第一章巖體分類方法簡(jiǎn)介(拓展部分)(2013-3-20)

1、1第一章第一章 巖石力學(xué)性能及其分類方法巖石力學(xué)性能及其分類方法 北京科技大學(xué)北京科技大學(xué)紀(jì)洪廣教授紀(jì)洪廣教授2主要內(nèi)容主要內(nèi)容n巖體分類的目的和意義巖體分類的目的和意義n巖體分類的原則巖體分類的原則n分類的獨(dú)立因素分類的獨(dú)立因素n幾種典型的分類理論和方法幾種典型的分類理論和方法3（1 1）分析、評(píng)價(jià)工程巖體）分析、評(píng)價(jià)工程巖體穩(wěn)定性穩(wěn)定性的需要。的需要。（2 2）為巖石工程建設(shè)的勘察、）為巖石工程建設(shè)的勘察、設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)、施工施工和編制和編制定額和概預(yù)算定額和概預(yù)算提提供必要的基本依據(jù)。供必要的基本依據(jù)。 （3 3）便于設(shè)計(jì)、施工方法的）便于設(shè)計(jì)、施工方法的總結(jié)總結(jié), ,交流交流, ,推廣。推廣

2、。（4 4）為便于行業(yè)內(nèi)技術(shù)）為便于行業(yè)內(nèi)技術(shù)改革改革和和管理管理。 體現(xiàn)：體現(xiàn)：安全安全、經(jīng)濟(jì)經(jīng)濟(jì)、發(fā)展發(fā)展的思想，巖體分類是巖石力學(xué)研究領(lǐng)的思想，巖體分類是巖石力學(xué)研究領(lǐng)域的域的重要基礎(chǔ)性課題重要基礎(chǔ)性課題。一、分類的目的與意義一、分類的目的與意義4我國(guó)巖石分級(jí)工作是從解放后開(kāi)始的。50年代初向蘇聯(lián)學(xué)習(xí)，引進(jìn)了蘇聯(lián)的普氏和蘇氏分級(jí)方法。地質(zhì)部在80年代上半期組織勘探技術(shù)研究所、地質(zhì)博物館和武漢地質(zhì)學(xué)院等單位，就壓入硬度、擺球硬度、巖石研磨性、聲波速度和用微鉆鉆進(jìn)5種方法進(jìn)行測(cè)定，然后制定綜合平衡評(píng)定可鉆性分級(jí)表。水利部門(mén)與80年代下半期出版了水利水電工程地質(zhì)勘查規(guī)范及水工隧道設(shè)計(jì)規(guī)范，都對(duì)

3、巖石分級(jí)做了研究。冶金部于70年代后半期組織東北工學(xué)院對(duì)巖石可鉆性、巖石爆破性、和巖石穩(wěn)定性進(jìn)行三個(gè)單項(xiàng)的巖石分級(jí)研究。1980年提出“鑿碎法巖石可鉆性分級(jí)”，1984年提出了“巖石爆破性分級(jí)”和“圍巖穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)分級(jí)法”。1987年又提出“切槽法金剛石鉆進(jìn)巖石可鉆性分級(jí)”。1991年冶金部對(duì)東北工學(xué)院林韻梅教授提出的“巖石三性綜合分級(jí)”進(jìn)行鑒定后，該項(xiàng)目獲冶金部重大科技成果二等獎(jiǎng)，1993年又獲得國(guó)家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。5二、分類原則二、分類原則 (1(1）有明確的）有明確的類級(jí)類級(jí)和和適用對(duì)象適用對(duì)象（專題性的、綜合性的（專題性的、綜合性的) )。（2 2）根據(jù)適用對(duì)象，選擇）根據(jù)適用對(duì)象，選

4、擇考慮因素考慮因素（單因素、多因素）（單因素、多因素）。（3 3）有）有定量定量的指標(biāo)。的指標(biāo)。（4 4）類級(jí)一般分）類級(jí)一般分五級(jí)五級(jí)為宜。為宜。（5 5）分類方法）分類方法簡(jiǎn)單明了簡(jiǎn)單明了、數(shù)字、數(shù)字便于記憶便于記憶和和應(yīng)用應(yīng)用。發(fā)展趨勢(shì)：發(fā)展趨勢(shì)：“多因素多因素、綜合特征值綜合特征值”分類法分類法 6三、分類的獨(dú)立因素三、分類的獨(dú)立因素（1 1）巖石材料的）巖石材料的質(zhì)量質(zhì)量（強(qiáng)度指標(biāo)）。（強(qiáng)度指標(biāo)）。 巖石強(qiáng)度，巖石強(qiáng)度，巖土工程勘察規(guī)范巖土工程勘察規(guī)范（2 2）巖體的）巖體的完整性完整性，密集度、切割度、連續(xù)性等。，密集度、切割度、連續(xù)性等。（3 3）巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與巖體工程的）巖體

