巖石性質與工程分級1課件

第一章巖石的性質及工程分級

井巷工程的最基本工作就是破巖與維護。因此，在這一章主要講述巖石的一些基本性質，包括巖石的物理性質和力學性質，為破巖與維護的基礎知識；另外，圍巖的工程分級一直是工程設計的基本依據(jù)之一，將在本章的最后進行講授。本章的重點應是巖石的力學性質與圍巖分級。第一章巖石的性質及工程分級井巷工程

巖體（RockMass）：指巖石工程周圍較大范圍內的自然地質體

巖體=巖塊（巖石材料）+弱面（層理、節(jié)理、斷層）第一節(jié)巖塊、巖體和巖石1.巖塊、巖體和巖石

巖塊（Rock）：從地殼巖層中切取出來的小塊體，通常是指巖石材料（RockMaterials）。

巖石：不分巖塊與巖體時的泛稱。Rockmass=Rockmaterial+Rockdiscontinuities巖體（RockMass）：指巖石工程周圍較大范圍內的自巖塊（Rock）性質：強度：抗壓強度、抗拉強度、剪切強度等；變形：彈性模量、泊松比；礦物：礦物成分、顆粒大小、結構等；物理性質：密度、水理性、孔隙性等。弱面(Discontinuities)性質弱面包括層理、節(jié)理、斷層等。性質包括：剪切強度、方位、距離、硬度、張開度、充填性、風化性、粗糙性等巖石材料的性質對巖體性質影響很小，而弱面控制著巖體的性質例如：巖體壓縮時，破壞是沿著已存在的弱面發(fā)生的；在拉伸時，由于弱面的存在，強度很小。

巖塊（Rock）性質：弱面(Discontinuities)2.巖體和一般建筑材料的比較常用建筑材料的特性連續(xù)的

Continuous均質的

Homogeneous各向同性的

Isotropic線彈性的

Lineraly

ElasticC.H.I.L.E.巖體的特性(具有尺度效應)不連續(xù)的

Discontinuous非均質的

Inhomogeneous各向異性的

Anisotropic非線彈性的

Non-Lineraly

ElasticD.I.A.N.E.2.巖體和一般建筑材料的比較常用建筑材料的特性連續(xù)的第二節(jié)巖石物理性質

一.巖石的比重與密度

1.相對密度（比重）：

2.密度（容重）（kN/m3）：

一般地，巖石容重越大，其力學性質越好。G--干燥巖石質量，VC-----實體巖石體積ρWV水的密度ρC巖石干密度，ρ巖石濕密度，G1巖石試件質量，V巖石試件體積第二節(jié)巖石物理性質一.巖石的比重與密度

二.巖石的孔隙性-----密度與強度降低，風化速度加快

1.孔隙度（率）n

2.孔隙比e

影響強度及風化速度二.巖石的孔隙性-----密度與強度降低，風化速度加快1.吸水率

2.透水性(Darcy定律)

qx－沿x方向的流量；h－水頭的高度；A－垂直于x方向的截面面積；k－滲透系數(shù)。（水庫、地熱、儲存等）

三.巖石的水理性質-----孔隙量、大小、開閉及分布尺度、浸水時間地下水水頭、應力場1.吸水率三.巖石的水理性質-----孔隙量、3.軟化性

Rcw－水飽和巖石的單向抗壓強度；Rc－干燥巖石的單向抗壓強度；4.膨脹性和崩解性強度越大，軟化系數(shù)越大膨脹壓力治水3.軟化性強度越大，軟化系數(shù)越大膨脹壓力治水

四.巖石的碎脹性-----選用裝載、運輸、提升等設備巖石名稱砂、礫巖砂質粘土中硬巖石堅硬巖石煤碎脹系數(shù)k1.05~1.21.2~1.251.3~1.51.5~2.5<1.2堅硬程度、塊度大小、堆積排列情況四.巖石的碎脹性-----選用裝載、運輸、提升等設備巖第三節(jié)巖石力學性質Strength,DeformationandFailureofRockMaterial

