第一章巖石的性質(zhì)及其工程分級課件

1、第一章巖石的性質(zhì)及其工程分級第1章巖石的性質(zhì)及其工程分級井巷工程1 巖石性質(zhì)與工程分級引 子 井巷施工最基本的工作 破巖與井巷維護(hù) 為什么要了解巖石與巖體的物理力學(xué)性質(zhì)? 如何在開挖和支護(hù)中利用巖石的強度？ 為什么要對巖石進(jìn)行工程分級?第1章 巖石的性質(zhì)及其工程分級1.1 概 述1.2 巖石的物理性質(zhì)1.3 巖石的力學(xué)性質(zhì)1.4巖石的工程分級 習(xí) 題1.1 概述（1）巖石組成地殼的基本物質(zhì)，由礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按一定規(guī)律而形成的自然地質(zhì)體，包括巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖。 “兩相”、“三相”?！白顝?fù)雜的材料之一”巖石的性質(zhì)：與其礦物組成有關(guān)，與結(jié)構(gòu)、構(gòu)造有關(guān)。（2）巖體 地下工程周圍較大范圍內(nèi)

2、的自然地質(zhì)體。 特點：非均質(zhì)、各向異性、不連續(xù)、賦存地質(zhì)因子。（3）巖塊 從地殼中切取出來的小塊體，不包含軟弱面（巖體中的地質(zhì)遺跡、層理、節(jié)理、斷層、裂隙面），近似認(rèn)為各向同性的連續(xù)介質(zhì)1.1概述（4）弱面： 層理、節(jié)理、斷面及裂隙面與所研究巖體的巖塊比較,具有強度低、易變形的特點,稱為弱面。 巖體與巖塊的差異： 巖體的強度小，巖塊的強度大； 巖塊的各向同性與巖體的各向異性。 巖石是不分巖塊和巖體的泛稱。（5）圍巖 井巷附近受到擾動的巖體。巖塊：巖體（6）表土： 覆蓋在地殼上部的第三紀(jì)、第四紀(jì)沉積物,如黃土、粘土、流砂、淤泥、礫石的統(tǒng)稱。（7）基巖： 表土以下的固結(jié)性巖石統(tǒng)稱為基巖。（8）煤系

3、地層： 煤層周圍一定范圍內(nèi)的地層。 多為沉積巖，如砂巖、灰?guī)r、頁巖、泥巖等。1.1 概述表土和基巖1.2.1 巖石的相對密度和密度1.2.2 巖石的孔隙性1.2.3 巖石的水理性質(zhì)1.2.4 巖石的碎脹性 1.2 巖石的物理性質(zhì) 1）相對密度(曾稱比重) 巖石的相對密度是指巖石固體實體積(不包括孔隙體積)的質(zhì)量與同體積水的質(zhì)量的比值。 計算公式為： 式中： d 巖石的相對密度(無量綱量); G絕對干燥時體積為VC的巖石質(zhì)量，g； VC巖石固體實體積(不包括孔隙體積) ，cm3； W水的密度，gcm3。1.2.1 巖石的相對密度和密度 2）密度巖石單位體積包括巖石內(nèi)孔隙體積在內(nèi)的質(zhì)量 ，又稱質(zhì)量

4、密度，具有干密度與濕密度之分。a 干密度： 是單位體積巖石絕對干燥后的質(zhì)量。b 濕密度： 是天然含水或飽和水狀態(tài)下的密度。3）重度（容重） ： 指單位體積巖石所受的重力，又稱重力密度。= g 1.2.1 巖石的相對密度和密度1.2.2 巖石的孔隙性巖石的孔隙性 是指巖石的孔隙和裂隙的發(fā)育程度，常用孔隙度（率）n和孔隙比e來表示。 1）孔隙度n 巖石試件內(nèi)各種孔隙、裂隙的體積之和與試件總體積之比。 2）孔隙比e 巖石試件內(nèi)各種孔隙、裂隙的體積總和與試件內(nèi)固體礦物體積之比。1.2.2 巖石的孔隙性3）孔隙度n和孔隙比e的關(guān)系4）孔隙性的作用 對巖石其它性質(zhì)有顯著影響，如： 密度和強度；風(fēng)化程度，透

