巖石的力學(xué)性質(zhì)與分級

主要內(nèi)容

§1巖石（巖體）的基本力學(xué)性質(zhì)

§2礦山工程巖體分類☆概述☆巖體堅固性分級☆工程地質(zhì)RMR分類☆邊坡穩(wěn)定的SMR分級☆巖體分類實例作業(yè)現(xiàn)在是1頁\一共有44頁\編輯于星期六第一節(jié)巖石（巖體）的基本力學(xué)性質(zhì)基本物理力學(xué)性質(zhì)主要有強度、彈性、塑性、脆性、硬度、磨蝕性等。一、強度巖石的強度是指巖石承受外加載荷的能力，即開始破壞的極限臨界應(yīng)力值。巖石的強度有抗拉強度、抗剪強度、抗壓強度等。單向抗拉強度＜單向抗剪強度＜單向抗壓強度＜二向抗壓強度＜三向抗壓強度。巖體內(nèi)存在節(jié)理等構(gòu)造，它們的存在使強度降低；巖石的各向異性造成加載方向不同，其強度也不同?，F(xiàn)在是2頁\一共有44頁\編輯于星期六現(xiàn)在是3頁\一共有44頁\編輯于星期六二、彈性、塑性和脆性

彈性是巖石除去外力后，恢復(fù)其原來形狀和體積的性能。彈性大的巖石，在鑿巖爆破時不易破壞。

在破壞前具有明顯殘余變形的巖石稱為塑性巖石，幾乎沒有殘余變形的巖石叫脆性巖石。金屬礦山經(jīng)常遇到的巖石大多數(shù)屬于脆性巖石。巖石的變形性質(zhì)不僅與巖石種類有關(guān)，還與受力條件有關(guān)：在三向受壓或高溫條件下，塑性會顯著增加，在常態(tài)下具有脆性的巖石，在上述條件下也可能變成塑性體。在沖擊載荷作用下，巖石脆性會顯著增加，如巖石在鑿巖、爆破等沖擊載荷作用下，大多數(shù)呈脆性破壞?，F(xiàn)在是4頁\一共有44頁\編輯于星期六三、硬度

硬度是巖石抵抗工具侵入的能力。凡是用刃具切削或擠壓的方法鑿巖，首先必須使工具侵入巖石才能達到鉆進的目的。因此，研究硬度具有重要意義。巖石的硬度取決于巖石的組成，即取決于礦物顆粒的硬度、形狀、大小、晶體結(jié)構(gòu)以及顆粒間膠結(jié)物的情況等，硬度越大鑿巖越困難。現(xiàn)在是5頁\一共有44頁\編輯于星期六四、磨蝕性

磨蝕性一般指巖石表面與工具作用過程中，巖石對工具的磨損程度。磨蝕性越大，對工具的磨損越大，對鑿巖工作越不利。影響磨蝕性的主要因素有：（1）巖石成份。巖石中石英的含量、粒度的大小及分布對磨蝕性影響很大。一般來說，石英的含量越高，磨蝕性越大。（2）巖石的結(jié)構(gòu)。這主要表現(xiàn)為巖石的不均勻性，它對巖石磨蝕性有明顯的影響。由于不同礦物可能在巖石中形成軟硬相間的不均勻狀態(tài)，造成局部應(yīng)力集中，使其磨蝕性增大。（3）巖石的強度。巖石的強度越高，磨蝕性越強?，F(xiàn)在是6頁\一共有44頁\編輯于星期六主要內(nèi)容

§1巖石（巖體）的基本力學(xué)性質(zhì)

§2礦山工程巖體分類☆概述☆巖體堅固性分級☆工程地質(zhì)RMR分類☆邊坡穩(wěn)定的SMR分級☆巖體分類實例☆作業(yè)現(xiàn)在是7頁\一共有44頁\編輯于星期六第二節(jié)礦山工程巖體分類一、概述（一）工程巖體分類的目的工程類比法的需要；為巖體工程建設(shè)的勘察、設(shè)計、施工和編制定額等，提供必要的基本依據(jù)。根據(jù)用途的不同，工程巖體分類有通用分類和專門分類兩種。通用分類是指針對性較少的、原則上的和大致的一種分類，是供各學(xué)科領(lǐng)域及國民經(jīng)濟各部門籠統(tǒng)使用的分類。專門分類是指專為某類工程目的服務(wù)而編制的分類，所涉及的面窄一些，考慮的影響因素少一些，但更深入一些，細致一些。現(xiàn)在是8頁\一共有44頁\編輯于星期六

