岩石的端阻特征值怎么算

岩石的物理性质_工程地质认识与分

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、岩石的基本物理性质

（一）岩石的密度

岩石密度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

1．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，多在2．5～2．85g／cm³之间；而中性岩浆岩则介于上述二者之间。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。

岩石的颗粒密度属实测指标，常用比重瓶法进行测定。

2．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（ρ_d）、饱和密度（ρ_sat）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：

式中：

m _s——岩石试件的干质量；

　m _sat——岩石试件的饱和质量；

　m——岩石试件的天然质量；

　V——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。致密且裂隙不发育的岩石，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。同时，由于岩石经受过多种地质作用，还发育有各种成因的裂隙，如原生裂隙、风化裂隙及构造裂隙等。所以，岩石的空隙性比土复杂得多，即其除了具有孔隙外，还有裂隙存在。另外，岩石中的空隙有些部分往往是互不连通的，而且与大气也不相通。因此，岩石中的空隙有开型空隙和闭空隙之分，开型空隙按其开启程度又有大、小开型空隙之分。与此相对应，可把岩石的空隙率分为总空隙率（n）、总开空隙率（n₀）、大开空隙率（n _b）、小开空隙率（n _a）和闭空隙率（n _c）几种，各自的含义如下：

式中：V _v——岩石中空隙的总体积；

　V _v0——岩石中空隙的总开空隙体积；

　V _vb——岩石中空隙的大开空隙体积；

　V _va——岩石中空隙的小开空隙体积；

　V _vc——岩石中空隙的闭空隙体积；其他符号意义同前。

一般提到的岩石空隙率系指总空隙率，其大小受岩石的成因、时代、后期改造及其埋深的影响，变化范围很大。岩石的空隙性对岩块及岩体的水理、热学性质及力学性质影响很大。一般来说，空隙率愈大，岩块的强度愈小，塑性变形和渗透性愈大。同时岩石由于空隙的存在，使之更易遭受各种风化营力作用，导致岩石的工程地质性质进一步恶化。对可溶性岩石来说，空隙率大，可以增强岩体中地下水的循环与联系，使岩溶更加发育，从而降低了岩石的力学强度并增强其透水性。当岩体中的空隙被黏土等物质充填时，则又会给工程建设带来诸如泥化夹层或夹泥层等岩体力学问题。因此，对岩石空隙性的全面研究，是岩体力学研究的基本内容之一。

二、岩石的水理性质

岩石在水溶液作用下表现出来的性质，称为水理性质。主要有吸水性、软化性、抗冻性及透水性等。

（一）岩石的吸水性

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。常用吸水率、饱和吸水率与饱水系数等指标表示。

1．吸水率

岩石的吸水率（W _a）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（m _w1）与岩样干质量（m _s）之比，用百分数表示，即：

测时先将岩样烘干并称干质量，然后浸水饱和。由于试验是在常温常压下进行的，岩石浸水时，水只能进入大开空隙，而小开空隙和闭空隙水不能进入。因此可用吸水率来计算岩石的大开空隙率（n _b），即：

式中：ρ_w——水的密度，取ρ_w＝1g／cm³。

岩石的吸水率大小主要取决于岩石中孔隙和裂隙的数量、大小及其开启程度，同时还受到岩石成因、时代及岩性的影响。大部分岩浆岩和变质岩的吸水率为0．1%～2．0%，沉积岩的吸水性较强，其吸水率多为0．2%～7．0%。

2．饱和吸水率

岩石的饱和吸水率（W _p）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（m _w2）与岩样干质量（m _s）之比，用百分数表示，即：

在高压（或真空）条件下，一般认为水能进入所有开空隙中，因此岩石的总开空隙率可表示为：

岩石的饱和吸水率也是表示岩石物理性质的一个重要指标。由于它反映了岩石总开空隙的发育程度，因此亦可间接地用它来判定岩石的抗风化能力和抗冻性。常见岩石的饱和吸水率见表3-2。

表3-2　几种岩石的渗透系数值

3．饱水系数

岩石的吸水率（W _a）与饱和吸水率（W _p）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。一般来说，饱水系数愈大，岩石中的大开空隙相对愈多，而小开空隙相对愈少。另外，饱水系数大，说明常压下吸水后余留的空隙就愈少，岩石愈易被冻胀破坏，因而其抗冻性差。

（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，用软化系数（KR）表示。KR定义为岩石试件的饱和抗压强度（σ_cw）与干抗压强度（σ_c）的比值，即：

显然，K _R愈小则岩石软化性愈强。研究表明：岩石的软化性取决于岩石的矿物组成与空隙性。当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。如黏土岩、泥质胶结的砂岩、砾岩和泥灰岩等岩石，软化性较强，其软化系数一般为0．4～0．6。当软化系数K _R＞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K _R＜0．75的岩石则是软化性较强和工程地质性质较差的岩石。

软化系数是评价岩石力学性质的重要指标，特别是在水工建设中，对评价坝基岩体稳定性时具有重要意义。

（三）岩石的抗冻性

岩石抵抗冻融破坏的能力，称为抗冻性。常用抗冻系数和质量损失率来表示。抗冻系数（R _d）是指岩石试件经反复冻融后的干抗压强度（σ_c2）与冻融前干抗压强度（σ_c1）之比，用百分数表示，即：

