巖石的性質(zhì)及工程分級(jí)

1、北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院第第1 1章章 巖石的性質(zhì)及工程分級(jí)巖石的性質(zhì)及工程分級(jí)講述內(nèi)容第一節(jié)概 述第二節(jié) 巖石的物理性質(zhì)第三節(jié)巖石的力學(xué)性質(zhì)第四節(jié)巖石的工程分級(jí)第一節(jié)第一節(jié) 概述概述基本概念 1.巖石 2.巖塊 3.巖體 4.表土 5.基巖 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。從地殼中切取出來(lái)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),。地下工程周?chē)^大范圍內(nèi)的自然地質(zhì)體。從煤礦采掘工程角度：包括巖石、地下水、瓦斯。巖體的性質(zhì)復(fù)雜，是我們研究的主要對(duì)象。 建井工作者把覆蓋在地殼

2、上部的第四紀(jì)沉積物成為表土，也稱(chēng)為松散性巖石，如：黃土、流沙、粘土等。表土以下的固結(jié)性巖石稱(chēng)為基巖。第一節(jié) 概述第一節(jié)第一節(jié) 概述概述第一節(jié) 概述第一節(jié)第一節(jié) 概述概述第二節(jié)第二節(jié) 巖石的物理性質(zhì)巖石的物理性質(zhì)一、巖石的相對(duì)密度、密度 二、巖石的孔隙性三、巖石的水理性質(zhì)四、巖石的碎脹性一、巖石的相對(duì)密度、密度 1 1相對(duì)密度相對(duì)密度巖石的相對(duì)密度是指巖石固體實(shí)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(jì)算公式為：式中：d巖石的相對(duì)密度； G絕對(duì)干燥時(shí)體積為VC的巖石質(zhì)量，g； VC巖石固體實(shí)體積，cm3； W水的密度，gcm3。WcVGd第二節(jié)第二節(jié) 巖石的物理性質(zhì)巖石的物理性質(zhì)2.

3、密度 巖石單位體積(包括巖石內(nèi)孔隙體積)的質(zhì)量，稱(chēng)為巖石的密度，亦稱(chēng)質(zhì)量密度。兩種：干密度和濕密度。前者是單位體積巖石絕對(duì)干燥后的質(zhì)量，后者是天然含水或飽水狀態(tài)下的密度。VGcVG1式中：C巖石的干密度，gcm3； 巖石的濕密度，gcm3 G巖石試件烘干后的質(zhì)量，g； G1巖石試件的質(zhì)量(天然含水或飽水) ，g； V巖石試件的體積，cm3。第二節(jié)第二節(jié) 巖石的物理性質(zhì)巖石的物理性質(zhì)3重度(重力密度)單位體積巖石質(zhì)量所受的重力。 =g式中：巖石的重度，Nm3； 巖石密度，kgm3； g重力加速度，9.8ms2。第二節(jié)第二節(jié) 巖石的物理性質(zhì)巖石的物理性質(zhì)二、巖石的孔隙性巖石的孔隙性是指巖石的孔隙和

4、裂隙的發(fā)育程度，它通常用孔隙度n和孔隙比e來(lái)表示?？紫抖仁侵笌r石試件內(nèi)各種裂隙、孔隙的體積總和與試件總體積V之比(常以百分?jǐn)?shù)表示)： 孔隙比是巖石試件內(nèi)各種裂隙、孔隙的體積總和與試件內(nèi)固體礦物顆粒體積Vc之比。%100)1 (111wCwCCCCddVGGVVVVVVn11CWCCCdVVVVVe第二節(jié)第二節(jié) 巖石的物理性質(zhì)巖石的物理性質(zhì)三、巖石的水理性質(zhì)1.巖石吸水率（W）是指巖石試件在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下吸入水的質(zhì)量與試件烘干后質(zhì)量G之比值。GgW 影響吸水率的因素：巖石所含孔隙，裂隙的數(shù)量、大小、開(kāi)閉程度及其分布情況有關(guān)；試驗(yàn)條件，試驗(yàn)表明，整體巖石試件的吸水率要比同一巖石的碎塊試樣吸水率小，隨

