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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(gòu)成巖石的礦物，稱為造巖礦物。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(duì)巖石的強(qiáng)度和穩(wěn)定性發(fā)生影響。

目前，已發(fā)現(xiàn)的礦物有3000多種，但造巖礦物僅30余種。由于成分和結(jié)構(gòu)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(jù)。

(1)顏色。顏色是礦物最明顯、最直觀的物理性質(zhì)。根據(jù)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(jié)構(gòu)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。

(2)光澤。光澤是礦物表面的反光能力，用類比方法常分為四個(gè)等級(jí)：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(nèi)部裂紋等，可形成某種獨(dú)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(qiáng)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>

(3)硬度。硬度是礦物抵抗外力刻劃、壓人或研磨等機(jī)械作用的能力。鑒定礦物常用一些礦物互相刻劃來(lái)測(cè)定其相對(duì)硬度，一般分為10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)，如表1.2.1礦物硬度表所列。源：中華考試網(wǎng)

在實(shí)際工作中常用可刻劃物品來(lái)大致測(cè)定礦物的相對(duì)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)

(一)巖石的主要物理性質(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(biāo)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(shù)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(duì)含量。

巖石的重度也稱容重，是巖石單位體積的重量，在數(shù)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，稱為干重度;孔隙全部被水充滿時(shí)的重度，稱為飽和重度。

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(jié)構(gòu)致密、孔隙性小，巖石的強(qiáng)度和穩(wěn)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(shù)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?jǐn)?shù)計(jì)?？紫缎詫?duì)巖石的強(qiáng)度和穩(wěn)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(jié)構(gòu)和構(gòu)造，同時(shí)也受外力因素的影響。未受風(fēng)化或構(gòu)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(shù)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?jǐn)?shù)計(jì)。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(duì)巖石顆粒問(wèn)結(jié)合物的浸潤(rùn)、軟化作用就強(qiáng)，巖石強(qiáng)度和穩(wěn)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(qiáng)度和穩(wěn)定性發(fā)生變化的性質(zhì)，主要取決于巖石的礦物成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)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(qiáng)度和穩(wěn)定性。

用軟化系數(shù)作為巖石軟化性的指標(biāo)，在數(shù)值上等于巖石飽和狀態(tài)下的極限抗壓強(qiáng)度與風(fēng)干狀態(tài)下極限抗壓強(qiáng)度的比。其值越小，表示巖石的強(qiáng)度和穩(wěn)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(shù)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(qiáng)。軟化系數(shù)小于0.75的巖石，是軟化性較強(qiáng)的巖石，工程性質(zhì)比較差。

5.抗凍性

巖石孔隙中的水結(jié)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，稱為巖石的抗凍性。在高寒冰凍地區(qū)，抗凍性是評(píng)價(jià)巖石工程性質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)。

巖石的抗凍性，有不同的表示方法，一般用巖石在抗凍試驗(yàn)前后抗壓強(qiáng)度的降低率表示?？箟簭?qiáng)度降低率小于25%的巖石，認(rèn)為是抗凍的;大于25%的巖石，認(rèn)為是非抗凍的。

(二)巖石主要力學(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(nèi)用彈性模量和泊松比兩個(gè)指標(biāo)表示。彈性模量是應(yīng)力與應(yīng)變之比，以“帕斯卡”為單位，用符號(hào)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(qiáng)。泊松比是橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)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(shù)。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。

三、巖石成因類型及其特征

地球固體的表層是由巖石組成的硬殼—地殼，組成地殼的巖石按成因可分為巖漿巖(火成巖)、沉積巖(水成巖)和變質(zhì)巖三大類。它們?cè)诘貧ぶ械姆植疾⒉痪鶆?。從各類巖石在地殼表面的分布面積看，沉積巖約占陸地面積的75%，變質(zhì)巖和巖漿巖占25%;按質(zhì)量百分比計(jì)算，沉積巖僅占地殼質(zhì)量的5%，變質(zhì)巖占6%，而巖漿巖占89%。不同成因的巖石形成條件、物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造各不相同，故它們的物理力學(xué)性質(zhì)也不一樣，這些都關(guān)系到工程建設(shè)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工。

