第二節 地質(zhì)巖性

　　一、巖石礦物特性

　　礦物是存在于地殼中的具有一定物理性質(zhì)和化學(xué)成分的自然元素和化合物。其中構成巖石的礦物，稱(chēng)為造巖礦物。組成地殼的巖石，都是在一定的地質(zhì)條件下，由一種或幾種礦物自然組合而成的礦物集合體。礦物的成分、性質(zhì)及其在各種因素影響下的變化，都會(huì )對巖石的強度和穩定性發(fā)生影響。

　　目前，已發(fā)現的礦物有3000多種，但造巖礦物僅30余種。由于成分和結構的不同，每種礦物都有自己特有的物理性質(zhì)，物理性質(zhì)是鑒別礦物的主要依據。

　?。?）顏色。顏色是礦物最明顯、最直觀(guān)的物理性質(zhì)。根據成色原因，可分為白色、他色和假色。白色是礦物本身固有的成分、結構所決定的顏色，具有鑒定意義；他色是由于混入物引起的顏色；假色則是由于某種物理光學(xué)過(guò)程所致。

　?。?）光澤。光澤是礦物表面的反光能力，用類(lèi)比方法常分為四個(gè)等級：金屬光澤、半金屬光澤、金剛光澤及玻璃光澤。另外，由于礦物表面不平、內部裂紋等，可形成某種獨特的光澤，如絲絹光澤、油脂光澤、蠟狀光澤、珍珠光澤、土狀光澤等。礦物遭受風(fēng)化后，光澤強度就會(huì )有不同程度的降低，如玻璃光澤變?yōu)橛椭鉂傻取?/p>

　?。?）硬度。硬度是礦物抵抗外力刻劃、壓人或研磨等機械作用的能力。鑒定礦物常用一些礦物互相刻劃來(lái)測定其相對硬度，一般分為10個(gè)標準等級，如表1．2．1礦物硬度表所列。

　　在實(shí)際工作中常用可刻劃物品來(lái)大致測定礦物的相對硬度，如指甲約為2～2．5度，玻璃約為5．5—6度，鋼刀約為6～7度。

　　二、巖石物理力學(xué)性質(zhì)

　?。ㄒ唬r石的主要物理性質(zhì)

　　1．重量

　　巖石的重量是巖石最基本的物理性質(zhì)之一，一般用比重和重度兩個(gè)指標表示。

　　巖石的比重是巖石固體（不包括孔隙）部分單位體積的重量，在數值上等于巖石固體顆粒的重量與同體積的水在4℃時(shí)重量的比。常見(jiàn)的巖石的比重一般介于2．4～3．3之間。巖石的比重決定于組成巖石的礦物的比重及其在巖石中的相對含量。

　　巖石的重度也稱(chēng)容重，是巖石單位體積的重量，在數值上等于巖石試件的總重量（包括孔隙中的水重）與其總體積（包括孔隙體積）之比。巖石重度的大小決定于巖石中礦物的比重、巖石的孔隙性及其含水情況。巖石孔隙中完全沒(méi)有水存在時(shí)的重度，稱(chēng)為干重度；孔隙全部被水充滿(mǎn)時(shí)的重度，稱(chēng)為飽和重度。

　　一般來(lái)講，組成巖石的礦物比重大，或巖石的孔隙性小，則巖石的重度就大。在相同條件下的同一種巖石，重度大就說(shuō)明巖石的結構致密、孔隙性小，巖石的強度和穩定性也較高。

　　2．孔隙性

　　巖石的孔隙性用孔隙度表示，反映巖石中各種孔隙的發(fā)育程度。在數值上等于巖石中各種孔隙的總體積與巖石總體積的比，以百分數計?？紫缎詫r石的強度和穩定性產(chǎn)生重要的影響。巖石孔隙度的大小，主要取決于巖石的結構和構造，同時(shí)也受外力因素的影響。未受風(fēng)化或構造作用的侵入巖和某些變質(zhì)巖，其孔隙度一般是很小的，而礫巖、砂巖等一些沉積巖類(lèi)的巖石，則經(jīng)常具有較大的孔隙度。

　　3．吸水性

　　巖石的吸水性一般用吸水率表示，反映巖石在一定條件下（在通常大氣壓下）的吸水能力。在數值上等于巖石的吸水重量與同體積干燥巖石重量的比，也可以百分數計。巖石的吸水率與巖石孔隙度的大小、孔隙張開(kāi)程度等因素有關(guān)。巖石的吸水率大，則水對巖石顆粒問(wèn)結合物的浸潤、軟化作用就強，巖石強度和穩定性受水作用的影響也就越大。