（二）工程巖體分類的原則

1.工程巖體的分類應(yīng)該與所涉及的工程性質(zhì)聯(lián)系在一起。

2.分類應(yīng)該盡可能采用定量的參數(shù)。

3.分類的級數(shù)應(yīng)合適，一般分為4～6級。

4.工程巖體分類方法與步驟應(yīng)簡單明了，分類的參數(shù)在工程現(xiàn)場容易獲取，參數(shù)所賦予的數(shù)字便于記憶，便于應(yīng)用。

5.各個因素應(yīng)有明確的物理意義，并且還應(yīng)該是獨立的影響因素。現(xiàn)在是9頁\一共有44頁\編輯于星期六

（三）代表性分類簡表

分類方法指標分級適用范圍特點備注巖石抗壓強度分類巖石單軸抗壓強度(Rc)/MPa分4級。250-160-100-40-0，特堅-堅-次堅-軟巖。初期未考慮巖體特點我國早期使用點荷載強度指標(Is(50))/MPa分7級。很弱-弱-中弱-中強-強-很強-極強。初期指標易得倫敦地質(zhì)學(xué)會和富蘭克林巷道穩(wěn)定性分類斯梯尼(Stini)分9級巷道考慮巖石荷載與穩(wěn)定性1950年前蘇巴庫地鐵分4級地鐵巖石抗壓、工程地質(zhì)、穩(wěn)定性巖體完整性分類巖石質(zhì)量指標RQD分5級。100-90-75-50-25-0迪爾1963彈性波(縱波)波速分4級。分7級。中科院地質(zhì)所日本池田和彥接下表現(xiàn)在是10頁\一共有44頁\編輯于星期六續(xù)表

分類方法指標分級適用范圍特點備注巖體綜合指標分類巖體地質(zhì)力學(xué)RMR分5級。綜合地下采礦南非工業(yè)和科學(xué)委員會CSIR，畢昂斯基(Bieniawshi)隧道掘進質(zhì)量指標Q分9級。0.01-0.1-1.0-4.0-10.0-40.0-100.0-400.0-綜合交通隧道挪威土工所(NGI),Baton巖體質(zhì)量指標SMR分5級。礦山邊坡Romana(1993)我國工程巖體分級標準(GB50218-94)分5級。綜合水利隧道現(xiàn)在是11頁\一共有44頁\編輯于星期六二、巖體堅固性分級前蘇聯(lián)學(xué)者普羅特基雅柯諾夫(М.М.Протодьяконов)按當時采掘工業(yè)水平提出的要求，對巖石進行定量分級的，被稱為普氏分級。根據(jù)巖石堅固性的不同，將巖石劃分為十級。

普氏分級的指標為堅固性系數(shù)f，是由巖石在當時各種采掘工藝中的堅固性表現(xiàn)指標綜合起來確定的。目前f值是按巖石單軸抗壓強度來確定的。分為15級。

式中—巖石的軸向極限抗壓強度，MPa。參看王青主編《采礦學(xué)》p59頁，表2-1現(xiàn)在是12頁\一共有44頁\編輯于星期六現(xiàn)在是13頁\一共有44頁\編輯于星期六三、巖體地質(zhì)力學(xué)RMR分類（巖體指標CSIR）

由畢昂斯基(Bieniawski)在1973年首次提出。巖體的RMR值取決于五個通用參數(shù)和一個修正參數(shù)，這五個通用參數(shù)為：巖石抗壓強度R1

巖石質(zhì)量指標R2

節(jié)理間距R3

節(jié)理面狀態(tài)R4

地下水狀態(tài)R5

節(jié)理方向?qū)こ逃绊懶拚齾?shù)R6把上述各個參數(shù)的巖體評分值相加起來就得到巖體的RMR值：

RMR=R1+R2+R3+R4+R5

+

R6

現(xiàn)在是14頁\一共有44頁\編輯于星期六（1）由“巖石抗壓強度”確定的巖體質(zhì)量評分值R1（15）點荷載指標Is(50)(MPa)單軸抗壓強度(MPa)評分值>10>250154～10100～250122～450～10071～225～504不采用5～252不采用1～51不采用<1O對照上表查出R1=?現(xiàn)在是15頁\一共有44頁\編輯于星期六（2）由“巖石質(zhì)量指標RQD”確定的巖體質(zhì)量評分值R2（20）對照上表查出R2=?RQD(%)100～9090～7575～5050～25<25評分值20171383RQD值的確定方法見下頁現(xiàn)在是16頁\一共有44頁\編輯于星期六單項指標RQD值的確定：RQD值：即修正的巖芯采取率，是選用堅固完整的、其長度等于或大于10cm的巖芯總長度與鉆孔在巖層中的長度之比，并用百分數(shù)表示。

