《岩石力学》课程教学资源（教材讲义）第二章岩石的地质特征及物理性质.doc_大学文库

第二章岩石的地质特征及物理性质2.1概述岩石是一种或多种矿物的集合体，在漫长的地质年代中，由于各种内力和外力地质作用下形成了许多类型的岩石。岩石作为一种特殊的工程材料，它具有特殊的结构和不同于一般固体介质的物理力学性质，是岩石力学研究的主要对象。岩石的特征及其工程性质，在很大程度上决定于它的矿物成分、矿物颗粒的结晶程度、大小和形状、彼此间的组合方式、矿物的排列方式及其填充方式等。岩石的矿物成分和结构特征不同，岩石的类型及其工程性质也会有很大的区别。要了解岩右的物理力学性质，必须了解岩石的物质组成和结构类型。岩石的物质组成和结构类型以及风化程度等各种因素，必然在岩石的轻重、密实程度、软硬等一系列物理性质和状态上有不同的反映。岩石的物理性质又在一定程度上决定了它的力学性质，所以物理性质是岩石的最基本的工程特性。在进行岩石工程设计或施工时，不但要知道岩石的物理性质特征及其变化规律，从而了解各种岩石的特性，而且还必须掌握表示岩石的物理性质的各种指标的测定方法。本章主要介绍岩石的基本构成和地质分类、岩石的质量指标、岩石的孔隙性、岩石的水理性质以及岩石的抗风化指标等。2.2岩石的基本构成和地质分类2.2.1岩石的基本构成岩石(rock或intactrock)是指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元体。这一定义里的显著一词是个比较模糊的说法，一般来说，能明显地将岩石切割开来的分界面叫显著结构面，而包含在岩石块体内结合比较牢固的面如微层面、微裂隙等部属于不显著的结构面。在国内外，有些学者把岩块称为结构体(structural element)、岩石材料(rockmaterial)及完整岩石(intactrock）等等。岩石是自然界中各种矿物的集合体，是天然地质作用的产物，一般而言，大部分新鲜岩石质地均较坚硬致密，孔隙小而少，抗水性强，透水性弱，力学强度高。岩石是构成岩体的基本组成单元。相对于岩体而言，岩石可看作是连续的、均质的、各向同性的介质。但实际上只要稍微深入研究，就不难发现岩石中也存在一些如矿物解理、微裂隙、粒间孔隙、晶格缺陷、晶格边界等内部缺陷，统称为结构面。因此，从微观上看，自然界中的岩石义是一种非均质、非连续的材料。6

6 第二章岩石的地质特征及物理性质 2.1 概述岩石是一种或多种矿物的集合体，在漫长的地质年代中，由于各种内力和外力地质作用下形成了许多类型的岩石。岩石作为一种特殊的工程材料，它具有特殊的结构和不同于一般固体介质的物理力学性质，是岩石力学研究的主要对象。岩石的特征及其工程性质，在很大程度上决定于它的矿物成分、矿物颗粒的结晶程度、大小和形状、彼此间的组合方式、矿物的排列方式及其填充方式等。岩石的矿物成分和结构特征不同，岩石的类型及其工程性质也会有很大的区别。要了解岩石的物理力学性质，必须了解岩石的物质组成和结构类型。岩石的物质组成和结构类型以及风化程度等各种因素，必然在岩石的轻重、密实程度、软硬等一系列物理性质和状态上有不同的反映。岩石的物理性质又在一定程度上决定了它的力学性质，所以物理性质是岩石的最基本的工程特性。在进行岩石工程设计或施工时，不但要知道岩石的物理性质特征及其变化规律，从而了解各种岩石的特性，而且还必须掌握表示岩石的物理性质的各种指标的测定方法。本章主要介绍岩石的基本构成和地质分类、岩石的质量指标、岩石的孔隙性、岩石的水理性质以及岩石的抗风化指标等。 2.2 岩石的基本构成和地质分类 2.2.1 岩石的基本构成岩石(rock 或 intact rock)是指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元体。这一定义里的显著一词是个比较模糊的说法，一般来说，能明显地将岩石切割开来的分界面叫显著结构面，而包含在岩石块体内结合比较牢固的面如微层面、微裂隙等部属于不显著的结构面。在国内外，有些学者把岩块称为结构体(structural element)、岩石材料(rock material)及完整岩石(intact rock)等等。岩石是自然界中各种矿物的集合体，是天然地质作用的产物，一般而言，大部分新鲜岩石质地均较坚硬致密，孔隙小而少，抗水性强，透水性弱，力学强度高。岩石是构成岩体的基本组成单元。相对于岩体而言，岩石可看作是连续的、均质的、各向同性的介质。但实际上只要稍微深入研究，就不难发现岩石中也存在一些如矿物解理、微裂隙、粒间孔隙、晶格缺陷、晶格边界等内部缺陷，统称为结构面。因此，从微观上看，自然界中的岩石又是一种非均质、非连续的材料

