第 1章 岩石的物理性质华北水利水电学院岩土工程系岩石力学课程组
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。
1.1 岩土体的特性,
第 1章 岩石的物理性质
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 ；
粘土岩和页岩的性质相近,抗压强度和抗剪强度低,受力后变形量大,
浸水后易软化和泥化 ；
化学岩和生物化学岩抗水性弱,常具不同程度的可溶性 。 常常导致地基和边坡的失稳 。
1.1 岩土体的特性,
第 1章 岩石的物理性质
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 。
变质岩的片理构造 (包括板状,千枚状,片状及片麻状构造 )会使岩石具有各向异性特征,水工建筑中应注意研究其在垂直及平行于片理构造方向上工程性质的变化 。
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 。 岩体在一般情况下是非均质的,各向异性的不连续体 。
1.1 岩土体的特性,
第 1章 岩石的物理性质
岩石的密度岩石密度 （ rock density） 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：
物理性质,
1.2 物理性质指标
颗粒密度
岩石的颗粒密度 （ ρ s） 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。
岩石的颗粒密度属实测指标，常用比重瓶法进行测定。
物理性质,
1.2 物理性质指标
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。
ρ d= （ 1-1）
ρ sat= （ 1-2）
（ 1-3）
物理性质,
1.2 物理性质指标
Vms
Vmsat
Vm
岩石的空隙性
岩石的空隙率分为总空隙率（ n）、总开空隙率（ n0）、大开空隙率
（ nb）、小开空隙率（ na）和闭空隙率 (nc)几种，各自的定义如下：
n= 100%=(1- )100% （ 1-4）
n0= 100% （ 1-5）
nb= 100% （ 1-6）
na= 100%=n0-nb （ 1-7）
nc= 100%=n-n0 （ 1-8）
物理性质,
1.2 物理性质指标
VVV sd
VVV0
VVVb
VVVa
VVVc
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。
(1）吸水率,岩石的吸水率（?a）是指岩石试件在大气压力条件下自由吸入水的质量（ mw1）与岩样干质量（ ms）之比，用百分数表示,岩石的颗粒密度属实测指标，常用比重瓶法进行测定。
岩石的水理性质,
1.2 物理性质指标
%1 0 01
s
Wmm?
饱和吸水率
岩石的饱和吸水率 （?ρ ） 是指岩石在高压 （ 一般压力为 15Mpa） 或真空条件下吸入水的质量 （ mw2） 与岩样干质量 （ ms） 之比,用百分数表示,
岩石的水理性质,
1.2 物理性质指标
p= × 100% （ 1-11）
s
wmm2
在高压（或真空）条件下，总开空隙率可表示为：
n0= × 100%= =ρ d?P （ 1-12）
它反映了岩石总开空隙率的发育程度，因此亦可间接地用它来判定岩石的风化能力和抗冻性。
VVv0 wpd
饱水系数
岩石的吸水率（?a）与饱和吸水率（?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。
一般说来，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。
饱水系数大，说明常压下吸水后余留的空隙就愈少，岩石愈容易被冻胀破坏，因而其抗冻性差。
岩石的水理性质,
1.2 物理性质指标
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，
即：
（ 1-13）
KR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。
岩石的水理性质,
1.2 物理性质指标
c
cwh
R
RK?
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,用百分数表示,
质量损失率（ Km）是指冻融试验前后干质量之差（ ms1-ms2）与试验前干质量（ ms1）之比，以百分数表示即
岩石的水理性质,
1.2 物理性质指标
%100
1
2
c
cd RRR
%100
1
21
s
ssm m mmK
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。
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。
岩石的水理性质,
1.2 物理性质指标
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。
岩石崩解性一般用岩石的耐崩解性指数表示。这项指标可以在实验室 内做干湿循环试验确定。
岩石的水理性质,
1.2 物理性质指标
%1 0 0
01
022 WW WWI d
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。下面主要介绍几种国内外在水工建设工程中应用较广、影响较大的分类方法。