1.巖漿巖

巖漿巖又稱火成巖，是巖漿通過(guò)地殼運(yùn)動(dòng)，沿地殼薄弱地帶上升冷卻凝結(jié)后形成的巖石。巖石中礦物的結(jié)晶程度、顆粒大小與形狀，以及它們的相互組合關(guān)系不同，形成巖漿巖的不同結(jié)構(gòu)。巖石中的礦物在空間的排列、配置和充填方式不同，形成巖漿巖的不同構(gòu)造。結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征直接影響巖石的強(qiáng)度等工程性質(zhì)。根據(jù)形成條件，巖漿巖分為噴出巖和侵人巖。侵人巖是侵入到周圍巖層(簡(jiǎn)稱圍巖)中形成的巖漿巖。根據(jù)形成深度，侵入巖又分為深成巖(形成深度大于5km)和淺成巖(形成深度小于5km)。深成巖常形成巖基等大型侵入體，巖性一般較單一，以中、粗粒結(jié)構(gòu)為主，致密堅(jiān)硬，孔隙率小，透水性弱，抗水性強(qiáng)，故其常被選為理想的建筑基礎(chǔ)，如花崗巖、正長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖、輝長(zhǎng)巖：淺成巖多以巖床、巖墻、巖脈等狀態(tài)產(chǎn)㈩，有時(shí)相互穿插。顆粒細(xì)小，巖石強(qiáng)度高，不易風(fēng)化，但這些小型侵入體與圍巖的接觸部位，巖性不均一，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石破碎;風(fēng)化蝕變嚴(yán)重，透水性增大.如花崗斑巖、閃長(zhǎng)玢巖、輝綠巖、脈巖。噴㈩巖是指噴出地表形成的巖漿巖，一般呈原生孔隙和節(jié)理發(fā)育，產(chǎn)狀不規(guī)則，厚度變化大，巖性很不均一，比侵入巖強(qiáng)度低，透水性強(qiáng)，抗風(fēng)能力差，如流紋巖、粗面巖、安山巖、玄武巖、火山碎屑巖。

2.沉積巖

沉積巖是在地殼表層常溫常壓條件下，由風(fēng)化產(chǎn)物、有機(jī)物質(zhì)和某些火山作用產(chǎn)生的物質(zhì)，經(jīng)風(fēng)化、搬運(yùn)、沉積和成巖等一系列地質(zhì)作用而形成的層狀巖石。沉積巖主要有碎屑結(jié)構(gòu)(碎屑物質(zhì)被膠結(jié)物粘結(jié)起來(lái)而形成的結(jié)構(gòu))、泥質(zhì)結(jié)構(gòu)(由粒徑小于0.005mm的黏土顆粒組成的結(jié)構(gòu))、晶粒結(jié)構(gòu)(由巖石顆粒在水溶液中結(jié)晶或呈膠體形態(tài)凝結(jié)沉淀而成的結(jié)構(gòu))、生物結(jié)構(gòu)(由生物遺體組成的結(jié)構(gòu))。沉積巖的構(gòu)造，是沉積巖各個(gè)組成部分的空間分布和排列方式。常見(jiàn)的構(gòu)造有層理構(gòu)造、層面構(gòu)造、結(jié)核(與周圍沉積巖不同的、規(guī)模不大的團(tuán)塊體)、生物成因構(gòu)造(如生物礁體、疊層構(gòu)造、蟲(chóng)跡、蟲(chóng)孔等)。根據(jù)沉積巖的組成成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和形成條件，可分為碎屑巖(如礫巖、砂巖、粉砂巖)、黏土巖(如泥巖、頁(yè)巖)、化學(xué)巖及生物化學(xué)巖類(如石灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r)等。