质量损失率（K m）是指冻融试验前后干质量之差（m _s1-m _s2）与试验前干质量（m_s1）之比，用百分数表示，即：

试验时，要求先将岩石试件浸水饱和，然后在-20℃～20℃温度下反复冻融25次以上。冻融次数和温度可根据工程地区的气候条件选定。

岩石的抗冻性取决于造岩矿物的热物理性质和强度、粒间连结、开空隙的发育情况以及含水率等因素。由坚硬矿物组成，且具强的结晶联结的致密状岩石，其抗冻性较高。反之，则抗冻性低。一般认为Rd＞75%，Km＜2%时，为抗冻性高的岩石；另外，W a＜5%、KR＞0．75和饱水系数小于0．8的岩石，其抗冻性也相当高。

（四）岩石的透水性

在一定的水力梯度或压力差作用下，岩石能被水透过的性质，称为透水性。渗透系数是表征岩石透水性的重要指标，其大小取决于岩石中空隙的数量、规模及连通情况等，并可在室内根据达西定律测定。某些岩石的渗透系数见表3-2，由该表可知：岩石的渗透性一般都很小，远小于相应岩体的透水性，新鲜致密岩石的渗透系数一般小于10^-7 cm／s。同一种岩石，有裂隙发育时，渗透系数急剧增大，一般比新鲜岩石大4～6个数量级，说明空隙性对岩石透水性的影响是很大的。

应当指出，对裂隙岩体来说，不仅其透水性远比岩块大，而且水在岩体中的渗流规律也比达西定律所表达的线性渗流规律要复杂得多。因此，达西定律在多数情况下不适用于裂隙岩体，必须用裂隙岩体渗流理论来解决其水力学问题。

三、岩石的热学性质

岩石的热学性质，在诸如深埋隧洞、高寒地区及地温异常地区的工程建设、地热开发以及核废料处理和石质文物保护中都具有重要的实际意义。在岩体力学中，常用的热学性质指标有比热容、导热系数、热扩散率和热膨胀系数等。

（一）岩石的比热容

在岩石内部及其与外界进行热交换时，岩石吸收热能的能力，称为岩石的热容性。根据热力学第一定律，外界传导给岩石的热量（ΔQ），消耗在内部热能改变（温度上升）ΔE和引起岩石膨胀所做的功（A）上，在传导过程中热量的传入与消耗总是平衡的，即ΔQ＝ΔE＋A。对岩石来说，消耗在岩石膨胀上的热能与消耗在内能改变上的热能相比是微小的，这时传导给岩石的热量主要用于岩石升温上。因此，如果设岩石由温度T 1升高至T 2所需要的热量为ΔQ，则：

ΔQ＝cm（T ₂-T ₁）　　　（3-16）

式中：m——岩石的质量；

　c——岩石的比热容，J／（kg·K），其含义为使单位质量岩石的温度升高1K（开尔文）时所需要的热量。

（二）岩石的导热系数

岩石传导热量的能力，称为热传导性，常用导热系数表示。根据热力学第二定律，物体内的热量通过热传导作用不断地从高温点向低温点流动，使物体内温度逐步均一化。设面积为A的平面上，温度仅沿x方向变化，这时通过A的热流量（Q）与温度梯度dT／dx及时间dt成正比，即：

式中：k——导热系数，W／（m·K），含义为当dT／dx等于1时单位时间内通过单位面积岩石的热量。

（三）岩石的热膨胀系数

岩石在温度升高时体积膨胀，温度降低时体积收缩的性质，称为岩石的热膨胀性，用线膨胀（收缩）系数或体膨胀（收缩）系数表示。

当岩石试件的温度从T ₁升高至T ₂时，由于膨胀使试件伸长Δl，伸长量Δl用下式表示：

Δl＝αl（T ₂-T ₁）　　　（3-18）

式中：α——线膨胀系数，K^-1；

　l——岩石试件的初始长度。

由式（3-18）可得：

岩石的体膨胀系数大致为线膨胀系数的3倍。多数岩石的线膨胀系数为0．3×10^-3～3×10^-3K^-1。另外，层状岩石具有热膨胀各向异性，同时岩石的线膨胀系数和体膨胀系数都随压力的增大而降低。

（四）温度对岩石特性的影响

温度对岩石特性的影响主要包括两方面：一是温度对岩体力学性质的影响；二是由于温度变化引起的热应力的影响。目前，这方面的研究刚起步。在国内，由于液化天然气的代储存、复杂地质条件下的冻结施工及核废料处理等工程的需要，温度的影响问题已逐渐被人们重视。

岩石在低温条件下，总的来说，其力学性质都有不同程度的改善，各种岩石的抗压强度与变形模量随温度降低而逐渐提高。但其改善的程度则取决于冻结温度、岩石的空隙性及其力学性质。

在高温条件下，岩石特性甚至有某些化学上的变化，目前这方面的研究还很少。就已有的资料来看，岩石的抗压强度（σ_c）和变形模量（E）均随温度升高而逐渐降低（表3-3）。

表3-3　围压16MPa下，不同温度对大理岩特性的影响

注：σ_c（t）为t℃时岩石的饱和单轴抗压强度；σ₀（20℃）为20℃时岩石的饱和单轴抗压强度；σ_1m（t）为t℃时岩石的干单轴抗压强度；σ_2m（20℃）为20℃时岩石的干单轴抗压强度。