86第一章 岩石性质与工程分级1

第一章岩石的性质及工程分级井巷工程的最基本工作就是破岩与维护。因此，在这一章主要讲述岩石的一些基本性质，包括岩石的物理性质和力学性质，为破岩与维护的基础知识；另外，围岩的工程分级一直是工程设计的基本依据之一，将在本章的最后进行讲授。本章的重点应是岩石的力学性质与围岩分级。岩体（RockMass）：指岩石工程周围较大范围内的自然地质体岩体=岩块（岩石材料）+弱面（层理、节理、断层）第一节岩块、岩体和岩石1.岩块、岩体和岩石岩块（Rock）：从地壳岩层中切取出来的小块体，通常是指岩石材料（RockMaterials）。岩石：不分岩块与岩体时的泛称。Rockmass=Rockmaterial+Rockdiscontinuities岩块（Rock）性质：强度：抗压强度、抗拉强度、剪切强度等；变形：弹性模量、泊松比；矿物：矿物成分、颗粒大小、结构等；物理性质：密度、水理性、孔隙性等。弱面(Discontinuities)性质弱面包括层理、节理、断层等。性质包括：剪切强度、方位、距离、硬度、张开度、充填性、风化性、粗糙性等岩石材料的性质对岩体性质影响很小，而弱面控制着岩体的性质例如：岩体压缩时，破坏是沿着已存在的弱面发生的；在拉伸时，由于弱面的存在，强度很小。2.岩体和一般建筑材料的比较常用建筑材料的特性连续的Continuous均质的Homogeneous各向同性的Isotropic线弹性的LineralyElasticC.H.I.L.E.岩体的特性(具有尺度效应)不连续的Discontinuous非均质的Inhomogeneous各向异性的Anisotropic非线弹性的Non-LineralyElasticD.I.A.N.E.第二节岩石物理性质一.岩石的比重与密度1.相对密度（比重）：2.密度（容重）（kN/m3）：一般地，岩石容重越大，其力学性质越好。VGVGc1G--干燥岩石质量，VC-----实体岩石体积ρWV水的密度wcVGdρC岩石干密度，ρ岩石湿密度，G1岩石试件质量，V岩石试件体积二.岩石的孔隙性-----密度与强度降低，风化速度加快1.孔隙度（率）n2.孔隙比e影响强度及风化速度%1001wccdVVVn1cwccdVVVe1.吸水率2.透水性(Darcy定律)qx－沿x方向的流量；h－水头的高度；A－垂直于x方向的截面面积；k－渗透系数。（水库、地热、储存等）试件干质量量大气压力下吸入水的质吸水率Adxdhkqx三.岩石的水理性质-----孔隙量、大小、开闭及分布尺度、浸水时间地下水水头、应力场3.软化性Rcw－水饱和岩石的单向抗压强度；Rc－干燥岩石的单向抗压强度；4.膨胀性和崩解性1ccwcRR强度越大，软化系数越大膨胀压力治水四.岩石的碎胀性-----选用装载、运输、提升等设备原岩体积破碎后总体积碎胀系数岩石名称砂、砾岩砂质粘土中硬岩石坚硬岩石煤碎胀系数k1.05~1.21.2~1.251.3~1.51.5~2.51.2坚硬程度、块度大小、堆积排列情况第三节岩石力学性质Strength,DeformationandFailureofRockMaterial试验所需的试件应该加工成标准的圆柱形，其高与直径之比应该介于2.0~3.0之间，试件的直径最好不要超过50mm。试件的直径应该至少是岩石最大颗粒直径的20倍。1.岩石的单轴压缩全应力—应变曲线单轴压缩试验设备静载岩石的变形特征（1）O-A段Ⅰ：裂隙压密闭合阶段，（2）A-B段Ⅱ：线弹性阶段，B点-屈服点（3）B-C段Ⅲ：破裂发展阶段，C点-极限抗压强度（4）C-D段Ⅳ、Ⅴ:软化阶段，为巷道支护作用阶段35.0~15.0125.0弹模值：E=20~50GPa，为软钢弹模（206GPa）的10~24%；泊松比：，理想塑性材料2.岩石在三轴压缩条件下的力学性质首先，破坏前岩石的应变随围压增大而增加；另外，随围压增大，岩石的塑性也不断增大，且由脆性逐渐转化为延性。围压增加时，试件承载力则随围压稳定增长，出现所谓应变硬化现象。