5、著吸水水時(shí)間的增加，吸水率也會(huì)有所增大。吸水率對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)有影響。 第二節(jié)第二節(jié) 巖石的物理性質(zhì)巖石的物理性質(zhì)第二節(jié)第二節(jié) 巖石的物理性質(zhì)巖石的物理性質(zhì)2巖石的透水性地下水存在于巖石的孔隙和裂隙之中，而且大多數(shù)巖石的孔隙和裂隙是相互貫通的，因而，在一定水壓作用下，地下水可在巖石中滲透，這種巖石能被水透過(guò)的性質(zhì)，稱(chēng)為巖石的透水性。AIQK Q滲水量;A滲透面積；I水力坡度; K-滲透系數(shù)影響因素：地下水壓力、巖體應(yīng)力狀態(tài)、孔隙發(fā)育程度、連通程度等。 第二節(jié)第二節(jié) 巖石的物理性質(zhì)巖石的物理性質(zhì)第二節(jié)第二節(jié) 巖石的物理性質(zhì)巖石的物理性質(zhì)3.巖石的溶蝕性由于水的化學(xué)作用而把巖石中某些組成物質(zhì)帶走的現(xiàn)

6、象稱(chēng)為巖石的溶濕性。導(dǎo)致巖石致密程度降低，孔隙度增大，強(qiáng)度降低,貴州761礦巷道中的鐘乳石、石筍。4巖石的軟化性巖石浸水飽和后強(qiáng)度降低的性質(zhì)，稱(chēng)為軟化性，用軟化系數(shù)(c)表示。c定義為巖石試件的飽和抗壓強(qiáng)度(Rcw)與干抗壓強(qiáng)度(Rc)的比值，即1RcRcwc第二節(jié)第二節(jié) 巖石的物理性質(zhì)巖石的物理性質(zhì)5.巖石的膨脹性和崩解性。膨脹性軟巖浸水后體積增大和響應(yīng)的引起壓力增大的性質(zhì)，用膨脹應(yīng)力和膨脹率來(lái)表示。膨脹應(yīng)力：巖石與水進(jìn)行物理化學(xué)反應(yīng)后，隨時(shí)間變化會(huì)產(chǎn)生體積增大的現(xiàn)象，這時(shí)，使試件體積保持不變所需要的壓力稱(chēng)膨脹應(yīng)力。膨脹率：巖石與水進(jìn)行物理化學(xué)反應(yīng)增大后的體積與原體積的比率。 崩解性軟巖浸水

7、后發(fā)生解體的性質(zhì)。用耐崩解指數(shù)表示：巖石試件在承受干燥和濕潤(rùn)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)后，巖樣對(duì)軟化和崩解表現(xiàn)出來(lái)的抵抗力。用耐崩解儀測(cè)定。第二節(jié)第二節(jié) 巖石的物理性質(zhì)巖石的物理性質(zhì)四、巖石的碎脹性巖石的碎脹性 巖石破碎后因巖塊間空隙增多而總體積增大的性質(zhì)稱(chēng)為碎脹性。碎脹程度的大小可用碎脹系數(shù)表示。VVK1第二節(jié)第二節(jié) 巖石的物理性質(zhì)巖石的物理性質(zhì)第三節(jié)第三節(jié) 巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石的力學(xué)性質(zhì)一、巖石的變形特征二、巖石的強(qiáng)度特征三、巖石的硬度 四、巖石的可鉆性和可爆性一、巖石的變形特征靜載荷下巖石的變形特征（單向壓縮）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 一CD，軟化階

8、段 第三節(jié)第三節(jié) 巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石的力學(xué)性質(zhì)體積應(yīng)變巖石的體積改變量V與原體積 V的比值,也稱(chēng)體積改變率。zyxv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(diǎn)、轉(zhuǎn)折點(diǎn)在附近。巖石在塑性階段體積增大的性質(zhì)稱(chēng)為擴(kuò)容現(xiàn)象,對(duì)于研究巷道變形和圍巖對(duì)支護(hù)造成的壓力等問(wèn)題有重要意義。2cR第三節(jié)第三節(jié) 巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石的力學(xué)性質(zhì)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(chēng)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(chēng)為塑性巖石；過(guò)度狀態(tài)：永久變形或全變形在3%到5%之間。 第三節(jié)第三節(jié) 巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石的力學(xué)性質(zhì)特點(diǎn)：彈性

9、段與單軸壓縮基本相同；巖石表現(xiàn)出明顯的塑性變形；屈服極限，強(qiáng)度峰值、殘余強(qiáng)度與圍壓大小 成正 比；大部分巖石在一定臨界圍壓下出現(xiàn)屈服平臺(tái)，呈塑性流動(dòng)現(xiàn)象；達(dá)到臨界圍壓后，繼續(xù)提高圍壓，不在出現(xiàn)峰值，應(yīng)力應(yīng)變出現(xiàn)單調(diào)增長(zhǎng)趨勢(shì)。 第三節(jié)第三節(jié) 巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石的力學(xué)性質(zhì)（三）動(dòng)壓條件下巖石的變形特征動(dòng)荷載的特點(diǎn)第三節(jié)第三節(jié) 巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石在動(dòng)荷載作用下的變形特征F LL質(zhì)點(diǎn)擾動(dòng)位移，CP質(zhì)點(diǎn)擾動(dòng)的傳播速度（波速），t波的傳播時(shí)間，CPt在t時(shí)間內(nèi)變形范圍。 第三節(jié)第三節(jié) 巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石的力學(xué)性質(zhì)波的反射和投射表面波(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

