第一章巖石的性質(zhì)及其工程分級

1、井巷工程井巷工程1 1 巖石性質(zhì)與工程分級巖石性質(zhì)與工程分級引引 子子 井巷施工最基本的工作井巷施工最基本的工作 破巖與井巷維護(hù)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)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(qiáng)度？如何在開挖和支護(hù)中利用巖石的強(qiáng)度？ 為什么要對巖石進(jìn)行工程分級為什么要對巖石進(jìn)行工程分級? ?1.11.1 概述概述1.2 1.2 巖石的物理性質(zhì)巖石的物理性質(zhì)1.31.3 巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石的力學(xué)性質(zhì)1.41.4巖石的工程分級巖石的工程分級 習(xí)題習(xí)題1.1 1.1 概述概述（1 1）巖石）巖石 組成地殼的基本物質(zhì)，由一種或多種礦物或巖屑在

2、地組成地殼的基本物質(zhì)，由一種或多種礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按一定規(guī)律而形成的質(zhì)作用下按一定規(guī)律而形成的自然地質(zhì)體自然地質(zhì)體，包括巖漿巖、，包括巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖。沉積巖、變質(zhì)巖。 巖石的性質(zhì)：與其礦物組成、結(jié)構(gòu)有關(guān)。巖石的性質(zhì)：與其礦物組成、結(jié)構(gòu)有關(guān)。（2 2）巖體）巖體 地下工程周圍較大范圍內(nèi)的自然地質(zhì)體。地下工程周圍較大范圍內(nèi)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。特點：非均質(zhì)、各向異性、不連續(xù)、賦存地質(zhì)因子。（3 3）巖塊）巖塊 從地殼中切取出來的小塊體，不包含軟弱面（巖體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)

3、為中的地質(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)。各向同性的連續(xù)介質(zhì)。1.11.1概述概述（4 4）弱面）弱面 層理、節(jié)理、斷面及裂隙面與所研究巖體的巖塊比較層理、節(jié)理、斷面及裂隙面與所研究巖體的巖塊比較, ,具有強(qiáng)度低、易變形的特點具有強(qiáng)度低、易變形的特點, ,稱為弱面。稱為弱面。 巖體與巖塊的差異巖體與巖塊的差異： 巖體的強(qiáng)度小，巖塊的強(qiáng)度大；巖體的強(qiáng)度小，巖塊的強(qiáng)度大； 巖塊的各向同性與巖體的各向異性。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。巖石是不分巖塊和巖體的泛稱。（5 5）圍巖）圍巖 井巷附近受到擾動的巖體。井巷附近受到擾動的巖體。巖塊巖

4、塊巖體巖體張裂張裂剪裂剪裂1.1 1.1 概述概述（6 6）表土）表土 覆蓋在地殼上部的第三紀(jì)、第四紀(jì)沉積物覆蓋在地殼上部的第三紀(jì)、第四紀(jì)沉積物, ,如黃土、如黃土、粘土、流砂、淤泥、礫石的統(tǒng)稱。粘土、流砂、淤泥、礫石的統(tǒng)稱。（7 7）基巖）基巖 表土以下的固結(jié)性巖石統(tǒng)稱為基巖。表土以下的固結(jié)性巖石統(tǒng)稱為基巖。（8 8）煤系地層）煤系地層 煤層周圍一定范圍內(nèi)的地層。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。多為沉積巖，如砂巖、灰?guī)r、頁巖、泥巖等。1.2 1.2 巖石的物理性質(zhì)巖石的物理性質(zhì) 1.2.1 1.2.1 巖石的相對密度和密度巖石的相對密度和密度 1.2.2

5、1.2.2 巖石的孔隙性巖石的孔隙性 1.2.3 1.2.3 巖石的水理性巖石的水理性 1.2.4 1.2.4 巖石的碎脹性巖石的碎脹性 三相圖三相圖 巖石是顆粒、水和空氣三者所組成的巖石是顆粒、水和空氣三者所組成的。巖石的物理性質(zhì)就是巖石的三相巖石的物理性質(zhì)就是巖石的三相的質(zhì)量與體積的相互比例關(guān)系的質(zhì)量與體積的相互比例關(guān)系以及以及固、液兩相相互作用表現(xiàn)出來的各種性質(zhì)固、液兩相相互作用表現(xiàn)出來的各種性質(zhì)。反映巖石的三相在數(shù)量上的相對比例關(guān)系的物理量稱為巖石的三相比例指標(biāo)。反映巖石的三相在數(shù)量上的相對比例關(guān)系的物理量稱為巖石的三相比例指標(biāo)。巖石的三相比例指標(biāo)是物理性質(zhì)的反映，但與其力學(xué)性質(zhì)有內(nèi)在

