巖石性質(zhì)與工程分級.ppt

1、第一章 巖石的性質(zhì)及工程分級,巖體（Rock Mass） ：指巖石工程周圍較大范圍內(nèi)的自然地質(zhì)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（Rock Materials）。,巖石：不分巖塊與巖體時的泛稱。,Rock mass = Rock material + Rock discontinuities,巖塊（Rock）性質(zhì)： 強(qiáng)度：抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度等； 變形：彈性模量、泊松比； 礦物：礦物成分、顆粒大小、結(jié)構(gòu)等； 物理性質(zhì)：密度、水理性、孔隙性等。,弱面

2、(Discontinuities)性質(zhì) 弱面包括層理、節(jié)理、斷層等。 性質(zhì)包括：剪切強(qiáng)度、方位、距離、硬度、張開度、充填性、風(fēng)化性、粗糙性等,巖石材料的性質(zhì)對巖體性質(zhì)影響很小，而弱面控制著巖體的性質(zhì),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(qiáng)度很小。,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(zhì)的 Homogeneous 各向同性的 Isotropic 線彈性的 Lineraly Elastic,C.H.I.L.E.,巖體的特性(具有尺度效應(yīng)),不連續(xù)的 Discontinuous 非均質(zhì)的 Inhomogeneou

3、s 各向異性的 Anisotropic 非線彈性的 Non-Lineraly Elastic,D.I.A.N.E.,第二節(jié) 巖石物理性質(zhì),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(xué)性質(zhì)越好。,G-干燥巖石質(zhì)量， VC -實(shí)體巖石體積 WV 水的密度,C巖石干密度， 巖石濕密度， G1巖石試件質(zhì)量， V巖石試件體積,二. 巖石的孔隙性-密度與強(qiáng)度降低，風(fēng)化速度加快 1. 孔隙度（率）n 2. 孔隙比e,影響強(qiáng)度及風(fēng)化速度,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

4、面面積； k滲透系數(shù)。（ 水庫、地?zé)?、儲存等?三. 巖石的水理性質(zhì)-孔隙量、大小、開閉及分布,尺度、浸水時間,地下水水頭、應(yīng)力場,3. 軟化性 Rcw水飽和巖石的單向抗壓強(qiáng)度； Rc干燥巖石的單向抗壓強(qiáng)度； 4. 膨脹性和崩解性,強(qiáng)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(yùn)輸、提升等設(shè)備,堅硬程度、塊度大小、堆積排列情況,第三節(jié) 巖石力學(xué)性質(zhì),Strength, Deformation and Failure of Rock Material,試驗(yàn)所需的試件應(yīng)該加工成標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形，其高與直徑之比應(yīng)該介于2.03.0之間，試件的直徑最好不要超過50mm。試件的直徑應(yīng)

5、該至少是巖石最大顆粒直徑的20倍。,1. 巖石的單軸壓縮全應(yīng)力應(yīng)變曲線,單軸壓縮試驗(yàn)設(shè)備,靜載巖石的變形特征 （1）O-A段： 裂隙壓密閉合階段， （2）A-B段：線彈性階段，B點(diǎn)-屈服點(diǎn) （3）B-C段：破裂發(fā)展階段，C點(diǎn)-極限抗壓強(qiáng)度 （4）C-D段、:軟化階段， 為巷道支護(hù)作用階段,彈模值：E=2050GPa，為軟鋼彈模（206GPa）的1024%； 泊松比： ，理想塑性材料,2. 巖石在三軸壓縮條件下的力學(xué)性質(zhì),首先，破壞前巖石的應(yīng)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(zhuǎn)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(yīng)變硬化現(xiàn)象。 圍壓是影

6、響巖石力學(xué)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(jié)論： 隨著圍壓的增大，巖石的抗壓強(qiáng)度顯著增加； 隨著圍壓的增大，巖石的變形顯著增大； 隨著圍壓的增大，巖石的彈性極限顯著增大； 隨著圍壓的增大，巖石的應(yīng)力一應(yīng)變曲線形態(tài)發(fā)生明顯改變，巖石的性質(zhì)發(fā)生了變化：由彈脆性一彈塑性一應(yīng)變硬化,3. 巖石的強(qiáng)度（P10） 研究巖石的強(qiáng)度的意義 巖石的強(qiáng)度是各種巖石分類（級）中的重要數(shù)量指標(biāo)。 作為強(qiáng)度(安全)準(zhǔn)則，判別所計算或測定的巖土工程是否穩(wěn)定. 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(yīng)力與應(yīng)變。 巖石的強(qiáng)度特征 多數(shù)情況下，巖

7、石表現(xiàn)為脆性破壞（小于3的應(yīng)變）； 同一種巖石的強(qiáng)度并非常數(shù)；強(qiáng)度影響因素：成分、顆粒大小、膠結(jié)、生成條件、層理結(jié)構(gòu)、孔隙度、溫度、濕度、重度、風(fēng)化程度、受力狀態(tài)和時間。 在不同的應(yīng)力狀態(tài)下，巖石的各種強(qiáng)度極限不同，相差懸殊 從荷載性質(zhì)看：單向抗壓強(qiáng)度單向抗剪強(qiáng)度單向抗彎強(qiáng)度單向抗拉強(qiáng)度（單向抗壓強(qiáng)度10倍單向抗拉強(qiáng)度）。 從應(yīng)力狀態(tài)看：三向抗壓強(qiáng)度雙向抗壓強(qiáng)度單向抗壓強(qiáng)度,工程中巖石動力學(xué)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(gòu)）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(hù)工程結(jié)構(gòu)的抗爆動力響應(yīng)。 （3）石方、掘進(jìn)工程中的爆破設(shè)計

