第一章岩石性质与工程分级1课件.ppt

1、第一章第一章 岩石的性质及工程分岩石的性质及工程分级级 井巷工程的最基本工作就是破岩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。岩石的力学性质与围岩分级。岩体岩体（Rock Mass）：指岩石工程周围较大范

2、围内的自然指岩石工程周围较大范围内的自然地质体地质体 岩体岩体=岩块（岩石材料）岩块（岩石材料）+弱面（层理、节理、断层）弱面（层理、节理、断层）第一节第一节 岩块、岩体和岩石岩块、岩体和岩石1.岩块、岩体和岩石岩块、岩体和岩石 岩块岩块（Rock）：从地壳岩层中切取出来的小块体，通常是指：从地壳岩层中切取出来的小块体，通常是指岩石材料岩石材料（Rock Materials）。岩石：不分岩块与岩体时的泛称岩石：不分岩块与岩体时的泛称。Rock mass=Rock material+Rock discontinuities岩块（岩块（Rock）性质：）性质：强度：抗压强度、抗拉强度、剪切强度等；

3、强度：抗压强度、抗拉强度、剪切强度等；变形：弹性模量、泊松比；变形：弹性模量、泊松比；矿物：矿物成分、颗粒大小、结构等；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。物理性质：密度、水理性、孔隙性等。弱面弱面(Discontinuities)性质性质弱面包括层理、节理、断层等。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

4、坏是沿着已存在的弱面发生的；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。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岩体和一般建筑材料的比较常用建筑材料的特性常用建筑材料的特性连续的连续的 Continuous均质的均质的 Homogeneous各向同性的各向同性的 Isotropic线弹性的线弹性的 Lineraly ElasticC.H.I.L.E.岩体的特性岩体的特性(具有尺度效应具有尺度效应)不连续的不连续的 Discontinuous非均质的非均质的 Inhomogeneous各向异性的各向异性的 Anisotropic非线

5、弹性的非线弹性的 Non-Lineraly ElasticD.I.A.N.E.第二节第二节 岩石物理性质岩石物理性质 一一.岩石的比重与密度岩石的比重与密度 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。一般地，岩石容重越大，其力学性质越好。VGVGc1 G-干燥岩石质量，干燥岩石质量，VC-实体岩石体积实体岩石体积 WWV 水的密度水的密度wcVGd C C岩石干密度，岩石干密度，岩石湿密度，岩石湿密度，G G1 1岩石试件质量，岩石试件质量，V V岩石试件体积岩石试件体积 二二.岩石的孔隙性岩石的孔隙性-密度与强度降低，风化速度加快密度与强度降

6、低，风化速度加快 1.孔隙度（率）n 2.孔隙比e 影响强度及风化速度影响强度及风化速度%1001wccdVVVn1cwccdVVVe 1.1.吸水率吸水率 2.2.透水性透水性 (Darcy(Darcy定律定律)qx沿沿x方向的流量；方向的流量；h水头的高度；水头的高度；A垂直于垂直于x方向的截面面积；方向的截面面积；k渗透系数。（渗透系数。（水库、地热、储存等水库、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 三三.岩石的水理性质岩石的水理性质-孔隙量、大小、开闭及分布孔隙量、大小、开闭及分布尺度、浸水时间尺度、浸水时间地下水水头、应力场地下水水头、应力场3.3.

7、软化性软化性 Rcw水饱和岩石的单向抗压强度；水饱和岩石的单向抗压强度；Rc干燥岩石的单向抗压干燥岩石的单向抗压强度；强度；4.4.膨胀性和崩解性膨胀性和崩解性1ccwcRR强度越大，软化系数越大强度越大，软化系数越大膨胀压力膨胀压力治水治水 四四.岩石的碎胀性岩石的碎胀性-选用装载、运输、提升等设备选用装载、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 k1.051.21.21.251.31.51.52.5 1.2坚硬程度、块度大小、堆积排列情况坚硬程度、块度大小、堆积排列情况第三节第三节 岩石岩石力学力学性质性质 Strength,Defo

8、rmation and Failure of Rock Material 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介于2.03.02.03.0之间，试件的直径最好不要超过之间，试件的直径最好不要超过50mm50mm。试件的直径。试件的直径应该至少是岩石最大颗粒直径的应该至少是岩石最大颗粒直径的2020倍。倍。1.1.岩石的单轴压缩全应力岩石的单轴压缩全应力应变曲线应变曲线 单轴压缩试验设备单轴压缩试验设备静载岩石的变形特征静载岩石的变形特征 （1）O-A段段：裂隙裂隙压密闭合阶段，压密闭合阶段，（2）A-B段段：线弹性