岩石的基本构成是由组成岩石的矿物成分和结构两大方面来决定的。组成岩石的矿物称为造岩矿物。矿物是地壳中天然生成的自然元素或化合物，它具有一定的物理性质、化学成分和形态。1岩石的主要造岩矿物地壳上已被发现的矿物有三千多种，但最主要的造岩矿物只有30多种，如石英、长石、辉石、角闪石、云母、方解石、高岭石、绿泥石、石膏、赤铁矿、黄铁矿等。矿物按生成条件可分为原生矿物和次生矿物两大类。原生矿物一般由岩浆岩冷凝生成，如石英、长石、辉石、角闪石、云母等：次生矿物一般由原生矿物经风化作用直接生成，如由长石风化而成的高岭石、由辉石或角闪石风化而成的绿泥石等，或在水溶液中析出生成，如水溶液中析出的方解石CaCO和石膏CaSO·2H2O等。矿物的外表形态有结晶体和非结晶体两种，前者大多呈现规则的几何形状（图2-1），后者则呈现不规则的形状。角闪石辉石斜长石方解石正长石石美图2-1几种主要造岩矿物单个晶体的形态各种矿物有不同的硬度。所谓硬度是指其抵抗外力刻划的能力。通常选定如表2-1中所列的十种矿物，以它们的硬度作为标准定出十个硬度等级，以便把其它矿物与表中所列的矿物相刻划，从而定出矿物的硬度等级。表2-2是几种最主要造岩矿物的特征。表 2-1矿物的硬度等级硬度等级矿物名称野外简易鉴定方法1滑石用软铅笔划时留下条痕，用指甲容易刻划2石膏用指甲可刻划3方解石用黄铜板刻划可留下条痕，用小刀很容易刻划4萤石小刀可刻划5磷灰石用削铅笔刀刻划时可留下明显划痕，不能刻划玻璃6正长石小刀可勉强留下看得见的划痕，能刻划玻璃7石英用小刀不能刻划8黄玉能刻划玻璃，难于刻划石英9刚玉能刻划石英10金刚石能刻划石英岩石中矿物成分会影响岩石的抗风化能力、物理性质和强度特性。7

7 岩石的基本构成是由组成岩石的矿物成分和结构两大方面来决定的。组成岩石的矿物称为造岩矿物。矿物是地壳中天然生成的自然元素或化合物，它具有一定的物理性质、化学成分和形态。 1 岩石的主要造岩矿物地壳上已被发现的矿物有三千多种，但最主要的造岩矿物只有 30 多种，如石英、长石、辉石、角闪石、云母、方解石、高岭石、绿泥石、石膏、赤铁矿、黄铁矿等。矿物按生成条件可分为原生矿物和次生矿物两大类。原生矿物一般由岩浆岩冷凝生成，如石英、长石、辉石、角闪石、云母等；次生矿物一般由原生矿物经风化作用直接生成，如由长石风化而成的高岭石、由辉石或角闪石风化而成的绿泥石等，或在水溶液中析出生成，如水溶液中析出的方解石 CaCO3 和石膏 CaSO•2H2O 等。矿物的外表形态有结晶体和非结晶体两种，前者大多呈现规则的几何形状（图 2-1），后者则呈现不规则的形状。图 2-1 几种主要造岩矿物单个晶体的形态各种矿物有不同的硬度。所谓硬度是指其抵抗外力刻划的能力。通常选定如表 2-1 中所列的十种矿物，以它们的硬度作为标准定出十个硬度等级，以便把其它矿物与表中所列的矿物相刻划，从而定出矿物的硬度等级。表 2-2 是几种最主要造岩矿物的特征。表 2-1 矿物的硬度等级硬度等级矿物名称野外简易鉴定方法 1 滑石用软铅笔划时留下条痕，用指甲容易刻划 2 石膏用指甲可刻划 3 方解石用黄铜板刻划可留下条痕，用小刀很容易刻划 4 萤石小刀可刻划 5 磷灰石用削铅笔刀刻划时可留下明显划痕，不能刻划玻璃 6 正长石小刀可勉强留下看得见的划痕，能刻划玻璃 7 石英用小刀不能刻划 8 黄玉能刻划玻璃，难于刻划石英 9 刚玉能刻划石英 10 金刚石能刻划石英岩石中矿物成分会影响岩石的抗风化能力、物理性质和强度特性

