岩石物理性质

岩石在形成过程中固有的物理特征及其在外来因素作用下变化的物理性状。表征这些性质的指标和术语有：岩石试件的含水率、吸水率、孔隙率、颗粒密度、块体密度、渗透性、湿胀性、耐崩解性、可溶性、抗冻性、波速比等。研究岩石物理性质的目的在于了解它们的变化对力学性质的影响，为岩石工程的设计提供科学依据。

岩石含水率

岩石试件在105～110℃温度下烘至恒量时，所失去水的质量与试件干质量的比值，以百分数表示。岩石含水率在实验室采用烘干法测定，按式（1）计算：

式中，ω₀为岩石天然含水率，%；m₀为试件烘干前的质量，g；m_d试件烘干后的质量，g。

岩石吸水率

包括自然吸水率、饱和吸水率和饱水系数等指标。岩石自然吸水率是岩石在常温常压条件下自由状态下的最大吸水量与试件固体质量的比值，以百分数表示，采用在大气压力和室温条件下自然吸水法测定。岩石自然吸水率的大小取决于岩石中空隙的多少及连通性，岩石的自然吸水率愈大，表明岩石中空隙大，连通性好，岩石力学性质愈差。岩石饱和吸水率是试件在强制饱和状态下的最大吸水量与试件固体质量的比值，以百分数表示，采用煮沸法或真空抽气法测定。饱和吸水率反映岩石内部总的张开型孔隙和裂隙的发育程度，对岩石的抗冻性和抗风化能力有较大影响。岩石饱水系数是指岩石自然吸水率与饱和吸水率的比值。岩石的自然吸水率、饱和吸水率和岩石饱水系数分别按式（2）～（4）计算：

式中， ω_a为岩石自然吸水率，%；ω_s为岩石饱和吸水率，%；k_w为岩石饱水系数，%；m_a为试件浸水48h后的质量，g；m_s为试件强制饱和后的质量，g。

不同岩石吸水性指标不同，大致范围为自由吸水率0.09%～7.01%，饱和吸水率0.25%～11.99%，饱水系数0.10～0.83，其中砂岩吸水率较高。

岩石孔隙率

岩石孔隙体积与岩石总体积的比值，以百分数表示。根据孔隙和裂隙的类型分为总孔隙率n、总开孔隙率n₀、大开孔隙率n_b、小开孔隙率n_s和闭孔隙率n_c。岩石孔隙率反映岩石所包含的孔隙和裂隙的多少，是岩石的重要结构特征之一。孔隙率愈大，力学性质愈差。岩石孔隙率大致范围为0.1%～28.0%，其中火山角砾岩、泥岩、砂岩孔隙率较大。

岩石颗粒密度

岩石固相物质质量与体积的比值。岩石颗粒密度采用比重瓶法或水中称量法测定，比重瓶法是将岩石粉碎成岩粉后进行测试，按式（5）计算；水中称量法采用规则或不规则试件进行测试，按式（6）计算。水中称量法具有可用不规则试件、操作简便的优点，但由于水不可能完全充满岩石中的闭合裂隙，致使水中称量法测定的颗粒密度略偏小。

式中，ρ_p为颗粒密度，g/cm³；m₁为瓶和试液总质量，g； m₂为瓶、试液和岩粉总质量，g；ρ_w为试验温度下试液密度，g/cm³；m w为强制饱和试件在水中的称量，g。

不同岩石颗粒密度不同，大致范围2.20～3.40 g/cm³，其中石膏较低，橄榄岩较高。

岩石块体密度

岩石试件质量与体积的比值，根据岩石含水状态分为天然密度、干密度和饱和密度。采用量积法、水中称量法或密封法测定。水中称量法岩石块体密度按式（7）～（9）计算：

式中，ρ₀为岩石块体天然密度，g/cm³；ρ_d为岩石块体干密度，g/cm³；ρ_s为岩石块体饱和密度，g/cm³，其余符号意义同前。

不同岩石块体密度不同，大致范围2.10～3.30 g/cm³，其中坚硬的石英岩较高。

岩石渗透性

岩石被水（流体）通过的能力，用渗透系数K表示。渗透系数等于单位水力坡降时的渗透速度，在室内用岩石渗透仪测定，在现场用抽水或压水试验确定（参见岩体渗透性）。渗透性也可用吕荣值（Lu）表示。当试验段压力为1 MPa时，每米试验段的压入流量为1 L／min，即1 Lu=1 L/（m·MPa·min），称为1 Lu。吕荣值与渗透系数的关系是1 Lu≈1×10^-5cm/s。岩石的渗透性取决于岩石种类、结构、孔隙裂隙情况和应力状态。多裂隙砂岩和页岩的渗透系数可大于1×10^-3cm/s，坚硬花岗岩和致密石灰岩可小于1×10^-10cm/s。

岩石湿胀性

岩石湿胀性是岩石受水浸湿，体积膨胀的性能，常用膨胀压力和膨胀变形两种物理量表示。膨胀压力是岩石试样浸没于水中保持体积不变所需的压力，用类似于土固结仪的仪器测定。膨胀变形是岩石浸水体积增大而产生的变形，按工程需要用两种方法测定：①将岩石试样浸没水中，在侧限和固定轴向压力下测定轴向膨胀量；②将岩石试样浸没水中，在无侧限和无轴向压力时测定自由膨胀量，试验装置如图所示。岩石膨胀压力和膨胀变形常给工程带来危害。湿胀性随着岩石中亲水性矿物的增加而增大。

岩石自由膨胀量试验装置图

岩石耐崩解性

岩石受干湿循环后对软化和崩解分离的抵抗能力，用耐崩解性指数表示。耐崩解性指数是试样受干湿循环后不被崩离的重量与原来重量之比的百分率，由室内专门试验测定。耐崩解性与岩石内的黏土矿物含量有关。黏土矿物含量愈高，耐崩解性就愈差，反之愈好。

岩石可溶性

岩石在水中被溶解的性能，用岩石在水中损失的重量与原来重量之比的百分率表示（重量损失率）。它与岩石成分、结构、水溶液浓度、所含离子、水温和时间等因素有关。

岩石抗冻性

岩石在湿润状态下抵抗多次冻融破坏的能力。抗冻性用两种指标表示：重量损失率及抗冻系数。重量损失率是试样在冻融试验前后干重量的差值对于试验前干重量之比的百分率；抗冻系数是试样经过冻融后的抗压强度与试样未经冻融的抗压强度之比的百分率。岩石抗冻性与岩石的种类、结构、孔隙裂隙情况等因素有关。

岩石波速比

岩石中实际的声波速度与理想的无孔隙裂隙同样岩石的声波速度之比。在实验室内岩石试样的实际波速可用高频超声脉冲法、低频超声脉冲法等确定。理想岩石试样的波速根据组成岩石的矿物的波速计算而得，约在5 500～7 000 m/s内变化，依据岩石种类而定。波速比的大小与裂缝多少有关，波速比愈小，岩石裂隙愈多，反之则愈少。

除了以上物理性质之外，还有岩石在电方面的性质（电阻率等），磁性方面的性质（磁化率等），光、放射能方面的性质（屈折率、吸收率等），热方面的性质（比热、导热系数、膨胀系数等）。