6、聯(lián)系。巖石的三相比例指標(biāo)是物理性質(zhì)的反映，但與其力學(xué)性質(zhì)有內(nèi)在聯(lián)系。 1 1）相對密度）相對密度( (曾稱比重曾稱比重) ) 巖石的相對密度是指巖石巖石的相對密度是指巖石固體實體積固體實體積( (不包括孔隙體積不包括孔隙體積) )的質(zhì)量與同的質(zhì)量與同體積水的質(zhì)量的比值。體積水的質(zhì)量的比值。 計算公式為：計算公式為： 式中：式中： d d 巖石的相對密度巖石的相對密度( (無量綱量無量綱量);); G G絕對干燥時體積為絕對干燥時體積為V VC C的巖石質(zhì)量，的巖石質(zhì)量，g g； V VC C巖石固體實體積巖石固體實體積( (不包括孔隙體積不包括孔隙體積) ) ，cmcm3 3； W W水的密度

7、，水的密度，g gcmcm3 3。1.2.1 1.2.1 巖石的相對密度和密度巖石的相對密度和密度WcVGd 2 2）密度）密度巖石巖石單位體積單位體積包括巖石內(nèi)孔隙體積在內(nèi)包括巖石內(nèi)孔隙體積在內(nèi)的質(zhì)量的質(zhì)量 ，又稱質(zhì)量密度，又稱質(zhì)量密度，具有干密度與濕密度之分。，具有干密度與濕密度之分。a a 干密度：干密度： 是單位體積巖石絕對干燥后的質(zhì)量。是單位體積巖石絕對干燥后的質(zhì)量。b b 濕密度：濕密度： 是天然含水或飽和水狀態(tài)下的密度。是天然含水或飽和水狀態(tài)下的密度。 3 3）重度（容重）重度（容重） ： 指指單位體積巖石所受的重力單位體積巖石所受的重力，又稱重力密度。，又稱重力密度。= g=

8、g VGcVG11.2.1 1.2.1 巖石的相對密度和密度巖石的相對密度和密度N/m3單位單位1.2.2 1.2.2 巖石的孔隙性巖石的孔隙性 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，常用孔隙度是指巖石的孔隙和裂隙的發(fā)育程度，常用孔隙度（率）（率）n n和孔隙比和孔隙比e e來表示。來表示。 1 1）孔隙度）孔隙度n 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。比。 2 2）孔隙比）孔隙比e 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。物體積之比。

9、%100)1 (111wCwCccCddVGGVVVVVVn11CWCCCdVVVVVe1.2.2 1.2.2 巖石的孔隙性巖石的孔隙性3 3）孔隙度）孔隙度n n和孔隙比和孔隙比e e的關(guān)系的關(guān)系een1nne14 4）孔隙性的作用）孔隙性的作用 對巖石其它性質(zhì)有顯著影響，如：對巖石其它性質(zhì)有顯著影響，如： 密度和強(qiáng)度；風(fēng)化程度，透水性，力學(xué)強(qiáng)度等密度和強(qiáng)度；風(fēng)化程度，透水性，力學(xué)強(qiáng)度等。1.2.3 1.2.3 巖石的水理性質(zhì)巖石的水理性質(zhì) 吸水、透水、軟化、溶蝕、膨脹、崩解吸水、透水、軟化、溶蝕、膨脹、崩解。1 1）巖石的吸水率）巖石的吸水率w w： 巖石試件在大氣壓力下吸入水的質(zhì)量巖石試

10、件在大氣壓力下吸入水的質(zhì)量g g與試件與試件烘干質(zhì)量烘干質(zhì)量G G之比。之比。 * *表表1-11-1列出一些巖石的比重、密度、孔隙比和列出一些巖石的比重、密度、孔隙比和吸水率等指標(biāo)吸水率等指標(biāo)Ggw 表表 11 某些巖石的比重、密度、孔隙比、以及吸水率標(biāo)準(zhǔn)某些巖石的比重、密度、孔隙比、以及吸水率標(biāo)準(zhǔn) 巖石名稱巖石名稱 比重比重 密度密度,g/cm3孔隙比孔隙比e, %吸水率吸水率w,% 巖巖 漿漿 巖巖 花崗巖2.502.842.302.800.040.920.100.92閃長巖2.603.102.522.960.253.000.300.48輝綠巖2.603.102.532.970.406.

