分數(shù)表示，）之比，用百分數(shù)表示，巖石巖石的顆粒密度屬實測指標，常用比重瓶法進行測定。的顆粒密度屬實測指標，常用比重瓶法進行測定。 巖石的水理性質(zhì)巖石的水理性質(zhì)：1.2 .3 1.2 .3 巖石的水理性質(zhì)巖石的水理性質(zhì)%1001sWmm飽和吸水率飽和吸水率巖石的飽和吸水率（

6、巖石的飽和吸水率（ ）是指巖石在高壓（一般壓力為）是指巖石在高壓（一般壓力為15Mpa15Mpa）或真空）或真空條件下吸入水的質(zhì)量（條件下吸入水的質(zhì)量（m mw2w2）與巖樣干質(zhì)量（）與巖樣干質(zhì)量（m ms s）之比）之比, ,用百分數(shù)表示，用百分數(shù)表示， 巖石的水理性質(zhì)巖石的水理性質(zhì)：1.2 .3 1.2 .3 巖石的水理性質(zhì)巖石的水理性質(zhì) p= 100% （1-11）swmm2在高壓（或真空）條件下，總開空隙率可表示為：在高壓（或真空）條件下，總開空隙率可表示為：n n0 0= = 100%= =100%= =d d P P （1-121-12）它反映了巖石總開空隙率的發(fā)育程度，因此亦可間

7、接地用它來判定巖石的它反映了巖石總開空隙率的發(fā)育程度，因此亦可間接地用它來判定巖石的風化能力和抗凍性。風化能力和抗凍性。 VVv0wpd飽水系數(shù)飽水系數(shù)巖石的吸水率（巖石的吸水率（ a a）與飽和吸水率（）與飽和吸水率（ p p）之比，稱為飽水系數(shù)。）之比，稱為飽水系數(shù)。它反映了巖石中大、小開空隙的相對比例關(guān)系。它反映了巖石中大、小開空隙的相對比例關(guān)系。一般說來，飽水系數(shù)愈大，巖石中的大開空隙相對愈多，而小一般說來，飽水系數(shù)愈大，巖石中的大開空隙相對愈多，而小開空隙相對愈少。開空隙相對愈少。飽水系數(shù)大，說明常壓下吸水后余留的空隙就愈少，巖石愈容飽水系數(shù)大，說明常壓下吸水后余留的空隙就愈少，巖石

8、愈容易被凍脹破壞，因而其抗凍性差。易被凍脹破壞，因而其抗凍性差。 巖石的水理性質(zhì)巖石的水理性質(zhì)：1.2 .3 1.2 .3 巖石的水理性質(zhì)巖石的水理性質(zhì)巖石的軟化性巖石的軟化性巖石浸水飽和后強度降低的性質(zhì)，稱為巖石浸水飽和后強度降低的性質(zhì)，稱為軟化性軟化性，用軟化系數(shù)（，用軟化系數(shù)（K KR R）表示。表示。K KR R定義為巖石試件的飽和抗壓強度（定義為巖石試件的飽和抗壓強度（R Rcwcw）與干壓強度的比值）與干壓強度的比值，即： （1-13）K KR R愈小則巖石軟化性愈強。研究表明：巖石的軟化性取決于巖石的愈小則巖石軟化性愈強。研究表明：巖石的軟化性取決于巖石的礦物組成與空隙性。礦物組

9、成與空隙性。當巖石中含有較多的親水性和可溶性礦物，且含大開空隙較多時，當巖石中含有較多的親水性和可溶性礦物，且含大開空隙較多時，巖石的軟化性較強，軟化系數(shù)較小。巖石的軟化性較強，軟化系數(shù)較小。 巖石的水理性質(zhì)巖石的水理性質(zhì)：1.2 .3 1.2 .3 巖石的水理性質(zhì)巖石的水理性質(zhì)ccwhRRK 巖石的抗凍性巖石的抗凍性巖石抵抗凍融破壞的能力，稱為抗凍性。常用巖石抵抗凍融破壞的能力，稱為抗凍性。常用凍融系數(shù)凍融系數(shù)和和質(zhì)量損失質(zhì)量損失率率來表示。來表示。凍融系數(shù)（凍融系數(shù)（RdRd）是指巖石試件經(jīng)反復凍融后的干抗壓強度（）是指巖石試件經(jīng)反復凍融后的干抗壓強度（Rc2Rc2）與凍）與凍融前干抗壓強