9、阶：线弹性阶段，段，B点点-屈服点屈服点 （3）B-C段段：破裂发展阶：破裂发展阶段，段，C点点-极限抗压强度极限抗压强度（4）C-D段段、:软化阶段，软化阶段，为巷道支护作用阶段为巷道支护作用阶段35.015.0125.0弹模值：弹模值：E=2050GPaE=2050GPa，为软钢弹模（，为软钢弹模（206GPa206GPa）的）的1024%1024%；泊松比：泊松比：，理想塑性材料，理想塑性材料 2.2.岩石在三轴压缩条件下的力学性质岩石在三轴压缩条件下的力学性质 首先，破坏前岩石的首先，破坏前岩石的应变随围压增大而增加应变随围压增大而增加；另外，随围压增大，；另外，随围压增大，岩石的岩石

10、的塑性也不断增大塑性也不断增大，且由脆性逐渐转化为延性。围压增加时，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。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。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：从图分析围压对岩石变形影响，得出如下结论：随着围压的增大，岩石的抗压强度显著增加；随着围压的增大，岩石的抗压强度显著增加；随着围压的增大，岩石的变形显著增大；随着围压的增大，岩石的变形显著增大；随着围压的增大，岩石的弹性极限显著增大；随着围压的增大，岩石的弹性极限显著增大；随着

11、围压的增大，岩石的应力一应变曲线形态发生明显改变，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岩石的性质发生了变化：由弹脆性一弹塑性一应变硬化3.3.岩石的强度（岩石的强度（P10）研究岩石的强度的意义研究岩石的强度的意义 岩石的强度是各种岩石分类（级）中的重要数量指标。岩石的强度是各种岩石分类（级）中的重要数量指标。作为强度作为强度(安全安全)准则，判别所计算或测定的岩土工程是否稳定准则，判别所计算或测定的岩土工程是否稳定.在简单的工程条件下，可作为极限平衡条件（塑性条件），求解弹塑性问题在简单的工程条件下，可作为极限平衡条件（塑性条

12、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。的塑性区范围、弹性区和塑性区应力与应变。岩石的强度特征岩石的强度特征 多数情况下，岩石表现为脆性破坏（小于多数情况下，岩石表现为脆性破坏（小于3 3的应变）；的应变）；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。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。在不同的应力状态下，岩石的各种强度极限不同，相差悬殊在不同的应力状态下，岩石的各种强度极限不同，相差悬殊

13、 从荷载性质看：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单向抗剪强度单向抗弯强度单向抗拉强度（单向抗压强度（单向抗压强度1010倍单向抗拉强度）倍单向抗拉强度）。从应力状态看：从应力状态看：三向抗压强度双向抗压强度单向抗压强度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）工程中岩石动力学问题的提出（工程背景）（1 1）高烈度地震区，山岩边坡、坝基、地下洞室口部，以及岩）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。基上建（构）筑物的抗震。（2 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）战时

14、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。动力响应。（3 3）石方、掘进）石方、掘进工程中的爆破设计与施工工程中的爆破设计与施工。（4 4）高地应力条件下，脆高地应力条件下，脆/硬弹性岩体突发岩爆、某些矿山井巷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深部冲击地压等地运动研究与工程处理。（5 5）岩基基础，承受动力机器振动。）岩基基础，承受动力机器振动。（6 6）结构隔震与减震。）结构隔震与减震。4.4.岩石的动力学性质岩石的动力学性质动载作用下岩石强度与加载速度有关：动载作用下岩石强度与加载速度有关：jdKlgdtd （1）岩石由弹塑性、塑性向脆性转变；

15、）岩石由弹塑性、塑性向脆性转变；（2）岩石的弹性模量增大；）岩石的弹性模量增大；（3）岩石的强度提高。）岩石的强度提高。5、岩石的硬度、岩石的硬度 静压入硬度静压入硬度-压入法，回弹硬度压入法，回弹硬度-物落法物落法6、岩石的可钻性、岩石的可钻性（钻头进尺、每米炮眼磨钝钻头数）（钻头进尺、每米炮眼磨钝钻头数）岩石可爆性岩石可爆性（单位体积岩石炸药消耗量）（单位体积岩石炸药消耗量）第四节第四节 岩体工程分类岩体工程分类 分级目的：分级目的：评价围岩的稳定性、确定支护方案和支护参数，选评价围岩的稳定性、确定支护方案和支护参数，选择施工方法、进行施工预算。择施工方法、进行施工预算。遵循的主要原则遵循