11、380.225.0安山巖2.402.802.302.701.092.190.29玄武巖2.603.302.503.100.353.000.312.69凝灰?guī)r2.562.762.292.501.504.900.127.45 沉沉 積積 巖巖礫巖2.672.712.422.660.349.300.205.00砂巖2.602.752.202.711.602.830.2012.19頁巖2.572.772.302.621.462.591.803.10石灰?guī)r2.482.852.302.770.532.000.104.45 變變 質(zhì)質(zhì) 巖巖片麻巖2.633.012.303.050.704.200.103.1

12、5片巖2.753.022.692.920.702.920.080.55石英巖2.532.842.402.800.500.800.101.46大理巖2.802.852.602.700.221.300.100.801.2.3 1.2.3 巖石的水理性質(zhì)巖石的水理性質(zhì)2 2）巖石的軟化性）巖石的軟化性 巖石浸水飽和后強(qiáng)度降低的性質(zhì)，稱為軟化性，用軟化巖石浸水飽和后強(qiáng)度降低的性質(zhì)，稱為軟化性，用軟化系數(shù)系數(shù)k k表示。表示。k k定義為水飽和巖石試件的單向抗壓強(qiáng)度定義為水飽和巖石試件的單向抗壓強(qiáng)度(R(Rb b) )與干燥試件與干燥試件的單向抗壓強(qiáng)度的單向抗壓強(qiáng)度(R(Rc c) )的比值，即的比值，

13、即1bRcRk表1.2 （7頁）1.2.4 1.2.4 巖石的碎脹性巖石的碎脹性（1 1）碎脹性）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)。巖石破碎后因孔隙或裂隙增多而總體積增大的性質(zhì)。（2 2）碎脹系數(shù)）碎脹系數(shù)K K 巖石破碎后的總體積巖石破碎后的總體積V V1 1與原巖破碎前整體狀態(tài)下的體積與原巖破碎前整體狀態(tài)下的體積V V之比。之比。表表 12 幾種巖石的碎脹系數(shù)幾種巖石的碎脹系數(shù)巖石名稱巖石名稱砂、礫石砂、礫石砂質(zhì)粘土砂質(zhì)粘土中硬巖石中硬巖石堅硬巖石堅硬巖石脹碎系數(shù)脹碎系數(shù)K1.051.21.21.251.31.51.52.51.2.4 1.2.4 巖石的碎脹性巖石的碎脹

14、性（3 3）影響碎脹系數(shù)大小的因素）影響碎脹系數(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)。巖石的物理性質(zhì)、破碎后的塊度大小及其排列狀態(tài)。（4 4）殘余碎脹系數(shù)）殘余碎脹系數(shù)KK 巖石破碎后經(jīng)過壓實的總體積巖石破碎后經(jīng)過壓實的總體積V V1 1 與原巖破碎前整與原巖破碎前整體狀態(tài)下的體積體狀態(tài)下的體積V V之比。之比。（5 5）碎脹系數(shù)的意義）碎脹系數(shù)的意義 選擇裝巖、運(yùn)輸、提升設(shè)備；爆破空間大?。恢苯禹斶x擇裝巖、運(yùn)輸、提升設(shè)備；爆破空間大??；直接頂垮落后的高度。垮落后的高度。1.2.4 1.2.4 巖石的碎脹性巖石的碎脹性（6 6）巖石的碎脹應(yīng)變（體積應(yīng)變）巖石的碎脹應(yīng)變（體積

15、應(yīng)變） 幾種巖石的體積應(yīng)變數(shù)據(jù)，見表幾種巖石的體積應(yīng)變數(shù)據(jù)，見表1.41.4（第（第8 8頁）頁）VV1Vv1.3 1.3 巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石的力學(xué)性質(zhì) 1.3.1 1.3.1 巖石的變形特征巖石的變形特征 1.3.2 1.3.2 巖石強(qiáng)度理論巖石強(qiáng)度理論 1.3.3 1.3.3 巖石的硬度巖石的硬度 1.3.4 1.3.4 巖石的可鉆性與可爆性巖石的可鉆性與可爆性1.3.1 1.3.1 巖石的變形特征巖石的變形特征 1 1）巖石的彈性和塑性）巖石的彈性和塑性 巖石受力后既可能出現(xiàn)彈性變形，也可能出現(xiàn)塑性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)。變形