矿物成分的相对稳定性对岩石的抗分化能力有显著的影响，各矿物的相对稳定性主要与其化学成分、结晶特征及形成条件有关。基性和超基性岩石主要是由易于风化的橄榄石、辉石及基性斜长石组成，所以非常容易风化。酸性岩石主要由较难风化的石英钾长石、酸性斜长石及少量暗色矿物（多为黑云母）组成，故其抗风化能力比起同样结构的基性岩要高。中性岩则居两者之间，变质岩的风化性状与岩浆岩类似。沉积岩主要由风化产物组成，大多数为原来岩石中较难风化的碎屑物或是在风化和沉积过程中新生成的化学沉积物，因此，他们在风化作用中的稳定性一般都较高。但是，矿物成分并不是决定岩石风化性状的惟一因素。因为岩石的形状还取决于岩石的结构和构造特征，所以不能将矿物抗风化的稳定性与岩石的抗风化性等同起来。表2-2最主要造岩矿物特征表编矿物名颜色光泽形状硬度解理比其它特征重号称块状、六方柱晶面有平行条石英无无色、乳白色玻璃、油脂72.6~2.71状纹，贝壳状断口玫瑰色、肉红正长石玻璃完全2柱状、板状62.3~2.6两组晶面正交色3斜长石灰白色玻璃6完全柱状、板状2.6~2.8两组晶面斜交辉石短柱状深褐色、黑色玻璃5~6完全2.9~3.6A角闪石5.5~6完全5针状、长柱状深绿色、黑色玻璃2.8~3.61三组完乳白色玻璃方解石菱形六面体3滴稀盐酸起泡2.6~2.86全透明之半透明，云母薄片状7银灰色、黑色珍珠、玻璃2~3极完全2.7~3.2薄片具有弹性半透明，鳞片无绿泥石鳞片状草绿色珍珠、玻璃2~2.5完全82.6~2.9弹性土状断口，吸水鳞片状暗淡1无o高岭石白色、淡黄色2.5~2.6膨胀滑粘易溶解于水产生10石膏玻璃、丝绢2完全纤维状、板状白色2.2~2.4大量SO4注：解理是指矿物受外力作用后沿一定方向裂开成光滑平面（解理面）的性能：断口是指矿物受外力作用后不沿一定方向破裂时断开的形态。通常将造岩矿物分为非常稳定的、稳定的、较稳定的和不稳定的四类，按其稳定性顺序列于表2-3。8

8 矿物成分的相对稳定性对岩石的抗分化能力有显著的影响，各矿物的相对稳定性主要与其化学成分、结晶特征及形成条件有关。基性和超基性岩石主要是由易于风化的橄榄石、辉石及基性斜长石组成，所以非常容易风化。酸性岩石主要由较难风化的石英、钾长石、酸性斜长石及少量暗色矿物（多为黑云母）组成，故其抗风化能力比起同样结构的基性岩要高。中性岩则居两者之间，变质岩的风化性状与岩浆岩类似。沉积岩主要由风化产物组成，大多数为原来岩石中较难风化的碎屑物或是在风化和沉积过程中新生成的化学沉积物，因此，他们在风化作用中的稳定性一般都较高。但是，矿物成分并不是决定岩石风化性状的惟一因素。因为岩石的形状还取决于岩石的结构和构造特征，所以不能将矿物抗风化的稳定性与岩石的抗风化性等同起来。表 2-2 最主要造岩矿物特征表编号矿物名称形状颜色光泽硬度解理比重其它特征 1 石英块状、六方柱状无色、乳白色玻璃、油脂 7 无 2.6~2.7 晶面有平行条纹，贝壳状断口 2 正长石柱状、板状玫瑰色、肉红色玻璃 6 完全 2.3~2.6 两组晶面正交 3 斜长石柱状、板状灰白色玻璃 6 完全 2.6~2.8 两组晶面斜交 4 辉石短柱状深褐色、黑色玻璃 5~6 完全 2.9~3.6 5 角闪石针状、长柱状深绿色、黑色玻璃 5.5~6 完全 2.8~3.6 6 方解石菱形六面体乳白色玻璃 3 三组完全 2.6~2.8 滴稀盐酸起泡 7 云母薄片状银灰色、黑色珍珠、玻璃 2~3 极完全 2.7~3.2 透明之半透明，薄片具有弹性 8 绿泥石鳞片状草绿色珍珠、玻璃 2~2.5 完全 2.6~2.9 半透明，鳞片无弹性 9 高岭石鳞片状白色、淡黄色暗淡 1 无 2.5~2.6 土状断口，吸水膨胀滑粘 10 石膏纤维状、板状白色玻璃、丝绢 2 完全 2.2~2.4 易溶解于水产生大量 SO4 - 注：解理是指矿物受外力作用后沿一定方向裂开成光滑平面（解理面）的性能；断口是指矿物受外力作用后不沿一定方向破裂时断开的形态。通常将造岩矿物分为非常稳定的、稳定的、较稳定的和不稳定的四类，按其稳定性顺序列于表 2-3

