1.5　岩石的物理力学性质指标及风化岩石

1.5.1　岩石的主要物理力学性质指标

1.5.1.1　岩石的主要物理性质指标

1.含水率

岩石含水率（%）是岩石试件在105～110℃的温度下烘至恒量时所失去的水的质量m0-ms（g）与烘干后的质量ms（g）的比值，以百分数表示，即

式中：m0为烘干前的试件质量，g。

2.块体密度和重度

岩石块体密度ρ（g/cm3）是试样质量m（g）与试样体积V（cm3）的比值。分为天然密度ρ、干密度ρd和饱和密度ρsat等。密度的表达式为

岩石的密度取决于其矿物成分、孔隙大小及含水量的多少。测定岩石块体密度可采用量积法、水中称量法或蜡封法。

岩石的重力密度简称重度γ（kN/m3），是单位体积岩石受到的重力，它与密度的关系为

3.颗粒密度

岩石颗粒密度ρs（g/cm3）是烘干岩粉质量ms（g）与岩石固体体积Vs（cm3）之比，即

岩石颗粒密度取决于组成岩石的矿物的密度，一般用比重瓶法或水中称量法测定岩石颗粒密度。

4.孔隙率

孔隙率n（%）为岩石试样中孔隙（包括裂隙）的体积Vv（cm3）与岩石试样总体积V（cm3）的比值，以百分数表示，即

孔隙率越大，表示孔隙和微裂隙越多，岩石的力学性质也就越差。

5.岩石的吸水性

岩石在一定条件下吸收水分的性能称为岩石的吸水性。它取决于岩石孔隙的数量、大小、开闭程度和分布情况。表征岩石吸水性的指标有吸水率、饱和吸水率和饱水系数。

岩石吸水率wa（%）是试件在大气压力和室温条件下吸入水的质量m0-ms（g）与烘干试件质量ms（g）的比值，以百分数表示，即

式中：m0为试件浸水48h后的质量，g。

岩石饱和吸水率wsa（%）是试件在强制饱和状态下的最大吸水量mp-ms（g）与烘干试件质量ms（g）的比值，以百分数表示，即

式中：mp为试件经强制饱和后的质量，g。

岩石吸水性试验包括岩石吸水率试验和岩石饱和吸水率试验。岩石吸水率采用自由浸水法测定。岩石饱和吸水率采用煮沸法或真空抽气法强制饱和后测定。

岩石饱水系数kw是指岩石吸水率与饱和吸水率的比值，即

一般岩石的饱水系数kw介于0.5～0.8之间。饱水系数对于判别岩石的抗冻性具有重要意义。一般认为kw小于0.7的有黏土物质充填的岩石是抗冻的。对于粒状结晶、孔隙均匀的岩石，则认为kw小于0.8是抗冻的。

6.岩石的抗冻性

岩石抵抗冻融破坏的性能称为岩石的抗冻性。岩石的抗冻性常用冻融质量损失率M和冻融系数Kfm等指标表示。冻融质量损失率M（%）是饱和试件在-20℃±2℃～＋20℃±2℃条件下，冻结融解25次或更多次，冻融前饱和试件质量mp（g）与冻融后试件质量mfm（g）之差值与试验前烘干试件质量ms（g）之比的百分率。即

岩石冻融系数Kfm为冻融后岩石单轴抗压强度平均值（MPa）与冻融试验前岩石饱和单轴抗压强度平均值（MPa）之比。即

1.5.1.2　岩石的主要力学性质指标

1.单轴抗压强度

岩石单轴抗压强度R（MPa）是试件在无侧限条件下，受轴向压力作用破坏时单位面积上所承受的荷载，以下式表示

式中：P为破坏荷载，MN；A为试件截面积，m2。

抗压强度是表示岩石力学性质最基本、最常用的指标。影响抗压强度的因素，主要是岩石本身的性质，如矿物成分、结构、构造、风化程度和含水情况等。另外，也与试件大小、形状和加荷速率等试验条件有关。岩石吸水后，抗压强度都有不同程度的降低，表示这一特性的指标是软化系数η，即岩石饱和单轴抗压强度平均值（MPa）与岩石烘干单轴抗压强度平均值（MPa）之比。即