試驗所需的試件應該加工成標準的圓柱形，其高與直徑之比應該介于2.0~3.0之間，試件的直徑最好不要超過50mm。試件的直徑應該至少是巖石最大顆粒直徑的20倍。

第三節(jié)巖石力學性質Strength,Defor

1.巖石的單軸壓縮全應力—應變曲線

單軸壓縮試驗設備單軸壓縮試驗設備第一章巖石性質與工程分級1課件靜載巖石的變形特征（1）O-A段Ⅰ：裂隙壓密閉合階段，（2）A-B段Ⅱ：線彈性階段，B點-屈服點（3）B-C段Ⅲ：破裂發(fā)展階段，C點-極限抗壓強度（4）C-D段Ⅳ、Ⅴ:軟化階段，為巷道支護作用階段靜載巖石的變形特征彈模值：E=20~50GPa，為軟鋼彈模（206GPa）的10~24%；泊松比：，理想塑性材料彈模值：E=20~50GPa，為軟鋼彈模（206GPa）的12.巖石在三軸壓縮條件下的力學性質2.巖石在三軸壓縮條件下的力學性質第一章巖石性質與工程分級1課件

首先，破壞前巖石的應變隨圍壓增大而增加；另外，隨圍壓增大，巖石的塑性也不斷增大，且由脆性逐漸轉化為延性。圍壓增加時，試件承載力則隨圍壓穩(wěn)定增長，出現(xiàn)所謂應變硬化現(xiàn)象。

圍壓是影響巖石力學屬性的主要因素之一。從圖分析圍壓對巖石變形影響，得出如下結論：

①隨著圍壓的增大，巖石的抗壓強度顯著增加；②隨著圍壓的增大，巖石的變形顯著增大；③隨著圍壓的增大，巖石的彈性極限顯著增大；④隨著圍壓的增大，巖石的應力一應變曲線形態(tài)發(fā)生明顯改變，巖石的性質發(fā)生了變化：由彈脆性一彈塑性一應變硬化首先，破壞前巖石的應變隨圍壓增大而增加；另外，隨3.巖石的強度（P10）研究巖石的強度的意義

⑴巖石的強度是各種巖石分類（級）中的重要數(shù)量指標。⑵作為強度(安全)準則，判別所計算或測定的巖土工程是否穩(wěn)定.⑶在簡單的工程條件下，可作為極限平衡條件（塑性條件），求解彈塑性問題的塑性區(qū)范圍、彈性區(qū)和塑性區(qū)應力與應變。巖石的強度特征⑴多數(shù)情況下，巖石表現(xiàn)為脆性破壞（小于3％的應變）；⑵同一種巖石的強度并非常數(shù)；強度影響因素：成分、顆粒大小、膠結、生成條件、層理結構、孔隙度、溫度、濕度、重度、風化程度、受力狀態(tài)和時間。⑶在不同的應力狀態(tài)下，巖石的各種強度極限不同，相差懸殊

從荷載性質看：單向抗壓強度＞單向抗剪強度＞單向抗彎強度＞單向抗拉強度（單向抗壓強度≈10倍單向抗拉強度）。

從應力狀態(tài)看：三向抗壓強度＞雙向抗壓強度＞單向抗壓強度

3.巖石的強度（P10）

工程中巖石動力學問題的提出（工程背景）（1）高烈度地震區(qū)，山巖邊坡、壩基、地下洞室口部，以及巖基上建（構）筑物的抗震。（2）戰(zhàn)時常規(guī)轟炸或核襲擊作用下，地下防護工程結構的抗爆動力響應。（3）石方、掘進工程中的爆破設計與施工。（4）高地應力條件下，脆/硬彈性巖體突發(fā)巖爆、某些礦山井巷深部沖擊地壓等地運動研究與工程處理。（5）巖基基礎，承受動力機器振動。（6）結構隔震與減震。4.巖石的動力學性質工程中巖石動力學問題的提出（工程背景）4.巖石的動載作用下巖石強度與加載速度有關：