10、度（融前干抗壓強度（Rc1Rc1）之比，用百分數(shù)表示，）之比，用百分數(shù)表示， 質(zhì)量損失率（質(zhì)量損失率（K Km m）是指凍融試驗前后干質(zhì)量之差（）是指凍融試驗前后干質(zhì)量之差（m ms1s1- -m ms2s2）與試驗前干）與試驗前干質(zhì)量（質(zhì)量（m ms1s1）之比，以百分數(shù)表示即）之比，以百分數(shù)表示即 巖石的水理性質(zhì)巖石的水理性質(zhì)：1.2 .3 1.2 .3 巖石的水理性質(zhì)巖石的水理性質(zhì)%10012ccdRRR%100121sssmmmmK 巖石的膨脹性巖石的膨脹性巖石的膨脹性是指巖石浸水后體積增大的性質(zhì)。巖石的膨脹性是指巖石浸水后體積增大的性質(zhì)。大多數(shù)結(jié)晶巖和化學巖是不具有膨脹性的，這是因為

11、巖石中的礦物大多數(shù)結(jié)晶巖和化學巖是不具有膨脹性的，這是因為巖石中的礦物親水性小和結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)力強的緣故。如果巖石中含有絹云母、石墨和綠親水性小和結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)力強的緣故。如果巖石中含有絹云母、石墨和綠泥石一類礦物，由于這些礦物結(jié)晶具有片狀結(jié)構(gòu)的特點，水可能滲進泥石一類礦物，由于這些礦物結(jié)晶具有片狀結(jié)構(gòu)的特點，水可能滲進片狀層之間，同樣產(chǎn)生楔劈效應(yīng)，有時也會引起巖石體積增大。片狀層之間，同樣產(chǎn)生楔劈效應(yīng)，有時也會引起巖石體積增大。巖石膨脹大小一般用膨脹力和膨脹率兩項指標表示，這些指標可通巖石膨脹大小一般用膨脹力和膨脹率兩項指標表示，這些指標可通過室內(nèi)試驗確定。目前國內(nèi)大多采用土的固結(jié)儀和膨脹儀的方法測定過

12、室內(nèi)試驗確定。目前國內(nèi)大多采用土的固結(jié)儀和膨脹儀的方法測定巖石的膨脹性巖石的膨脹性。 巖石的水理性質(zhì)巖石的水理性質(zhì)：1.2 .3 1.2 .3 巖石的水理性質(zhì)巖石的水理性質(zhì)巖石的崩解性巖石的崩解性巖石的崩解性是指巖石與水相互作用時失去粘結(jié)性并變成完全喪失巖石的崩解性是指巖石與水相互作用時失去粘結(jié)性并變成完全喪失強度的松散物質(zhì)的性能。這種現(xiàn)象是由于水化過程中削弱了巖石內(nèi)部強度的松散物質(zhì)的性能。這種現(xiàn)象是由于水化過程中削弱了巖石內(nèi)部的結(jié)構(gòu)聯(lián)絡(luò)引起的。常見于由可溶鹽和粘土質(zhì)膠結(jié)的沉積巖地層中。的結(jié)構(gòu)聯(lián)絡(luò)引起的。常見于由可溶鹽和粘土質(zhì)膠結(jié)的沉積巖地層中。巖石崩解性一般用巖石的耐崩解性指數(shù)表示。這項指標

13、可以在實驗巖石崩解性一般用巖石的耐崩解性指數(shù)表示。這項指標可以在實驗室室內(nèi)做干濕循環(huán)試驗確定。內(nèi)做干濕循環(huán)試驗確定。 巖石的水理性質(zhì)巖石的水理性質(zhì)：1.2 .3 1.2 .3 巖石的水理性質(zhì)巖石的水理性質(zhì)%10001022WWWWId巖體工程分類既是工程巖體穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)，也是評價巖體工程巖體工程分類既是工程巖體穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)，也是評價巖體工程地質(zhì)條件的一個重要途徑。巖體工程分類實際上是通過巖體的一些簡地質(zhì)條件的一個重要途徑。巖體工程分類實際上是通過巖體的一些簡單和容易實測的指標，把工程地質(zhì)條件和巖體的力學性質(zhì)聯(lián)系起來，單和容易實測的指標，把工程地質(zhì)條件和巖體的力學性質(zhì)聯(lián)系起來，并借鑒已建

14、工程設(shè)計、施工和處理等方面成功與失敗的經(jīng)驗教訓，對并借鑒已建工程設(shè)計、施工和處理等方面成功與失敗的經(jīng)驗教訓，對巖體進行歸類的一種工作方法。其目的是通過分類，概括地反映各類巖體進行歸類的一種工作方法。其目的是通過分類，概括地反映各類工程巖體的質(zhì)量好壞，預(yù)測可能出現(xiàn)的巖體力學問題。為工程設(shè)計、工程巖體的質(zhì)量好壞，預(yù)測可能出現(xiàn)的巖體力學問題。為工程設(shè)計、加固、建筑物選型和施工方法選擇等提供參數(shù)和依據(jù)。加固、建筑物選型和施工方法選擇等提供參數(shù)和依據(jù)。目前國內(nèi)外已提出的巖體分類方案得到大家共識的有數(shù)十種之多，目前國內(nèi)外已提出的巖體分類方案得到大家共識的有數(shù)十種之多，多以考慮地下洞室圍巖穩(wěn)定性為主。有定性