5、水性，力學(xué)強度等。 吸水、透水、軟化、溶蝕、膨脹、崩解。1）巖石的吸水率w： 巖石試件在大氣壓力下吸入水的質(zhì)量g與試件烘干質(zhì)量G之比。 *表1-1列出一些巖石的比重、密度、孔隙比和吸水率等指標(biāo)1.2.3 巖石的水理性質(zhì)1.2.3 巖石的水理性質(zhì)2）巖石的軟化性：巖石浸水飽和后強度降低的性質(zhì)，稱為軟化性，用軟化系數(shù)k表示。k定義為水飽和巖石試件的單向抗壓強度(Rb)與干燥試件的單向抗壓強度(Rc)的比值，即表1.2 （7頁）1.2.4 巖石的碎脹性（1）碎脹性： 巖石破碎后因孔隙或裂隙增多而總體積增大的性質(zhì)。（2）碎脹系數(shù)K： 巖石破碎后的總體積V1與原巖破碎前整體狀態(tài)下的體積V之比。（3）影響

6、碎脹系數(shù)大小的因素 巖石的物理性質(zhì)、破碎后的塊度大小及其排列狀態(tài)。（4）殘余碎脹系數(shù)K 巖石破碎后經(jīng)過壓實的總體積V1 與原巖破碎前整體狀態(tài)下的體積V之比。（5）碎脹系數(shù)的意義 選擇裝巖、運輸、提升設(shè)備；爆破空間大小；直接頂垮落后的高度。1.2.4 巖石的碎脹性1.2.4 巖石的碎脹性（6）巖石的碎脹應(yīng)變（體積應(yīng)變） 幾種巖石的體積應(yīng)變數(shù)據(jù)，見表1.4（第8頁）1.3 巖石的力學(xué)性質(zhì) 外載作用下： “變形”、“破壞”、“運動”。1.3.1 巖石的變形特征1.3.2 巖石的強度特征1.3.3 巖石的硬度1.3.4 巖石的可鉆性與可爆性1.3.1 巖石的變形特征 *荷載（力）與應(yīng)力： *變形與應(yīng)變

7、： *應(yīng)力與應(yīng)變： *剛度：或力學(xué)性能的幾個關(guān)系：1.3.1 巖石的變形特征1）巖石的彈性和塑性巖石是兼有彈性和塑性的材料。巖石受力后既可能出現(xiàn)彈性變形，也可能出現(xiàn)塑性變形，而且彈性變形和塑性變形往往同時出現(xiàn)。巖石的彈性是指在力的作用下，巖石改變形狀和體積，而卸載后能完全恢復(fù)其原始狀態(tài)的性質(zhì)。如煤化程度較高的煤、砂巖、礫巖、石灰?guī)r都具有較好的彈性。塑性是指在力的作用下，巖石改變形狀和體積，而卸載后仍保留殘余變形的性質(zhì)。如頁巖、粘土巖塑性比較強。巖石的變形特性用巖石的彈性模量E、變形模量EB以及泊松比等參數(shù)來表示。表1-3 幾種巖石的彈性模量和泊松比1.3.1 巖石的變形特征2）巖石的脆性和流變

8、性巖石的脆性是指巖石在破裂前幾乎沒有或僅有很短的塑性階段。如煤化程度較高的煤、砂巖、石灰?guī)r都具有脆性。流變：通常把隨時間因素而變化的應(yīng)力應(yīng)變現(xiàn)象統(tǒng)稱為流變。許多巖石有流變性，而不同巖石的流變性差異很大。流變性表現(xiàn)在蠕變和松弛兩個方面。蠕變是在應(yīng)力一定的條件下，變形隨時間的持續(xù)而逐漸增長；松弛是在變形量一定的條件下，應(yīng)力隨時間的持續(xù)而逐漸減少。 靜載荷下巖石的變形特征（單向壓縮）1.3.1 巖石的變形特征 應(yīng)力應(yīng)變曲線 體積應(yīng)變 三種破壞形式 應(yīng)力應(yīng)變曲線IOA階段 裂隙壓密閉合階段 AB階段 線彈性階段 BC段 破裂發(fā)展階段 或稱 變形屈服階段 一CD段 軟化階段 靜荷載下巖石變形特征 * 一

