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岩石的物理、水理与热学性质

第一节 岩石的物理性质

岩石和土一样，也是由固体、液体和气体三相组成的。所谓物理性质是指岩石三相组成部分的相对比例关系不同所表现的物理状态。与工程密切相关的物理性质有密度和空隙性。

一、 岩石的密度

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岩石密度(rock density)是指单位体积内岩石的质量，单位为g/cm。它是建筑材料选择、岩石风化研究及岩体稳定性和围岩压力预测等必需的参数。岩石密度又分为颗粒密度和块体密度，各类常见岩石的密度值列于表3-1。

表3-1 常见岩石的物理性质指标值

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(一)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，含密度大的矿物较多，岩石颗粒密度也大，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，多变化在2.5～2.85g／cm3之间；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。 (二)

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。各自的定义如下：

m?d?s (3-1)

V 33

?sat?msat (3-2) Vm (3-3) V??式中：ms、msat、m分别为岩石试件的干质量、饱和质量和天然质量；V为试件的体积。

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，随着孔隙、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。

二、岩石的空隙性

岩石是有较多缺陷的多晶材料，因此具有相对较多的孔隙。同时，由于岩石经受过多种地质作用，还发育有各种成因的裂隙，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得多，即除了孔隙外，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。与此相对应，可把岩石的空隙率分为总空隙率(n)、总开空隙率(no)、大开空隙率(nb)、小开空隙率(na)和闭空隙率(nc)几种，各自的含义如下：

V?n?v?100%?(1?d)?100% (3-4)

V?sn0?nb?na?Vv0?100% (3-5) VVvb?100% (3-6) VVva?100%?n0?nb (3-7) VVvc?100%?n?n0 (3-8) Vnc?式中：Vv、Vvo、Vvb、Vva、Vvc分别为岩石中空隙的总体积、总开空隙体积、大开空隙体积、小开空隙体积及闭空隙体积；其它符号意义同前。

一般提到的岩石空隙率系指总空隙率，其大小受岩石的成因、时代、后期改造及其埋深的影响变化范围很大。常见岩石的空隙率见表3-1，由表可知，新鲜结晶岩类的n一般小于3％，沉积岩的n较高，为1％～10％，而一些胶结不良的砂砾岩，其n可达10％～20％，甚至更大。

岩石的空隙性对岩块及岩体的水理、热学性质及力学性质影响很大。一般来说，空隙率愈大，岩块的强度愈大、塑性变形和渗透性愈大，反之愈小。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。

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岩石的空隙性指标一般不能实测，只能通过密度与吸水性等指标换算求得，其计算方法将在水理性质一节中讨论。

第二节 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、抗冻性及渗透性等。

一、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。

(一)吸水率

岩石的吸水率(Wa)是指岩石试件在大气压力和室温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，即

mWa?w1?100% (3-9)

mw2测时先将岩样烘干并称干质量，然后浸水饱和。由于试验是在常温常压下进行的，岩石浸水时，水只能进入大开空隙，而小开空隙和闭空隙水不能进入。因此可用吸水率来计算岩石的大开空隙率(nb)，即

V?Wnb?vb?100%?(1?da)?100% (3-10)

V?w式中：ρw为水的密度，取ρw＝1g／cm。

岩石的吸水率大小主要取决于岩石中孔隙和裂隙的数量、大小及其开启程度，同时还受到岩石成因、时代及岩性的影响。大部分岩浆岩和变质岩的吸水率多为0.1％～2.0％之间，沉积岩的吸水性较强，其吸水率多变化在0.2％～7.0％之间。常见岩石的吸水率列于表3-1及表3-2中。

(二)饱和吸水率

岩石的饱和吸水率(Wp)是指岩石试件在高压(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，即

mWp?w2?100% (3-11)

ms

在高压(或真空)条件下，一般认为水能进入所有开空隙中，因此岩石的总开空隙率可表示为：

n0?3

?dWpVv0?100%??100% (3-12) V?s35

岩石的饱和吸水率也是表示岩石物理性质的一个重要指标。由于它反映了岩石总开空隙的发育程度，因此亦可间接地用它来判定岩石的抗风化能力和抗冻性。常见岩石的饱和吸水率见表3-2。

(三)饱水系数

岩石的吸水率(Wa)与饱和吸水率(Wp)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。一般来说，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。另外，饱水系数大，说明常压下吸水后余留的空隙就愈少，岩石愈易被冻胀破坏，因而其抗冻性差。

几种常见岩石的饱水系数列于表3-2

表3-2 几种岩石的吸水性指标值

二、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(σcw)与干抗压强度(σc)的比值，即

?KR?cw (3-13)

?cc显然，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。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3-1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KR＞0.75时，岩石的软化性弱，同时也说明岩石的抗冻性和抗风化能力强。而KR＜0.75的岩石则是软化性较强和工程地质性质较差的岩石。

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。

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