土木工程地质：影响岩石工程性质的主要因素

影响岩石工程性质的主要因素可归纳为两方面：一方面是由岩石自身的内在条件所决定，如岩石的矿物成分、结构、构造等；另一方面是来自岩石的外部客观因素的影响，如水的影响和风化作用等。

1.矿物成分

岩石是由矿物成分组成的，岩石的矿物成分对岩石的物理力学性质产生直接的影响。例如辉长岩的比重比花岗岩大，这是因为辉长岩的主要矿物成分辉石和角闪石的比重比石英和长石的比重大的缘故。又如石英岩的抗压强度比大理岩要高得多，这是因为石英的硬度比方解石的硬度大。这说明，尽管岩类相同，结构和构造也相同，如果矿物成分不同，岩石的物理力学性质就会有明显的差异。但也不能简单地认为，含有高强度矿物的岩石其强度一定就高。因为岩石受力作用后，内部应力是通过矿物颗粒的直接接触来传递的，如果强度较高的矿物在岩石中互不接触，则应力的传递必然会受到中间强度低矿物的影响，岩石就不一定显示出较高的强度。因此只有在矿物均匀分布，高强度的矿物在岩石的结构中形成牢固的骨架时，才能起到提高岩石强度的作用。

工程上对岩石的强度要求都是比较高的。所以在对岩石的工程性质进行分析和评价时，我们更应注意那些可能降低岩石强度的因素。如花岗岩中黑云母的成分是否过高，石灰岩、砂岩中黏土矿物是否过高等。因为这些矿物的含量过高时，会直接影响到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，可将岩石分为两类：一类是晶质联结的岩石，如大部分岩浆岩、变质岩和一部分沉积岩；另一类是由胶结物连接的岩石，如大部分沉积岩。

结晶连接是由岩浆冷凝或溶液中结晶或重结晶形成的。矿物颗粒靠直接接触产出的力牢固的固结在一起，结合力强，结构致密，孔隙度小，容重大，吸水率变化范围小，比胶结连接具有较高的强度和稳定性。但就结晶连接来说，强度也不一致，结晶颗粒的大小和均匀程度对岩石的强度也有着明显的影响。如粗粒花岗岩的抗压强度，一般在118～137MPa（1200～1400kg/cm2）之间；而细粒花岗岩有的可达196～245MPa（2000～2500kg/cm2）之间，而最坚硬的石灰岩可达196MPa（2000kg/cm2）左右，有的甚至可达255MPa（2600kg/cm2）。这充分说明，矿物成分和结构类型相同的岩石，矿物颗粒的大小对强度也有着明显的影响。

胶结连接是矿物或岩屑由胶结物连接在一起的。胶结连接的岩石，其强度和稳定性主要决定于胶结物的成分和胶结的方式，同时也受碎屑成分的影响，变化很大。就结构的成分来说，硅质胶结的强度和稳定性高，泥质胶结的强度和稳定性就低，钙质和铁质胶结的强度和稳定性介于两者之间。如泥质砂岩的抗压强度一般只有59～79MPa（600～800kg/cm2），钙质胶结可达118MPa（1200kg/cm2），而硅质胶结的可达137MPa（1400kg/cm2），高的可达206MPa（2100kg/cm2）。

胶结连接的方式，有基底胶结、孔隙胶结和接触胶结三种。虽然肉眼不能分辨，但对岩石的强度有着重要的影响。基底胶结的碎屑散布于胶结物中，碎屑或颗粒互不接触[图1-11（a）]。所以基底胶结的岩石孔隙度小，强度和稳定性完全取决于胶结物的成分。当胶结物和碎屑的性质相同时如石英颗粒和硅质胶结物，经重结晶作用可以转化为结晶连接，强度和稳定性将会随之提高。孔隙胶结的碎屑或颗粒相互间直接接触，胶结物充填于碎屑或颗粒间的孔隙中，所以其强度和稳定性与碎屑及胶结物的成分有关系[图1-11（b）]。接触胶结则仅在碎屑与颗粒的接触部位有胶结物存在，所以接触胶结的岩石，一般孔隙度都比较大、容重小、吸水率高、易透水、强度低[图1-11（c）]。如果胶结物为泥质，与水作用容易软化而丧失岩石的强度和稳定性。(www.xing528.com)

3.构造

图1-11　岩石的胶结方式

（a）基底胶结；（b）孔隙胶结；（c）接触胶结

构造对岩石物理力学性质的影响，主要是由于矿物成分在岩石中的分布不均匀和岩石构造的不连续性所决定的。一种情况是由于某些岩石具有的片理状构造及流纹状构造，往往使矿物成分在岩石中的分布极不均匀。一些强度低、易风化的矿物，多沿一定的方向富集，形成条带状分布，或者成为局部的聚集体，从而使岩石的物理力学性质在局部发生很大变化。岩石受力破坏和遭受风化，首先从岩石的这些薄弱处发生。另一种情况是，不同的矿物成分虽然在岩石中的分布是均匀的，但由于岩石有层理、裂隙和各种孔隙的存在，致使岩石构造的连续性与整体性受到影响，从而使岩石的强度和透水性在不同的方向上发生明显的差异。一般垂直层理面的抗压强度大于平行层理面的抗压强度，平行层理面的透水性大于垂直层理面的透水性。如上述两种情况同时存在时，岩石的强度稳定性将会明显降低。

4.水的影响作用

岩石被水饱和后其强度和稳定性有所降低。当岩石遇水后，水就会浸入岩石裂隙或孔隙、削弱矿物成分或岩石间联结，使岩石的强度和稳定性受到影响。如石灰岩和砂岩被水饱和后其极限抗压强度会降低25%～45%。就是像花岗岩、闪长岩及石英等较为坚硬的岩石被水饱和后，其强度也有一定的降低。当其条件相同时，孔隙度大的岩石，被水饱和后其强度降低的幅度也大。当岩石干燥后，其强度值仍然可以得到恢复。但是如果发生干湿循环，化学溶解或使岩石结构状态发生改变，则岩石的强度降低，就转化成不可逆的过程了。

5.风化作用

风化是在温度、水、气体及生物等综合因素影响下，改变岩石的物质组成、结构和构造的一种过程。风化作用促使岩石的整体遭到破坏，矿物颗粒间的连接能力减弱，使岩石的孔隙度增大，容重减小，吸水性和透水性增高，强度和稳定性也随着降低。随着化学风化作用的加强，则会产生新的岩石，从根本上改变了岩石的工程性质。有关风化作用将在以后章节专门论述。