1.4 岩石的工程性质
岩石的成因不同，其工程性质也不同。本节主要介绍岩石工程性质的常用指标和影响工程性质的主要因素。
1）岩石工程性质的常用指标
岩石的工程性质主要指岩石的物理性质、水理性质和力学性质，它们分别用不同的指标来衡量。
（1）岩石的物理性质
①岩石的质量密度（ρ）：岩石单位体积的质量称为岩石的质量密度，即
岩石孔隙中完全没有水存在时的质量密度，称为干密度。岩石中孔隙全部被水充满时的质量密度，称为饱和密度。
②岩石的相对密度（比重）（ds）：岩石固体部分的质量与同体积4℃水的质量的比值称为岩石的相对密度，即
常见岩石的相对密度一般介于2.5～3.3之间。
③岩石的孔隙率（n）：岩石中孔隙和裂隙的体积与岩石总体积的比值称为岩石的孔隙率，常用百分数表示，即
坚硬岩石的孔隙率一般小于3%，而砾岩和砂岩等多孔岩石的孔隙率较大。
④岩石的吸水性。
a.岩石的吸水率（w1）：岩石在常压条件下所吸水分质量与绝对干燥的岩石质量的比值称为岩石的吸水率，用百分数表示，即
岩石的吸水率与岩石的孔隙大小和张开程度等因素有关，它反映了岩石在常压条件下的吸水能力。岩石的吸水率大，则水对岩石的侵蚀和软化作用就强。
b.岩石的饱和吸水率（w2）：在高压（15MPa）或真空条件下岩石所吸水分质量与干燥岩石质量的比值称为岩石的饱和吸水率，用百分数表示，即
c.岩石的饱水系数（Kw）：岩石的吸水率与饱水率的比值，称为岩石的饱水系数，即
岩石的饱水系数越大，岩石的抗冻性越差。
（2）岩石的水理性质
岩石的水理性质主要指岩石的软化性、透水性、溶解性和抗冻性等，是岩石与水作用时的性质。
①岩石的软化性：岩石在水的作用下，强度及稳定性降低的一种性质，称为岩石的软化性。岩石软化性的指标是软化系数，它等于岩石在饱水状态下的抗压强度与岩石在干燥状态下的抗压强度的比值，即
软化系数越小，表示岩石在水的作用下的强度和稳定性越差。软化系数小于0.75的岩石，工程性质较差，是强软化的岩石。未受风化作用的岩浆岩和某些变质岩，软化系数大都接近于1，是弱软化的岩石，其抗风化和抗冻性强。
岩石的软化性主要取决于岩石的矿物成分、结构和构造特征。黏土矿物含量高，孔隙率大和吸水率高的岩石，与水作用时易软化而降低其强度和稳定性。
②岩石的透水性：岩石允许水通过的能力称为岩石的透水性。一般用渗透系数（k）来表示。其大小主要取决于岩石中孔隙、裂隙的大小及连通的情况。
③岩石的溶解性：岩石溶解于水的性质称为岩石的溶解性，常用溶解度来表示。一般富含CO2的水对岩石的溶解力较强。石灰岩、白云岩、大理岩、石膏和岩盐等，是自然界中常见的可溶性岩石。岩石的溶解性不但和岩石的化学成分有关，而且和水的性质也有很大的关系。
④岩石的抗冻性：当岩石孔隙中的水结冰时，其体积膨胀会产生巨大的压力而使岩石的强度和稳定性破坏。岩石抵抗这种冰冻作用的能力称为岩石的抗冻性。它是冰冻地区评价岩石工程性质的一个主要指标，一般用岩石在抗冻试验前后抗压强度的降低率来表示。抗压强度降低率小于25%的岩石，一般认为是抗冻的。
（3）岩石的力学性质
①岩石的强度指标：岩石的强度指标主要有抗压强度、抗拉强度和抗剪强度。岩石的破坏主要有压碎、拉断和剪断等形式。
a.抗压强度（fr）：岩石在单向压力作用下，抵抗压碎破坏的能力，称为岩石抗压强度，即
岩石的抗压强度主要取决于岩石的结构和构造，以及矿物成分。
b.抗拉强度（δt）：岩石单向拉伸时，抵抗拉断破坏的能力称为岩石的抗拉强度，即
c.抗剪强度（τ）：岩石抵抗剪切破坏的能力称为岩石的抗剪强度。它又可分抗剪断强度、剪强度和抗切强度。
抗剪断强度是指在垂直压力作用下的岩石剪断强度，即
坚硬岩石因结晶联结或胶结联结牢固，因此其抗剪断强度较高。
抗剪强度是沿已有的破裂面发生剪切滑动时的指标，即
抗剪强度大大低于抗剪断强度。
抗切强度是指压应力等于零时的抗剪断强度，即
τ＝c （1－12）
岩石的抗压强度最高，抗剪强度居中，抗拉强度最小。岩石越坚硬，其值相差越大。岩石的抗剪强度和抗压强度是评价岩石稳定性的重要指标。
②岩石的变形指标：岩石的变形指标主要有弹性模量、变形模量和泊松比等三种。
a.弹性模量（E）：应力与弹性应变的比值称为岩石的弹性模量，即