9、般巖石在室溫和大氣壓條件下的單向壓縮試驗曲線（P9圖1-1） a、OA段：曲線斜率逐漸增大；稱為“裂隙壓密閉合階段”（變彈模）。 b、AB段： 曲線近似直線；稱為“線彈性階段”。 c、BC段：曲線的斜率逐漸縮小；稱為“破裂發(fā)展階段”，達(dá)到極限C。 d、CD段：剛性試驗機時可見曲線上應(yīng)力隨應(yīng)變而下降直至D，這說明了什么？ *CD曲線的存在說明巖石在達(dá)到極限強度后，仍然具有相當(dāng)?shù)某休d能力。 體積應(yīng)變巖石的體積改變量V與原體積 V的比值,也稱體積改變率。一般巖石具有在彈性階段體積變小和塑性階段體積增大的特點、轉(zhuǎn)折點在附近。巖石在塑性階段體積增大的性質(zhì)稱為擴(kuò)容現(xiàn)象,對于研究巷道變形和圍巖對支護(hù)造成的壓

10、力等問題有重要意義。圖1.1（9頁） 三種破壞形式脆性破壞：永久變形或全變形小于3%者為脆性破壞。具有這種特性的巖石稱為脆性巖石；塑性破壞：永久變形或全變形大于5%者塑性破壞。具有這種特性的巖石稱為塑性巖石；過度狀態(tài)：永久變形或全變形在3%到5%之間。(4) 有圍壓作用時的巖石變形特性圖1.2（10頁）破壞前的應(yīng)變增加；脆性塑性，出現(xiàn)硬化現(xiàn)象；變形模量和泊松比有一定程度提高。（二）動載荷下巖石變形特征 * 動荷載 外荷載不是常數(shù)，而是時間的函數(shù)。 如沖擊鑿巖和爆破落巖等，如圖12所示為鑿巖機活塞沖擊釬尾時，作用力隨時間變化的實測曲線。 從圖可見，作用力在幾十微秒內(nèi)零驟增到數(shù)萬牛頓，再經(jīng)數(shù)百微秒

11、重新下降到零。L質(zhì)點擾動位移，CP質(zhì)點擾動的傳播速度（波速），t波的傳播時間，CPt在t時間內(nèi)的變形范圍。 F巖石在動荷載作用下的變形特征 L* 動荷載下巖石變形特征： a 在動荷載作用下，巖石變形不是整體的均勻變形； b 質(zhì)點的運動速度也不是整體一致的?！白冃魏退俣取倍加幸粋€傳播的過程。 *表13列出了幾種材料的密度、縱波波速及波阻抗值。表面波(勒夫波) ：沿介質(zhì)邊界傳播c；體積波：在介質(zhì)內(nèi)部傳播，分為橫波和縱波橫波：介質(zhì)振動方向和波的傳播方向垂直，產(chǎn)生剪切變形b；縱波：質(zhì)點振動方向和波的傳播方向一致，產(chǎn)生壓縮、拉伸變形a；瑞利波：質(zhì)點運動軌跡為橢圓的波，為地震波的主要形式 d波的反射和透射

12、 波阻抗cp 介質(zhì)密度與縱波速度的乘積，它表示介質(zhì)對應(yīng)力波傳播的阻尼作用。 *表13列出了幾種材料的密度、縱波波速及波阻抗值。巖石強度： 在外荷載作用下巖石抵抗破壞的能力（靜、動荷載作用）。 *瞬時強度巖石在動荷載作用下的強度，又叫動荷載強度 *長時強度巖石在靜荷載作用下的強度的強度，又叫做靜荷載強度 表15列出了幾種巖石的動靜荷載強度值1.3.2 巖石的強度特征（一）靜荷載下巖石的強度特征 （1）靜荷載下巖石大多表現(xiàn)為脆性破壞。 （2）同一種巖石的強度并非常數(shù)。 （3）不同受力狀態(tài)下巖石的各種強度極限相差懸殊。 a、從荷載性質(zhì)來看： 單向抗壓強度單向抗剪強度單向抗彎強度單向抗拉強度； b、從

13、應(yīng)力狀態(tài)來看： 三向抗壓強度雙向抗壓強度 單向抗壓強度； *部分巖石強度試驗結(jié)果列于表14單向抗壓強度RC、單向抗剪強度、單向抗拉強度Rt之間有下列關(guān)系：（一）靜荷載下巖石的強度特征（二）動荷載下巖石的強度特征 動載：隨著時間變化。 （1）外部動荷載解除，質(zhì)點由運動恢復(fù)到靜止?fàn)顟B(tài)需要一個持續(xù)過程，而非立即恢復(fù)到位。 （2）巖石的動荷載強度（瞬時強度）大于靜荷載強度（長時強度）。 （3）分析圍巖穩(wěn)定性時，靜載強度； 分析開挖問題時，動載強度。（三） 強度理論強度理論（強度準(zhǔn)則）1）莫爾-庫倫強度準(zhǔn)則思想：在不同正應(yīng)力和剪應(yīng)力的組合下發(fā)生破壞圖1.41.5（13頁）不足；破壞機理；中間主應(yīng)力。2）

