岩石工程性质及分类：工程地质与土工试验

一、工作任务

通过岩石的工程性质及工程分类知识的学习，学生应能够承担以下工作任务：

（1）了解岩石的物理、水理、力学性质。

（2）掌握岩石风化作用类型、影响因素、风化程度分级及防治措施。

（3）掌握岩石按坚硬程度的划分和岩土施工工程分级。

二、相关配套知识

（一）岩石的工程性质

岩石的工程性质是工程地质学的核心，也是本课的重点内容之一。岩石的工程性质包括岩石的物理性质、水理性质及力学性质。

1.岩石的物理性质

岩石的物理性质主要包括岩石的重量性质和孔隙性质。岩石的物理性质决定于岩石的固相、液相和气相三者的比例关系，它是评价岩基承载力、计算边坡稳定系数、选配建筑材料所必须测试的指标，通常从岩石的相对密度、密度和孔隙性三个方面来分析。

1）岩石的相对密度（岩石的比重）

岩石的相对密度指岩石固体部分的质量与同体积的 4 °C 水的质量比值。岩石相对密度大小取决于组成岩石的矿物的相对密度及其在岩石中的相对含量，如超基性、基性岩含铁镁矿物较多，其相对密度较大；酸性岩则相反。岩石的相对密度介于2.50～3.30之间。

2）岩石的密度ρ

岩石的密度指包括孔隙在内的单位体积岩石的质量。

式中 ρ——岩石的密度（g/cm3）；

m——岩石的总质量（g）， m= ms + mw + ma ，其中 ms为岩石固体部分的质量（g），mw为岩石孔隙中水分的质量（g），ma为岩石孔隙中气体的质量（可视为0）；

V——岩石的总体积（cm3）， V=Vs + Vw + Va，其中Vs为岩石固体部分的体积（cm3），Vw 为岩石孔隙中水分的体积（cm3）， Va为岩石孔隙的总体积（cm3）。

岩石的总质量 m 值中包含着固体部分的质量ms和孔隙中所含天然水分的质量mw，故常称为岩石的天然密度。

岩石密度大小取决于组成岩石的矿物成分、孔隙性及含水情况，常介于2.30～3.10 g/cm3之间。按岩石孔隙含水状况不同，密度分天然密度、干密度和饱和密度。由于岩石的孔隙不大，因此区分岩石的不同特征的密度意义亦不大。

3）岩石的空隙性

岩石的空隙指岩石的孔隙和裂隙的总称，岩石的空隙性指岩石孔隙和裂隙的发育程度。岩石中孔隙、裂隙大小、多少及其连通情况等，对岩石的强度及透水性有着重要的影响，一般用空隙率n和空隙比e来表示。

空隙率指岩石中空隙体积Va与岩石总体V的百分比：

空隙比指岩石中空隙体积Va与岩石固体部分体积sV的比值：

岩石空隙性主要取决于岩石的结构和构造，也受到外力因素的影响。由于岩石中孔隙、裂隙发育程度变化很大，其空隙率的变化也很大。例如，三叠系砂岩的空隙率为 0.6%～27.2%，碎屑沉积岩的时代愈新，其胶结愈差，则空隙率愈高。结晶岩类的空隙率较低，很少高于3%，随着空隙率的增大，透水性增大，岩石的强度降低。空隙削弱了岩石的整体性，同时又加快了风化的速度，使空隙又不断扩大。

2.岩石的水理性质

岩石的水理性质指岩石和水相互作用时所表现的性质，包括吸水性、软化性和抗冻性。1）岩石的吸水性

岩石在一定试验条件下的吸水性能称岩石的吸水性。它取决于岩石空隙的数量、大小、开闭程度、连通与否等情况。表征岩石吸水性的指标有吸水率、饱和吸水率和饱水系数等。

吸水率指岩石试件在常压下（1atm，1标准大气压）所吸入水分的质量mw1与干燥岩石质量ms的百分比：

饱和吸水率指岩石试件在高压或真空条件下所吸水分的质量mw2与干燥岩石质量 sm的百分比：

饱水系数指岩石吸水率与饱和吸水率的比值。饱水系数反映了岩石大开型空隙与小开型空隙之相对数量，饱水系数愈大，表明岩石的吸水能力愈强，受水作用愈加显著。一般认为饱水系数 Kw ＜ 0.8的岩石抗冻性较高，一般岩石饱水系数在0.5～0.8之间。