　　4．軟化性

　　巖石的軟化性是指巖石受水作用后，強度和穩定性發(fā)生變化的性質(zhì)，主要取決于巖石的礦物成分、結構和構造特征。黏土礦物含量高、孔隙度大、吸水率高的巖石，與水作用容易軟化而喪失其強度和穩定性。

　　用軟化系數作為巖石軟化性的指標，在數值上等于巖石飽和狀態(tài)下的極限抗壓強度與風(fēng)干狀態(tài)下極限抗壓強度的比。其值越小，表示巖石的強度和穩定性受水作用的影響越大。未受風(fēng)化作用的巖漿巖和某些變質(zhì)巖，軟化系數大都接近于1，是弱軟化的巖石，其抗水、抗風(fēng)化和抗凍性強。軟化系數小于0．75的巖石，是軟化性較強的巖石，工程性質(zhì)比較差。

　　5．抗凍性

　　巖石孔隙中的水結冰時(shí)體積膨脹，會(huì )產(chǎn)生巨大的壓力。巖石抵抗這種壓力作用的能力，稱(chēng)為巖石的抗凍性。在高寒冰凍地區，抗凍性是評價(jià)巖石工程性質(zhì)的一個(gè)重要指標。

　　巖石的抗凍性，有不同的表示方法，一般用巖石在抗凍試驗前后抗壓強度的降低率表示?？箟簭姸冉档吐市∮?5％的巖石，認為是抗凍的；大于25％的巖石，認為是非抗凍的。

　?。ǘr石主要力學(xué)性質(zhì)

　　1．巖石的變形

　　巖石受力作用會(huì )產(chǎn)生變形，在彈性變形范圍內用彈性模量和泊松比兩個(gè)指標表示。彈性模量是應力與應變之比，以“帕斯卡”為單位，用符號Pa表示。相同受力條件下，巖石的彈性模量越大，變形越小。即彈性模量越大，巖石抵抗變形的能力越強。泊松比是橫向應變與縱向應變的比。泊松比越大，表示巖石受力作用后的橫向變形越大。

　　巖石并不是理想的彈性體，巖石變形特性的物理量也不是一個(gè)常數。通常所提供的彈性模量和泊松比，只是在一定條件下的平均值。

　　2．巖石的強度

　　巖石的強度是巖石抵抗外力破壞的能力，也以“帕斯卡”為單位，用符號Pa表示。巖石受力作用破壞，表現為壓碎、拉斷和剪切等，故有抗壓強度、抗拉強度和抗剪強度等。

　?。?）抗壓強度?？箟簭姸仁菐r石在單向壓力作用下抵抗壓碎破壞的能力，是巖石最基本最常用的力學(xué)指標。在數值上等于巖石受壓達到破壞時(shí)的極限應力?？箟簭姸戎饕c巖石的結構、構造、風(fēng)化程度和含水情況等有關(guān)，也受巖石的礦物成分和生成條件的影響。所以，巖石的抗壓強度相差很大，膠結不良的礫巖和軟弱頁(yè)巖小于20MPa，堅硬巖漿巖大于250MPa.

　?。?）抗拉強度?？估瓘姸仁菐r石抵抗拉伸破壞的能力，在數值上等于巖石單向拉伸破壞時(shí)的最大張應力。巖石的抗拉強度遠小于抗壓強度，故當巖層受到擠壓形成褶皺時(shí)，常在彎曲變形較大的部位受拉破壞，產(chǎn)生張性裂隙。

　?。?）抗剪強度?？辜魪姸仁侵笌r石抵抗剪切破壞的能力，在數值上等于巖石受剪破壞

　　時(shí)的極限剪應力。在一定壓應力下巖石剪斷時(shí)，剪破面上的最大剪應力，稱(chēng)為抗剪斷強度，其值一般都比較高?？辜魪姸仁茄貛r石裂隙或軟弱面等發(fā)生剪切滑動(dòng)時(shí)的指標，其強度遠遠低于抗剪斷強度。

　　三項強度中，巖石的抗壓強度最高，抗剪強度居中，抗拉強度最小?？辜魪姸燃s為抗壓強度的10％～40％，抗拉強度僅是抗壓強度的2％～16％。巖石越堅硬，其值相差越大，軟弱巖石的差別較小。巖石的抗壓強度和抗剪強度，是評價(jià)巖石（巖體）穩定性的主要指標，是對巖石（巖體）的穩定性進(jìn)行定量分析的依據之一。