岩石抵抗冻融破坏的能力，称为抗冻性。常用抗冻系数和质量损失率来表示。抗冻系数(Rd)是指岩石试件经反复冻融后的干抗压强度(σc2)与冻融前干抗压强度(σc1)之比，用百分数表示，即

?Rd?c2?100% (3-14)

?c1质量损失率(Km)是指冻融试验前后干质量之差(ms1－ms2)与试验前干质量(ms1)之比，以百分数表示，即

m?ms2Km?s1?100% (3-15)

ms1试验时，要求先将岩石试件浸水饱和，然后在－20～20℃温度下反复冻融25次以上。冻融次数和温度可根据工程地区的气候条件选定。

岩石在冻融作用下强度降低和破坏的原因有二：一是岩石中各组成矿物的体膨胀系数不同，以及在岩石变冷时不同层中温度的强烈不均匀性，因而产生内部应力；二是由于岩石空隙中冻结水的冻胀作用所致。水冻结成冰时，体积增大达9％并产生膨胀压力，使岩石的结构和连结遭受破坏。据研究冻结时岩石中产生的破坏应力取决于冰的形成速度及其与局部压力消散的难易程度间的关系，自由生长的冰晶体向四周的伸展压力是其下限(约0.05MPa)，而完全封闭体系中的冻结压力，在－22℃温度下可达200MPa，使岩石遭受破坏。

岩石的抗冻性取决于造岩矿物的热物理性质和强度、粒间连结、开空隙的发育情况以及含水率等因素。由坚硬矿物组成，且具强的结晶连结的致密状岩石，其抗冻性较高。反之，则抗冻性低。一般认为Rd＞75％，Km＜2％时，为抗冻性高的岩石；另外，Wa＜5％、KR＞0.75和饱水系数小于0.8的岩石，其抗冻性也相当高。

四、岩石的透水性

在一定的水力梯度或压力差作用下，岩石能被水透过的性质，称为透水性。一般认为，水在岩石中的流动，如同水在土中流动一样，也服从于线性渗流规律——达西定律，即

U?KJ (3-16)

式中：U为渗透流速；J为水力梯度；K为渗透系数(permeability coefficient)，数值上等于水力梯度为1时的渗透流速，单位为cm／s或m／d。

渗透系数是表征岩石透水性的重要指标，其大小取决于岩石中空隙的数量、规模及连通情况等，并可在室内根据达西定律测定。某些岩石的渗透系数如表3-3，由表可知：岩石的渗透

－7

性一般都很小，远小于相应岩体的透水性，新鲜致密岩石的渗透系数一般均小于10cm／s量级。同一种岩石，有裂隙发育时，渗透系数急剧增大，一般比新鲜岩石大4～6个数量级，甚至更大，说明空隙性对岩石透水性的影响是很大的。

应当指出，对裂隙岩体来说，不仅其透水性远比岩块大，而且水在岩体中的渗流规律也比达西定律所表达的线性渗流规律要复杂得多。因此，达西定律在多数情况下不适用于裂隙岩体，

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必须用裂隙岩体渗流理论来解决其水力学问题，这将在第六章中讨论。

表3-3 几种岩石的渗透系数值

第三节 岩石的热学性质

据研究，岩石内或岩石与外界的热交换方式主要有传导传热、对流传热及辐射传热等几种。其交换过程中的能量转换与守恒等服从热力学原理。在以上几种热交换方式中，以传导传热最为普遍，控制着几乎整个地壳岩石的传热状态，对流传热主要在地下水渗流带内进行。辐射传热仅发生在地表面。热交换的发生导致了岩石力学性质的变化，产生独特的岩石力学问题。

岩石的热学性质，在诸如深埋隧洞、高寒地区及地温异常地区的工程建设、地热开发以及核废料处理和石质文物保护中都具有重要的实际意义。在岩体力学中，常用的热学性质指标有：比热容、导热系数、热扩散率和热膨胀系数等。

一、岩石的比热容

在岩石内部及其与外界进行热交换时，岩石吸收热能的能力，称为岩石的热容性。根据热力学第一定律，外界传导给岩石的热量(ΔQ)，消耗在内部热能改变(温度上升)ΔE和引起岩石膨胀所作的功(A)上，在传导过程中热量的传入与消耗总是平衡的，即ΔQ＝ΔE＋A。对岩石来说，消耗在岩石膨胀上的热能与消耗在内能改变上的热能相比是微小的，这时传导给岩石的热量主要用于岩石升温上。因此，如果设岩石由温度T1升高至T2所需要的热量为ΔQ，则

?Q?Cm(T2?T1) (3-17)

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式中：m为岩石的质量；C为岩石的比热容(J／(kg·K))，其含义为使单位质量岩石的温度升高1K(开尔文)时所需要的热量。

岩石的比热容是表征岩石热容性的重要指标，其大小取决于岩石的矿物组成、有机质含量

3

以及含水状态。如常见矿物的比热容多为(0.7～1.2)×10J／(kg·K)，与此相应，干燥且不含有机质的岩石，其比热容也在该范围内变化，并随岩石密度增加而减小。又如有机质的比热

3

容较大约为(0.8～2.1)×10J／(kg·K)，因此，富含有机质的岩土体(如泥炭等)，其比热容也较大。常见岩石的比热容列于表3-4。

表3-4 0～50℃下常见岩石的热学性质指标

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多孔且含水的岩石常具有较大的比热容，因为水的比热容较岩石大得多(为4.19×10J／(kg·K))。因此，设干重为x1g的岩石中含有x2g的水，则比热容C湿为：

3

C湿?Cdx1?Cwx2x1?x2 (3-18)

式中：Cd，Cw分别为干燥岩石和水的比热容。

岩石的比热容常在实验室采用差示扫描量热法(DSC法)测定。

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二、岩石的导热系数

岩石传导热量的能力，称为热传导性，常用导热系数表示。根据热力学第二定律，物体内的热量通过热传导作用不断地从高温点向低温点流动，使物体内温度逐步均一化。设面积为A的平面上，温度仅沿x方向变化，这时通过A的热流量(Q)与温度梯度dT/dx及时间dt成正比，即

Q??kAdTdt (3-19) dx式中：k为导热系数(W／(m·K))，含义为当dT、dx等于1时单位时间内通过单位面积岩石的热量。

导热系数是岩石重要的热学性质指标，其大小取决于岩石的矿物组成、结构及含水状态。常见岩石的导热系数见表3-4。由表可知，常温下岩石的k＝1.61～6.07W／(m·K)，另外，多数沉积岩和变质岩的热传导性具有各向异性，即沿层理方向的导热系数比垂直层理方向的导热系数平均高约10％～30％。

岩石的导热系数常在实验室用非稳定法测定。

据研究表明，岩石的比热容(C)与导热系数(k)间存在如下关系：

k???C (3-20) 式中：ρ为岩石密度；λ为岩石的热扩散率(cm／s)。

热扩散率反映岩石对温度变化的敏感程度，λ愈大，岩石对温度变化的反应愈快，且受温度的影响也愈大。常见岩石的热扩散率见表3-5。

表3-5 几种岩石的热学特性参数

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三、岩石的热膨胀系数

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