1、岩石的性质及其工程分级

第页1第一章岩石的性质徐新斌矿业与交通工程学院2013年2月第页2第一章岩石的性质及其工程分级第一节概述第二节岩石的物理性质第三节岩石的力学性质第四节岩石的工程分级第一章习题第页3第一节概述基本概念1.岩石2.岩块3.岩体4.表土5.基岩组成地壳的基本物质，由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律而形成的自然地质体，包括岩浆岩、沉积岩、变质岩。从地壳中切取出来的小块体，不包含软弱面（岩体中的地质遗迹、层理、节理、断层、裂隙面），近似认为各向同性的连续介质,。地下工程周围较大范围内的自然地质体。从煤矿采掘工程角度：包括岩石、地下水、瓦斯。岩体的性质复杂，是我们研究的主要对象。建井工作者把覆盖在地壳上部的第四纪沉积物成为表土，也称为松散性岩石，如：黄土、流沙、粘土等。表土以下的固结性岩石称为基岩、岩浆岩、沉积岩、变质岩。第页4岩块：第页5岩体第页6表土和基岩第页7第二节岩石的物理性质一、岩石的相对密度、密度二、岩石的孔隙性三、岩石的水理性质四、岩石的碎胀性第页81．相对密度(曾称比重)岩石的相对密度是指岩石固体实体积(不包括孔隙体积)的质量与同体积水的质量的比值。计算公式为：式中：d——岩石的相对密度(无量纲量);G—绝对干燥时体积为VC的岩石质量，g；VC—岩石固体实体积，cm3；ρW——水的密度，g／cm3。一、岩石的相对密度、密度WcVGd第页9VGcVG12．密度岩石单位体积(包括岩石内孔隙体积)的质量，称为岩石的密度，亦称质量密度。两种：干密度和湿密度。前者是单位体积岩石绝对干燥后的质量，后者是天然含水或饱水状态下的密度。ρC——岩石的干密度，g／cm3；ρ——岩石的湿密度，g／cm3；G——岩石试件烘干后的质量，g；G1——岩石试件的质量(天然含水或饱水)，g；V——岩石试件的体积，cm3。第页10二、岩石的孔隙性岩石的孔隙性是指岩石的孔隙和裂隙的发育程度，它通常用孔隙度n和孔隙比e来表示。孔隙度是指岩石试件内各种裂隙、孔隙的体积总和与试件总体积V之比(常以百分数表示)，孔隙比是岩石试件内各种裂隙、孔隙的体积总和与试件内固体矿物颗粒体积Vc之比。%100)1(111wCwCCCCddVGGVVVVVVn11CWCCCdVVVVVe第页11三、岩石的水理性质1．岩石吸水率：W是指岩石试件在标准大气压下吸入水的质量与试件烘干后质量G之比值。表1-1为岩石密度、孔隙比及吸水率的指标。GgW影响吸水率的因素：⑴岩石所含孔隙，裂隙的数量、大小、开闭程度及其分布情况有关；⑵试验条件，试验表明，整体岩石试件的吸水率要比同一岩石的碎块试样吸水率小，随着吸水水时间的增加，吸水率也会有所增大。吸水率对岩石力学性质有影响。第页12三、岩石的水理性质第页132．岩石的透水性地下水存在于岩石的孔隙和裂隙之中，而且大多数岩石的孔隙和裂隙是相互贯通的，因而，在一定水压作用下，地下水可在岩石中渗透，这种岩石能被水透过的性质，称为岩石的透水性。AIQKQ—渗水量;A—渗透面积；I—水力坡度;K-渗透系数影响因素：地下水压力、岩体应力状态、孔隙发育程度、连通程度等。表1-2为岩石渗透系数第页14三、岩石的水理性质第页153．岩石的溶蚀性由于水的化学作用而把岩石中某些组成物质带走的现象称为岩石的溶湿性。导致岩石致密程度降低，孔隙度增大，强度降低,贵州761矿巷道中的钟乳石、石笋。4．岩石的软化性（处理煤层顶板）岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性，用软化系数(ηc)表示。ηc定义为岩石试件的饱和抗压强度(Rcw)与干抗压强度(Rc)的比值，即1RcRcwc第页165．岩石的膨胀性和崩解性。⑴膨胀性：软岩浸水后体积增大和响应的引起压力增大的性质，用膨胀应力和膨胀率来表示。