1.3 岩体的工程分类
美国伊利诺斯大学用岩体质量指标 RQD来表示岩石的完整性。
采用直径为 75mm的双层岩心管金刚石钻进，提取直径为 54mm的岩心，
将长度小于 10cm的破碎岩心及软弱物质剔除，然后测量大于或等于
10cm长柱状岩心的总长度 (Lp)。用这一有效的岩心长度与采集岩心段的钻孔总进尺 (L)之比，取其百分数就是 RQD。
按照 RQD值大小可把岩石分成五个质量等级
按岩体质量指标分级,
1.3 岩体的工程分类
%1 0 0 LLR Q D p
由比尼卫斯基 （ Bienawski,1973） 提出,后经多次修改,于 1989年发表在,工程岩体分类,一书中 。
该分类系统由岩块强度,RQD值,节理间距,节理条件及地下水 5类指标组成 。 分类时,根据各类指标的数值,按表 1-7A的标准评分,求和得总分 RMR值 。
然后按表 1-7B和表 1-8的规定对总分作适当的修正 。 最后用修正后的总分对照表 1-7C求得所研究岩体的类别及相应的无支护地下洞的自稳时间和岩体强度指标 （ c,φ ） 值 。
岩体质量评分 (RMR)—— 地质力学围岩分类,
1.3 岩体的工程分类
1） 岩石按坚硬程度分类：
,岩土工程勘察规范,（ GB50021－ 2001） 规定岩石的坚硬程度可按表 1-9分类 。
岩石的工程分类
1.3 岩体的工程分类坚硬程度 坚硬岩 较硬岩 较软岩 软岩 极软岩饱和单轴抗压强度 （ MPa） fr>60 60≥ fr>30 30≥ fr>15 15≥ fr>5 fr≤ 5
2） 岩石按风化程度分类
国标,岩土工程勘察规范,（ GB50021— 2002）中提出岩石按风化程度分类见表 1-10。
岩石的工程分类
1.3 岩体的工程分类风化程度 野外特征风化程度参数指标压缩波速度
vp(m/s)
波速比
kv
风化程度
kt
未风化 岩质新鲜，偶见分化痕迹 >5000 0.9～ 1.0 0.9～ 1.0
微风化 结构基本未变，仅节理面有渲染或略有变色。有少量风化裂隙 4000～ 5000 0.8～ 0.9 0.8～ 0.9
中等风化 结构部分破坏，沿节理面有次生矿物。风化裂隙发育，岩体被切割成岩块。用镐难挖，岩芯钻方可钻进
2000～ 4000 0.6～ 0.8 0.4～ 0.8
强风化 结构大部分破坏，矿物成分显著变化，分化裂隙发育，岩体破碎。用镐可挖掘，干钻不易钻进
1000～ 2000 0.4～ 0.6 <0.4
全风化 结构基本破坏，但尚可辨认，有残余结构强度，可用镐挖，干钻可钻进
500～ 1000 0.2～ 0.4 -
残积土 组织结构已全部破坏，已风化成土状，锹镐易挖掘，干钻易钻进，具可塑性
<500 <0.2 -
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。
1.1 岩土体的特性,
第 1章 岩石的物理性质
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 ；
粘土岩和页岩的性质相近,抗压强度和抗剪强度低,受力后变形量大,
浸水后易软化和泥化 ；
化学岩和生物化学岩抗水性弱,常具不同程度的可溶性 。 常常导致地基和边坡的失稳 。
1.1 岩土体的特性,
第 1章 岩石的物理性质
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 。
变质岩的片理构造 (包括板状,千枚状,片状及片麻状构造 )会使岩石具有各向异性特征,水工建筑中应注意研究其在垂直及平行于片理构造方向上工程性质的变化 。
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 。 岩体在一般情况下是非均质的,各向异性的不连续体 。
1.1 岩土体的特性,
第 1章 岩石的物理性质
岩石的密度岩石密度 （ rock density） 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：
物理性质,
1.2 物理性质指标
颗粒密度
岩石的颗粒密度 （ ρ s） 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。
岩石的颗粒密度属实测指标，常用比重瓶法进行测定。
物理性质,
1.2 物理性质指标
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。
ρ d= （ 1-1）
ρ sat= （ 1-2）
（ 1-3）
物理性质,
1.2 物理性质指标
Vms
Vmsat
Vm
岩石的空隙性
岩石的空隙率分为总空隙率（ n）、总开空隙率（ n0）、大开空隙率
（ nb）、小开空隙率（ na）和闭空隙率 (nc)几种，各自的定义如下：
n= 100%=(1- )100% （ 1-4）
n0= 100% （ 1-5）
nb= 100% （ 1-6）
na= 100%=n0-nb （ 1-7）
nc= 100%=n-n0 （ 1-8）
物理性质,
1.2 物理性质指标
VVV sd
VVV0
VVVb
VVVa
VVVc
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。
(1）吸水率,岩石的吸水率（?a）是指岩石试件在大气压力条件下自由吸入水的质量（ mw1）与岩样干质量（ ms）之比，用百分数表示,岩石的颗粒密度属实测指标，常用比重瓶法进行测定。
岩石的水理性质,
1.2 物理性质指标
%1 0 01
s
Wmm?