软化系数小于0.75的岩石，即被认为是强软化岩石，其抗水、抗风化、抗冻性差。

2.岩石的变形参数

岩石的变形参数有弹性模量Ee、变形模量E0、泊松比μe等，通过单轴压缩变形试验测定试样在单轴应力条件下的应力和应变（含轴向和径向应变），即可求得。

（1）岩石的变形性质。岩石的变形有弹性变形和塑性变形等。

岩石在外力作用下发生变形，外力撤去后能够恢复的变形称为弹性变形。岩石在超过其屈服极限的外力作用下发生变形，外力撤去后不能恢复的变形称为塑性变形。

（2）单轴压缩条件下岩石变形特征。根据图1.14所示的岩石变形应力-轴向应变关系曲线，可以将岩石在单轴压力作用下的变形全过程划分出五个变形阶段，分述如下。

第一变形阶段为图1.14中OA段曲线，属于微裂隙压密阶段，岩石的应力-应变曲线呈上凹形，其斜率随应力增加而增大。

第二变形阶段为图1.14中AB段曲线，属于弹性变形阶段，岩石的应力-应变曲线为典型的直线形式。曲线上B点所对应的应力σe为弹性极限强度或比例极限。

第三变形阶段为图1.14中BC段曲线，属于初级膨胀阶段，也叫做微破裂稳定发展阶段。岩石的应力-应变曲线为略向下凹的曲线，该曲线上C点所对应的应力σy为屈服极限。

第四变形阶段为图1.14中CD段曲线，属于破坏阶段，也称作累进性破裂阶段。岩石的应力-应变曲线为较平缓的向下凹的曲线。曲线上D点所对应的应力Rc为峰值强度或单轴抗压强度。

第五变形阶段为图1.14中DE段曲线，属于峰值后的变形与破坏阶段。曲线上E点所对应的应力σr为残余强度。

（3）岩石的变形指标。弹性模量、变形模量和泊松比按下列公式计算

式中：Ee为岩石弹性模量，MPa；σa为应力与轴向应变关系曲线上直线段起始点的应力值，MPa；σb为应力与轴向应变关系曲线上直线段终点的应力值，MPa；εla为应力为σa时的轴向应变值；εlb为应力为σb时的轴向应变值；μe为岩石弹性泊松比；εda为应力为σa时的径向应变值；εdb为应力为σb时的径向应变值；E50为岩石变形模量，即割线模量，MPa；σ50为抗压强度50%时的应力值，MPa；εl50为应力为σ50时的轴向应变值；μ50为与εl50和εd50相应的泊松比；εd50为应力为σ50时的径向应变值。

3.抗剪强度

抗剪强度（指岩石抵抗剪切破坏的能力。常采用平推法直剪强度试验测定抗剪强度指标：黏聚力c和内摩擦角φ。内摩擦角的正切tanφ即为摩擦系数f。

根据受荷情况及试件的特征，岩石的抗剪强度分为三种类型，即抗剪断强度、摩擦强度及抗切强度，其相应的试验原理及强度曲线如图1.15所示。

（1）抗剪断强度τs。系指试样在一定的垂直压应力σ的作用下，被剪断时的最大剪应力，剪断前试样上没有破裂面。内摩擦角φ'和黏聚力c'均起作用，其表示式为

（2）摩擦强度τf。受荷条件同前，但试件的剪切破裂面是预先制好的分裂开来的面，或是已剪断的试样，恢复原位后重新进行剪切。这种试验过去也称作抗剪试验（狭义的），所得的抗剪强度称为摩擦强度，其f、c值较小，尤其c值较抗剪断试验中的c'值降低很多。在实际工程中为了安全，c值常忽略不计。摩擦强度的表示式为

（3）抗切强度τc。指垂直压应力σ为零时，无裂隙岩石的最大剪应力，其表示式为

抗剪断强度试验常用于坝基混凝土与基岩的接触面或完整岩石。摩擦试验则常用于含有节理裂隙等软弱结构面的岩体，或已滑动过的破裂面，如滑坡的滑动面。抗切强度用于求岩石的c'值及某些岩石边坡稳定的计算。