新鲜岩石的力学性质主要取决于岩石的矿物成分和颗粒之间的连结。对于具有结晶连结的岩石，其矿物成分的影响要大一些。另外，岩石中矿物的坚硬程度和岩石的强度是两个既有联系而又不同的概念。例如，即使组成岩石的矿物都是坚硬的，岩石的强度也不见得一定是高的，因为矿物之间的连结可能是弱的。岩石中某些易溶物、粘土矿物、特殊矿物的存在，常使岩石物理力学性质复杂化。例如，石膏、芒硝、岩盐、钾盐等在水的作用下易被溶蚀，从而使岩石的空隙度增大，结构变松，强度降低。粘土岩石中的蒙脱石遇水膨胀且强度降低。表2-3主要造岩矿物抗风化相对稳定性抗风化非常稳定的稳定的较稳定的不稳定的稳定性锆白正钠酸性角黑基性橄黄石辉矿物霞长长云长斜长闪云斜长榄铁名称英石石石石母母石石石石石矿2常见的岩石结构类型岩石的主要特征包括矿物成分、结构和构造三方面。岩石的结构是指岩石中矿物（及岩屑）颗粒相互之间的关系，包括颗粒的大小、形状、排列、结构连结特点及岩石中的微结构面。其中，以结构连结和岩石中的微结构面对岩石工程性质影响最大。岩石中的构造则是由岩石中矿物排列方式及填充方式决定的。不同类型的岩石，由于它们生成的地质环境和条件的不同，就产生了各种不同的结构和构造。岩石中结构连结类型主要有两种，分别为结晶连结和胶结连结。(1）结晶连结岩石中矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，这种连结使晶体颗粒之间紧密接触，故岩石强度一般较大，但随结构的不同而有一定的差异，如在岩浆岩和变质岩中，等粒结晶结构一般比非等粒结晶结构的强度大，抗风化能力强。在等粒结构中，细粒结晶结构比粗粒的强度高。在斑状结构中，细粒基质比玻璃基质的强度高，总之，晶愈细，愈均匀，玻璃质愈少，则强度愈高。(2）胶结连结胶结连结指颗粒与颗粒之间通过胶结物在一起的连结。如沉积碎屑岩，部分粘土岩。这种连结的岩石，其强度主要取决于胶结物及胶结类型。从胶结物来看，硅质、铁质胶结的岩石强度较高，钙质次之，而泥质胶结强度最低。（3）岩石中的微结构面岩石中的微结构面是指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒集合体之间微小的弱面及空隙，它包括矿物的解理、晶格缺陷、晶粒边界、晶粒空隙、微裂隙等。岩石中的微结构面通常很小，但是，它们对岩石工程性质的影响却是很大的。首先，微结构面的存在将大大降低岩石的强度，这是由于这些缺陷的存在，易造成裂隙末端的应力集中，从而9

9 新鲜岩石的力学性质主要取决于岩石的矿物成分和颗粒之间的连结。对于具有结晶连结的岩石，其矿物成分的影响要大一些。另外，岩石中矿物的坚硬程度和岩石的强度是两个既有联系而又不同的概念。例如，即使组成岩石的矿物都是坚硬的，岩石的强度也不见得一定是高的，因为矿物之间的连结可能是弱的。岩石中某些易溶物、粘土矿物、特殊矿物的存在，常使岩石物理力学性质复杂化。例如，石膏、芒硝、岩盐、钾盐等在水的作用下易被溶蚀，从而使岩石的空隙度增大，结构变松，强度降低。粘土岩石中的蒙脱石遇水膨胀且强度降低。表 2-3 主要造岩矿物抗风化相对稳定性抗风化稳定性非常稳定的稳定的较稳定的不稳定的矿物名称石英锆长石白云母正长石钠长石酸性斜长石角闪石辉石黑云母基性斜长石霞石橄榄石黄铁矿 2 常见的岩石结构类型岩石的主要特征包括矿物成分、结构和构造三方面。岩石的结构是指岩石中矿物（及岩屑）颗粒相互之间的关系，包括颗粒的大小、形状、排列、结构连结特点及岩石中的微结构面。其中，以结构连结和岩石中的微结构面对岩石工程性质影响最大。岩石中的构造则是由岩石中矿物排列方式及填充方式决定的。不同类型的岩石，由于它们生成的地质环境和条件的不同，就产生了各种不同的结构和构造。岩石中结构连结类型主要有两种，分别为结晶连结和胶结连结。 (1) 结晶连结岩石中矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，这种连结使晶体颗粒之间紧密接触，故岩石强度一般较大，但随结构的不同而有一定的差异，如在岩浆岩和变质岩中，等粒结晶结构一般比非等粒结晶结构的强度大，抗风化能力强。在等粒结构中，细粒结晶结构比粗粒的强度高。在斑状结构中，细粒基质比玻璃基质的强度高，总之，晶粒愈细，愈均匀，玻璃质愈少，则强度愈高。 (2) 胶结连结胶结连结指颗粒与颗粒之间通过胶结物在一起的连结。如沉积碎屑岩，部分粘土岩。这种连结的岩石，其强度主要取决于胶结物及胶结类型。从胶结物来看，硅质、铁质胶结的岩石强度较高，钙质次之，而泥质胶结强度最低。 (3) 岩石中的微结构面岩石中的微结构面是指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒集合体之间微小的弱面及空隙，它包括矿物的解理、晶格缺陷、晶粒边界、晶粒空隙、微裂隙等。岩石中的微结构面通常很小，但是，它们对岩石工程性质的影响却是很大的。首先，微结构面的存在将大大降低岩石的强度，这是由于这些缺陷的存在，易造成裂隙末端的应力集中，从而