2）岩石的透水性

岩石能被水透过的性能称岩石透水性。它主要决定于岩石空隙的大小、数量、方向及其相互连通的情况。岩石透水性可用渗透系数衡量。

3）岩石的软化性

岩石受水的浸泡作用后，其力学强度和稳定性趋于降低的性能称软化性。软化性的大小取决于岩石的空隙性、矿物成分及岩石结构、构造等因素。凡孔隙大、含亲水性或可溶性矿物多、吸水率高的岩石，受水浸泡后，岩石内部颗粒间的连接强度降低，导致岩石软化。

岩石软化性大小常用软化系数η来衡量：

式中 Rw——岩石饱水状态下的抗压强度（MPa）；

Rc ——岩石干燥状态下的抗压强度（MPa）。

软化系数是判定岩石耐风化、耐水浸能力的指标之一。软化系数值愈大，则岩石的软化性愈小。当 η ＞ 0.75时，岩石工程性质较好。

4）岩石的抗冻性

岩石抵抗冻融破坏的性能称岩石的抗冻性。岩石浸水后，当温度降到 0 °C 以下时，其空隙中的水将冻结，体积膨胀，产生较大的膨胀压力，使岩石的结构和构造发生改变，直到破坏。反复冻融后，将使岩石的强度降低。可用强度损失率和质量损失率表示岩石的抗冻性。

强度损失率指冻融试验（岩石试样反复冻融25次以上）前后饱和岩样抗压强度之差值与冻融前饱和抗压强度的比值。

质量损失率指冻融试验（岩石试样反复冻融25次以上）前后干试件的质量差与试验前干试件质量的比值。

强度损失率和质量损失率的大小主要取决于岩石开型空隙发育程度、亲水性和可溶性矿物含量及矿物颗粒间连接强度。一般认为，强度损失率小于 25% 或质量损失率小于 2% 时岩石是抗冻的。此外，W1（吸水率）＜0.5%、η（软化系数）＞0.75均为抗冻岩石。

3.岩石的力学性质

岩石的力学性质指岩石在各种静力、动力作用下所表现出来的性质，主要包括变形和强度。岩石在外力作用下首先是变形，当外力继续增加，达到或超过某一极限时，便开始破坏。岩石的变形与破坏是岩石受力后发生变化的两个阶段。

岩石抵抗外载荷而不破坏的能力称岩石强度。载荷过大并超过岩石能承受的能力时，岩石便开始破坏，岩石开始破坏时所能承受的极限载荷称为岩石的极限强度，简称为强度。

按外力作用方式不同将岩石强度分为抗压强度、抗拉强度和抗剪切强度。

1）抗压强度

岩石单向受压时，抵抗压碎破坏的最大轴向压应力称为岩石的极限抗压强度，简称抗压强度。抗压强度通常在室内用压力机对岩样进行加压试验确定。目前试件多采用立方体（尺寸：5 cm×5 cm×5 cm、10 cm×10 cm×10 cm）或圆柱体（φ=5 cm、 H= 10 cm ）。抗压强度的主要影响因素：岩石的矿物成分、颗粒大小、结构、构造、岩石风化程度、试验条件等。饱和条件下岩石抗压强度小于天然状态或干燥条件下岩石的抗压强度。

2）抗拉强度

岩石在单向拉伸破坏时的最大拉应力，称为抗拉强度。抗拉强度试验一般有轴向拉伸法和劈裂法，抗拉强度主要决定于岩石中矿物组成之间的黏聚力的大小。

3）抗剪切强度

岩石在一定压力条件下，被剪破时的极限剪切应力值（τ）根据岩石受剪时的条件不同而不同。通常把抗剪强度分为三种类型。

（1）抗剪强度。抗剪强度是指两块岩样在垂直结合面上一定压应力的作用下，岩样接触面之间所能承受的最大剪切力。测试该指标的目的在于求出接触面的抗剪系数值，为坝基、桥基、隧道等基底滑动和稳定验算提供试验数据。

（2）抗切强度。抗切强度是指在岩石剪断面上无正压力条件下，岩石被剪断时的最大剪应力值。它是测定岩石黏聚力的一种方法。

（3）抗剪断强度。抗剪断强度是指在岩石剪断面上有一定压应力作用下，被剪断时的最大剪应力值。

室内测定抗剪强度时一般采用剪力仪。(www.xing528.com)

