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1、1.1.1 岩石岩石工程岩石力学的研究对象是岩石。岩石是构成地壳的基本材 料，是经过地质作用而天然形成的（一种或多种）矿物集合体。 岩石通常按地质成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩等三种类型， 左图为三类岩石的部分岩体。 a、岩浆岩岩浆岩是岩浆冷凝而形成的岩石， 绝大多数岩浆岩是由结 晶矿物所组成，由于组成它的各种矿物化学成分和物理性质较为 稳定，它们之间的联结是牢固的，因此岩浆岩通常具有较高的力 学强度和均质性。工程中常遇到的岩浆岩有花岗岩、玄武岩等。b、沉积岩沉积岩是母岩（岩浆岩、变质岩和早已形成的沉积岩）经风 化剥蚀而产生的物质在地表经搬运沉积和硬结成岩作用而形成的 岩石组成。 沉积岩的主要
2、物质成分为颗粒和胶结构。颗粒包括各种不同 形状及大小的岩屑及某些矿物；胶结物常见的成分有钙质、硅质、 铁质以及泥质等。沉积岩的物理力学性质不仅与矿物和岩屑有关， 而且也与胶结物性质有关。沉积岩具有层理构造，这使得它的物 理力学性质具有方向性。工程建设中常见的沉积岩有灰岩、砂岩、 页岩等。c、变质岩变质岩是由岩浆岩、沉积岩甚至变质岩在地壳中受到高温、 高压及化学活动性流体的影响下发生变质而形成的岩石。它在矿 物成份、结构构造上具有变质过程中产生的特征，也常常残留有 原岩的某些特点。因此，变质岩的物理力学性质不仅与原岩的性 质有关，而且与变质作用的性质及变质程度有关。工程建设中常 见的变质岩类有大
3、理岩、片麻岩、板岩等。 岩石是自然历史的产物，由于它们的生成条件及在生成以后 的漫长地质历史时期中，形成了许多各式各样的结构面，例如岩 浆侵入岩与围岩接触面，不同侵入岩体彼此的接触面、冷凝裂隙， 喷出岩和沉积岩的层理、不整合面，变质岩的片理、片麻理，组 成各种岩石的矿物晶体的各种优势定向排列面以及由于地质构造 运动、风化、重力和卸荷等各种不同动力的作用而产生的断层、节理、裂隙等。它们严重地破坏了岩石的完整性。在这种情况下， 对岩体工程的安危起主要控制作用的，通常不再是被各种结构面 分割的岩石块体，而主要是岩体中存在的结构面，或者是由岩石 和结构面共同控制。在岩石力学中常用到“岩块”、“岩体”、
4、 “岩石”等术语，一般地被结构面切割成的岩石块体或从地壳岩 层中切取出来的无显著软弱面的岩石块体称为岩块，而把自然埋 藏条件下的大范围分布的由岩块和各种结构面（软弱面）网络组 成的地质体称为岩体。岩石则是“岩块”和“岩体”的统称。 1.1.2 岩石的结构特征岩石的结构特征岩石的结构包括两个基本要素：结构面结构面和结构体结构体。结构面就是岩体内具有一定方向性、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） 结构体则是被不同层状结构组合切割形成大小不 一形态各异的单元岩块。 图 1.1.1a图 1.1.1b 在不同类型的岩体中，结构面的切割形单元有不同的几
5、何形 状，如图 1.1.1 所示为单元岩块的主要形状。图 1.1.1c图 1.1.2 为岩体的结构型式。 1-节理；2-层理；3-断层；4-断层破碎带 (a)整体结构；(b)块状结构；(c)层状结构；(d)薄层状结构；(e)镶嵌结构；(f)层状破坏结构； (g)破裂结构；(h)散粒结构图 1.1.2岩体结构的基本类型岩体结构类别岩体结构类别地质背景地质背景结构面特征结构面特征结构体特征结构体特征整体结构岩性单一、构造变形轻 微的巨厚层沉积岩、变 质岩和火山溶岩、火成 侵入岩结构面少，一般不超过三组， 延续性极差，多呈闭合状态， 无填充或含少量碎屑巨型块状整体块状结构块状结构岩性较单一，受轻微构
6、 造作用的厚层沉积岩和 变质岩、火成岩侵入体结构面一般 2-3 组，裂隙延 续性极差，多呈闭合状态。 层面有一定的结合力块状、菱形块状层状结构受构造破坏或较轻的中 厚层(大于 30cm)岩体结构面 2-3 组，以层面为主， 有时也有软弱夹层或层间错 动面，其延续性较好，层间 结合力较差块状、柱状、厚板状层状结构薄层状结构厚度小于 30cm，在构造 层理、片理发达，原生软弱板状、薄板状作用下发生强烈褶曲和 层间错动夹层、层间错动和小断层不 时出现。结构面多为泥膜、 碎屑和泥质充填镶嵌结构一般发育于脆硬岩层中， 结构组数较多，密度较 大以规模不大的结构面为主， 但组数多，密度大，延续性 差，闭合无
7、填充或充填少量 碎屑形状不规则，但菱角 显著层状碎裂结构受构造裂隙切割的层状 岩体以层面、软弱夹层、层间错 动面等为主，构造裂隙甚发 达以碎块状、板状、短 柱状为主碎裂结构碎裂结构岩性复杂，构造破碎较 强烈，弱风化带延续性差的结构面，密度大， 相互交切碎屑和大小不等的岩 块。形状多种，不规 则散体结构构造破碎带、强烈的风 化带裂隙和节理很发达，无规则岩屑、碎片、碎块、 岩粉1.2.1 岩石的不连续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。在这里着重讨论岩石裂隙性的情况，通常采用率作为定量评价岩石被裂隙切割
8、后破碎程度的指标。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(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： 式中，Kd - 单向裂隙(m)d - 结构面间平均间距(m)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 - 被测量的岩石总面积(m ) 图 1.2.1 岩石裂隙示意图 裂隙率愈大，表明岩石愈破碎、强度愈低透水性愈大，且易被风化产物所充填，形成软弱结构面，酿 成工程隐患。