16、，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。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(qiáng)。較強(qiáng)。 巖石的變形特性用巖石的彈性模量巖石的變形特性用巖石的彈性模量E E和泊松比和泊松

17、比等等參數(shù)來表示。參數(shù)來表示。表表1-3 1-3 幾種巖石的彈性模量和泊松比幾種巖石的彈性模量和泊松比1.3.1 1.3.1 巖石的變形特征巖石的變形特征 巖石種類巖石種類彈性模量彈性模量 E (MP a) 泊松比泊松比?壓縮壓縮拉伸拉伸平行層理平行層理垂直層理垂直層理平行層理平行層理平行層理平行層理垂直層理垂直層理花崗巖花崗巖6010360103221030.050.250.050.25石灰?guī)r石灰?guī)r26.810329103261030.160.270.190.39砂砂 巖巖37.410339.8103371030.120.140.20砂質(zhì)頁巖砂質(zhì)頁巖36.310324.2103131030.

18、250.18泥質(zhì)頁巖泥質(zhì)頁巖2510315103111030.150.390.10.48粘粘 土土0.3103煤煤(1020)1030.10.50.10.52 2）巖石的脆性和流變性）巖石的脆性和流變性 巖石的脆性是指巖石在破裂前幾乎沒有或僅有很短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。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。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：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流變。許多巖石有流變性，而不同巖石的流變性差異很

19、大。大。 流變性表現(xiàn)在蠕變和松弛兩個方面。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；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)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。而逐漸減少。1.3.1 1.3.1 巖石的變形特征巖石的變形特征靜載荷靜載荷下巖石的變形特征下巖石的變形特征應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線體積應(yīng)變體積應(yīng)變?nèi)N破壞形式三種破壞形式 1.3.1 1.3.1 巖石的變形特征巖石的變形特征動載荷動載荷下巖石的變形特征下巖石的變形特征(4) (4) 三向靜荷載壓縮下的巖石變形特

20、性三向靜荷載壓縮下的巖石變形特性比例極限；屈服限； 屈服平臺；屈服平臺終端； 強(qiáng)度限abbccdb（1 1）應(yīng)力應(yīng)變曲線）應(yīng)力應(yīng)變曲線1.3.1 1.3.1 巖石的變形特征巖石的變形特征 上圖為上圖為頁巖的單軸壓縮全應(yīng)力應(yīng)變曲線頁巖的單軸壓縮全應(yīng)力應(yīng)變曲線和和軟鋼拉伸應(yīng)力應(yīng)變軟鋼拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線的比較曲線的比較。與軟鋼相比，巖石全應(yīng)力應(yīng)變曲線的特點，也就是。與軟鋼相比，巖石全應(yīng)力應(yīng)變曲線的特點，也就是巖塊變形性質(zhì)的特點，有以下幾點：巖塊變形性質(zhì)的特點，有以下幾點： 1 1）達(dá)到應(yīng)力峰值的應(yīng)變量，頁巖只有）達(dá)到應(yīng)力峰值的應(yīng)變量，頁巖只有0.0130.013，而軟鋼達(dá)，而軟鋼達(dá)0.170.17，比

21、頁巖高十幾倍。比頁巖高十幾倍。 2 2）彈性段的斜率（彈模），軟鋼要比巖石高一個量級（）彈性段的斜率（彈模），軟鋼要比巖石高一個量級（1010倍）左右。倍）左右。 3 3）軟鋼有明顯的屈服平臺，單軸壓縮下的巖石沒有屈服平）軟鋼有明顯的屈服平臺，單軸壓縮下的巖石沒有屈服平臺。臺。 4 4）在各自的彈性段，巖石和軟鋼一樣，都可以假設(shè)為線彈）在各自的彈性段，巖石和軟鋼一樣，都可以假設(shè)為線彈性，但在塑性段，軟鋼可以假設(shè)為理想塑性，巖石則只能假設(shè)為性，但在塑性段，軟鋼可以假設(shè)為理想塑性，巖石則只能假設(shè)為線性強(qiáng)化或非線性強(qiáng)化。線性強(qiáng)化或非線性強(qiáng)化。 5 5）巖石以應(yīng)力峰值為界，其左右分別稱為峰前區(qū)和峰后區(qū)