膨胀应力：岩石与水进行物理化学反应后，随时间变化会产生体积增大的现象，这时，使试件体积保持不变所需要的压力称膨胀应力。膨胀率：岩石与水进行物理化学反应增大后的体积与原体积的比率。⑵崩解性：软岩浸水后发生解体的性质。用耐崩解指数表示：岩石试件在承受干燥和湿润两个标准循环后，岩样对软化和崩解表现出来的抵抗力。用耐崩解仪测定。第页17四、岩石的碎胀性岩石的碎胀性岩石破碎后因岩块间空隙增多而总体积增大的性质称为碎胀性。碎胀程度的大小可用碎胀系数表示。VVK1K—岩石的碎胀系数；V1—岩石破碎膨胀后的体积；V—岩石处于整体状态下的体积。表1-4为常见岩石碎胀系数。第页18第三节岩石的力学性质一、岩石的变形特征二、岩石的强度特征三、岩石的硬度四、岩石的可钻性和可爆性第页19㈠静载荷下岩石的变形特征（单向压缩）第三节岩石的力学性质一、岩石的变形特征㈡岩石在三向静荷载压缩条件下的变形特征㈢动压条件下岩石的变形特征第页20㈠静载荷下岩石的变形特征（单向压缩）一、岩石的变形特征⑴应力应变曲线⑵体积应变,⑶三种破坏形式第页21⑴应力应变曲线I—OA阶段裂隙压密闭合阶段Ⅱ—AB阶段线弹性阶段Ⅲ—BC段破裂发展阶段Ⅳ一CD，软化阶段第页22⑵体积应变,岩石的体积改变量ΔV与原体积V的比值,也称体积改变率。zyxv一般岩石具有在弹性阶段体积变小和塑性阶段体积增大的特点、转折点在附近。岩石在塑性阶段体积增大的性质称为扩容现象,对于研究巷道变形和围岩对支护造成的压力等问题有重要意义。2cR第页23⑶三种破坏形式脆性破坏：永久变形或全变形小于3%者为脆性破坏。具有这种特性的岩石称为脆性岩石；塑性破坏：永久变形或全变形大于5%者塑性破坏。具有这种特性的岩石称为塑性岩石；过度状态：永久变形或全变形在3%到5%之间。第页24（二）岩石在三向静荷载压缩条件下的变形特征•真三轴试验123常规三轴试验12=3第页25特点：⑴弹性段与单轴压缩基本相同；⑵岩石表现出明显的塑性变形；⑶屈服极限，强度峰值、残余强度与围压大小成正比；⑷大部分岩石在一定临界围压下出现屈服平台，呈塑性流动现象；⑸达到临界围压后，继续提高围压，不在出现峰值，应力—应变出现单调增长趋势。第页26（三）动压条件下岩石的变形特征⑴动荷载的特点⑵岩石在动荷载作用下的变形特征⑶波的反射和投射第页27⑴动荷载的特点第页28ΔL—质点扰动位移，CP—质点扰动的传播速度（波速），Δt—波的传播时间，CPΔt—在Δt—时间内变形范围。F⑵岩石在动荷载作用下的变形特征ΔL第页29表面波(勒夫波)：沿介质边界传播c；体积波：在介质内部传播，分为横波和纵波横波：介质振动方向和波的传播方向垂直，产生剪切变形b；纵波：质点振动方向和波的传播方向一致，产生压缩、拉伸变形a；瑞利波：质点运动轨迹为椭圆的波，为地震波的主要形式d⑶波的反射和投射第页30pPVCpρ—为介质密度；ω—区段截面积；ρCP—为波阻抗。介质密度和波速的乘积，表征介质对于应力波的阻尼作用。①当ρ1CP1=ρ2CP2时，σr=0，σt=σi，不产生波的反射。②当ρ2CP2ρ1CP1时，σr0，σt0，说明交界面上既有透射波、又有反射波。③当ρ2CP2=0或ρ2CP2≤ρ1CP1时，即当应力波到达的交界面为自由面时，σr=-σi，σt=0，叠加结果是交界面的应力值为零。④当ρ2CP2ρ1CP1时，交界面既有透射压缩波又有反射拉伸波，也能破碎岩石。ittRirrR11221122pppprccccR1122222ppptcccR为垂直反射系数为垂直透射系数AB介质1ρ1，CP1σi，viσr，vr介质2ρ2，CP2σt，vt第页31⑴大多数情况下，岩石表现为脆性破坏；⑵同种岩石强度并非常数；⑶不同受力情况下，岩石的极限强度相差悬殊。三向等压抗压强度三向不等压抗压强度双向抗压强度单向抗压强度单向抗剪强度单向抗弯强度单向抗拉强度。381~51CtRR151~21CR3CtRR单向抗压强度RC、单向抗剪强度τ、单向抗拉强度Rt之间有下列关系：；；二、岩石的强度特征1．