岩石的物理性质及工程分类

岩石的物理性质及工程分类1.1岩土体的特性1.1.1岩土体是地壳的物质组成。岩体是地壳表层圈层，经建造和改造而形成的具一定组分和结构的地质体。岩(石)体的特性岩石是由矿物的组成的，按成因岩石可划分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。成因类型不一样，差别也很大，因此，工程性质极为多样。1）岩浆岩的性质岩浆岩具有较高的力学强度，可作为各种建筑物良好的地基及天然建筑石料。但各类岩石的工程性质差异很大，如：深成岩具结晶联结，晶粒粗大均匀，孔隙率小、裂隙较不发育，岩块大、整体稳定性好，但值得注意的是这类岩石往往由多种矿物结晶组成，抗风化能力较差，特别是含铁镁质较多的基性岩，则更易风化破碎，故应注意对其风化程度和深度的调查研究。(1)侵入岩：是岩浆在地下缓慢冷凝结晶生成的，矿物结晶良好，颗粒之间连接牢固，多呈块状构造。因此，侵入岩孔隙率低、抗水性强、力学强度及弹性模量高，具有较好的工程性质。常见的侵入岩有花岗岩、闪长岩及辉长岩等。从矿物上看，石英、长石、角闪石及辉石的含量越多，岩石强度越高，云母含量增加使岩石强度降低。从结构上看，晶粒均匀细小的岩石强度高，粗粒结构及斑状结构岩石强度相对较低。(2)喷出岩：是岩浆喷出地表后迅速冷凝生成的，由于地表条件复杂，使喷出岩具有很不相同的地质特征。具有隐晶质结构、致密块状构造的粗面岩、安山岩、玄武岩等，工程性质良好，其强度甚至可大于花岗岩。但当这类岩石具有明显的流纹、气孔构造或含有原生节理时，工程性质变差，孔隙度增加，抗水性降低，力学强度及弹性模量减小。在具体评述岩浆岩的工程性质时，还必须充分考虑它的节理发育程度及风化程度。2）沉积岩的性质碎屑岩的工程地质性质一般较好，但其胶结物的成分和胶结类型影响显著，如硅质基底式胶结的岩石比泥质接触式胶结的岩石强度高、孔隙率小、透水性低等。此外，碎屑的成分、粒度、级配对工程性质也有一定的影响，如石英质的砂岩和砾岩比长石质的砂岩为好。(1)碎屑岩：是碎屑颗粒被胶结构胶结在一起而形成的岩石。它的工程性质主要取决于胶结物成分、胶结方式。从胶结物成分看，按硅质、钙质、铁质、粘土质的顺序，强度依次降低。从胶结方式看，基底式胶结的岩石胶结紧密，强度较高，受胶结物成分控制；孔隙式胶结岩石的工程性质与碎屑颗粒成分、形状及胶结物成分有关，变化很大；接触式胶结岩石的孔隙度大，透水性强，强度低。(2)粘土岩：是工程性质最差的岩石之一。粘土岩强度低、抗水性差、亲水性强。当粘土岩有较多节理、裂隙时，一旦遇水浸泡，工程性质迅速恶化，常产生膨胀、软化或崩解。在常见的三类粘土矿物中，富含蒙脱石的粘土岩工程性质(3)化学岩和生物化学岩：化学岩中最常见的是石灰岩和白云岩类岩石，这类岩石一般情况下工程性质良好。它们具有足够高的强度和弹性模量，有一定的韧性，是较好的建筑材料。但要特别注意它们是否被溶蚀，形成了对工程建筑不利的溶隙和空洞。此外，化学岩中的石膏岩或碳酸盐类岩石中的石膏夹层、石膏成分，工程性质都是很差的。它们强度较低，吸水膨胀，可溶性较大，溶于水后生成有害的硫酸，必须给予足够重视。生物化学岩中常见的煤层及常与之共生的煤系地层，工程性质较差，要注意地下工程中常常遇到的瓦斯问题。3）变质岩的性质变质岩的工程性质与原岩密切相关，往往与原岩的性质相似或相近。一般情况下，由于原岩矿物成分在高温高压下重结晶的结果，岩石的力学强度较变质前相对增高。但是，如果在变质过程中形成某些变质矿物，如滑石、绿泥石、绢云母等，则其力学强度(特别是抗剪强度)会相对降低，抗风化能力变差。动力变质作用形成的变质岩(包括碎裂岩、断层角砾岩、糜棱岩等)的力学强度和抗水性均甚差。(1)具有片理构造的变质岩：片岩、千枚岩及板岩的片理构造发育，工程性质具有各向异性。千枚岩、滑石片岩、绿泥石片岩、石墨片岩等岩石强度低，抗水性很差，特别是沿这些岩石的片理或节理面，抗剪、抗拉强度很低，遇水容易滑动，沿片理、节理容易剥落。片麻岩片理构造不太发育，当石英、正长石含量较多时，工程性质比较好。但是，由于片麻岩多为年代久远的岩石，要注意其受构造运动影响而破碎和风化程度。(2)块状构造变质岩：常见的是石英岩和大理岩，除大理岩微溶于水外，它们都是结晶连接、矿物成分稳定或比较稳定的单矿物岩石。强度高，抗风化能力强。有良好的工程性质。(3)由动力变质作用形成的岩石：由动力地质作用形成的岩石一般较破碎，强度差、裂隙发育，常形成渗水通道和滑动面。1.2物理性质指标1.岩石（体）的基本物理性质岩石和土一样，也是由固体、液体和气体组成的。它的物理性质是指在岩石中三相组分的相对含量不同所表现的物理状态。与工程相关密切的基本物理性质有密度和空隙性。1）岩石的密度岩石密度（rockdensity）是指单位体积内岩石的质量，单位为g/cm3。它是研究岩石风化、岩体稳定性、围岩压力和选取建筑材料等必需的参数。岩石密度又分为颗粒密度和块体密度，常见岩石的密度列于表1-2。（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，含密度大的矿物比较多，岩石颗粒密度也偏大,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，其ρs值多在2.5～2.85g/cm3之间变化；而中性岩浆岩则介于上二者之间。