22、；）巖石以應(yīng)力峰值為界，其左右分別稱為峰前區(qū)和峰后區(qū)；軟鋼沒必要區(qū)分。軟鋼沒必要區(qū)分。 6 6）巖石在峰后區(qū)，最終變?yōu)闅堄鄰?qiáng)度階段；該階段應(yīng)力不）巖石在峰后區(qū)，最終變?yōu)闅堄鄰?qiáng)度階段；該階段應(yīng)力不會增加，而變形無限增長。會增加，而變形無限增長。1 1）加載）加載 OAABBCCDDEpp特征區(qū)段應(yīng)力達(dá)0.6應(yīng)力達(dá)0.95斜率漸增不變漸減遞減變號裂隙狀況原始裂隙閉合微量新裂隙產(chǎn)生以上時，新裂隙產(chǎn)生漸多以上時，新裂隙激增并相互貫穿貫穿裂隙繼續(xù)發(fā)展聲發(fā)射微量少量明顯增多急增繼續(xù)變化殘余應(yīng)變無無有有有巖石全應(yīng)力應(yīng)變曲線特征巖石全應(yīng)力應(yīng)變曲線特征1 1）加載）加載 I IOAOA階段階段 裂隙壓密閉合階段

23、；裂隙壓密閉合階段； ABAB階段階段 線彈性階線彈性階段段 ；BCBC段段 破裂發(fā)展階段或稱破裂發(fā)展階段或稱 變形屈服階段；變形屈服階段； 一一CDCD段段 軟化階段軟化階段 2 2）變形四個階段）變形四個階段3 3）卸載）卸載 彈性段卸載，應(yīng)力應(yīng)變一彈性段卸載，應(yīng)力應(yīng)變一般總能回到原點，沒有殘余般總能回到原點，沒有殘余應(yīng)變。但不同的巖石，又分應(yīng)變。但不同的巖石，又分三種情況。三種情況。12B0線彈性線彈性完全彈性或非線性彈性完全彈性或非線性彈性滯彈性滯彈性102B102B(a)(b)(c)1 1）加載）加載4 4）彈模確定）彈模確定0ddEpddEpE（1 1）線彈性巖石的彈模，顯然其線段

24、的斜率。）線彈性巖石的彈模，顯然其線段的斜率。（2 2）非線性彈性的彈模，有三種定義。）非線性彈性的彈模，有三種定義。初始彈模：初始彈模：，即過原點的切線斜率。即過原點的切線斜率。 即過任意點即過任意點P P的切線斜率。的切線斜率。 即任意點即任意點P P的切線斜率。的切線斜率。切線彈模：切線彈模：割線彈模割線彈模：ISRMISRM建議用下列三種定義建議用下列三種定義021S點相應(yīng)的切線模量，即點相應(yīng)的切線模量，即 021SddE021S點相應(yīng)的割線模量，即點相應(yīng)的割線模量，即 021SE彈性范圍內(nèi)近似于直線段的平均斜率。彈性范圍內(nèi)近似于直線段的平均斜率。1 1）加載）加載5 5）塑性段卸載）

25、塑性段卸載1 1）卸載段曲線斜率大體平行于彈性段）卸載段曲線斜率大體平行于彈性段OBOB。2 2）重復(fù)加載時，通常沿另一曲線上升，形成滯環(huán)。）重復(fù)加載時，通常沿另一曲線上升，形成滯環(huán)。3 3）上升曲線不過原卸載點，但在其鄰近并能和原曲線光滑銜接。）上升曲線不過原卸載點，但在其鄰近并能和原曲線光滑銜接。4 4）同一應(yīng)力下，反復(fù)加、卸載，滯環(huán)減小，斜率更近似為平行）同一應(yīng)力下，反復(fù)加、卸載，滯環(huán)減小，斜率更近似為平行OBOB。5 5）卸載后部分變形不可恢復(fù)，產(chǎn)生永久應(yīng)變。）卸載后部分變形不可恢復(fù)，產(chǎn)生永久應(yīng)變。6 6）橫向變形）橫向變形單軸壓縮時， 0101032，但 0203。 1為軸向應(yīng)變，

26、2、 3為橫向應(yīng)變。 巖石為各向同性時， 032，為各向異性時， 032，各向同性巖石的泊松比的定義與材料力學(xué)相同， 12，一般巖石取0.150.35。1 1）加載）加載 巖塊單軸壓縮試驗，始終伴隨有體積變化。總的特點是：在巖塊單軸壓縮試驗，始終伴隨有體積變化。總的特點是：在彈彈性段體積減小，在塑性階段體積膨脹。性段體積減小，在塑性階段體積膨脹。以圓柱體巖石試件為例，它的原體積為：以圓柱體巖石試件為例，它的原體積為：hdV204變形后的體積變形后的體積 )()(42hhddVdd2hh1)1 ()1 (41222hdV體積應(yīng)變體積應(yīng)變 21002VVVVVv（忽略高階）（忽略高階） 一般巖石的