10、橫波和縱波橫波：介質(zhì)振動(dòng)方向和波的傳播方向垂直，產(chǎn)生剪切變形b；縱波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)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(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓的波，為地震波的主要形式 d第三節(jié)第三節(jié) 巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石的力學(xué)性質(zhì)二、巖石的強(qiáng)度特征1巖石在靜荷載作用下的強(qiáng)度 大多數(shù)情況下，巖石表現(xiàn)為脆性破壞；同種巖石強(qiáng)度并非常數(shù)；不同受力情況下，巖石的極限強(qiáng)度相差懸殊。三向等壓抗壓強(qiáng)度三向不等壓抗壓強(qiáng)度雙向抗壓強(qiáng)度單向抗壓強(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RC、單向抗剪強(qiáng)度、單向抗拉強(qiáng)度Rt之間有下列關(guān)系：38151CtRR15121CR3CtRR 第三節(jié)第三節(jié) 巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石的

11、力學(xué)性質(zhì)第三節(jié)第三節(jié) 巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石的力學(xué)性質(zhì)三、巖石的硬度巖石的硬度是巖石抵抗其他較硬物體侵入的能力。硬度與強(qiáng)度又有區(qū)別。 1靜壓入硬度巖石的硬度是巖石抵抗其他較硬物體侵入的能力。 2回彈高度以重物落于巖石表面后的回彈高度來(lái)表示。巖石越硬，回彈高度越大。常用肖氏硬度計(jì)和施米特錘來(lái)測(cè)定。施米特錘用來(lái)測(cè)定混凝土硬度，我國(guó)生產(chǎn)的施米特錘叫回彈儀。 第三節(jié)第三節(jié) 巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石的力學(xué)性質(zhì)四、巖石的可鉆性和可爆性 1鑿碎比功：即破碎單位體積巖石所作的功現(xiàn)以a表示,單位為J厘米3。2釬刃磨鈍寬：即巖石的磨蝕性，量出釬刃兩端向內(nèi)4處的磨鈍寬度，以b表示，單位為。目前，使用便攜式巖石鑿測(cè)器，測(cè)定巖石

12、的鑿碎比能和鑿480次后釬刃磨鈍的寬度 第三節(jié)第三節(jié) 巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石的力學(xué)性質(zhì)第四節(jié)巖石的工程分級(jí)第四節(jié)巖石的工程分級(jí)一、巖石工程分級(jí)的必要性二、分級(jí)方法一、巖石工程分級(jí)的必要性按成因不同，將巖石分為巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖三類(lèi)，對(duì)于采掘工程來(lái)說(shuō)，又要求要求對(duì)巖石進(jìn)行定量的區(qū)分，以便能正確地進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，合理地選用施工方法、施工設(shè)備、機(jī)具與器材，準(zhǔn)確地制定生產(chǎn)定額和材抖消耗定額等。因此，提出了巖石工程分級(jí)與巖體工程分類(lèi)問(wèn)題。第四節(jié)巖石的工程分級(jí)第四節(jié)巖石的工程分級(jí)二、分級(jí)方法1普氏分級(jí)法用一個(gè)綜合性的指標(biāo)堅(jiān)固性系數(shù)f，來(lái)表示巖石破壞的相對(duì)難易程度，通常稱(chēng)f為普氏巖石堅(jiān)固性系數(shù)。 10CRf 巖石單向抗壓強(qiáng)度，MPa；10單位為MPa；普氏分級(jí)的優(yōu)點(diǎn)：普氏巖石分級(jí)法簡(jiǎn)明，便于使用，因而多年來(lái)在蘇聯(lián)及一些東歐國(guó)家獲得廣泛應(yīng)用。缺點(diǎn)：它沒(méi)有反映巖體的特征。關(guān)于巖石堅(jiān)固性正各方面表現(xiàn)趨于一致的觀點(diǎn)，對(duì)少數(shù)巖石也不適用，如粘土就鉆眼容易，而爆破困堆。第四節(jié)巖石的工程分級(jí)第四節(jié)巖石的工程分級(jí)根據(jù)f的大小將巖石分為10級(jí)15種第四節(jié)巖石的