Question

岩石对工程性质的影响

Answer 1

影响岩石工程性质的因素，可归纳为两个方面：一是内因，即岩石自身的内在条件，如组成岩石的矿物成分、结构、构造等；二是外因，即来自岩石外部的客观因素，如气候环境、风化作用、水文性质等。因此，岩石的矿物成分、结构、构造，以及岩石遭受风化作用、水的作用等，都直接影响岩石的工程性质。

1.矿物成分

组成岩石的矿物成分对岩石的工程性质具有直接影响。单矿岩与复矿岩比较，前者较后者耐风化。例如石英岩（单矿岩）主要矿物为石英，其平均抗压强度可达250MPa，而花岗岩（复矿岩）除含有石英外，还含有片状云母和中等解理的长石，其平均抗压强度为200MPa，可见花岗岩的强度较石英岩低。

矿物的硬度对岩石抗压强度有密切关系。如石英岩和大理岩，由于石英岩中的石英要比大理岩中方解石的硬度高得多，故石英岩的抗压强度为150～300MPa，而大理岩的抗压强度为100～250MPa。

矿物的密度决定着岩石的密度，含铁镁质矿物多的岩石的密度要比含硅铝质矿物多的岩石密度大。例如辉长岩的主要矿物成分是辉石和基性斜长石，而花岗岩的主要矿物成分是长石和石英，故辉长岩的平均密度（3.28g/cm³）要比花岗岩的平均密度（2.65g/cm³）大得多。

再从组成岩石的矿物颜色而论，暗色矿物（橄榄石、辉石、角闪石和黑云母）的抗风化能力要比浅色矿物（石英、长石、白云母）的抗风化能力弱。其中按照原生矿物对化学风化的反应来看，石英、白云母、石榴子石等为稳定的矿物；角闪石、辉石、正长石、酸性斜长石等为稍稳定的矿物；基性斜长石、黑云母、黄铁矿等为不稳定的矿物。因此，一般而言，在岩浆岩中酸性岩比基性岩的抗化学风化能力高；沉积岩抗风化能力要比岩浆岩和变质岩高。

2.结构

岩石的内部结构对岩石的力学强度有极大的影响。按岩石的结构特征，可将岩石分为结晶联结的岩石和胶结联结的岩石两大类。

（1）结晶联结

结晶联结的岩石，如大部分的岩浆岩、变质岩和一部分沉积岩等，其晶粒直接接触，结合力强，孔隙度小，吸水率低。在荷载作用下变形小，弹性模量大，抗压强度高。例如，闪长岩、辉长岩、玄武岩、石英砂岩等的抗压强度均在150～300MPa之间。

结晶结构的晶粒大小对强度有明显的影响。通常是细晶岩石的强度要高于同成分的粗晶岩石的强度，因细晶具有较高的结合力，故强度高。例如细晶花岗岩的强度可达180～200MPa，而粗晶花岗岩的强度只有120～140MPa；具有微晶至隐晶质的玄武岩，比中粗晶粒的基性岩强度更高；致密的结晶灰岩要比粗晶大理岩的强度高2～3倍。

（2）胶结联结

主要是指以沉积岩的碎屑结构为胶结物充填胶结而成的联结形式。胶结联结的岩石，其强度和稳定性取决于胶结物的成分和胶结的形式，以及碎屑成分。

硅质胶结的岩石的强度和稳定性，远远要高于泥质胶结的岩石。

胶结联结的形式一般可分为基底式胶结、孔隙式胶结和接触式胶结三种形式。

◎基底式胶结：是一种碎屑物散布于胶结物中，彼此不接触的联结形式。这种联结形式形成的结构孔隙度小，其物理力学性质完全取决于胶结物的性质。如果胶结物与碎屑物同为硅质或钙质，就有可能经重结晶作用转化为结晶联结，其强度和稳定性也随之增高。

◎孔隙式胶结：是指碎屑颗粒互相直接接触，胶结物充填于碎屑之间的孔隙中的一种联结形式。其强度和稳定性取决于碎屑物和胶结物的成分。一般而言，孔隙式胶结是强度和稳定性较好的联结形式。

◎接触式胶结：是指在碎屑颗粒的接触处，由少量的胶结物将其彼此结合起来的一种联结形式。这种联结形式形成的结构的孔隙度大、容重小、吸水率高，其强度和稳定性很差。

3.构造

构造对岩石工程性质的影响，可从两个方面来分析：

一方面，某些构造体现了矿物成分在岩石中分布的极不均匀性，如片理构造、流纹构造等。这些构造能使一些强度低、易风化的矿物常成定向富集，或呈条带状分布，或者呈局部聚集体。当岩石受荷载作用时，首先从这些软弱的部位发生变化，而影响岩石的物理力学性质。

另一方面，在矿物成分均匀的情况下，由于某些构造，如层理、节理、裂隙和各种成因的孔隙，使岩石结构的连续性与整体性受到一定程度的影响或破坏，从而使岩石的强度和透水性在不同方向上发生明显的差异。一般情况下，垂直层面的抗压强度大于平行层面的抗压强度；平行层面的透水性大于垂直层面的透水性；垂直层理的变形模量小于平行层理的变形模量。

如果上述两个方面的情况同时存在，则岩石的强度和稳定性就会明显呈叠加性地降低。

4.风化作用

岩石在自然力的作用下发生物理化学变化的过程，称为岩石风化。岩石风化使岩体的工程地质特征也发生改变，其表现如下：

（1）岩体的完整性受到破坏。风化作用使岩体原生裂隙扩大，并增加新的风化裂隙，导致岩体破碎为碎块、碎屑，进而分解为黏粒，从根本上改变了岩体的物理力学性质。

（2）岩石的矿物成分发生变化。岩石在化学风化过程中，原生矿物经化学反应，逐渐分化为次生矿物。随着化学风化的发展，层状矿物（如高岭石、蒙脱石之类的黏土矿物等）和鳞片状矿物（如绿泥石、绢云母之类的）不断增多，导致岩体的强度和稳定性大为降低。

（3）风化作用改变了岩石的水理力学性质。风化可使岩石具有一些黏性土的特性，诸如亲水性、孔隙性、透水性和压缩性都极为明显地增大，从而大大降低了岩石的力学强度，抗压强度也可由原来的几十至几百兆帕，降低到几兆帕。但当风化剧烈、黏土矿物增多时，渗透性又趋于降低。

5.水化作用

任何岩石被水饱和后的强度都会降低。这是因为水能沿着岩石极细微的孔隙、裂隙浸入，在其矿物颗粒间向深部运移，从而降低了矿物颗粒彼此之间的联结力，以及岩石的内聚力和内摩擦力，使岩石的抗压、抗剪强度受到影响。例如，石灰岩和砂岩被水饱和后，其极限抗压强度会降低25%～45%；又如花岗岩、闪长岩和石英岩等一类抗压强度很高的岩石，经水饱和后，其极限抗压强度也会降低10%左右。这实质上是岩石软化性的表现。

水对岩石强度的影响，在一定限度内是可逆的，即被水饱和的岩石，再经干燥后其强度仍可恢复。但是，如果发生干湿循环，由于岩石成分和结构发生了改变，那么强度降低就转化为不可逆过程。