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岩石物理性质

岩石的物理状态及其在物理、化学和水力等因素影响下改变这些状态的能力。其内容包括:容重、比重、孔隙率、吸水率、饱水率、抗冻性、透水性、湿胀性、耐崩解性、可溶性、导热系数、电阻率等。研究岩石物理性质的目的在于全面了解岩石为设计与岩石有关的建筑物提供科学依据。岩石容重(γ)岩石的单位体积重量。分湿容重(γ牛顿/米3)、干容重(γd牛顿/米3)、饱和容重(γm牛顿/米3)。

岩石的物理状态及其在物理、化学和水力等因素影响下改变这些状态的能力。其内容包括:容重、比重、孔隙率、吸水率、饱水率、抗冻性、透水性、湿胀性、耐崩解性、可溶性、导热系数、电阻率等。研究岩石物理性质的目的在于全面了解岩石为设计与岩石有关的建筑物提供科学依据。

岩石容重(γ)岩石的单位体积重量。分湿容重(γ牛顿/米3)、干容重(γd牛顿/米3)、饱和容重(γm牛顿/米3)。湿容重为湿岩石试样的重量与其体积之比;干容重是试样在105℃的情况下烘干后的重量与其原来体积之比;饱和容重是在试样被水完全饱和时的重量与其原来体积之比。容重一般用量积法或水中称重法测定。前者仅适用于形状规则的试样(例如圆柱体和棱柱体),用游标卡尺或千分尺规测量试样的整体体积,用试样重量除以其体积即得容重;后者可适用于规则试样和不规则试样,应用阿基米德原理,根据饱和试样及饱和淹没试样的重量差计算其整体体积。该法不适用于松散、膨胀或水解岩石。岩石容重取决于其矿物成分、孔隙及含水情况。容重直接影响到岩石力学性质的好坏。容重愈大,岩石力学性质愈好;反之愈差。某些岩石的容重见表。

某些岩石的容重、比重、孔隙率和吸水率

岩石比重(Gs)岩石干重量与同体积4℃的蒸馏水重之比,在实验室内测定。将岩石粉碎成岩粉,使之全部通过0.25毫米筛孔,然后称过干重后放入比重瓶中测得。岩石比重决定于组成岩石的矿物的比重。某些岩石的比重见附表。

岩石孔隙率(n)岩石内孔隙体积(包括细微裂隙体积)Vv与岩石总体积V之比的百分率:

岩石物理性质

孔隙率是判定岩石质量的重要指标。孔隙率愈大,孔隙愈多,岩石力性质愈差;反之愈好。某些岩石的孔隙率见表。

岩石吸水率(wa)也称岩石孔隙指数,是干燥岩石试样在大气压力和室温条件下吸入的水重与岩石干重Ws之比的百分率:

岩石物理性质

岩石吸水率用室内试验确定。即将试样在105℃下烘干(约12~24小时),求得干重Ws,然后渐渐放入水中自由吸水48小时,称得岩石湿重,算出被试样吸入的水重Wwa、用式(2)求出吸水率。岩石吸水率表征着岩石可吸水的能力,取决于岩石所含孔隙的数量、大小以及孔隙、细微裂隙的连通情况,孔隙细微裂隙愈多、愈大以及其连通情况愈好,则岩石吸水愈多,因此吸水率也就愈大;反之愈小。根据岩石吸水率,可以判断岩石的抗冻性能。当吸水率小于0.5%,一般认为岩石是耐冻的。某些岩石的吸水率见表。

岩石饱水率(wsa)是岩石试样在强制状态下(例如在抽气真空条件下)吸入水重Wwsa与岩石干重Ws之比的百分率。

岩石物理性质

岩石饱水系数(Kw)是吸水率与饱水率之比:

岩石物理性质

根据饱水系数的大小可近似评定岩石的抗冻性能。当饱水系数过大时(例如大于0.91),在冻结过程中形成的冰会对岩石的孔隙、裂隙产生较大的额外压力,造成岩石的破坏。

岩石抗冻性 指岩石在湿润状态下抵抗多次交替冻融的破坏的能力。岩石经过多次冻融后,其强度降低,甚至破坏。破坏的主要原因是充满岩石材料孔隙的水分冻结时的膨胀和由此在结构薄弱处引起的应力。抗冻性取决于岩石孔隙裂隙充水的程度、材料的结构和抗拉强度。孔隙封闭(对于水分)的岩石抗冻性高,孔隙开敞的岩石抗冻性低。抗冻性可用两种指标表示:重量损失率和抗冻系数。前者是试样在冻融试验前后的干重量之差(冻融前后都测试样干重)与试验前干重之比的百分率,后者是试样在冻融试验后的抗压强度与未经冻融的试样的抗压强度之比的百分率。岩石抗冻性与岩石的种类、结构、孔隙裂隙的大小多少有关。

岩石透水性 岩石让水通过的能力,常用渗透系数k(厘米/秒或米/昼夜)来表示。渗透系数等于单位压力梯度时的渗透速度,在室内用岩石渗透仪测定,在现场用抽水或压水试验确定。透水性也有用吕荣系数UL表示的。单位长度的标准钻孔内在10个大气压力作用下,历时10分钟的平均漏水量为0.001米3/分(1升/分)时,叫做1UL。在1米水头作用下岩石钻孔中每1米长每分钟内的吸水量的升数,叫做单位吸水量,其单位为0.001米3·分-1·米-1·米-1。在层流条件下,1吕荣=0.00001米3·分-1·米-1·米-1。吕荣系数与渗透系数的关系大致是1UL≈1×10-5厘米/秒。岩石的透水性与岩石种类、结构、孔隙裂隙连通情况以及应力状态有关,可在很大范围内变化。例如砂岩或多裂隙的页岩的渗透系数可以大于10-3厘米/秒,坚硬的花岗岩以及致密的石灰岩可以低于10-10厘米/秒。一般认为岩石中耗水量小于1个UL单位,则该岩体可视为实际上是不透水的,不需灌浆。

岩石湿胀性 岩石受水浸湿而使体积膨胀的性能,常用膨胀压力和膨胀变形两种指标表示。前者是岩石试样浸没于水中保持原状而体积不变所需的压力。后者是岩石浸于水中并受径向约束在固定轴向压力下所产生的膨胀变形。两种指标在室内用专门的仪器测定。岩石湿胀性与岩石中粘土矿物含量有关,粘土矿物含量愈高,湿胀性也愈大;反之愈小。

岩石耐崩解性 岩石在遭受干湿循环时发生软化和崩解作用所表现的能力,用耐崩解性指数表示。该指数就是岩石试样受干湿循环后不被崩解分离的重量与原来重量之比的百分率,借室内专门试验测定。耐崩解性与岩石所含粘土矿物有关。粘土矿物含量愈高,耐崩解性也就愈差;反之愈好。

岩石可溶性 岩石在水中被溶解的性能,一般用岩石在水中的重量损失率表示。它与岩石成分、组织结构以及水溶液浓度、所含离子、水温及时间等因素有关。

除了以上物理性质之外,岩石在电方面的性质(如电阻率等)、磁性方面的性质(磁化率等)、光、放射能方面的性质(屈折率、吸收率等)以及热方面的性质(比热、导热系数、膨胀系数等)也属于岩石物理性质范畴。