27、一般巖石的 35. 015. 0，即 12)35. 015. 0(， 12)70. 030. 0(2v為負(fù)，故體積減小。為負(fù)，故體積減小。 體積應(yīng)變體積應(yīng)變1 1）加載）加載 巖石在塑性段的體積變化，很難從理論上研究。試驗證明，巖石在巖石在塑性段的體積變化，很難從理論上研究。試驗證明，巖石在塑性段，總的是體積膨脹。但因為在彈性段體積減小，故在塑性段，塑性段，總的是體積膨脹。但因為在彈性段體積減小，故在塑性段，試件先是恢復(fù)至原體積，即，而后超過原體積，相對于試件原體積而試件先是恢復(fù)至原體積，即，而后超過原體積，相對于試件原體積而言，體積由減小到增加的轉(zhuǎn)折點，約在言，體積由減小到增加的轉(zhuǎn)折點，約在

28、 。續(xù)續(xù). .021S 巖石在塑性段體積膨脹，稱為巖石在塑性段體積膨脹，稱為擴(kuò)容或剪脹現(xiàn)象擴(kuò)容或剪脹現(xiàn)象，該現(xiàn)象主要是，該現(xiàn)象主要是裂隙發(fā)展和張開造成的，并且擴(kuò)容或剪脹是巖土等脆性材料特有的裂隙發(fā)展和張開造成的，并且擴(kuò)容或剪脹是巖土等脆性材料特有的現(xiàn)象現(xiàn)象 。 在研究巷道變形和圍巖對支護(hù)造成的壓力等問題時，應(yīng)考慮到巖在研究巷道變形和圍巖對支護(hù)造成的壓力等問題時，應(yīng)考慮到巖石在塑性階段的這一特性。石在塑性階段的這一特性。 例如，當(dāng)用多點位移計實測粘土質(zhì)巖石底板變形時，如果不論例如，當(dāng)用多點位移計實測粘土質(zhì)巖石底板變形時，如果不論距離巷道遠(yuǎn)近的兩測點間的相對應(yīng)變皆相等，說明底板巖石僅有彈性距離巷道

29、遠(yuǎn)近的兩測點間的相對應(yīng)變皆相等，說明底板巖石僅有彈性變形?；蛴杏捎谡惩廖a(chǎn)生的均勻膨脹變形。但實際經(jīng)常發(fā)現(xiàn)靠變形?；蛴杏捎谡惩廖a(chǎn)生的均勻膨脹變形。但實際經(jīng)常發(fā)現(xiàn)靠近巷道兩測點間的相對應(yīng)變，大于較遠(yuǎn)的兩測點間的相對應(yīng)變，這就近巷道兩測點間的相對應(yīng)變，大于較遠(yuǎn)的兩測點間的相對應(yīng)變，這就說明鄰近巷道的一定范圍內(nèi)的巖體由于破裂而引起的擴(kuò)容現(xiàn)象。粘土說明鄰近巷道的一定范圍內(nèi)的巖體由于破裂而引起的擴(kuò)容現(xiàn)象。粘土巖的剪脹系數(shù)為巖的剪脹系數(shù)為1.021.101.021.10。1 1）加載）加載 種破壞形式種破壞形式 脆性破壞脆性破壞 永久變形或全變形小于永久變形或全變形小于5%5%者為脆性破壞。具有

30、這種特性者為脆性破壞。具有這種特性的巖石稱為脆性巖石；的巖石稱為脆性巖石； 塑性破壞塑性破壞 永久變形或全變形大于永久變形或全變形大于5%5%者塑性破壞。具有這種特性的者塑性破壞。具有這種特性的巖石稱為塑性巖石；巖石稱為塑性巖石；(4) (4) 三向靜荷載壓縮下的巖石變形特性三向靜荷載壓縮下的巖石變形特性 巖石破壞前的應(yīng)變隨著圍巖石破壞前的應(yīng)變隨著圍壓的增大而增加。壓的增大而增加。 隨著圍壓的增大，巖石逐隨著圍壓的增大，巖石逐漸由脆性巖石轉(zhuǎn)化為塑性漸由脆性巖石轉(zhuǎn)化為塑性巖石。巖石。 圍壓增大到圍壓增大到165MPa165MPa時，則時，則巖石屈服后的應(yīng)力差值隨巖石屈服后的應(yīng)力差值隨應(yīng)變的增加而