16、的主要原则 （1 1）分类形式要简单，含义要明确。）分类形式要简单，含义要明确。（2 2）分类应具科学意义和实用价值。）分类应具科学意义和实用价值。（3 3）分类指标不易过多并应容易获得。指标过多，必须增加研）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。究工作量，不便推广和应用。（4 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）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。要因素。（5 5）分类方案应体现超前预报性，即在巷道设计、施工之前，）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

17、类型岩体的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。被勘探部门所接受。分类指标：分类指标：（1）岩石强度）岩石强度 各力学指标之间有着内在的联系，因此可确定岩石各力学指标之间有着内在的联系，因此可确定岩石的的单轴抗压强度单轴抗压强度为岩体稳定性评价的重要指标。为岩体稳定性评价的重要指标。（2）结构面）结构面 结构面的研究应包括结构面的研究应包括组数、密度、产状、延展性、结组数、密度、产状、延展性、结构面内物质成分构面内物质成分等。对于地表裸露的岩

18、体来说，上述的研究是能够等。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。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）水对岩体的影响 水对岩体稳定性有着重要的影响。岩体遇水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。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）原岩地应力状态 对岩体稳定性影响最大的是最大主应力。在对岩体稳定性影响最大的是最大主应力

19、。在缺乏地应力资料时，可选用缺乏地应力资料时，可选用H值。值。普罗托奇亚可夫于普罗托奇亚可夫于19261926年提出：年提出：共划分为共划分为1010级级1515种种并提出了并提出了以以 f 计算围岩压力的公式。形成了为坑道施工、设计服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19541954年至年至19721972年这一阶段，我国铁道、水电、冶金、煤炭、机械年这一阶段，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。、建工、军工等部门都采用了普氏分类。存在

20、问题：存在问题：这一分类主要考虑的是岩石强度（单轴抗压强度），这一分类主要考虑的是岩石强度（单轴抗压强度），对岩体的对岩体的完整性、岩体结构特征完整性、岩体结构特征等对围岩稳定有决定影响的因素，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。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.普氏系数分类法普氏系数分类法 P1310cf根据根据 f 值的大小，将岩石分为值的大小，将岩石分为10级共级共15种。我国煤炭系统按岩石种。我国煤炭系统按岩石坚固性将煤岩分类为：坚固性将煤岩分类为：软煤：软煤：f 11.5硬煤：硬煤：f 23软岩：软岩：f 23中

21、硬岩：中硬岩：f 46硬岩：硬岩：f 810坚硬岩石：坚硬岩石：f 1214最坚硬岩石：最坚硬岩石：f 1520美国伊利诺斯大学狄勒（美国伊利诺斯大学狄勒（DeereDeere）在）在19641964年形年形成该标准，但直到成该标准，但直到19671967年才以出版的形式首次年才以出版的形式首次提出该概念。提出该概念。RQDRQD是一修正的岩芯取出率，仅是一修正的岩芯取出率，仅考虑长度大于考虑长度大于100mm100mm的完整岩芯。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、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

22、的充分描述，但该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，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。被发现非常有用。尽管尽管RQD是一简易的花费不多的标准，但由于它是一简易的花费不多的标准，但由于它并不考虑不连续并不考虑不连续面的刚度、方向、连续性及充填材料的影响，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因而不能单独提供对岩体的充分描述。岩体的充分描述。今天，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

23、系统的基本元素：体分类系统的基本元素：RMR系统和系统和Q系统。系统。RQD（%）2525505075759090100岩石质量很差差一般好优秀 （1 1）概念）概念 开巷后：（开巷后：（1 1）巷道周边应力集中；（）巷道周边应力集中；（2 2）围岩强度降低）围岩强度降低(三向应三向应力状态力状态两向应力状态）（两向应力状态）（3 3）开挖扰动等）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）；限平衡，小于则稳定）；3.围岩松动圈分类法（中国矿大围岩松动圈分类法（中国矿大董房庭董房庭教授提出）教授提出

24、）（2 2）理论分析）理论分析（3 3）松动圈声测方法及原理）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，同种岩石则随破裂程度的增加，声速降低同种岩石则随破裂程度的增加，声速降低。（4 4）围岩松动圈分类）围岩松动圈分类围岩松动圈分类有围岩松动圈分类有三个突出优点三个突出优点：（1 1）绕过了地应力、围岩强度、结构面性质测定等困难问题，）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；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 2