导致裂隙沿末端继续扩展，使岩石的强度降低。其次，缺陷能增大岩石的变形，但仅限于围压较低时，当围压较高时，微裂隙等缺陷将受压闭合，其影响相对减弱。2.2.2岩石的地质成因分类按照地质成因通常把岩石分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。不同成因的岩石具有不同的力学特性，因此了解每种岩石的基本特征，对于分析岩石的工程性质十分有用。1岩浆岩岩浆岩是由岩浆冷凝后形成的岩石，按照冷凝时的地质环境的不同，又可分为深成岩、浅成岩和喷出岩，每一类中又根据成分的不同分出具体的各类，见表2-4。它们在结构上有较大的差异，这种差异往往通过岩石的力学性质反映出来。表 2-4岩浆岩分类简表化学成分含Si、AI为主含Fe、Mg为主基性酸基性酸性中性超基性颜色浅色（浅灰、浅红、浅黄）深色（深灰、绿色、黑色）产状矿物成分含正长石含斜长石不含长石橄榄石、石英、云黑云母、角角闪石、辉辉石、角闪成因及结构辉石母、角闪石闪石、辉石石、黑云母石、橄榄石等粒状，有时为深橄榄岩、辉岩基、斑状，所有矿物花岗岩正长岩闪长岩辉长岩成岩岩株均能用肉眼鉴别斑状（斑晶较大岩脉、浅岩辉绿岩且可分辨出矿物花岗斑岩正长斑岩未遇到岩床、成名称）岩盘玻璃状，有时为粗面岩安山岩玄武岩未遇到细粒斑状，矿物流纹岩熔岩流喷难用肉眼鉴别出火山喷出的堆玻璃状或碎屑状黑耀岩、浮石、火山凝灰岩、火山碎屑岩、火山玻璃积物深成岩岩性较均一，变化较小，岩体结构呈典型的块状结构，结构体多为六面体和八面体。颗粒均匀，多为粗一中粒结构，致密坚硬，空隙较少，力学强度高，透水性较弱，抗水性较强，所以工程地质性质一般比较好。但深成岩的不足点是易风化，风化层厚度较大。浅成岩的成分一般与相应的深成岩相似，但其产状和结构都不相同，多为岩床、岩墙、岩脉等小侵入体，岩体均一性差，岩体结构常呈镶嵌式结构，而岩石多呈斑状结构和均粒一中细粒结构，细粒岩石强度比深成岩高，抗风化能力强，斑状结构岩石则差一10

10 导致裂隙沿末端继续扩展，使岩石的强度降低。其次，缺陷能增大岩石的变形，但仅限于围压较低时，当围压较高时，微裂隙等缺陷将受压闭合，其影响相对减弱。 2.2.2 岩石的地质成因分类按照地质成因通常把岩石分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。不同成因的岩石具有不同的力学特性，因此了解每种岩石的基本特征，对于分析岩石的工程性质十分有用。 1 岩浆岩岩浆岩是由岩浆冷凝后形成的岩石，按照冷凝时的地质环境的不同，又可分为深成岩、浅成岩和喷出岩，每一类中又根据成分的不同分出具体的各类，见表 2-4。它们在结构上有较大的差异，这种差异往往通过岩石的力学性质反映出来。表 2-4 岩浆岩分类简表化学成分含 Si、Al 为主含 Fe、Mg 为主产状酸基性酸性中性基性超基性颜色浅色（浅灰、浅红、浅黄）深色（深灰、绿色、黑色）矿物成分成因及结构含正长石含斜长石不含长石石英、云母、角闪石黑云母、角闪石、辉石角闪石、辉石、黑云母辉石、角闪石、橄榄石橄榄石、辉石深成等粒状，有时为斑状，所有矿物均能用肉眼鉴别花岗岩正长岩闪长岩辉长岩橄榄岩、辉岩岩基、岩株浅成斑状（斑晶较大且可分辨出矿物名称）花岗斑岩正长斑岩玢岩辉绿岩未遇到岩脉、岩床、岩盘喷出玻璃状，有时为细粒斑状，矿物难用肉眼鉴别流纹岩粗面岩安山岩玄武岩未遇到熔岩流玻璃状或碎屑状黑耀岩、浮石、火山凝灰岩、火山碎屑岩、火山玻璃火山喷出的堆积物深成岩岩性较均一，变化较小，岩体结构呈典型的块状结构，结构体多为六面体和八面体。颗粒均匀，多为粗—中粒结构，致密坚硬，空隙较少，力学强度高，透水性较弱，抗水性较强，所以工程地质性质一般比较好。但深成岩的不足点是易风化，风化层厚度较大。浅成岩的成分一般与相应的深成岩相似，但其产状和结构都不相同，多为岩床、岩墙、岩脉等小侵入体，岩体均一性差，岩体结构常呈镶嵌式结构，而岩石多呈斑状结构和均粒—中细粒结构，细粒岩石强度比深成岩高，抗风化能力强，斑状结构岩石则差一