（1）巖石由彈塑性、塑性向脆性轉變；（2）巖石的彈性模量增大；（3）巖石的強度提高。5、巖石的硬度

靜壓入硬度----壓入法，回彈硬度----物落法6、巖石的可鉆性（鉆頭進尺、每米炮眼磨鈍鉆頭數(shù)）

巖石可爆性（單位體積巖石炸藥消耗量）動載作用下巖石強度與加載速度有關：（1）巖石由彈塑性第四節(jié)巖體工程分類

分級目的：評價圍巖的穩(wěn)定性、確定支護方案和支護參數(shù)，選擇施工方法、進行施工預算。第四節(jié)巖體工程分類分級目的：評價圍巖的穩(wěn)

遵循的主要原則

（1）分類形式要簡單，含義要明確。（2）分類應具科學意義和實用價值。（3）分類指標不易過多并應容易獲得。指標過多，必須增加研究工作量，不便推廣和應用。（4）分類應明確表達出巖體的基本特性和影響巖體穩(wěn)定性的主要因素。（5）分類方案應體現(xiàn)超前預報性，即在巷道設計、施工之前，人們要了解到未來巷道開挖后圍巖穩(wěn)定狀態(tài)和不同穩(wěn)定類型巖體的空間分布。這一分類方案不僅便于設計、施工部門應用，而且應當被勘探部門所接受。遵循的主要原則分類指標：（1）巖石強度

各力學指標之間有著內在的聯(lián)系，因此可確定巖石的單軸抗壓強度為巖體穩(wěn)定性評價的重要指標。（2）結構面

結構面的研究應包括組數(shù)、密度、產(chǎn)狀、延展性、結構面內物質成分等。對于地表裸露的巖體來說，上述的研究是能夠實現(xiàn)的；對于地下隱伏的巖體，按上述要求進行全面而詳細的研究往往非常困難，有時要用大量資金才能實現(xiàn)。（3）水對巖體的影響

水對巖體穩(wěn)定性有著重要的影響。巖體遇水后可以發(fā)生泥化、崩解、碎裂，致使巖體膨脹并大大降低強度。（4）原巖地應力狀態(tài)

對巖體穩(wěn)定性影響最大的是最大主應力。在缺乏地應力資料時，可選用γH值。分類指標：普羅托奇亞可夫于1926年提出：共劃分為10級15種并提出了以f

計算圍巖壓力的公式。形成了為坑道施工、設計服務的一整套理論和方法。而且表達形式簡單，使用非常方便。因此1954年至1972年這一階段，我國鐵道、水電、冶金、煤炭、機械、建工、軍工等部門都采用了普氏分類。存在問題：這一分類主要考慮的是巖石強度（單軸抗壓強度），對巖體的完整性、巖體結構特征等對圍巖穩(wěn)定有決定影響的因素，在分類中沒有表達出來，因此不能正確地評價圍巖的穩(wěn)定性。1.普氏系數(shù)分類法P131.普氏系數(shù)分類法P13根據(jù)f值的大小，將巖石分為10級共15種。我國煤炭系統(tǒng)按巖石堅固性將煤巖分類為：軟煤：f＝1～1.5硬煤：f＝2～3軟巖：f＝2～3中硬巖：f＝4～6硬巖：f＝8～10堅硬巖石：f＝12～14最堅硬巖石：f＝15～20根據(jù)f值的大小，將巖石分為10級共15種。我國煤炭系統(tǒng)按美國伊利諾斯大學狄勒（Deere）在1964年形成該標準，但直到1967年才以出版的形式首次提出該概念。RQD是一修正的巖芯取出率，僅考慮長度大于100mm的完整巖芯。美國伊利諾斯大學狄勒（Deere）在1964年形成該標準，但RQD指標在美國及歐洲有廣泛應用，它是評估巖芯質量的簡單、費用省并能再現(xiàn)的方法。盡管其本身并不是巖體的充分描述，但該指標仍然作為分類參數(shù)，在隧道工程中用作選擇隧道支護時的參考，被發(fā)現(xiàn)非常有用。盡管RQD是一簡易的花費不多的標準，但由于它并不考慮不連續(xù)面的剛度、方向、連續(xù)性及充填材料的影響，因而不能單獨提供對巖體的充分描述。今天，RQD被用作鉆孔巖芯記錄的標準參數(shù)，并成為兩類主要巖體分類系統(tǒng)的基本元素：RMR系統(tǒng)和Q系統(tǒng)。RQD（%）﹤2525～5050～7575～9090～100巖石質量很差差一般好優(yōu)秀RQD指標在美國及歐洲有廣泛應用，它是評估巖芯質量的簡單、費