1.5.1.3　常见岩石的主要物理力学性质指标的经验数据

进行岩石试验是一项较复杂的工作，需耗费较多的人力、物力。因此，一些经验数据有较大的参考和使用价值，表1.6列出了一些统计数值，可供参考。

1.5.2　岩石的风化作用

分布在地表或地表附近的岩石，经受太阳辐射、大气、水溶液及生物等因素的侵袭，逐渐破碎、松散或矿物成分发生化学变化，甚至生成新矿物的现象，称为岩石的风化作用。

岩石风化后物理力学性质发生显著变化，力学强度明显降低。各种工程建筑所遇到的岩石，绝大多数是经受过不同风化程度的岩石。

1.5.2.1　风化作用的类型

岩石的风化作用主要有物理风化和化学风化两种类型。

1.物理风化作用

物理风化是岩石受风化因素侵袭后，只产生单纯的机械性破坏，而不发生化学成分变化的风化作用。引起物理风化的主要因素是温度变化和水的冻胀等。

岩石是不良的导热体，不同的矿物热膨胀系数也不同，所以当温度发生变化时，岩石的表面与内部，以及晶粒与晶粒之间的胀缩变形不一，产生应力，致使发生裂隙，并可逐渐松散破碎（图1.16）。渗入岩石孔隙、裂隙中的水，低温结冰、体积膨胀，约可产生100MPa以上的压力，使裂隙扩大延长，在冰融季节反复交替进行，最后导致岩石崩裂、破碎。另外，水溶液中盐类物质的集聚结晶、植物根系的生长也可产生类似的情况。

物理风化作用的结果，最初是使岩石产生大小不等、方向无序的裂隙，裂隙继续发展、增多，最后可形成大小不等的岩屑堆积。物理风化都是在靠近地表进行的，一般情况下深度不超过5m。

2.化学风化作用

化学风化是指在氧、水溶液等风化因素侵袭下，岩石中的矿物成分发生化学变化，改变或破坏岩石的性状并可形成次生矿物的作用过程。化学风化的作用方式有氧化、溶解、水化、水解等。

（1）氧化作用。是指矿物与空气或水中的游离氧发生化学反应，使低价元素转变为高价元素，使原矿物破坏并形成一些新的矿物。在岩石中最易氧化的是含有低价铁的硅酸盐类矿物和硫化物，如橄榄石、辉石、角闪石、黑云母及黄铁矿等。其中黄铁矿（FeS2）氧化后变为褐铁矿[FeO（OH）·nH2O等]，同时析出的硫酸又对岩石进行腐蚀，加速岩石风化。

（2）溶解作用。是指矿物在水中被分离成离子的过程。各种矿物溶解度相差很大，例如，温度在25℃时，石盐的溶解度为320，硬石膏为2.1，方解石为0.015，云母则仅有0.003。由此可以看出，方解石与石盐、硬石膏相比是较难溶于纯水的。但自然界的水中常含有CO2等酸类物质，它可显著提高方解石的溶解度，方解石遇到水中的CO2就形成溶解于水中的重碳酸盐，其化学反应式为

这种化学反应称为碳酸化。因此，在地质上常常将碳酸盐类岩石也称为易溶的岩石。在这类易溶的岩体中，常存在孔穴和溶洞。

（3）水化作用。是指矿物吸收一定数量的水分子而变成新的含水矿物。如赤铁矿（Fe2O3）吸水变为褐铁矿[FeO（OH）·H2O等]；硬石膏（CaSO4）吸水变为石膏（CaSO4·2H2O），同时体积膨胀30%。

（4）水解作用。是指由水离解而产生的H＋及OH-与矿物在水中离解的离子互相置换的化学反应的过程。这种作用可使硅酸盐矿物强烈破坏并生成新的矿物，如钾长石可水解成高岭石。有时高岭石还可进一步水解，最后形成SiO2胶体溶液和铝土矿[α-AlO（OH）、γ-AlO（OH）、Al（OH）3等]。

化学风化作用还包括因生物生长或其遗体腐烂产生的有机酸、腐殖质等对岩石的破坏作用。

1.5.2.2　影响岩石风化的因素

岩石风化是一个复杂的地质过程，是许多因素综合作用的结果。影响岩石风化速度、深度、程度以及分布规律的因素，主要有下列几种。

1.岩石的成分与结构、构造

岩石的化学风化过程实际上是各种矿物变异、转化的过程。矿物的生成条件与地表风化条件差异愈大，则矿物的抗风化稳定性愈低；差异愈小，则抗风化稳定性愈高。一些常见矿物的抗风化能力由强至弱，一般情况下可排成下列等级和次序。