常见岩石的抗压、抗剪及抗拉强度指标列于表1-4中。

表1-4 常见岩石的抗压、抗剪及抗拉强度 单位：MPa

（二）岩石的风化作用

地表及地面以下一定深度的岩石，在气温变化、水溶液、气体及生物等自然因素作用下，逐渐产生裂隙、发生机械破碎和矿物成分的改变，丧失完整性的过程称为岩石风化作用。

1.风化作用的类型

根据岩石风化破碎方式不同，可以把风化作用分为物理风化、化学风化和生物风化作用。

1）物理风化作用

岩石在自然因素作用下发生机械破碎，而无明显成分改变的风化作用称物理风化作用。促使岩石物理风化的自然因素主要有气温变化、冰劈作用和盐类结晶等。

（1）气温变化：导致物理风化的一种主要因素。岩石是热的不良导体，白天岩石在阳光照射下受热膨胀，表面很快升温，内部因热量传递缓慢几乎没有膨胀，夜间气温下降，岩石表面冷却收缩，内部经过一天时间才开始升温膨胀，这样表里膨胀收缩不一致，长期反复作用，岩石开始出现裂隙，最终发生破坏。

（2）冰劈作用：岩石中的裂隙水在气温降至 0 °C或以下，就产生冰冻现象。水转化成冰时体积膨胀并对裂隙壁面产生强大的压力，使裂隙扩大延伸。反复的融冻最终使岩石被冰劈崩碎成块。

（3）盐类结晶作用：岩石裂隙中的水，或多或少含有一定的可溶盐，当水分蒸发盐分饱和或气温降低盐分的溶解度随之变小时，从溶液中结晶出来的盐对岩石裂隙产生压力，使岩石胀裂。

2）化学风化作用

岩石在自然因素作用下发生化学成分改变，从而导致岩石破坏的现象称为化学风化作用。引起化学风化的自然因素主要是水和空气中含的各种化学成分，如氧和二氧化碳等。常见的化学风化作用有溶解作用、水化作用、氧化作用和碳酸化作用等。

（1）溶解作用：岩石中某些矿物可以被水溶解，从而使岩石孔隙增多或增大，岩石完整性降低至破坏。典型的例子为石灰岩的溶解作用，形成岩溶现象，其化学反应式如下：

（2）水化作用：岩石中某些矿物成分与定量水分子化合生成新矿物，有的还同时体积膨胀而使原岩破坏，如硬石膏（CaSO4）水化成石膏（CaS04·2H20）体积增大1.5倍，而使岩石破坏。

（3）氧化作用：岩石中某些矿物与空气或水中的氧化合生成各种新成分。如岩石中的黄铁矿氧化成褐铁矿，同时产生硫酸腐蚀岩石，其反应式如下：

（4）碳酸化作用：水中C02夺取矿物的盐基，原岩的矿物破坏分解生成新的碳酸盐。正长石经碳酸化作用生成碳酸钾、二氧化硅胶体及黏土矿物——高岭石就是典型的例子。几乎所有硅酸盐类矿物都可以产生这类反应，生成黏土矿物，其反应式如下：

3）生物风化作用

岩石风化过程有生物活动的参与称生物风化。如岩石裂隙中生长的树，随着树的生长，根系发育延伸，岩石被劈裂，即属生物物理风化；岩石表面生长的地衣分泌有机酸腐蚀岩石，使其分解，即属生物化学风化。

综上所述，岩石风化主要是物理风化和化学风化。一般情况下，两种风化方式同时进行，相互促进。但是在不同地区，自然条件不同，两种风化作用又有主次之分。干旱气候区，昼夜温差变化大，水分缺乏，物理风化盛行；雨量充沛的潮湿炎热气候区则以化学风化为主。

2.影响岩石风化的因素及岩石风化程度分级

1）影响因素

岩石的风化作用不仅取决于外部各种自然因素的影响，还受到岩石本身性质及地质构造的控制。

（1）岩石性质：岩石的成因、矿物成分及结构、构造不同，对风化的抵抗能力不同。

① 成因。岩石成因反映它生成时的环境和条件。风化作用实质上是岩石生成时的环境和条件与目前它所处的环境和条件的差异造成的。如果岩石生成的环境和条件与目前地表环境、条件接近，则岩石抵抗风化能力强；反之则弱。因此，喷出岩比浅成岩抗风化能力强，浅成岩又比深成岩抗风化能力强。一般情况下沉积岩比岩浆岩和变质岩抗风化能力强。

② 矿物成分组成。岩石的矿物成分的化学稳定性和矿物种类的多少，是决定岩石抵抗风化能力的重要因素。按照矿物化学稳定性顺序，石英化学稳定性最好，抗风化能力最强；其次是正长石、酸性斜长石、角闪石和辉石；而基性斜长石、黑云母和黄铁矿等矿物是很容易被风化的。一般来说深色矿物风化快，浅色矿物风化慢。对于各种碎屑岩和黏土岩，抗风化能力主要取决于胶结，如硅质胶结的比钙质胶结的抗风化能力强。另外，单矿岩比复矿岩抗风化能力强。