围压是影响岩石力学属性的主要因素之一。从图分析围压对岩石变形影响，得出如下结论：①随着围压的增大，岩石的抗压强度显著增加；②随着围压的增大，岩石的变形显著增大；③随着围压的增大，岩石的弹性极限显著增大；④随着围压的增大，岩石的应力一应变曲线形态发生明显改变，岩石的性质发生了变化：由弹脆性一弹塑性一应变硬化3.岩石的强度（P10）研究岩石的强度的意义⑴岩石的强度是各种岩石分类（级）中的重要数量指标。⑵作为强度(安全)准则，判别所计算或测定的岩土工程是否稳定.⑶在简单的工程条件下，可作为极限平衡条件（塑性条件），求解弹塑性问题的塑性区范围、弹性区和塑性区应力与应变。岩石的强度特征⑴多数情况下，岩石表现为脆性破坏（小于3％的应变）；⑵同一种岩石的强度并非常数；强度影响因素：成分、颗粒大小、胶结、生成条件、层理结构、孔隙度、温度、湿度、重度、风化程度、受力状态和时间。⑶在不同的应力状态下，岩石的各种强度极限不同，相差悬殊从荷载性质看：单向抗压强度＞单向抗剪强度＞单向抗弯强度＞单向抗拉强度（单向抗压强度≈10倍单向抗拉强度）。从应力状态看：三向抗压强度＞双向抗压强度＞单向抗压强度工程中岩石动力学问题的提出（工程背景）（1）高烈度地震区，山岩边坡、坝基、地下洞室口部，以及岩基上建（构）筑物的抗震。（2）战时常规轰炸或核袭击作用下，地下防护工程结构的抗爆动力响应。（3）石方、掘进工程中的爆破设计与施工。（4）高地应力条件下，脆/硬弹性岩体突发岩爆、某些矿山井巷深部冲击地压等地运动研究与工程处理。（5）岩基基础，承受动力机器振动。（6）结构隔震与减震。4.岩石的动力学性质动载作用下岩石强度与加载速度有关：jdKlgdtd（1）岩石由弹塑性、塑性向脆性转变；（2）岩石的弹性模量增大；（3）岩石的强度提高。5、岩石的硬度静压入硬度----压入法，回弹硬度----物落法6、岩石的可钻性（钻头进尺、每米炮眼磨钝钻头数）岩石可爆性（单位体积岩石炸药消耗量）第四节岩体工程分类分级目的：评价围岩的稳定性、确定支护方案和支护参数，选择施工方法、进行施工预算。遵循的主要原则（1）分类形式要简单，含义要明确。（2）分类应具科学意义和实用价值。（3）分类指标不易过多并应容易获得。指标过多，必须增加研究工作量，不便推广和应用。（4）分类应明确表达出岩体的基本特性和影响岩体稳定性的主要因素。（5）分类方案应体现超前预报性，即在巷道设计、施工之前，人们要了解到未来巷道开挖后围岩稳定状态和不同稳定类型岩体的空间分布。这一分类方案不仅便于设计、施工部门应用，而且应当被勘探部门所接受。分类指标：（1）岩石强度各力学指标之间有着内在的联系，因此可确定岩石的单轴抗压强度为岩体稳定性评价的重要指标。（2）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。对于地表裸露的岩体来说，上述的研究是能够实现的；对于地下隐伏的岩体，按上述要求进行全面而详细的研究往往非常困难，有时要用大量资金才能实现。（3）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。（4）原岩地应力状态对岩体稳定性影响最大的是最大主应力。在缺乏地应力资料时，可选用γH值。普罗托奇亚可夫于1926年提出：共划分为10级15种并提出了以f计算围岩压力的公式。形成了为坑道施工、设计服务的一整套理论和方法。而且表达形式简单，使用非常方便。因此1954年至1972年这一阶段，我国铁道、水电、冶金、煤炭、机械、建工、军工等部门都采用了普氏分类。存在问题：这一分类主要考虑的是岩石强度（单轴抗压强度），对岩体的完整性、岩体结构特征等对围岩稳定有决定影响的因素，在分类中没有表达出来，因此不能正确地评价围岩的稳定性。1.普氏系数分类法P1310cf根据f值的大小，将岩石分为10级共15种。