15、的，也有定量或半定量的，多以考慮地下洞室圍巖穩(wěn)定性為主。有定性的，也有定量或半定量的，有單一因素分類，也有考慮多種因素的綜合分類。各種方案所考慮的有單一因素分類，也有考慮多種因素的綜合分類。各種方案所考慮的原則和因素也不盡相同，但巖體的完整性和成層條件、巖塊強度、結(jié)原則和因素也不盡相同，但巖體的完整性和成層條件、巖塊強度、結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況和地下水等因素都不同程度地考慮到了。下面主要介紹構(gòu)面發(fā)育情況和地下水等因素都不同程度地考慮到了。下面主要介紹幾種國內(nèi)外在水工建設(shè)工程中應(yīng)用較廣、影響較大的分類方法。幾種國內(nèi)外在水工建設(shè)工程中應(yīng)用較廣、影響較大的分類方法。 1.4.1 1.4.1 巖體的工程分類巖

16、體的工程分類美國伊利諾斯大學用巖體質(zhì)量指標美國伊利諾斯大學用巖體質(zhì)量指標RQDRQD來表示巖石的完整性。來表示巖石的完整性。采用直徑為采用直徑為75mm75mm的雙層巖心管金剛石鉆進，提取直徑為的雙層巖心管金剛石鉆進，提取直徑為54mm54mm的巖心，的巖心，將長度小于將長度小于10cm10cm的破碎巖心及軟弱物質(zhì)剔除，然后測量大于或等于的破碎巖心及軟弱物質(zhì)剔除，然后測量大于或等于10cm10cm長柱狀巖心的總長度長柱狀巖心的總長度( (L Lp p) )。用這一有效的巖心長度與采集巖心段。用這一有效的巖心長度與采集巖心段的鉆孔總進尺的鉆孔總進尺( (L L) )之比，取其百分數(shù)就是之比，取其

17、百分數(shù)就是RQDRQD。按照按照RQDRQD值大小可把巖石分成五個質(zhì)量等級值大小可把巖石分成五個質(zhì)量等級 按巖體質(zhì)量指標分級按巖體質(zhì)量指標分級：1.4.1 1.4.1 巖體的工程分類巖體的工程分類%100LLRQDp由比尼衛(wèi)斯基（由比尼衛(wèi)斯基（BienawskiBienawski，19731973）提出，后經(jīng)多次修改，于）提出，后經(jīng)多次修改，于19891989年年發(fā)表在發(fā)表在工程巖體分類工程巖體分類一書中。一書中。該分類系統(tǒng)由該分類系統(tǒng)由巖塊強度、巖塊強度、RQDRQD值、節(jié)理間距、節(jié)理條件及地值、節(jié)理間距、節(jié)理條件及地下水下水5 5類指標組成。分類時，根據(jù)各類指標的數(shù)值，按表類指標組成。分類

18、時，根據(jù)各類指標的數(shù)值，按表1-7A1-7A的標準的標準評分，求和得總分評分，求和得總分RMRRMR值。值。然后按表然后按表1-7B1-7B和表和表1-81-8的規(guī)定對總分作適當?shù)男拚?，即再根?jù)的規(guī)定對總分作適當?shù)男拚?，即再根?jù)節(jié)理節(jié)理裂隙的產(chǎn)狀變化裂隙的產(chǎn)狀變化對初值加以修正。最后用修正后的總分對照表對初值加以修正。最后用修正后的總分對照表1-1-7C7C求得所研究巖體的類別及相應(yīng)的無支護地下洞的自穩(wěn)時間和巖體強求得所研究巖體的類別及相應(yīng)的無支護地下洞的自穩(wěn)時間和巖體強度指標（度指標（c,c,）值。）值。 巖體質(zhì)量評分巖體質(zhì)量評分(RMR)(RMR)地質(zhì)力學圍巖分類地質(zhì)力學圍巖分類：1.4.1 1.4.1 巖體的工程分類巖體的工程分類1 1）巖石按堅硬程度分類：）巖石按堅硬程度分類：巖土工程勘察規(guī)范巖土工程勘察規(guī)范（GB50021GB5002120012001）規(guī)定巖石的堅硬程度可按）規(guī)定巖石的堅硬程度可按表表1-91-9分