些。与其他类型的岩体相比，浅成岩一般还是较好的，在岩石工程中应尽量加以利用。喷出岩由于喷发时的条件和方式不同，使其组织结构和成分有较大的差异，岩性岩相变化十分复杂。总的来说喷出岩是火山喷出之熔岩流冷凝而成，由于火山喷发的多期性，火山熔岩和火山碎屑往往相间，使喷出岩具类似层状的构造。另外，岩石中含有较多的玻璃及气孔构造、杏仁构造，岩石颗粒很细，多呈致密结构。总之，喷出岩的结构比较复杂，岩性不均一，各向异性显著，岩体的连续性较差，透水性较强，软弱夹层的软弱结构面比较发育，成为控制岩体稳定性的主要因素。2沉积岩沉积岩是由风化剥蚀作用或火山作用形成的物质，在原地或被外力搬运，在适当条件下沉积下来，经胶结和成岩作用而形成的，其矿物成分主要是粘土矿物，碳酸盐和残余的石英长石等，具层理构造，岩性一般具有明显的各向异性，按形成条件及结构特点，又可分为：火山碎屑岩、胶结碎屑岩、粘土岩、化学岩和生物化学岩等，沉积岩的分类见表2-5。表 2-5沉积岩分类简表岩石岩类结构主要亚类及其组成物质分类名称主要由大于100mm的熔岩碎块、火山灰尘等经压密粒径>100mm火山集块岩胶结而成火粒径主要由100~2mm的熔岩碎屑、晶斜、玻屑及其他碎火山角砾岩山100~2mm屑混入物组成碎由50%以上粒径2.00mm由辉圆的砾石经胶结而成类构沉石英砂岩石英含量>90%、长石和岩屑25%、岩屑25%屑粉状结构粒径粉砂岩主要由石英、长石的粉、粘粒及粘主矿物组成岩0.05~0.005mm泥岩主要由高岭石、微晶高岭石及水云母等粘土矿物组成泥质结构粘土岩类粘土质页岩有粘土矿物组成粒径90%、粘土矿物<10%石灰岩化学及生泥灰岩方解石含量75%~50%、粘土矿物25%~50%结晶结构及物化学生物结构白云岩白云石含量90%~100%、方解石<10%岩类白云岩灰质白云岩白云石含量50%~75%、方解石50%~25%11

11 些。与其他类型的岩体相比，浅成岩一般还是较好的，在岩石工程中应尽量加以利用。喷出岩由于喷发时的条件和方式不同，使其组织结构和成分有较大的差异，岩性岩相变化十分复杂。总的来说喷出岩是火山喷出之熔岩流冷凝而成，由于火山喷发的多期性，火山熔岩和火山碎屑往往相间，使喷出岩具类似层状的构造。另外，岩石中含有较多的玻璃及气孔构造、杏仁构造，岩石颗粒很细，多呈致密结构。总之，喷出岩的结构比较复杂，岩性不均一，各向异性显著，岩体的连续性较差，透水性较强，软弱夹层的软弱结构面比较发育，成为控制岩体稳定性的主要因素。 2 沉积岩沉积岩是由风化剥蚀作用或火山作用形成的物质，在原地或被外力搬运，在适当条件下沉积下来，经胶结和成岩作用而形成的，其矿物成分主要是粘土矿物，碳酸盐和残余的石英长石等，具层理构造，岩性一般具有明显的各向异性，按形成条件及结构特点，又可分为：火山碎屑岩、胶结碎屑岩、粘土岩、化学岩和生物化学岩等，沉积岩的分类见表 2-5。表 2-5 沉积岩分类简表岩类结构岩石分类名称主要亚类及其组成物质碎屑岩类火山碎屑岩碎屑结构粒径>100mm 火山集块岩主要由大于 100mm 的熔岩碎块、火山灰尘等经压密胶结而成粒径 100~2mm 火山角砾岩主要由 100~2mm 的熔岩碎屑、晶斜、玻屑及其他碎屑混入物组成粒径2.00mm 砾岩角砾岩有带棱角的胶粒经胶结而成砾岩由辉圆的砾石经胶结而成沉积碎屑岩砂质结构粒径 2.00~0.05mm 砂岩石英砂岩石英含量>90%、长石和岩屑25%、岩屑25% 粉状结构粒径 0.05~0.005mm 粉砂岩主要由石英、长石的粉、粘粒及粘土矿物组成粘土岩类泥质结构粒径90%、粘土矿物<10% 泥灰岩方解石含量 75%~50%、粘土矿物 25%~50% 白云岩白云岩白云石含量 90%~100%、方解石<10% 灰质白云岩白云石含量50%~75%、方解石 50%~25%