31、穩(wěn)定增長，應(yīng)變的增加而穩(wěn)定增長，出現(xiàn)應(yīng)變硬化現(xiàn)象。出現(xiàn)應(yīng)變硬化現(xiàn)象。(4) (4) 巖石的強(qiáng)度特性與理論巖石的強(qiáng)度特性與理論巖石抵抗外載破壞的能力稱為巖石的強(qiáng)度。巖石抵抗外載破壞的能力稱為巖石的強(qiáng)度。（1 1）巖石的強(qiáng)度與受力狀態(tài)和加載速度關(guān)系很大。）巖石的強(qiáng)度與受力狀態(tài)和加載速度關(guān)系很大。 巖石的抗壓強(qiáng)度是抗拉強(qiáng)度的巖石的抗壓強(qiáng)度是抗拉強(qiáng)度的1010倍。巖石的三向受力強(qiáng)度比二向受力倍。巖石的三向受力強(qiáng)度比二向受力強(qiáng)度要高。巖石在動荷載作用下的強(qiáng)度比靜荷載作用下的強(qiáng)度要高。強(qiáng)度要高。巖石在動荷載作用下的強(qiáng)度比靜荷載作用下的強(qiáng)度要高。（2 2）巖石礦物成分對巖石強(qiáng)度有影響。）巖石礦物成分對巖石強(qiáng)

32、度有影響。 巖石中含石英、長石、角閃石、輝綠石等越多，強(qiáng)度越低。含云母、巖石中含石英、長石、角閃石、輝綠石等越多，強(qiáng)度越低。含云母、綠泥石、滑石、蒙脫石、高嶺石越多，強(qiáng)度越低。綠泥石、滑石、蒙脫石、高嶺石越多，強(qiáng)度越低。（3 3）巖石的膠結(jié)特性對巖石強(qiáng)度影響很大）巖石的膠結(jié)特性對巖石強(qiáng)度影響很大 硅質(zhì)膠結(jié)、鐵質(zhì)膠結(jié)、鈣質(zhì)膠結(jié)、泥質(zhì)膠結(jié)等強(qiáng)度依次降低。硅質(zhì)膠結(jié)、鐵質(zhì)膠結(jié)、鈣質(zhì)膠結(jié)、泥質(zhì)膠結(jié)等強(qiáng)度依次降低。（4 4）非連續(xù)面對強(qiáng)度的影響）非連續(xù)面對強(qiáng)度的影響（5 5）靜荷載下巖石強(qiáng)度性質(zhì)）靜荷載下巖石強(qiáng)度性質(zhì) 1 1）巖石表現(xiàn)為脆性破壞。）巖石表現(xiàn)為脆性破壞。 2 2）同一種巖石的強(qiáng)度變化大。）同

33、一種巖石的強(qiáng)度變化大。 3 3）不同受力狀態(tài)，巖石極限強(qiáng)度相差懸殊。）不同受力狀態(tài)，巖石極限強(qiáng)度相差懸殊。三向等壓抗壓強(qiáng)度三向等壓抗壓強(qiáng)度三向不等壓抗壓強(qiáng)度三向不等壓抗壓強(qiáng)度雙向抗壓強(qiáng)度雙向抗壓強(qiáng)度單向抗壓強(qiáng)單向抗壓強(qiáng)度度單向抗剪強(qiáng)度單向抗剪強(qiáng)度單向抗彎強(qiáng)度單向抗彎強(qiáng)度單向抗拉強(qiáng)度。單向抗拉強(qiáng)度。（6 6）動荷載下的巖石強(qiáng)度性質(zhì)）動荷載下的巖石強(qiáng)度性質(zhì) 巖石穩(wěn)定性巖石穩(wěn)定性巖石的靜荷載強(qiáng)度。巖石的靜荷載強(qiáng)度。 巷道開挖巷道開挖巖石的動荷載強(qiáng)度。巖石的動荷載強(qiáng)度。動載荷下巖石的變形特征動載荷下巖石的變形特征 動荷載動荷載 巖石承受的外力不是靜荷巖石承受的外力不是靜荷載，而是一種沖擊載荷，他不是載