5、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與巖體工程的相對(duì)空間位置相對(duì)空間位置關(guān)系等。關(guān)系等。（4 4）地下水地下水（軟化、沖蝕、降低有效正應(yīng)力、（軟化、沖蝕、降低有效正應(yīng)力、c c、）（5 5）地應(yīng)力地應(yīng)力（大小、最大主應(yīng)力方向）（大小、最大主應(yīng)力方向）（6 6）其它因素（自穩(wěn)時(shí)間、位移率）其它因素（自穩(wěn)時(shí)間、位移率） 其中（其中（1 1）（）（2 2）是巖石）是巖石基本基本質(zhì)量，（質(zhì)量，（3 3）（）（6 6）是）是考慮考慮工程巖工程巖體特點(diǎn)體特點(diǎn)的其它因素的其它因素 7四、幾種典型巖體分類理論和方法四、幾種典型巖體分類理論和方法 1 1. .按巖石的單軸抗壓強(qiáng)度按巖石的單軸抗壓強(qiáng)度c c分類分類 巖石普氏系數(shù)(f=c/

6、10)分類法 （ ，1907 ）極硬（f20）、 很硬（f15）、 堅(jiān)硬（f810）、較硬（f56） 普通（f 34）、 較軟（f 1.52）、軟層（f 0.81）、 松軟（f1）等8類。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單方便、工程早期，普氏系數(shù)在我國(guó)現(xiàn)行設(shè)計(jì)手冊(cè)、工程定額、 概預(yù)算仍沿用。缺點(diǎn)：小尺寸試件不能反映巖體強(qiáng)度，應(yīng)予淘汰。由此可推按單軸抗壓強(qiáng) 度進(jìn)行分類的方法均應(yīng)予淘汰。82.2.按巖體完整性分類按巖體完整性分類a.a.按巖石質(zhì)量指標(biāo)按巖石質(zhì)量指標(biāo) RQD RQD 分類分類 （Rock Quality DesignationRock Quality Designation）迪爾（Deer,D.U.) ,

7、1968提出, 規(guī)定：金剛石鉆頭 RQD是選用堅(jiān)固完整的、其長(zhǎng)度大于等于10cm的巖芯總長(zhǎng)度與鉆孔長(zhǎng)度的比，百分?jǐn)?shù)表示為： %10010鉆孔總長(zhǎng)LcmlRQDi工程實(shí)踐說(shuō)明，RQD是一種比巖芯采取率更好的指標(biāo)。9用用RQDRQD值來(lái)描述巖石的質(zhì)量分級(jí)值來(lái)描述巖石的質(zhì)量分級(jí)10例例 某鉆孔的長(zhǎng)度為某鉆孔的長(zhǎng)度為250250cmcm，其其中巖芯采取總長(zhǎng)度為中巖芯采取總長(zhǎng)度為200200cm,cm,而而大于大于1010cmcm的巖芯總長(zhǎng)度為的巖芯總長(zhǎng)度為157157cm(cm(如圖所示如圖所示) )，則巖芯則巖芯采取率：采取率：200/250=80% 200/250=80% RQDRQD=157/2

8、50=63%=157/250=63%巖體分類為：巖體分類為：類、中等巖體類、中等巖體11b. b. 以彈性波（縱波）速度分類以彈性波（縱波）速度分類依據(jù)：依據(jù)：彈性波速變化來(lái)反映巖體結(jié)構(gòu)特性和完整性。梅里特（梅里特（Merritt)Merritt)提出提出龜裂系數(shù)龜裂系數(shù)( (KvKv) )：2)/(prpmvVVK Merritt的龜裂系數(shù)巖體分類的龜裂系數(shù)巖體分類Kv0.810.80.60.60.40.40.20.20級(jí)次巖體類別非常好好較好不好非常不好12 中科院中科院地質(zhì)所地質(zhì)所根據(jù)根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)的分類巖體結(jié)構(gòu)的分類，列出了，列出了彈性波彈性波在各類巖體中傳播特性在各類巖體中傳播特性。1

9、3 日本，日本，池田和彥，池田和彥，19691969年提出了日本鐵路隧道圍巖分類；年提出了日本鐵路隧道圍巖分類； 先將巖質(zhì)分先將巖質(zhì)分6 6類類, ,再根據(jù)再根據(jù)彈性波在巖體中的速度彈性波在巖體中的速度, ,將圍巖分為將圍巖分為7 7類類14 巖體的地質(zhì)力學(xué)分類（巖體的地質(zhì)力學(xué)分類（CSIRCSIR分類分類) ) 畢昂斯基(Bieniaski,1973)提出RMR(Rock Mass Rating)值分類法南非科學(xué)和工業(yè)委員會(huì)南非科學(xué)和工業(yè)委員會(huì)（CSIR)61iiRRMR式中：式中：R R1 1- -巖石巖石抗壓強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度評(píng)分，評(píng)分，R R2 2- -RQDRQD評(píng)分，評(píng)分，R R3 3-