14、格里菲斯強度準(zhǔn)則思想：破裂原因；裂紋擴(kuò)展方向；裂紋擴(kuò)展所需能量。* 硬度 抵抗其它較硬物體侵入的能力。 根據(jù)試驗方式可分為： （1）靜壓入硬度： 采用底面積為15mm2的圓柱形平底壓模壓入巖石試件，該巖石產(chǎn)生脆性破壞或屈服時的強度，作為巖石的硬度指標(biāo)。 （2）回彈硬度： 以重物落于巖石表面后回彈高度來表示，常用回彈儀即施米特錘。1.3.3 巖石的硬度* 巖石的可鉆性 表示巖石鉆眼難易程度，是巖石的物理力學(xué)性質(zhì)在鉆眼條件下的綜合反映。 * 巖石的可爆性 表示巖石爆破難易程度，是巖石的物理力學(xué)性質(zhì)在爆破條件下的綜合反映。 * 巖石的可鉆性和可爆性度量 常用工藝性指標(biāo)來表示。1.3.4 巖石的可鉆性

15、與可爆性巖石的可鉆性：鉆速；鉆每米炮眼所需時間；鉆頭在變鈍之前的進(jìn)尺；鉆每米炮眼磨鈍的釬頭數(shù)等。巖石的可爆性：爆破單位體積巖石所消耗的炸藥；爆破單位體積巖石所需的炮眼長度；單位重量的炸藥的爆破量；每米炮眼的爆破量等。1.4.1 巖石工程分級概述 巖石“最復(fù)雜的材料”。 巖塊、結(jié)構(gòu)面、地質(zhì)環(huán)境等。 分級的目的： 給出具有代表性的、單一的性質(zhì)參數(shù)，以便能正確地進(jìn)行工程設(shè)計，合理地選用施工方法、施工設(shè)備、機具與器材，準(zhǔn)確的制定生產(chǎn)定額和材料消耗定額等。1.4 巖石的工程分級 1）普氏分級法 2）中國煤炭部門圍巖分類法 3）巖石質(zhì)量指標(biāo)（RQD）分類 4）Q分類 5）圍巖松動圈分類1.4.2 工程分級

16、方法 1）普氏分級法 普羅托奇雅克諾夫 1926年提出用“堅固性”作為巖石工程分級的依據(jù)，即用一個綜合性指標(biāo)“堅固性系數(shù)f”來表示巖石破壞的相對難易程度。 f = Rc/10 據(jù)f值，分為十級十五種（如表1-6所示）。 * 級巖石（最堅固，如石英、玄武巖）普氏系數(shù)f20 * 級巖石（中等堅固，如頁巖）普氏系數(shù)f34 * 級巖石（如無煙煤）普氏系數(shù)f2 * a級巖石（如堅固煙煤）普氏系數(shù)f1.5 * 級巖石（如軟的煙煤）普氏系數(shù)f1.0 * 級巖石（如采下的煤）普氏系數(shù)f0.5普氏巖石分級法的不足：沒有反映巖體的特征。井巷圍巖穩(wěn)定性主要取決于巖體的結(jié)構(gòu)和巖石的強度，而不只是巖石試件的強度，因此，國內(nèi)外提出了各種“巖石工程分類方法”。根據(jù)井巷錨噴支護(hù)設(shè)計與施工需要，按照煤礦巖層的特點，分為五類，如表1-7所示。類 穩(wěn)定巖層：完整、堅硬，層間膠結(jié)好，Rb（飽和抗壓強度）60Mpa； 類 較穩(wěn)定：完整、比較堅硬，層間膠結(jié)較好，Rb4060Mpa； 類 中等穩(wěn)定：完整、中硬，夾有軟弱夾層 Rb2040Mpa； 類 穩(wěn)定性較差：較軟的完整巖層 Rb強度圍巖破壞三向應(yīng)力平衡狀態(tài)。（2）特點：變形和強度 軟化和殘余強度范圍。（3）測量： 聲測、地質(zhì)雷達(dá)測量。圍巖類別松動圈支護(hù)方法備注小I穩(wěn)定300二次支護(hù)無穩(wěn)定期（4）圍巖松