饱和吸水率
岩石的饱和吸水率 （?ρ ） 是指岩石在高压 （ 一般压力为 15Mpa） 或真空条件下吸入水的质量 （ mw2） 与岩样干质量 （ ms） 之比,用百分数表示,
岩石的水理性质,
1.2 物理性质指标
p= × 100% （ 1-11）
s
wmm2
在高压（或真空）条件下，总开空隙率可表示为：
n0= × 100%= =ρ d?P （ 1-12）
它反映了岩石总开空隙率的发育程度，因此亦可间接地用它来判定岩石的风化能力和抗冻性。
VVv0 wpd
饱水系数
岩石的吸水率（?a）与饱和吸水率（?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。
一般说来，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。
饱水系数大，说明常压下吸水后余留的空隙就愈少，岩石愈容易被冻胀破坏，因而其抗冻性差。
岩石的水理性质,
1.2 物理性质指标
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，
即：
（ 1-13）
KR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。
岩石的水理性质,
1.2 物理性质指标
c
cwh
R
RK?
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,用百分数表示,
质量损失率（ Km）是指冻融试验前后干质量之差（ ms1-ms2）与试验前干质量（ ms1）之比，以百分数表示即
岩石的水理性质,
1.2 物理性质指标
%100
1
2
c
cd RRR
%100
1
21
s
ssm m mmK
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。
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。
岩石的水理性质,
1.2 物理性质指标
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。
岩石崩解性一般用岩石的耐崩解性指数表示。这项指标可以在实验室 内做干湿循环试验确定。
岩石的水理性质,
1.2 物理性质指标
%1 0 0
01
022 WW WWI d
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。下面主要介绍几种国内外在水工建设工程中应用较广、影响较大的分类方法。
1.3 岩体的工程分类
美国伊利诺斯大学用岩体质量指标 RQD来表示岩石的完整性。
采用直径为 75mm的双层岩心管金刚石钻进，提取直径为 54mm的岩心，
将长度小于 10cm的破碎岩心及软弱物质剔除，然后测量大于或等于
10cm长柱状岩心的总长度 (Lp)。用这一有效的岩心长度与采集岩心段的钻孔总进尺 (L)之比，取其百分数就是 RQD。
按照 RQD值大小可把岩石分成五个质量等级
按岩体质量指标分级,
1.3 岩体的工程分类
%1 0 0 LLR Q D p
由比尼卫斯基 （ Bienawski,1973） 提出,后经多次修改,于 1989年发表在,工程岩体分类,一书中 。
该分类系统由岩块强度,RQD值,节理间距,节理条件及地下水 5类指标组成 。 分类时,根据各类指标的数值,按表 1-7A的标准评分,求和得总分 RMR值 。
然后按表 1-7B和表 1-8的规定对总分作适当的修正 。 最后用修正后的总分对照表 1-7C求得所研究岩体的类别及相应的无支护地下洞的自稳时间和岩体强度指标 （ c,φ ） 值 。
岩体质量评分 (RMR)—— 地质力学围岩分类,
1.3 岩体的工程分类
1） 岩石按坚硬程度分类：
,岩土工程勘察规范,（ GB50021－ 2001） 规定岩石的坚硬程度可按表 1-9分类 。
岩石的工程分类
1.3 岩体的工程分类坚硬程度 坚硬岩 较硬岩 较软岩 软岩 极软岩饱和单轴抗压强度 （ MPa） fr>60 60≥ fr>30 30≥ fr>15 15≥ fr>5 fr≤ 5
2） 岩石按风化程度分类
国标,岩土工程勘察规范,（ GB50021— 2002）中提出岩石按风化程度分类见表 1-10。
岩石的工程分类
1.3 岩体的工程分类风化程度 野外特征风化程度参数指标压缩波速度
vp(m/s)
波速比
kv
风化程度
kt
未风化 岩质新鲜，偶见分化痕迹 >5000 0.9～ 1.0 0.9～ 1.0
微风化 结构基本未变，仅节理面有渲染或略有变色。有少量风化裂隙 4000～ 5000 0.8～ 0.9 0.8～ 0.9
中等风化 结构部分破坏，沿节理面有次生矿物。风化裂隙发育，岩体被切割成岩块。用镐难挖，岩芯钻方可钻进
2000～ 4000 0.6～ 0.8 0.4～ 0.8
强风化 结构大部分破坏，矿物成分显著变化，分化裂隙发育，岩体破碎。用镐可挖掘，干钻不易钻进
1000～ 2000 0.4～ 0.6 <0.4
全风化 结构基本破坏，但尚可辨认，有残余结构强度，可用镐挖，干钻可钻进
500～ 1000 0.2～ 0.4 -
残积土 组织结构已全部破坏，已风化成土状，锹镐易挖掘，干钻易钻进，具可塑性
<500 <0.2 -