b.变形模量（EO）：应力与总应变的比值，称为岩石变形模量，即
c.泊松比（μ）：岩石在轴向压力作用下的横向应变和纵向应变的比值，称为泊松比，即
εy——纵向应变。
岩石的泊松比一般在0.2～0.4之间。
（4）岩石的物理力学性质经验数据
常见岩石的物理力学性质经验数据分别归纳于表1－5、表1－6中。
表1－5 常见岩石物理性质和水理性质
表1－6 常见岩石力学性质指标
注：①似内摩擦角φ是考虑岩石黏聚力在内的等效摩擦角。②容许应力σ即容许承载力。
2）岩石工程性质的影响因素
影响岩石工程性质的因素，主要是岩石的矿物成分、结构、构造、水和风化作用等。
（1）矿物成分
岩石由一种或多种矿物组成，矿物成分对岩石的物理力学性质会产生直接的影响。例如，石英岩的抗压强度比大理岩要高得多，这是因为石英的强度比方解石强度高的缘故。一般说来，大多数岩石的强度都较高，因此在对岩石的工程性质进行分析和评价时，更应注意那些可能降低岩石强度的因素，如花岗岩中的黑云母含量，石灰岩和砂岩中黏土类矿物的含量，因为这类矿物易风化，易降低岩石的强度和稳定性。
（2）结构
岩石的结构特征是影响岩石物理力学性质的一个重要因素。根据岩石的结构特征，可将岩石分为结晶联结的岩石和胶结物联结的岩石两大类。
结晶联结是由岩浆或溶液结晶或重结晶形成的，如大部分岩浆岩、变质岩和一部分沉积岩。结晶联结的岩石比胶结物联结的岩石具有较高的强度和稳定性，其结晶颗粒的大小对岩石的强度也有明显的影响。如粗粒花岗岩的抗压强度，一般在120～140MPa之间，而细粒花岗岩有的高达200～250MPa。
胶结物联结岩石是矿物碎屑由胶结物联结在一起形成的，如沉积岩中的碎屑岩。胶结物联结的岩石的强度和稳定性主要取决于胶结物的成分和胶结形式。就胶结物成分而言，硅质胶结的强度和稳定性高，泥质胶结的强度和稳定性差，而铁质和钙质胶结的强度和稳定性介于二者之间。如泥质胶结的砂岩抗压强度只有60～80MPa，而硅质胶结的砂岩高达170MPa。
胶结物联结有孔隙胶结、接触胶结和基底胶结三种类型，如图1－7所示，它们对岩石的强度有重要影响。孔隙胶结是碎屑颗粒彼此接触，孔隙全部或大部分为胶结物所填充的胶结，岩石胶结坚固，强度高，透水性弱。接触胶结仅在碎屑颗粒的接触点上有胶结物，将松散的碎屑彼此胶结在一起，胶结程度低，在颗粒间留下孔隙，因此，这类岩石的强度不高，透水性强。基底胶结的碎屑颗粒存在于胶结物中，彼此不相连接，岩石的孔隙度小，这类岩石的强度和稳定性完全取决于胶结物的物理力学性质。
（3）构造
构造对岩石物理力学性质的影响，主要由矿物成分在岩石中分布的不均匀性和岩石结构的不连续性所决定。
岩石所具有的板状构造、片状构造、千枚状构造、片麻状构造和流纹构造等，往往使矿物成分在岩石中的分布很不均匀。一些极易风化的矿物，多沿一定方向聚集形成条带状分布，使岩石的物理力学性质在局部发生很大变化；而岩石中存在的层理、裂隙和孔隙，往往使岩石结构的连续性和整体性受到影响，致使岩石的强度和透水性在不同方向上发生明显的差异，如垂直层面的抗压强度一般大于平行层面的抗压强度。
图1－7 常见沉积岩的胶结类型
1—孔隙胶结；2—接触胶结；3—基底胶结
（4）水
当岩石受到水作用时，水将沿着孔隙或裂隙侵入，浸湿岩石自由表面上的矿物颗粒，削弱矿物颗粒间的联结，使岩石的强度受到影响，如砂岩被水饱和后，其抗压强度会降低25%～45%左右。一般来说，岩石饱水后会使岩石的强度发生不同程度的降低。
（5）风化
风化是自然界一种很普遍的地质现象，它使岩石的原有裂隙进一步扩大，并产生新的裂隙，使岩石的结构、构造和整体性遭到破坏，从而增大了岩石的吸水性和透水性，大大降低了岩石的强度。
【思考题】
1－1 试说明地质作用的类型及其发生过程。
1－2 矿物的主要物理性质有哪些？
1－3 常见造岩矿物有哪几种？各自的主要特征是什么？
1－4 试述三大岩类各自常见的矿物或物质成分、结构、构造及其相互区别的典型特征。
1－5 三大岩类各自的分类与常见的岩石。
1－6 岩石的工程性质常用指标有哪些？
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