2-3 岩石力学与工程 岩石物理力学性质 (矿大岩石力学)

2 岩石物理力学性质2.1岩石的基本构成和地质分类一、岩石的地质分类 1.火成岩 主要由高温熔融的岩浆侵入壳或喷出地表冷 凝形成的岩石，亦称岩浆岩。 2.沉积岩 主要由母岩风化剥蚀的产物、火山碎屑物质、 生物遗骸等经过搬运、沉积、固结形成的岩 石。2013-7-22 1

3.变质岩 先以存在的火成岩、沉积岩或变质岩受物理 和化学条件变化的影响改变其结构、构造和 矿物成分而形成的新的岩石。

二、基本构成岩石的基本构成是由组成岩石的矿物质成分和 结构两大方面来决定的。

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1.岩石的主要矿物质成分(1)火成岩的矿物成分 组成火成岩常见的矿物有：长石、石英、云 母、角闪石、辉石、橄榄石、霞石、白榴石、 磁铁矿、磷灰石等十余种，这些矿物约占火 成岩总质量的99%,是火成岩的造矿物(其 中：长石占60%以上，其次是石英)。

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(2)沉积岩的矿物成分 沉积岩中已发现的矿物有160余种，主要矿物 约20种，如石英类、长石类、云母类、粘土矿 物、碳酸盐矿物、硫酸盐矿物以及Fe、Mn、 Al的氧化物和氢氧化物。一般沉积岩仅含5~6 种矿物，多数仅含1~3种。 (3)变质岩的矿物成分 变质岩的矿物成分一方面对原岩有较大的继承 性，另一方面受到变质作用类型和强度的影响， 一些矿物是经变质作用后新生成的矿物 。如： 蛇纹石、滑石 、软玉、硬玉 等。

2.沉积岩的矿物成分与火成岩的区别(1)在沉积岩中几乎看不到火成岩中大量出 现的橄榄石、辉石、角闪石等铁镁矿物和基 性斜长石，而粘土矿物、氧化物矿物、氢氧 化物矿物和碳酸盐矿物大量出现； (2)火成岩中长石多于石英，而沉积岩中石 英多于长石，而且长石中是以钾长石为主， 酸性斜长石次之，其它种类长石罕见。

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3.矿物组成对岩石的物理力学性质影响(1)在许多岩浆岩中，其强度随暗色矿物 的增加而增加； (2)在沉积岩中，砂岩的强度常随石英相 对含量的增加而增大，石灰岩的强度常随 其硅质混合物含量的增加而增大，随粘土 质矿物含量的增加而降低；

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(3)在变质岩中，任何片状的硅酸盐类矿物、 盐岩矿物将使岩石强度降低；(4)易溶和粘土矿物在水的作用下容易被溶 蚀，使岩石的孔隙度增大，结构变松，强度 降低。 (5)一些矿物由于其物态变化，使其体积发 生膨胀和软化，使岩石强度降低。

4.岩石结构类型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、 结构连结及岩石中微结构面(即内部缺陷)。 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。 颗粒的大小、形状、排列 结晶连结 岩石结构 结构连结 胶结连结 微小弱面 微结构面 微小孔隙

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2.2 岩石的物理性质岩石的物理性质是指由岩石固有的物质组成和 结构特征所决定的密度、比重、容重、孔隙率 等基本属性。 2.2.1 岩石的容重1.概念 岩石的容重：也叫岩石的重力密度，即岩石单位体 积(包括岩石内部孔隙体积)的重量。 2.表达式 W (2-1) V 式中γ—岩石容重(kN/m3);W—被测岩样的重量 (kN);V—被测岩样的体积(m3)。2013-7-22 9

3.容重的分类根据岩石的含水状态，将容重又可分为：天 然容重 、干容重 d 和饱和容重 w。 (1)天然容重 :是指岩石在自然条件下， 单位体积的重量。 (2)干容重 d :是指试件在105℃~110℃ 温度烘干24小时的试验条件下，岩石孔隙中 的液体全部被蒸发，试件中仅有固体和气体 时,单位体积的重量。 (3)饱和容重 w:是指试件在浸水48h或抽 真空法，使岩石中的孔隙都被水充填时，单 位体积的重量。2013-7-22 10

四、测定的试验方法测定岩石的容重可根据岩石的性质和岩样形 态采用：量积法、水中称量法或蜡封法等。 1.量积法 (1)适用条件：凡能制备成规则试样的岩石 均宜采用量积法测定其容重。 (2)试验方法：首先测定规则试样的平均断 面积A,平均高度h以及试样的重量G,代入 2-2式即得其容重。G A h2013-7-22

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2.水中称量法 (1)适用条件：对于规则或不规则形状的岩 样都可采用此方法，但对于孔隙率非常发育、 遇水崩解、溶解及干缩湿脹的岩石或岩石干 容重时不能采用此方法。 (2)试验方法：首先称量规则或不规则的岩 样在浸入纯水前的重量W,然后再测出岩样 在纯水中的重量W/,根据阿基米德原理可得出 岩样的体积(V),就可根据(2-3)式得出 该试样的天然容重(γ)或饱和容重。 2013-7-22

W W W /(2-3)12

3.蜡封法 (1)适用条件：本方法适用于不能用量积法或水中称 量法测定其容重的岩石，它既可测出该岩石的干容 重也可测出其天然容重。 (2)试验方法：首先选取岩样在105℃~110℃温度 下烘干24小时，取出，系上细线，称岩样重量 g s , 持细线将岩样缓慢浸入刚过熔点的蜡溶液中，浸后 立即取出，检查试样周围的蜡膜，若有气泡应用针 g1 刺破，再用蜡液补平，待试件冷却后称取其重量 ， 然后将蜡封岩样浸没于纯水中称其重量g 2 ,则岩石的 干容重 d 为： gs d (2-4) g gg1 g 2 1 s

式中，n ——为蜡的容重(kN/m3)。2013-7-22 13

n

2.2.2

岩石的密度1.概念 岩石的密度：即单位体积内岩石的质量。 2.计算关系式m V

(2-6)

式中ρ——岩石密度(kg/m3);W——被测岩样 的质量(kg);V——被测岩样的体积(m3)。 3.容重和岩石密度的关系W mg g V V2013-7-22

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2.2.3 岩石的比重 岩石的比重是岩石固体部分的重量和4℃时 同体积纯水重量的比值，即：Ws Gs Vs w

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式中，Gs 为岩石的比重；Ws 为体积为V的岩 石固体部分的重量(kN);Vs为岩石固体 部分(不包括孔隙)的体积(m3); w 为 4℃时单位体积纯水的重量(kN/m3)。

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2.2.4岩石的孔隙性天然岩石中包含着数量不等，成因各异的孔隙和裂 隙，是岩石的重要结构特征之一。孔隙和裂隙对岩 石力学性质的影响基本一致，在工程实践中很难将 二者分开，因此将它们统称为岩石的孔隙性。岩石 的孔隙性通常用孔隙率n表示。 1.岩石的孔隙率 是指岩石孔隙的体积(Vv)与岩石总体积(V)的比 值，以百分数表示。其公式为：Vv n 100% V2013-7-22

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