例如，某鉆孔在巖層中的長度為250cm，其中，巖芯采取總長度為200cm，而大于10cm的巖芯總長度為157cm。

現(xiàn)在是17頁\一共有44頁\編輯于星期六（3）由“節(jié)理間距”確定的巖體質(zhì)量評分值R3（20）對照上表查出R3=?節(jié)理間距(m)>22

～0.60.6～0.20.2～0.06<0.06評分值20151085現(xiàn)在是18頁\一共有44頁\編輯于星期六（4）由“節(jié)理面壁幾何狀態(tài)”確定的巖體質(zhì)量評分值R4

（30）對照上表查出R4=?說明評分值尺寸有限的很粗糙的表面，硬巖壁30略微粗糙的表面，張開度小于1mm,硬巖壁25略微粗糙的表面，張開度小于1mm,軟巖壁20光滑表面，由斷層泥充填厚度小于5mm;張開度1～5mm.節(jié)理延伸超過數(shù)米10由厚度大于5mm的斷層泥充填的張開節(jié)理;張開度大于5mm的節(jié)理，節(jié)理延伸超過數(shù)米0現(xiàn)在是19頁\一共有44頁\編輯于星期六（5）由“地下水”確定的巖體質(zhì)量評分值R5

（15）對照上表查出R5=?每10m洞長的流入量(L/min)節(jié)理水壓力與最大主應(yīng)力的比值總的狀態(tài)評分值無0完全干的15<10<0.1潮濕的1010～250.1～0.2濕的725～1250.2～0.5有中等水壓力的4>125>0.5有嚴重地下水問題的0現(xiàn)在是20頁\一共有44頁\編輯于星期六（6）由“節(jié)理的空間方位”確定的巖體質(zhì)量評分值R6對照上表查出R6=?方向?qū)こ逃绊懙脑u價對隧洞的評分值的修正對地基的評分值的修正對邊坡的評分值的修正很有利OOO有利-2-2-5較好-5-7-25不利-10-15-50很不利-12-25-60現(xiàn)在是21頁\一共有44頁\編輯于星期六（7）巖體的地質(zhì)力學(xué)分類類別巖體的描述巖體評分值RMRⅠ很好的巖石81～100Ⅱ好的巖石61～80Ⅲ較好的巖石41～60Ⅳ較差的巖石21～40Ⅴ很差的巖石0～20現(xiàn)在是22頁\一共有44頁\編輯于星期六（8）分類結(jié)果的應(yīng)用巖體分類級別ⅠⅡⅢⅣⅤ平均自穩(wěn)時間15m跨度,20年10m跨度,1年5m跨度,1星期2.5m跨度,10小時1m跨度,30分巖體的內(nèi)聚力c/KPa>400300～400200～300100～200<100巖體的內(nèi)摩擦角φ/°>45°35°～45°25°～35°15°～25°<15°現(xiàn)在是23頁\一共有44頁\編輯于星期六現(xiàn)在是24頁\一共有44頁\編輯于星期六現(xiàn)在是25頁\一共有44頁\編輯于星期六現(xiàn)在是26頁\一共有44頁\編輯于星期六現(xiàn)在是27頁\一共有44頁\編輯于星期六四、邊坡穩(wěn)定的SMR分級

Romana(1985)將RMR分類系統(tǒng)推廣應(yīng)用到邊坡。當然，RMR系統(tǒng)法中使用的6個參數(shù)與邊坡穩(wěn)定性是相關(guān)的，但是評分值則需要根據(jù)不同的工程環(huán)境進行調(diào)整。Romana教授通過考慮以下四個因素對RMR值在數(shù)值上進行了調(diào)整。(1)F1因素：與邊坡面和非連續(xù)面走向之間的平行度有關(guān)。(2)F2因素：與發(fā)生平面破壞的非連續(xù)面的傾角有關(guān)。(3)F3因素：相對于非連續(xù)面傾角的邊坡角度有關(guān)。(4)F4因素：與開挖模式相關(guān)?，F(xiàn)在是28頁\一共有44頁\編輯于星期六分類評分值可從以下公式得出:RMRSLOPE