8、與施工。 （4）高地應(yīng)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(yùn)動研究與工程處理。 （5）巖基基礎(chǔ)，承受動力機(jī)器振動。 （6）結(jié)構(gòu)隔震與減震。,4. 巖石的動力學(xué)性質(zhì),動載作用下巖石強(qiáng)度與加載速度有關(guān)：,（1）巖石由彈塑性、塑性向脆性轉(zhuǎn)變； （2）巖石的彈性模量增大； （3）巖石的強(qiáng)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(jìn)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）,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(hù)方案和支護(hù)參數(shù)，選擇施工方法、進(jìn)行施工預(yù)算。,遵循的主要原則 （1）分類形式要簡單，

9、含義要明確。 （2）分類應(yīng)具科學(xué)意義和實(shí)用價值。 （3）分類指標(biāo)不易過多并應(yīng)容易獲得。指標(biāo)過多，必須增加研究工作量，不便推廣和應(yīng)用。 （4）分類應(yīng)明確表達(dá)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(yīng)體現(xiàn)超前預(yù)報性，即在巷道設(shè)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(shè)計、施工部門應(yīng)用，而且應(yīng)當(dāng)被勘探部門所接受。,分類指標(biāo)： （1）巖石強(qiáng)度 各力學(xué)指標(biāo)之間有著內(nèi)在的聯(lián)系，因此可確定巖石的單軸抗壓強(qiáng)度為巖體穩(wěn)定性評價的重要指標(biāo)。 （2）結(jié)構(gòu)面 結(jié)構(gòu)面的研究應(yīng)包括組數(shù)、密度、產(chǎn)狀、延展性、結(jié)構(gòu)面內(nèi)物質(zhì)成分等。對于地表裸露的

10、巖體來說，上述的研究是能夠?qū)崿F(xiàn)的；對于地下隱伏的巖體，按上述要求進(jìn)行全面而詳細(xì)的研究往往非常困難，有時要用大量資金才能實(shí)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(qiáng)度。 （4）原巖地應(yīng)力狀態(tài) 對巖體穩(wěn)定性影響最大的是最大主應(yīng)力。在缺乏地應(yīng)力資料時，可選用H值。,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(shè)計服務(wù)的一整套理論和方法。而且表達(dá)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(jī)械、建工、軍工等部門都采用了

11、普氏分類。 存在問題：這一分類主要考慮的是巖石強(qiáng)度（單軸抗壓強(qiáng)度），對巖體的完整性、巖體結(jié)構(gòu)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(dá)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 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 11.5 硬煤： f 23 軟巖： f 23 中硬巖： f 46 硬巖： f 810 堅硬巖石： f 1214 最堅硬巖石： f 1520,美國伊利諾斯大學(xué)狄勒（Deere）在1964年形成該標(biāo)準(zhǔn)，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1

12、00mm的完整巖芯。,RQD指標(biāo)在美國及歐洲有廣泛應(yīng)用，它是評估巖芯質(zhì)量的簡單、費(fèi)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(biāo)仍然作為分類參數(shù)，在隧道工程中用作選擇隧道支護(hù)時的參考，被發(fā)現(xiàn)非常有用。 盡管RQD是一簡易的花費(fèi)不多的標(biāo)準(zhǔn)，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(dú)提供對巖體的充分描述。 今天，RQD被用作鉆孔巖芯記錄的標(biāo)準(zhǔn)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)。,（1）概念 開巷后：（1）巷道周邊應(yīng)力集中；（2）圍巖強(qiáng)度降低(三向應(yīng)力狀態(tài)兩向應(yīng)力狀態(tài)）（3）開挖擾動等 圍巖應(yīng)力與圍巖強(qiáng)度的關(guān)系發(fā)生變化（超過則

13、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,（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(chǔ)，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。,（4）圍巖松動圈分類,圍巖松動圈分類有三個突出優(yōu)點(diǎn)： （1）繞過了地應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面性質(zhì)測定等困難問題，但又著重抓住了它們的影響結(jié)果，即松動圈是一個綜合指標(biāo)； （2）松動圈系實(shí)測所得，未在重要方面作任何假設(shè)； （3）松動圈大小很容易用聲測法獲得，確定支護(hù)參數(shù)時直觀簡單，現(xiàn)場應(yīng)用十分方便。,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(hù)的難易程度，將

14、回采巷道圍巖分為五類：,中國煤炭科學(xué)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,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(yàn)巷道的地質(zhì)特征、井巷開拓后圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)，共為五類：,國家技術(shù)監(jiān)督局與建設(shè)部于1995年聯(lián)合發(fā)布工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)主要以“巖體基本質(zhì)量”代表巖體品質(zhì)，并據(jù)此進(jìn)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(jìn)行巖體基本質(zhì)量定性特征分級描述，以及巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ值的計算，依此做為巖體初步分級基準(zhǔn)。 BQ903Rc+250KV Rc巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)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）2,6.工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn),針對各類工程巖體特點(diǎn)，考慮其他環(huán)境條件下影響，對前階段已獲取的BQ值進(jìn)行修正，獲得巖體基本質(zhì)量指標(biāo)修正值BQ值，并據(jù)此進(jìn)行各類工程巖體之詳細(xì)分級。 BQBQ 100 （K1+ K2+ K3） K1地下水影響修正系數(shù)； K2主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)； K3初始應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)。,工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)將巖體分為、等五級，并針對不