③ 结构和构造。一般均匀、细粒结构岩石比粗粒结构岩石抗风化能力强，等粒结构比斑状结构岩石耐风化，而隐晶质岩石最不易风化。从构造上看，具有各向异性的层理、片理状岩石较致密块状岩石容易风化，而厚层、巨厚层岩石比薄层状岩石更耐风化。

（2）地质构造：地质构造对风化的影响主要是岩石在构造变形时生成多种节理、裂隙和破碎带，使岩石破碎，为各种风化因素侵入岩石内部提供了途径，扩大了岩石与空气、水的接触面积，促进了岩石的风化。因此在褶曲轴部、断层破碎带及其附近裂隙密集的岩石风化程度比完整的岩石严重。

2）风化程度分级

岩石风化后，工程性质变坏，风化严重的可以丧失强度，风化轻微的其工程性质可能略有下降或有不同程度的降低。因此，确定岩石的风化程度，充分利用岩石的“剩余”强度，对于工程建设来说有重要意义。目前确定岩石的风化程度主要依据野外观察岩石中矿物颜色变化、矿物成分改变、岩石破碎程度和岩石强度变化等四方面的特征而定。

（1）矿物颜色变化：岩石中矿物成分的风化首先反映在其颜色的改变上。未风化矿物的颜色是新鲜的，光泽明亮，风化后颜色暗淡，失去光泽，风化愈严重，变化愈明显。

（2）矿物成分改变：岩石风化必然引起矿物成分的变化，这在易风化矿物中最易显示出来，所以要特别观察易于风化的矿物如黑云母等的变化。长石失去光泽，表面似有土状粉末即表明已开始风化。

（3）岩石破碎程度：风化后岩石产生裂隙，显然岩石风化程度愈严重，岩石愈破碎。

（4）岩石强度变化：风化严重的岩石强度降低，根据岩石强度的变化可以确定风化程度。野外调查时，可用手锤敲击、小刀刻划、镐头挖掘等方法测试其强度变化。

根据上述四方面的变化，《工程岩体分级标准》（GB/T 50218—2014）将岩石风化程度划分为五级，见表1-5。

表1-5 岩石风化程度的划分

3.防治风化的措施

实践表明：某些岩石完整、坚硬、抗风化能力极强，如花岗岩、厚层石灰岩等，在这些岩石中开挖隧道可以不支撑、不衬砌，暴露在空气中的岩石数十年几乎没有风化迹象；而另外一些岩石，风化速度极快或极容易风化，如某地水工隧洞中之砂页岩，开挖一年后风化深度达1 m以上。因此，对于容易风化或风化速度快的岩石，必须采取措施防止风化引起岩石力学性质的恶化。

防止岩石风化作用发展的措施之一是向岩石孔隙、裂隙中灌注各种浆液，提高岩石整体性和强度，增强岩石抗风化能力；措施之二是在岩石表面喷抹水泥砂浆、沥青或石灰水泥砂浆封闭岩面，防止空气、水分与岩石接触或渗入其中，这也是防止岩石风化的有效措施。在基础工程建设中，对于已经存在的严重风化层，若其厚度不大应予清除，使建筑物地基落在未风化或微、弱风化的岩石上；若厚度较大不能全部挖除，则应采取相应措施，如地基工程应采用桩基穿透风化层落在新鲜岩石上，而边坡、隧道工程则可根据风化层厚度及风化程度采用加强支护、支挡、衬砌等措施。

（三）岩石的工程分类

工程实践中常根据岩石的工程性质和特征将岩石按工程用途进行分类，分类指标有单项的，如岩石按坚硬程度的划分；也有多项的，如铁路隧道围岩的基本分级等。下面介绍岩石按坚硬程度的划分和岩土施工工程分级。

1.岩石按坚硬程度的划分

岩石按坚硬程度定性划分时，根据岩石风化程度可按表1-6确定。

表1-6 岩石坚硬程度的定性划分

续表

岩石坚硬程度的定量指标采用岩石单轴饱和抗压强度（ Rc）的实测值，其关系见表1-7。

表1-7 岩石坚硬程度与单轴饱和抗压强度（cR）的对应关系

2.岩土施工工程分级

道路工程地质勘察时还应对岩土施工的难易程度进行分级，表 1-8 为铁路部门所用分级。这个分级对编制施工概算是十分有用的。

表1-8 岩土施工工程分级

续表

注：① 各类软士的工程分级，应结合具体施工情况定为Ⅱ～Ⅲ级。
② 表中所列岩石均按完整结构岩体考虑，岩体破碎、强风化时，应按表中对应的岩石等级降低一个等级。