3变质岩变质岩是在已有岩石的基础上，经过变质混合作用后形成的岩石。由于温度、压力的不同，则有高温变质、中温变质及低温变质，再加上作用力的不同，又有更多组合的变质混合条件。变质岩的性质与变质作用的特点及原岩的性质有关。其岩石力学性质差别很大，不能一概而论。但大多数常见的变质岩是经过重结晶作用，具有一定的结晶连结，结构较紧密，抗水性较强，空隙较小，透水性弱，强度较高。也有相反的情况，如变质岩中的片理及片麻理，往往使岩石的连结减弱，力学性质呈现各向异性，强度降低。变质岩具体特点见表2-6。表2-6变质岩分类简表岩岩石构造原岩主要亚类及其矿物成分类名称花岗片麻岩：长石、石英、云母为主，其次为片麻状角闪石，有时含有石榴子石中酸性岩浆岩、粘土岩、片麻岩构造角闪石片麻岩：长石、石英、角闪石为主，其粉砂岩、砂岩次为云母，有时含有石榴子石粘土岩、砂岩、中酸性火云母片岩：云母、石英为主，其次有角闪石等片理滑石片岩：滑石、绢云母为主，其次有绿泥石、山岩、超基性岩、白云质片状片岩方解石等泥灰岩状构造岩中基性火山岩、白质泥灰绿泥石片岩：绿泥石、石英为主，其次有滑石、岩方解石等类千枚状以绢云母为主，其次有石英、绿泥石等千枚岩构造粘土岩、粘土质粉砂岩、凝灰岩板状粘土矿物、绢云母、石英、绿泥石、黑云母、板岩构造白云母等大理岩方解石为主，其次有白云石等石灰岩、白云岩块块状状石英岩砂岩、硅质岩方解石为主，有时含有绢云母、白云母等岩构造蛇纹岩蛇纹石、滑石为主，其次有绿泥石、方解石等超基性岩类2.3岩石的基本物理性质与试验方法岩石力学中研究的岩体，是由各种地质作用综合而成的地质体，它具有特殊的结构和不同于一般固体介质的力学性质。为了正确地掌握在外力作用下岩体的变形和破环规律，对岩体的稳定性做出合平实际的分析和评价，首先需要对岩石和岩体的物理力学性质、岩体结构特征有清楚的认识。岩石的基本物理、力学性质是岩体最基本、最重要的性质之一，也是整个岩石力学12

12 3 变质岩变质岩是在已有岩石的基础上，经过变质混合作用后形成的岩石。由于温度、压力的不同，则有高温变质、中温变质及低温变质，再加上作用力的不同，又有更多组合的变质混合条件。变质岩的性质与变质作用的特点及原岩的性质有关。其岩石力学性质差别很大，不能一概而论。但大多数常见的变质岩是经过重结晶作用，具有一定的结晶连结，结构较紧密，抗水性较强，空隙较小，透水性弱，强度较高。也有相反的情况，如变质岩中的片理及片麻理，往往使岩石的连结减弱，力学性质呈现各向异性，强度降低。变质岩具体特点见表 2-6。表 2-6 变质岩分类简表岩类构造岩石名称主要亚类及其矿物成分原岩片理状岩类片麻状构造片麻岩花岗片麻岩：长石、石英、云母为主，其次为角闪石，有时含有石榴子石角闪石片麻岩：长石、石英、角闪石为主，其次为云母，有时含有石榴子石中酸性岩浆岩、粘土岩、粉砂岩、砂岩片状构造片岩云母片岩：云母、石英为主，其次有角闪石等滑石片岩：滑石、绢云母为主，其次有绿泥石、方解石等绿泥石片岩：绿泥石、石英为主，其次有滑石、方解石等粘土岩、砂岩、中酸性火山岩、超基性岩、白云质泥灰岩中基性火山岩、白质泥灰岩千枚状构造千枚岩以绢云母为主，其次有石英、绿泥石等粘土岩、粘土质粉砂岩、板状凝灰岩构造板岩粘土矿物、绢云母、石英、绿泥石、黑云母、白云母等块状岩类块状构造大理岩方解石为主，其次有白云石等石灰岩、白云岩石英岩方解石为主，有时含有绢云母、白云母等砂岩、硅质岩蛇纹岩蛇纹石、滑石为主，其次有绿泥石、方解石等超基性岩 2.3 岩石的基本物理性质与试验方法岩石力学中研究的岩体，是由各种地质作用综合而成的地质体，它具有特殊的结构和不同于一般固体介质的力学性质。为了正确地掌握在外力作用下岩体的变形和破坏规律，对岩体的稳定性做出合乎实际的分析和评价，首先需要对岩石和岩体的物理力学性质、岩体结构特征有清楚的认识。岩石的基本物理、力学性质是岩体最基本、最重要的性质之一，也是整个岩石力学

中研究最早、最充分的部分。用某种数值来描述岩石的某种物理性能，这些数值称为岩石的物理性能指标。在工程上常用到的物理性能指标主要有：容重、比重、孔隙率、渗透系数等。为了测定这些指标，一般都采用钻探的方法获得岩芯，或者直接在天然和人工露头（探槽、探井、探洞）处采集岩块样品，带回实验室在室内进行物理性能测试。采集岩样时应当考虑到它们对所研究地质单元的代表性，并尽可能保持其天然结构。最好使用同一岩样逐次地测定岩石的各种物理性能指标，同一个指标应进行多次重复测试。下面分述岩石的几种主要的物理性质指标。2.3.1岩石的质量指标由于各种岩石所组成的矿物成分、结构构造和成岩条件的不同，岩石的质量指标也差别很大。岩石的质量指标包括岩石的密度、比重以及容重。1岩石的密度岩石的密度是指岩石试件的质量与试件的体积之比，即单位体积内岩石的质量。岩石一般由固相（由矿物、岩屑等组成）、液相（由充填于岩石孔隙中的液体组成）和气相（由孔隙中未被液体充满的剩余体积中的气体组成）所组成。很显然，这三相物质在岩石中所含的比例不同、矿物岩屑的成分不同，将会使密度发生变化。(1）天然密度p天然密度是指岩石在自然条件下，单位体积的质量：p=m/V(g/cm2)(2-1)式中，m一一岩石试件的总质量；V一一该试件的总体积。(2）饱和密度Psat饱和密度是指岩石中的孔隙都被水充填时单位体积的质量：Psar = m, +VPu(g/cm3)(2-2)V式中，m，一一岩石中固体的质量；V—一孔隙的体积；Pw—水的密度。(3）干密度pd干密度是指岩石孔隙中的液体全部被蒸发，试件中仅有固体和气体的状态下，其单位体积的质量：Pa=m,/V（g/cm2)(2-3)以上是三种不同条件下的密度参数。密度测试通常采用称重法。即先测量标准试件13