3.變質(zhì)巖

變質(zhì)巖是地殼中原有的巖漿巖或沉積巖，由于地殼運(yùn)動(dòng)和巖漿活動(dòng)等造成物理化學(xué)環(huán)境的改變，使原來(lái)巖石的成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造發(fā)生一系列變化所形成的新的巖石。變質(zhì)巖的結(jié)構(gòu)主要有變余結(jié)構(gòu)(重結(jié)晶或變質(zhì)結(jié)晶作用不完全使原巖結(jié)構(gòu)特征保留)、變晶結(jié)構(gòu)(巖石發(fā)生重結(jié)晶或變質(zhì)結(jié)晶所形成的結(jié)構(gòu))、碎裂結(jié)構(gòu)(巖石受定向壓力作用發(fā)生破裂，形成碎塊甚至粉末狀后又被膠結(jié)在一起的結(jié)構(gòu))。變質(zhì)巖的構(gòu)造主要有板狀構(gòu)造(平行、較密集而平坦的破裂面分裂巖石成板狀體)、千枚狀構(gòu)造(巖石呈薄板狀)、片狀構(gòu)造(含大量呈平行定向排列的片狀礦物)、片麻狀構(gòu)造(粒狀變晶礦物間夾鱗片狀、柱狀變晶礦物并呈大致平行的斷續(xù)帶狀分布)、塊狀構(gòu)造(礦物均勻分布、結(jié)構(gòu)均一、無(wú)定向排列，如大理巖、石英巖)等。

四、土的工程性質(zhì)

土是連續(xù)、堅(jiān)固的巖石在風(fēng)化作用下形成的大小懸殊的顆粒，在原地殘留或經(jīng)過(guò)不同的搬運(yùn)方式，在各種自然環(huán)境中形成的堆積物。土是由顆粒(固相)、水溶液(液相)和氣(氣相)所組成的三相體系。組成土的固體顆粒礦物有原生礦物、不溶于水的次生礦物、可溶鹽類、易分解的礦物以及有機(jī)質(zhì)。各種土的顆粒大小和礦物成分差別很大，土的三相間的數(shù)量比例也不盡相同，而且土粒與其孔隙水溶液及環(huán)境水之間又有復(fù)雜的物理化學(xué)作用。

1.土的孔隙比和含水量

土的孔隙比是土中孔隙體積與土粒體積之比，反映天然土層的密實(shí)程度，一般孔隙比小于0.6的是密實(shí)的低壓縮性土，大于1.0的土是疏松的高壓縮性土。天然土層的含水量變化范圍很大，一般于的粗砂土，其值接近于0，而飽和砂土可達(dá)35%;堅(jiān)硬的黏性土含水量為20%～30%，而飽和狀態(tài)的軟黏性土(如淤泥)可達(dá)60%以上。一般而言，土的含水量增大時(shí)，其強(qiáng)度就降低。土的飽和度是土中被水充滿的孔隙體積與孔隙總體積之比，飽和度Sr越大，表明土孔隙中充水愈多。Sr80%是飽水狀態(tài)。

碎石土和砂土為無(wú)黏性土，緊密狀態(tài)是判定其工程性質(zhì)的重要指標(biāo)。顆粒小于粉砂的是黏性土，黏性土的丁程性質(zhì)受含水量的影響特別大。當(dāng)含水量很小時(shí)，黏性土比較堅(jiān)硬，處于固體狀態(tài)，具有較大的力學(xué)強(qiáng)度。隨著土中含水量的增大，土逐漸變軟，并在外力作用下可任意改變形狀，即土處于可塑狀態(tài)。若再繼續(xù)增大土的含水量，土變得愈來(lái)愈軟弱，甚至不能保持一定的形狀，呈現(xiàn)流塑或流動(dòng)狀態(tài)。黏性土這種因含水量變化而表現(xiàn)出的各種不同物理狀態(tài)，稱為土的稠度。黏性土能在一定的含水量范圍內(nèi)呈現(xiàn)出可塑性，這是黏性土區(qū)別于砂土和碎石土的一大特性，據(jù)此特點(diǎn)，黏性土也可稱為塑性土。土的可塑性是指土在外力作用下可以形成任意形狀而不裂縫，且當(dāng)外力解除后仍可保持既得形狀的性能。隨著含水量的變化，黏性土由一種稠度狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)，對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)變點(diǎn)的含水量稱為界限含水量，也稱為稠度界限，是黏性土的重要特性指標(biāo)，對(duì)黏性土的工程性質(zhì)評(píng)價(jià)及分類等有重要意義。黏性土的界限含水量，有縮限、塑限和液限。

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