=RMRBASIC-F1×F2×F3＋F4下表指出了從RMRBASIC到RMRSLOPE需要調(diào)整的四個因素的數(shù)值，以及SMR等級、預(yù)期破壞的類型和提高穩(wěn)定性所需的治理措施。

現(xiàn)在是29頁\一共有44頁\編輯于星期六現(xiàn)在是30頁\一共有44頁\編輯于星期六現(xiàn)在是31頁\一共有44頁\編輯于星期六五、采礦工程應(yīng)用實例實例1：埋深200m的包含三組弱面的泥巖。一組為層理面，強風(fēng)化，表面稍粗糙，連續(xù)，方向為180∠10；另一組是節(jié)理面，微風(fēng)化，稍粗糙，方向為185∠75；第三組也是節(jié)理面，微風(fēng)化和稍粗糙，方向為90∠80。原巖強度為55MPa，RQD值60%，平均弱面間距是0.4m。采用RMR系統(tǒng)對該巖體進行分類，并評價從東到西開挖的10m寬洞室的穩(wěn)定性。現(xiàn)在是32頁\一共有44頁\編輯于星期六答：(1)巖體分類基礎(chǔ)等級值R1：原巖強度為55MPa，因此強度等級的保守值是6；R2：對于平均RQD值為60%，其等級值約為12；R3：平均弱面間距0.4m，其等級值約為10；R5：開挖位于200m深度的巖體為泥巖。在200m的深度，垂直應(yīng)力分量為5MPa左右(假設(shè)巖石的單位重量為25kN.m-3)，這個應(yīng)力可能足以使斷裂面處于緊密閉合狀態(tài)。加之泥巖具有很低的主、次滲透性，可以推斷地下水條件可能在潮濕和濕潤范圍內(nèi)，等級值范圍為7~10。將這四個等級值加在一起得到總的等級值為6+(7～10)+12+10=35～38。

現(xiàn)在是33頁\一共有44頁\編輯于星期六(2)用第一組層理面數(shù)據(jù)進行分類

R4：層理面強風(fēng)化，表面稍粗糙，且分布有連續(xù)。這些特定性質(zhì)的等級值分別是1、3和0。在開挖處原位應(yīng)力狀態(tài)的基礎(chǔ)上可以對開挖進行評價，5MPa的應(yīng)力意味著弱面的開度較低，因此合理的等級值為5。沒有充填物的信息，也沒有證據(jù)表明存在任何充填的物質(zhì)，因此假設(shè)等級值為6。所以這些弱面的總的等級值為1+3+0+5+6=15。

R6：層理的傾斜方向是180°，開挖是沿著走向方向，這被認為是一般條件，相應(yīng)的等級值調(diào)整為-5。因而，基于第一組弱面的全部的RMR值是(35～38)+15=50～53，考慮到弱面方向進行-5的等級調(diào)整，RMR值減少到45～48，該分類定為較好巖體，即Ⅲ類?，F(xiàn)在是34頁\一共有44頁\編輯于星期六(3)用第二組節(jié)理面數(shù)據(jù)進行分類

R4：節(jié)理面是微風(fēng)化，稍粗糙，方向為185∠75。將這些性質(zhì)對應(yīng)的等級值賦值為5、3和-12。泥巖中的弱面是節(jié)理，它們的存在將可能在1～2m，與此對應(yīng)的合適等級值為2。同第一組斷裂面一樣，分別對斷裂面開度和充填物賦值5和6。這些節(jié)理面總的等級值是5+3+2+5+6=21。

R6：考慮到斷裂面方向進行-12的方向調(diào)整。全部的RMR值是(35～38)+21-12=44～47，該分類也定為較好巖體，即Ⅲ類。現(xiàn)在是35頁\一共有44頁\編輯于星期六(4)用第三組節(jié)理面數(shù)據(jù)進行分類第三組節(jié)理面與第二組有同樣的力學(xué)特征，因此等級值為21，全部的RMR值為56～59，分類為一般的巖體。現(xiàn)在方向等級調(diào)整是-5(走向垂直于開挖軸向，將開挖逆傾向定義為一般)，這將使RMR值減少到51～54。該分類也定為較好巖體，即Ⅲ類?，F(xiàn)在是36頁\一共有44頁\編輯于星期六(5)總體評價可以看出第二組弱面導(dǎo)致巖體最危險的分類，可能的RMR值為44～47。用RMR、開挖跨度與自穩(wěn)時間結(jié)合的圖表顯示，在這樣的巖體中10m寬的開挖將導(dǎo)致立即塌陷。因此工程設(shè)計中將需要采取巖石穩(wěn)定措施(比如支護