（1）概念

開巷后：（1）巷道周邊應力集中；（2）圍巖強度降低(三向應力狀態(tài)→兩向應力狀態(tài)）（3）開挖擾動等圍巖應力與圍巖強度的關系發(fā)生變化（超過則破壞，等于為極限平衡，小于則穩(wěn)定）；

3.

圍巖松動圈分類法（中國礦大董房庭教授提出）（2）理論分析（1）概念3.圍巖松動圈分類法（中國礦大董房庭教授（3）松動圈聲測方法及原理

聲測法測試圍巖松動圈的物理基礎，是各類巖石中聲波速度不同，同種巖石則隨破裂程度的增加，聲速降低。（3）松動圈聲測方法及原理（4）圍巖松動圈分類（4）圍巖松動圈分類圍巖松動圈分類有三個突出優(yōu)點：（1）繞過了地應力、圍巖強度、結構面性質測定等困難問題，但又著重抓住了它們的影響結果，即松動圈是一個綜合指標；（2）松動圈系實測所得，未在重要方面作任何假設；（3）松動圈大小很容易用聲測法獲得，確定支護參數(shù)時直觀簡單，現(xiàn)場應用十分方便。圍巖松動圈分類有三個突出優(yōu)點：4.按圍巖變形量分類陸士良教授根據(jù)圍巖變形量的大小和維護的難易程度，將回采巷道圍巖分為五類：巷道維護狀況圍巖平均變形速度，mm/d圍巖變形量，mm容易中等困難極難＜11~22~4＞4＜200200~500500~1000＞10004.按圍巖變形量分類陸士良教授根據(jù)圍巖變形量的大小和維護的

中國煤炭科學研究院建井所段振西教授提出以圍巖的變形量大小分類圍巖的理論及方法中國煤炭科學研究院建井所段振西教授提出以圍巖的變形量5.按施工需要分類

1988年，煤炭工業(yè)部根據(jù)全國58條試驗巷道的地質特征、井巷開拓后圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)，共為五類：5.按施工需要分類1988年，煤炭工業(yè)部根據(jù)第一章巖石性質與工程分級1課件

國家技術監(jiān)督局與建設部于1995年聯(lián)合發(fā)布《工程巖體分級標準》，適用于各類型巖石工程，計涵蓋103個巖石工程案例。該分級標準主要以“巖體基本質量”代表巖體品質，并據(jù)此進行巖體優(yōu)劣分級。主要考量巖石堅硬程度與完整程度兩個基本因素，進行巖體基本質量定性特征分級描述，以及巖體基本質量指標－BQ值的計算，依此做為巖體初步分級基準。BQ＝90＋3Rc+250KVRc－巖石單軸飽和抗壓強度，MPa；KV－巖體完整性指數(shù)＝（巖體彈性縱波速度/巖石彈性橫波速度）26.《工程巖體分級標準》6.《工程巖體分級標準》

針對各類工程巖體特點，考慮其他環(huán)境條件下影響，對前階段已獲取的BQ值進行修正，獲得巖體基本質量指標修正值