10、 -節(jié)理間距節(jié)理間距評(píng)分，評(píng)分， R R4 4- -節(jié)理狀態(tài)節(jié)理狀態(tài)評(píng)分，評(píng)分， R R5 5- -地下水地下水狀態(tài)評(píng)分，狀態(tài)評(píng)分， R R6 6- -節(jié)理的方向?qū)こ痰挠绊懝?jié)理的方向?qū)こ痰挠绊懶拚u(píng)分，修正評(píng)分， 這這6 6個(gè)指標(biāo)分別由如下各表來(lái)確定。個(gè)指標(biāo)分別由如下各表來(lái)確定。3.3.按巖體綜合指標(biāo)分類按巖體綜合指標(biāo)分類1 1151 1）與與巖石強(qiáng)度相關(guān)的巖體評(píng)分值巖石強(qiáng)度相關(guān)的巖體評(píng)分值R R1 1可以用標(biāo)準(zhǔn)試可以用標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行單軸壓縮來(lái)確定，也可由點(diǎn)荷載試驗(yàn)確定。件進(jìn)行單軸壓縮來(lái)確定，也可由點(diǎn)荷載試驗(yàn)確定。162 2）巖石質(zhì)量指標(biāo)）巖石質(zhì)量指標(biāo)RQDRQD評(píng)分評(píng)分R R2 23 3）

11、對(duì)應(yīng)于節(jié)理組間距的巖石評(píng)分值）對(duì)應(yīng)于節(jié)理組間距的巖石評(píng)分值R R3 3節(jié)理間距評(píng)分值R3節(jié)理間距/cm2006020020606206R3 評(píng)分值20151085174）與節(jié)理狀態(tài)相關(guān)的巖體評(píng)分值R4185）與地下水狀態(tài)相關(guān)的巖體評(píng)分值R519 1973 1973，南非科學(xué)和工業(yè)委員會(huì)南非科學(xué)和工業(yè)委員會(huì)（CSIR)CSIR) 畢昂斯基畢昂斯基( (BieniaskiBieniaski) )提出提出RMRRMR計(jì)算式計(jì)算式 1979 1979年，提出修正年，提出修正RMRRMR計(jì)算式計(jì)算式 為什么要為什么要考慮考慮節(jié)理方向?qū)こ淌欠窆?jié)理方向?qū)こ淌欠?有利（有利（R R6 6 ）修正前五個(gè)評(píng)分

12、之和修正前五個(gè)評(píng)分之和 ？ 看下面的幾幅圖的情況，如何？ 51iiRRMR61iiRRMR20216 6）考慮考慮節(jié)理方向?qū)こ淌欠窆?jié)理方向?qū)こ淌欠裼欣麃?lái)修正前五個(gè)評(píng)分之和有利來(lái)修正前五個(gè)評(píng)分之和R R6 6 22 根據(jù)根據(jù)6 6個(gè)參數(shù)之和個(gè)參數(shù)之和RMRRMR值，把巖體的質(zhì)量劃分為值，把巖體的質(zhì)量劃分為五類五類61iiRRMR23 本分類還給出了對(duì)本分類還給出了對(duì)巖體穩(wěn)定性巖體穩(wěn)定性（隧洞巖（隧洞巖體自穩(wěn)時(shí)間）以及對(duì)應(yīng)的體自穩(wěn)時(shí)間）以及對(duì)應(yīng)的巖體巖體c,c,值值適用：堅(jiān)硬、節(jié)理巖體，淺埋隧道適用：堅(jiān)硬、節(jié)理巖體，淺埋隧道不適用：擠壓、膨脹、涌水的及軟巖體。不適用：擠壓、膨脹、涌水的及軟巖體

13、。24 巴頓巖體質(zhì)量分類（巴頓巖體質(zhì)量分類（Q Q分類分類) ) 巴頓(Barton,1974)提出Q值分類法挪威巖土工程研究所（挪威巖土工程研究所（Norwegian Geotechnical Institute)Norwegian Geotechnical Institute)（NGI)SRFJJJJRQDQwarn式中：RQD-巖石質(zhì)量指標(biāo)，Jn-節(jié)理組數(shù)，Jr-節(jié)理粗糙系數(shù)， Ja-節(jié)理蝕變系數(shù)， Jw-節(jié)理水折減系數(shù)SRF-應(yīng)力折減系數(shù). 3.按巖體綜合指標(biāo)分類按巖體綜合指標(biāo)分類225SRFJJJJRQDQwarn巖體完整性結(jié)構(gòu)面形態(tài)、充填物特征及其次生變化程度表示水與其他應(yīng)力存在時(shí)