13 中研究最早、最充分的部分。用某种数值来描述岩石的某种物理性能，这些数值称为岩石的物理性能指标。在工程上常用到的物理性能指标主要有：容重、比重、孔隙率、渗透系数等。为了测定这些指标，一般都采用钻探的方法获得岩芯，或者直接在天然和人工露头（探槽、探井、探洞）处采集岩块样品，带回实验室在室内进行物理性能测试。采集岩样时应当考虑到它们对所研究地质单元的代表性，并尽可能保持其天然结构。最好使用同一岩样逐次地测定岩石的各种物理性能指标，同一个指标应进行多次重复测试。下面分述岩石的几种主要的物理性质指标。 2.3.1 岩石的质量指标由于各种岩石所组成的矿物成分、结构构造和成岩条件的不同，岩石的质量指标也差别很大。岩石的质量指标包括岩石的密度、比重以及容重。 1 岩石的密度岩石的密度是指岩石试件的质量与试件的体积之比，即单位体积内岩石的质量。岩石一般由固相（由矿物、岩屑等组成）、液相（由充填于岩石孔隙中的液体组成）和气相（由孔隙中未被液体充满的剩余体积中的气体组成）所组成。很显然，这三相物质在岩石中所含的比例不同、矿物岩屑的成分不同，将会使密度发生变化。 (1) 天然密度  天然密度是指岩石在自然条件下，单位体积的质量：  = m V （g/cm3） (2-1) 式中，m——岩石试件的总质量； V——该试件的总体积。 (2) 饱和密度  sat 饱和密度是指岩石中的孔隙都被水充填时单位体积的质量： V ms Vv w sat   + = （g/cm3） (2-2) 式中， ms ——岩石中固体的质量； Vv ——孔隙的体积；  w ——水的密度。 (3) 干密度  d 干密度是指岩石孔隙中的液体全部被蒸发，试件中仅有固体和气体的状态下，其单位体积的质量： d = ms V （g/cm3） (2-3) 以上是三种不同条件下的密度参数。密度测试通常采用称重法。即先测量标准试件

15 岩石容重的大小，在一定程度上反映出岩石的力学性质的优劣。通常岩石容重越大，其力学性能越好，反之越差。岩石力学计算中常需用到容重这一指标，通常以  表示天然容重，以 d  和 sat  表示干容重和饱和容重。 3 岩石的比重 G 岩石的干重量除以岩石的实体积（不包括孔隙体积）的单位干容重，与 4℃时纯水的容重 w  之比，即为岩石的比重： s w s V W G  = (2-5) 式中， G ——岩石的比重； Ws ——绝对干燥时体积为 V 的岩石重量； Vs ——岩石的实体体积（不包括孔隙体积）； w  ——水的容重，在 4℃时等于 10kN/m3。与容重的测试相比，岩石的比重测试比较复杂，一般采用比重瓶法求得。首先，将岩石粉碎，并使岩粉通过直径为 0.16mm 的筛网筛选，然后，将其烘干至恒重，称出一定量的岩粉，将岩粉倒入已注入一定量煤油（或纯水）的比重瓶内，摇晃比重瓶将岩粉中的空气排出，静止 4h 后，由于加入岩粉使液面升高，读出其刻度，即加入岩粉后体积的增量；最后，必须测量液体的温度，修正由于液体温度的不同而造成的误差。按要求计算出岩石的比重。岩石的比重取决于组成岩石的矿物的比重。显然，矿物的比重愈大，则岩石的比重也愈大，反之愈小。例如，含有矿物比重较大的基性和超基性岩石，一般具有较大的比重，而含有矿物比重较轻的酸性岩石，一般具有较小的比重。某些岩石的比重见表 2-7。 2.3.2 岩石的孔隙性岩石的孔隙性是反映岩石中孔隙和裂隙发育程度的指标，其计算指标为孔隙率和孔隙比。 1 岩石的孔隙比 e 孔隙比是指岩石试件内各种裂隙、孔隙的体积总和 Vv 与试件内固体矿物颗粒的体积 Vs 之比。即 Vv Vs e = (2-6) 2 岩石的孔隙率 n 孔隙率是指岩石试件内各种裂隙、孔隙的体积总和与岩石试件总体积的比值。即

《岩石力学》课程教学资源（教材讲义）第二章 岩石的地质特征及物理性质

《岩石力学》课程教学资源（教材讲义）第二章岩石的地质特征及物理性质