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，等等。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（ρd）、饱和密度（ρsat）、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。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。致密而裂隙不发育的岩石，块体密度与颗粒密度很接近，随着空隙、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。2）岩石的空隙性岩石是有较多缺陷的矿物材料，在矿物间往往留有空隙。同时，由于岩石又经受过多种地质营力作用，往往发育有不同成因的结构面，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的多，即除了空隙外，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。岩石的空隙性对岩块及岩体的水理、热学性质影响很大。一般说来，空隙率愈大，岩块的强度愈低、塑性变形和渗透性愈大，反之亦然。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。当岩体中的空隙被粘土等物质充填时，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。1.2.3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、渗透性、膨胀性及崩解性等。1)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。2)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（Rcw）与干压强度的比值研究表明：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。如粘土岩、泥质胶结的砂岩、砾岩和泥灰岩等岩石，软化性较强，软化系数一般为0.4～0.6，甚至更低。常见岩石的软化系数列于表1-2中，由表可知，岩石的软化系数都小于1.0，说明岩石均具有不同程度的软化性。一般认为，软化系数KR0.75时，岩石的软化性弱，同时也说明岩石抗冻性和抗风化能力强。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。3)岩石的抗冻性岩石抵抗冻融破坏的能力，称为抗冻性。常用冻融系数和质量损失率来表示。冻融系数（Rd）是指岩石试件经反复冻融后的干抗压强度（Rc2）与冻融前干抗压强度（Rc1）之比岩石在冻融作用下强度降低和破坏的原因有二：一是岩石中各组成矿物的体膨胀系数不同，以及在岩石变冷时不同层中温度的强烈不均匀性,因而产生内部应力；二是由于岩石空隙中冻结水的冻胀作用所致。水冻结成冰时，体积增大达9%并产生膨胀压力,使岩石的结构和连结遭受破坏。据研究冻结时岩石中所产生的破坏应力取决于冰的形成速度及其局部压力消散的难易程度间的关系，自由生长的冰晶体向四周的伸展压力是其下限(约0.05Mpa)，而完全封闭体系中的冻结压力,在-22℃温度作用下可达200Mpa，使岩石遭受破坏。4)岩石的膨胀性岩石的膨胀性是指岩石浸水后体积增大的性质。某些含粘土矿物（如蒙脱石、水云母及高岭石）成分的软质岩石，经水化作用后在粘土矿物的晶格内部或细分散颗粒的周围生成结合水溶剂膜（水化膜），并且在相邻近的颗粒间产生楔劈效应，只要楔劈作用力大于结构联结力，岩石显示膨胀性。大多数结晶岩和化学岩是不具有膨胀性的，这是因为岩石中的矿物亲水性小和结构联结力强的缘故。如果岩石中含有绢云母、石墨和绿泥石一类矿物，由于这些矿物结晶具有片状结构的特点，水可能渗进片状层之间，同样产生楔劈效应，有时也会引起岩石体积增大。岩石膨胀大小一般用膨胀力和膨胀率两项指标表示，这些指标可通过室内试验确定。目前国内大多采用土的固结仪和膨胀仪的方法测定岩石的膨胀性。5)岩石的崩解性岩石的崩解性是指岩石与水相互作用时失去粘结性并变成完全丧失强度的松散物质的性能。这种现象是由于水化过程中削弱了岩石内部的结构联络引起的。常见于由可溶盐和粘土质胶结的沉积岩地层中。1.4.1岩体的工程分类岩体工程分类既是工程岩体稳定性分析的基础，也是评价岩体工程地质条件的一个重要途径。岩体工程分类实际上是通过岩体的一些简单和容易实测的指标，把工程地质条件和岩体的力学性质联系起来，并借鉴已建工程设计、施工和处理等方面成功与失败的经验教训，对岩体进行归类的一种工作方法。其目的是通过分类，概括地反映各类工程岩体的质量好坏，预测可能出现的岩体力学问题。为工程设计、加固、建筑物选型和施工方法选择等提供参数和依据。目前国内外已提出的岩体分类方案得到大家共识的有数十种之多，多以考虑地下洞室围岩稳定性为主。有定性的，也有定量或半定量的，有单一因素分类，也有考虑多种因素的综合分类。各种方案所考虑的原则和因素也不尽相同，但岩体的完整性和成层条件、岩块强度、结构面发育情况和地下水等因素都不同程度地考虑到了。以上就是岩石的工程特性。