14、對(duì)巖體質(zhì)量的影響式中：RQD-巖石質(zhì)量指標(biāo)，Jn-節(jié)理組數(shù)，0.5-20Jr-節(jié)理粗糙系數(shù)，4-1.0Ja-節(jié)理蝕變系數(shù)，0.75-20Jw-節(jié)理水折減系數(shù)，0.05-1SRF-應(yīng)力折減系數(shù)，0.5-2026Dr=27Q Q分類的優(yōu)點(diǎn)：分類的優(yōu)點(diǎn)：1 1）考慮因素相對(duì)全面；）考慮因素相對(duì)全面；2 2）適用于各種巖石（軟、硬）；）適用于各種巖石（軟、硬）；Q Q分類的缺點(diǎn)：分類的缺點(diǎn)：沒(méi)有考慮節(jié)理方位（怕失去簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，影響通用性）沒(méi)有考慮節(jié)理方位（怕失去簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，影響通用性）28 我國(guó)工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)我國(guó)工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) （GB50218-94GB50218-94） 分兩步計(jì)算：分兩步計(jì)算：

15、1 1）巖體基本質(zhì)量分級(jí)巖體基本質(zhì)量分級(jí)計(jì)算計(jì)算BQBQ2 2）巖體穩(wěn)定性分級(jí)巖體穩(wěn)定性分級(jí)計(jì)算計(jì)算BQ,BQ,判斷分類。判斷分類。 3.3.按巖體綜合指標(biāo)分類按巖體綜合指標(biāo)分類3 3291 1 工程巖體分級(jí)的基本方法工程巖體分級(jí)的基本方法1）計(jì)算BQ(1(1）確定確定巖體基本質(zhì)量巖體基本質(zhì)量 兩個(gè)指標(biāo)：巖石的堅(jiān)硬程度c； 巖體完整性指數(shù)Kv。 a.a.巖石堅(jiān)硬程度的確定巖石堅(jiān)硬程度的確定 巖石堅(jiān)硬程度采用巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)單軸飽和抗壓強(qiáng)（ c ） 30c與定性劃分的巖石堅(jiān)硬程度的關(guān)系與定性劃分的巖石堅(jiān)硬程度的關(guān)系b.b.巖體完整性指數(shù)（巖體完整性指數(shù)（K Kv v）的確定。的確定。用彈性波測(cè)

16、試，計(jì)算用彈性波測(cè)試，計(jì)算龜裂系數(shù)龜裂系數(shù)KvKv。選擇有代表性露頭或開(kāi)挖面，對(duì)不同的工程地質(zhì)選擇有代表性露頭或開(kāi)挖面，對(duì)不同的工程地質(zhì) 巖組進(jìn)行巖組進(jìn)行節(jié)理裂隙統(tǒng)計(jì)節(jié)理裂隙統(tǒng)計(jì)，節(jié)理數(shù)（，節(jié)理數(shù)（J Jv v）( (條條/ /m m3 3) )31J Jv v與與 K Kv v的對(duì)照關(guān)系的對(duì)照關(guān)系Kv與巖體完整性程度定性劃分的對(duì)應(yīng)關(guān)系32（2 2）基本質(zhì)量分級(jí)）基本質(zhì)量分級(jí)a.a.計(jì)算巖體基本質(zhì)量指標(biāo)巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQBQ BQ=90+3C C+250K+250KV V式中： C巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度,MPa; KV巖體完整性指數(shù)值注：當(dāng)C 90KV+30,代C 90KV+30 當(dāng)KV0.0

17、4 RC+0.4,代KV0.04 RC+0.433b.按計(jì)算所得的BQ值分級(jí)342 2）結(jié)合工程情況結(jié)合工程情況，計(jì)算巖體基本質(zhì)量指標(biāo)修正，計(jì)算巖體基本質(zhì)量指標(biāo)修正 值值 BQBQ BQBQ100(K1+K2+K3) K1 地下水影響修正系數(shù)； K2 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)； K3 地應(yīng)力影響修正系數(shù)。35BQBQ100(K1+K2+K3)36BQBQ100(K1+K2+K3)37BQBQ100(K1+K2+K3)BQ=90+3C+250KV38按計(jì)算所得的BQ值分級(jí)BQBQ100(K1+K2+K3)392.工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用2條條（1）巖體物理物理力學(xué)參數(shù)的選用4041（2 2）地下工程巖體）地下工程巖體自穩(wěn)能力自穩(wěn)能力的確定的確定 注：小塌方：塌方高度注：小塌方：塌方高度3m，或體積，或體積6