9、 图 1.2.1 1.2.2 岩石的不均匀性岩石的不均匀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, -各观测值xi 的算术平均值。-标准差估计值。式中, N - 试验观测点(次)数。 1.2.3 岩石的各向异性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
10、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。表 1.2.1 为某些岩石室内静力试验的结果。 表 1.2.1 某些岩石室内静力试验的结果岩石种类细砂岩1.010.930.150.520.970.911.211.09 中砂岩0.930.800.831.831.260.951.451.28 粗砂岩0.891.081.200.801.201.180.97 石英砂岩0.931.17-石灰岩0.910.72- 片麻岩0.910.63- 页 岩0.981.56-注注 表中和指测试时加荷方向与结构面相垂直或相平行。 1.3.1 岩石的容重岩石的容重岩石单位体积(包括
11、岩石孔隙体积)的重力，称为岩石的容重。根据试样的含水情况不同，岩石容重可 分为干容重(d)、湿容重()(或天然容重)和饱和容重()，一般未说明含水状态时，是指湿容重。 岩石容重用下式计算：式中，容重(KN/m )W岩石重力(KN) V岩石体积(m ) 岩石容重取决于组成岩石的矿物成分、孔隙大小及含水的多少，岩石容重在一定程度上反映出岩石的 力学性质。通常，岩石的容重愈大，它的性质就愈好。图 1.3.1a 绘出了碳酸盐类岩石的单轴抗压强度与容重的相关关系。 图 1.3.1a 1.3.2 岩石的比重、孔隙率岩石的比重、孔隙率a、岩石比重 岩石的比重就是指岩石的干比重除以岩石实体体积(不包括孔隙)，
12、再与 4时水的容重相比，即：式中，Gs岩石比重 Ws绝对干燥时体积为 V 的岩石重力(KN)Vs岩石实体(不包括孔隙)体积(m ) w在 4时水的容重，w10(KN/m )b、孔隙率岩石内孔隙体积与总体积(包括孔隙体积)之比，计算式为：根据岩石干容重 d和比重 Gs，也可以用下式计算：式中, n孔隙率,以百分数表示Vv孔隙、裂隙体积(m )V岩样总体积(m )图 1.3.1b 碳酸盐类岩石的抗压强度与孔隙率的关系。 图 1.3.1b 描述岩体孔隙性的另一个指标，孔隙比 。它是岩石孔隙体积与岩石实体体积之比，即:一些主要岩石的物理性质岩石名称比重密度 （g/cm ）孔隙率 （%）吸水率 （%）花
13、岗岩2.502.842.302.800.043.530.21.7 花岗闪长岩2.652.651.51.81.51.8 闪长岩2.603.102.522.960.253.00.180.40 正长岩2.502.902.402.850.471.94 辉长岩2.703.202.552.980.293.13流纹斑岩2.622.652.582.510.92.300.140.35 流纹岩2.652.602.65粗面岩2.402.702.302.67安山岩2.402.802.302.751.092.19闪长玢岩2.662.842.492.782.15.10.41.0 斑岩2.622.842.202.740.2
14、92.75玢岩2.602.902.402.86辉绿岩2.603.102.532.970.406.380.201.0 玄武岩2.503.102.533.100.353.00.390.80 橄榄岩2.903.402.903.40霏细岩2.662.842.622.781.592.230.180.35岩 浆岩 响岩2.402.702.402.70火山角砾岩2.503.002.202.90安山凝灰岩2.682.584.590.55 粗面凝灰岩25.07 火山碎屑岩凝灰质熔岩2.872.64 3.35 硅质砾岩2.642.772.422.700.404.100.164.40 石英砾岩2.672.712.6
15、00.349.3钙质胶结砾岩2.422.66粘土质胶结砾岩2.20 石英砂岩2.642.772.422.771.049.300.144.10 硅质胶结砂岩2.50 泥质胶结砂岩2.602.702.202.605.0020.01.009.00 页 岩2.572.772.302.467.59砂质钙质页岩2.472.602.007.002.306.00 灰质页岩2.652.70致密石灰岩2.702.802.602.771.003.50.203.00 白云质灰岩2.752.702.751.643.220.500.66沉积岩 泥质灰岩2.702.752.452.651.003.002.004.00 片麻
16、岩(新鲜)2.692.822.652.790.702.200.100.70 花岗片麻岩(强风化) 2.302.50石英、角闪石片岩2.723.022.682.920.703.000.100.30 云母、绿泥石片岩2.752.832.692.760.802.100.100.60变硅质板岩2.742.812.712.750.303.800.70泥质板岩2.682.772.312.752.513.5千枚岩2.812.962.712.860.500.80 石英岩2.702.752.652.750.502.800.100.40 白云岩2.782.700.325质岩 大理岩2.702.872.700.161.4.1 岩石的含水量岩石的含水量岩