我国煤炭系统按岩石坚固性将煤岩分类为：软煤：f＝1～1.5硬煤：f＝2～3软岩：f＝2～3中硬岩：f＝4～6硬岩：f＝8～10坚硬岩石：f＝12～14最坚硬岩石：f＝15～20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。RQD是一修正的岩芯取出率，仅考虑长度大于100mm的完整岩芯。RQD指标在美国及欧洲有广泛应用，它是评估岩芯质量的简单、费用省并能再现的方法。尽管其本身并不是岩体的充分描述，但该指标仍然作为分类参数，在隧道工程中用作选择隧道支护时的参考，被发现非常有用。尽管RQD是一简易的花费不多的标准，但由于它并不考虑不连续面的刚度、方向、连续性及充填材料的影响，因而不能单独提供对岩体的充分描述。今天，RQD被用作钻孔岩芯记录的标准参数，并成为两类主要岩体分类系统的基本元素：RMR系统和Q系统。RQD（%）﹤2525～5050～7575～9090～100岩石质量很差差一般好优秀（1）概念开巷后：（1）巷道周边应力集中；（2）围岩强度降低(三向应力状态→两向应力状态）（3）开挖扰动等围岩应力与围岩强度的关系发生变化（超过则破坏，等于为极限平衡，小于则稳定）；3.围岩松动圈分类法（中国矿大董房庭教授提出）（2）理论分析（3）松动圈声测方法及原理声测法测试围岩松动圈的物理基础，是各类岩石中声波速度不同，同种岩石则随破裂程度的增加，声速降低。（4）围岩松动圈分类围岩松动圈分类有三个突出优点：（1）绕过了地应力、围岩强度、结构面性质测定等困难问题，但又着重抓住了它们的影响结果，即松动圈是一个综合指标；（2）松动圈系实测所得，未在重要方面作任何假设；（3）松动圈大小很容易用声测法获得，确定支护参数时直观简单，现场应用十分方便。4.按围岩变形量分类陆士良教授根据围岩变形量的大小和维护的难易程度，将回采巷道围岩分为五类：巷道维护状况围岩平均变形速度，mm/d围岩变形量，mm容易中等困难极难＜11~22~4＞4＜200200~500500~1000＞1000中国煤炭科学研究院建井所段振西教授提出以围岩的变形量大小分类围岩的理论及方法5.按施工需要分类1988年，煤炭工业部根据全国58条试验巷道的地质特征、井巷开拓后围岩的稳定状态，共为五类：国家技术监督局与建设部于1995年联合发布《工程岩体分级标准》，适用于各类型岩石工程，计涵盖103个岩石工程案例。该分级标准主要以“岩体基本质量”代表岩体品质，并据此进行岩体优劣分级。主要考量岩石坚硬程度与完整程度两个基本因素，进行岩体基本质量定性特征分级描述，以及岩体基本质量指标－BQ值的计算，依此做为岩体初步分级基准。BQ＝90＋3Rc+250KVRc－岩石单轴饱和抗压强度，MPa；KV－岩体完整性指数＝（岩体弹性纵波速度/岩石弹性横波速度）26.《工程岩体分级标准》针对各类工程岩体特点，考虑其他环境条件下影响，对前阶段已获取的BQ值进行修正，获得岩体基本质量指标修正值－[BQ]值，并据此进行各类工程岩体之详细分级。[BQ]＝BQ－100×（K1+K2+K3）K1－地下水影响修正系数；K2－主要软弱结构面产状影响修正系数；K3－初始应力状态影响修正系数。岩体基本质量级别岩体基本质量的定性特征岩体基本质量指标BQ值或[BQ]值I坚硬岩：岩体完整＞550II坚硬岩，岩体较完整较坚硬岩，岩体完整550～451III坚硬岩，岩体较破碎较坚硬岩或软硬岩互层，岩体较完整较软岩，岩体完整450～351Ⅳ坚硬岩，岩体破碎较坚硬岩，岩体较破碎～破碎较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整～较破碎软岩，岩体完整至较完整350～251Ⅴ较软岩，岩体破碎软岩，岩体较破碎～破碎全部极软岩及全部极破碎岩＜250《工程岩体分级标准》将岩体分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ等五级，并针对不同跨度地下工程，概述各级岩体稳定能力。本章思考题1．岩石、岩块、岩体的区别与联系。2．表示岩石物理性质的主要指标有哪些？各对岩体力学性质的有