稳定的：石英、玉髓、石榴子石、磁铁矿；

较稳定的：白云母、正长石、微斜长石、酸性斜长石；

不稳定的：角闪石、辉石、中性斜长石、白云石、方解石、绿泥石；

很不稳定的：黑云母、橄榄石、基性斜长石、黄铁矿、石膏、石盐。

岩石的结构、构造对风化的影响表现在粗粒与不等粒结构较细粒、等粒结构更易风化。具有层理、片理等定向排列构造的岩石较均一粒状、致密状的易于风化。

综上所述可以看出，在同种自然条件下，岩浆岩中酸性岩较基性、超基性岩抗风化能力强。粗粒与似斑状的侵入岩较细粒、斑状的浅成或喷出岩更易风化。但某些凝灰质岩石例外，有些凝灰岩暴露在地表后，风化很快。在沉积岩中富含石英或由SiO2胶结的岩石抗风化能力强，而碳酸盐和主要由黏土矿物组成或由黏土胶结的岩石，则抗风化能力差。在变质岩中，变质较轻的板岩、片理发育的千枚岩、绿泥石片岩、黑云母片麻岩较易风化，而石英岩、石英片岩、含暗色或片状矿物较少的片麻岩则抗风化能力较强。

2.断层、裂隙

岩层中的断层破碎带和节理密集带为水和其他风化因素的侵入提供了良好的条件，因而沿它们的分布、延伸常形成风化严重的地带。如形成深槽状、囊袋状、夹层状风化带等，有的可延伸达数十米。当有几组裂隙交叉将岩体切割成近于方形或菱形块体时，风化因素沿周围裂隙逐渐侵入，形成表面部分风化严重，层层剥离，向内则风化轻微的球状风化现象。它使岩体具有显著的不均一性。

3.气候、地形和地下水

气候决定着温度、降水及生物生长等情况。干旱、寒冷地区以物理风化为主，岩石常破坏为岩屑的堆积物，风化深度也较浅，我国西北大部地区均是如此。气候潮湿炎热地区，化学风化作用强烈，矿物分解变化严重，可形成含大量黏土矿物的残积物，风化深度较大，如闽、粤和香港地区的花岗岩风化最深可达80m以上，在三峡坝址左岸船闸引航道1224号钻孔处，风化岩（弱风化下界）厚度也达85.4m，而在北方则一般不超过20～30m。

地形对风化岩层的分布厚度和深度有明显的影响。通常在陡峭的河谷、海岸边坡地段，风化产物易被剥蚀，风化岩层较薄。在平缓的岸坡、丘陵和分水岭地段，风化产物易于积存，风化壳则较厚。山区河谷底部因受水流冲刷，强烈风化的岩层通常不存在。

地下水的渗流条件和其化学成分对风化速度、程度和分布也有明显的影响。地下水循环良好的地区，往往能形成较厚的风化层。在地下水位以上的地段，经常干湿交替，所以是风化作用最活跃的地段。而地下水位以下，除可溶盐类岩石外，风化作用减弱。因此，风化带的分界线常与地下水面大致平行分布。

1.5.2.3　岩体风化程度的划分及其工程地质性质

由于风化因素都是从岩体表面开始侵入，所以由地表向深处风化程度也由严重到轻微。岩性均匀的岩体，如花岗岩类岩体等常可见到图1.17那样的典型风化剖面。

风化程度的不同使岩石的性状和物理力学性质有很大的差别，因此在工程勘察设计中需要对风化程度进行等级划分。这种划分对岩石（块）来说，应称为风化程度分级，对岩体则应称为风化程度分带。一个风化带的岩体中，可包括不同风化程度级别的岩块。到目前为止，国内外有关规范、规程均是以岩体的风化变异情况为依据进行定性的划分。划分时以地质特征为主要标志，包括岩石的颜色、结构、构造、矿物成分、化学成分的变化，岩石的崩解、解体程度，矿物蚀变程度及其次生矿物成分等。间接标志如锤击反应、波速变化也是重要的辅助手段。一般分为五个档次，即全风化、强风化、弱（中等）风化、微风化及未风化，其中，弱（中等）风化带进一步分为上、下两个亚带。具体分带及主要地质特征见表1.7。

图1.17典型风化剖面最表面的残积土（残积物、残积层）是指地表岩石经过长期风化作用以后，残留在原地的碎屑堆积物，呈土或砂砾状，质地疏松，除石英等耐蚀矿物外，均风化为次生矿物。残积物的主要特点有：①岩石成分、矿物成分、化学成分和下伏基岩有密切的联系；②基岩风化破碎后留在原地的风化物质，未经搬运磨圆，未经分选，不具层理；③残积物的结构等特征向下伏基岩逐渐过渡；④由上而下风化程度逐渐减弱，颗粒由细变粗。

此外，碳酸盐岩的风化，特别是石灰岩的风化特征明显有别于其他岩体风化，往往表现为溶蚀风化的特点。可分为表层强烈溶蚀风化带、裂隙性溶蚀风化带（含上带、下带）、微新岩体风化带，详细分带及主要地质特征见表1.8。