25、）松动圈系实测所得，未在重要方面作任何假设；）松动圈系实测所得，未在重要方面作任何假设；（3 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）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。单，现场应用十分方便。4.按围岩变形量分类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：道围岩分为五类：巷道维护状况巷道维护状况围岩平均变形速度，围岩平均变形速度，mm/d围岩变形量，围岩变形量，mm容易容易中等中等困难困难极难极难112244200200500500100010

26、00 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分类围岩的理论及方法 5.按施工需要分类按施工需要分类 19881988年，煤炭工业部根据全国年，煤炭工业部根据全国5858条试验巷道的地质特征、井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：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国家技术监督局与建设部于19951995年联合发布年联合发布工程岩体分级标工程岩体分级标准准，适用于各类型岩石工程，计涵盖，适用于各类型岩石工程，计涵盖103103个岩石工程案例个岩石工程案例。该分

27、。该分级标准主要以级标准主要以“岩体基本质量岩体基本质量”代表岩体品质，并据此进行岩体优代表岩体品质，并据此进行岩体优劣分级。劣分级。主要考量主要考量岩石坚硬程度与完整程度两个基本因素岩石坚硬程度与完整程度两个基本因素，进行岩体基本，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质量定性特征分级描述，以及岩体基本质量指标BQBQ值的计算，值的计算，依此做为岩体初步分级基准。依此做为岩体初步分级基准。BQBQ90903R3Rc c+250K+250KV VR Rc c岩石单轴饱和抗压强度，岩石单轴饱和抗压强度，MPaMPa；K KV V岩体完整性指数（岩体弹性纵波速度岩体完整性指数（岩体

28、弹性纵波速度/岩石弹性横波速度）岩石弹性横波速度）2 26.工程岩体分级标准工程岩体分级标准 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，对前阶段已获取的获取的BQBQ值进行修正，获得岩体基本质量指标修正值值进行修正，获得岩体基本质量指标修正值BQBQ值，值，并据此进行各类工程岩体之详细分级。并据此进行各类工程岩体之详细分级。BQBQBQ BQ 100 100（K K1 1+K+K2 2+K+K3 3）K K1 1地下水影响修正系数；地下水影响修正系数；K K2 2主要软弱结构面产状影响修正系数；主要软弱结构面产状影响修正系数；K K3

29、 3初始应力状态影响修正系数。初始应力状态影响修正系数。岩体基本岩体基本质量级别质量级别岩体基本质量的定性特征岩体基本质量的定性特征岩体基本质量指标岩体基本质量指标BQ值或值或BQ值值I坚硬岩：岩体完整坚硬岩：岩体完整550II II坚硬岩，岩体较完整坚硬岩，岩体较完整较坚硬岩，岩体完整较坚硬岩，岩体完整550451III III坚硬岩，岩体较破碎坚硬岩，岩体较破碎较坚硬岩或软硬岩互层，岩体较完整较坚硬岩或软硬岩互层，岩体较完整较软岩，岩体完整较软岩，岩体完整450351坚硬岩，岩体破碎较坚硬岩，岩体较破碎破碎坚硬岩，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，岩体较完较

30、软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整较破碎软岩，岩体完整至较完整整较破碎软岩，岩体完整至较完整350251较软岩，岩体破碎较软岩，岩体破碎软岩，岩体较破碎破碎软岩，岩体较破碎破碎全部极软岩及全部极破碎岩全部极软岩及全部极破碎岩250 工程岩体分级标准工程岩体分级标准将岩体分为将岩体分为、等五级，等五级，并针对不同跨度地下工程，概述各级岩体稳定能力。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。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什么影响？什么影响？3什么是岩石的全应力应变曲线？简述岩石在单轴压缩条件下什么是岩石的全应力应变曲线？简述岩石在单轴压缩条件下的变形特征？的变形特征？4在三轴压缩条件下，岩石的力学性质会发生哪些变化？在三轴压缩条件下，岩石的力学性质会发生哪些变化？4简述岩石的强度特征。简述岩石的强度特征。5如何得到岩石的坚固性系数如何得到岩石的坚固性系数f？什么是？什么是RQD分级法？分级法？6根据围岩松动圈的大小，围岩可划分为几类？这种分级法有何根据围岩松动圈的大小，围岩可划分为几类？这种分级法有何优点？优点？