岩石在静荷载作用下的强度第页322．动荷载作用下的强度第页33三、岩石的硬度岩石的硬度是岩石抵抗其他较硬物体侵入的能力。1．静压入硬度：2．回弹高度以重物落于岩石表面后的回弹高度来表示。岩石越硬，回弹高度越大。常用肖氏硬度计和施米特锤来测定。施米特锤用来测定混凝土硬度，我国生产的施米特锤叫回弹仪。岩石的硬度是岩石抵抗其他较硬物体侵入的能力。硬度与强度又有区别。h第页34四、岩石的可钻性和可爆性1．凿碎比功：即破碎单位体积岩石所作的功．现以a表示,单位为J／厘米3。2．钎刃磨钝宽：即岩石的磨蚀性，量出钎刃两端向内4㎜处的磨钝宽度，以b表示，单位为㎜。目前，使用便携式岩石凿测器，测定岩石的凿碎比能和凿480次后钎刃磨钝的宽度凿测器图1-钎头；2-承击台；3-销钉；4-导向杆；5-落锤；6-卡套；7-转动手柄第页35第四节岩石分级与围岩分类主要内容1、岩体的工程分级2、以围岩稳定性为依据的围岩分类法第页36对岩石进行分级分类的意义：⑴为岩石工程建设的勘察、设计、施工和编制定额提供必要的基本依据；⑵便于施工方法的总结，交流，推广；⑶便于行业内技术改革和管理。第页37⑴岩石强度：单轴抗压强度为岩体稳定性评价的重要指标。⑵结构面：结构面的研究应包括组数、密度、产状、延展性、结构面内物质成分等。⑶水对岩体的影响：水对岩体稳定性有着重要的影响。岩体遇水后可以发生泥化、崩解、碎裂，致使岩体膨胀并大大降低强度。⑷原岩应力状态：对岩体稳定性影响最大的是原岩应力。在缺乏地应力资料时，可选用H值。围岩分级分类的指标：第页38一、普氏系数分级法二、RQD（RockQualityDesignationIndex）分级法三、围岩松动圈分级法四、按围岩变形量大小分级五、按施工需要分级常用的几种分级方法：第页391、普氏系数分级法岩石抵抗各种破坏的难易程度，称岩石坚固性，是一个综合性指标。如切削、钻眼、爆破等。将岩石坚固性综合指标以一定量来区分，称岩石坚固性系数，又称普氏系数，用f表示，它是由前苏联普罗托奇亚可夫于1926年提出的，该方法将岩石共划分为10级15种。（c为岩石单向抗压强度，MPa）一、岩体工程分级10cf第页40岩石坚固性系数分级表第页41普氏分级的缺点：⑴需修正：c超过200MPa时，公式需修正；⑵只能反映一般规律，不能反映某些特殊规律，如老黄土与石灰岩；⑶需加工试件，具有局限性，不准确。⑷不能解决支护问题303ccf第页42我国煤炭系统按岩石坚固性将煤岩分类为：⑴软煤：f＝1～1.5；⑵硬煤：f＝2～3；⑶软岩：f＝2～3；⑷中硬岩：f＝4～6；⑸硬岩：f＝8～10；⑹坚硬岩石：f＝12～14;⑺最坚硬岩石：f＝15～20。第页432、RQD（岩芯质量指标）分级法美国伊利诺斯大学狄勒（Deere）在1964年形成该标准，但直到1967年才以出版的形式首次提出该概念。第页44RQD是一修正的岩芯取出率，仅考虑长度大于100mm的完整岩芯。RQD（%）﹤2525～5050～7575～9090～100岩石质量很差差一般好优秀第页45巷道开挖后，受采掘影响应力发生显著变化的部分（大于5%），一般不超过井巷断面最大尺寸的2~4倍，该范围内的岩体习惯上称为井巷的围岩，该范围以外的岩体称为原岩。二、以围岩稳定性为依据的围岩分类法第页46最初，井巷支护中仅以岩石坚固性为依据，而忽略了弱面对岩体强度的影响，以围岩稳定性为依据对围岩进行分类，进行有针对性的支护，则大大弥补了此前的不足。第页47掘巷后：⑴巷道周边应力集中；⑵围岩强度降小(三向应力状态→两向应力状态)；⑶开挖扰动等。围岩应力与围岩强度的关系发生变化（超过围岩强度则破坏，等于为极限平衡，小于则稳定）；1、围岩松动圈分级法第页48第页49围岩类别分类名称围岩松动圈/cm支护机理及方法备注小松动圈I稳定围岩0～40喷混凝土支护围岩整体性好，不易风化的可不支护中松动圈Ⅱ较稳定围岩40～100锚杆悬吊理论，喷层局部支护局部锚杆支护Ⅲ一般围岩1