34、，而是一種沖擊載荷，他不是一個常數(shù)，而是時間的函數(shù)。一個常數(shù)，而是時間的函數(shù)。 如沖擊鑿巖和爆破落巖如沖擊鑿巖和爆破落巖等。如等。如圖圖1 12 2所示為鑿巖機(jī)活塞所示為鑿巖機(jī)活塞沖擊釬尾時，作用力隨時間變化沖擊釬尾時，作用力隨時間變化的實測曲線。的實測曲線。 從圖可見，作用力在幾從圖可見，作用力在幾十微秒內(nèi)零驟增到數(shù)萬牛頓，再十微秒內(nèi)零驟增到數(shù)萬牛頓，再經(jīng)數(shù)百微秒重新下降到零。經(jīng)數(shù)百微秒重新下降到零。LL質(zhì)點擾動位移，質(zhì)點擾動位移，C CP P質(zhì)點擾動的傳播速度（波速），質(zhì)點擾動的傳播速度（波速），tt波的傳播時間，波的傳播時間，C CP Ptt在在tt時間內(nèi)變形范圍。時間內(nèi)變形范圍。 ll

35、tcpp沖擊端面產(chǎn)生的變形沖擊端面產(chǎn)生的變形 當(dāng)沖擊載荷當(dāng)沖擊載荷p p施于巖石的施于巖石的端面時，其質(zhì)點便失去原來端面時，其質(zhì)點便失去原來的平衡而發(fā)生變形和位移，的平衡而發(fā)生變形和位移，形成撓動。一個質(zhì)點的撓動形成撓動。一個質(zhì)點的撓動必將引起相鄰質(zhì)點的撓動。必將引起相鄰質(zhì)點的撓動。這樣一個傳一個地使質(zhì)點的這樣一個傳一個地使質(zhì)點的撓動連鎖反應(yīng)地由沖擊端面撓動連鎖反應(yīng)地由沖擊端面向另一端傳播下去，這種撓向另一端傳播下去，這種撓動的傳播叫做波。動的傳播叫做波。動載荷下巖石的變形特征動載荷下巖石的變形特征 波阻抗波阻抗ccp p 介質(zhì)密度與介質(zhì)密度與縱波速度縱波速度的乘積，它表示介質(zhì)對應(yīng)力的乘積，它

36、表示介質(zhì)對應(yīng)力波傳播的阻尼作用。波傳播的阻尼作用。 表表1 13 3列出了幾種材料的密度、縱波波速及波阻抗列出了幾種材料的密度、縱波波速及波阻抗值。值。動載荷下巖石的變形特征動載荷下巖石的變形特征表表 13 幾種材料的密度、縱波速度及波阻抗值幾種材料的密度、縱波速度及波阻抗值材料名稱材料名稱密度，密度，g/cm3縱波速度，縱波速度，m/s波阻抗，波阻抗，kg/(cm2.s)鋼鋼7.851304000鋁鋁2.52.950901370花崗巖花崗巖2.63.0400068008001900玄武巖玄武巖2.72.854500700014002000輝綠巖輝綠巖2.853.054700750018002

37、300輝長巖輝長巖2.93.15600630016001950石灰?guī)r石灰?guī)r2.32.8320055007001900砂巖砂巖2.12.9300046006001300板巖板巖2.32.7250060005751620片麻巖片麻巖2.52.85500600014001700大理巖大理巖2.62.84400590012001700石英巖石英巖2.652.95000650011001900 巖石的強(qiáng)度是指巖石抵抗破壞的能力。巖石的強(qiáng)度是指巖石抵抗破壞的能力。 巖石材料破壞的形式巖石材料破壞的形式: :斷裂破壞斷裂破壞、流動破壞流動破壞（出現(xiàn)顯著的塑性變形（出現(xiàn)顯著的塑性變形或流動現(xiàn)象）。斷裂破壞發(fā)生

38、于應(yīng)力達(dá)到或流動現(xiàn)象）。斷裂破壞發(fā)生于應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限強(qiáng)度極限，流動破壞發(fā)生于，流動破壞發(fā)生于應(yīng)力達(dá)到應(yīng)力達(dá)到屈服極限屈服極限。 巖體的力學(xué)性質(zhì)可分為巖體的力學(xué)性質(zhì)可分為變形性質(zhì)和強(qiáng)度性質(zhì)，變形性質(zhì)和強(qiáng)度性質(zhì)， 變形性質(zhì)主要通過本構(gòu)關(guān)系來反映，強(qiáng)度性質(zhì)主要通過強(qiáng)度準(zhǔn)則來變形性質(zhì)主要通過本構(gòu)關(guān)系來反映，強(qiáng)度性質(zhì)主要通過強(qiáng)度準(zhǔn)則來反映反映。1.3.21.3.2巖石強(qiáng)度理論巖石強(qiáng)度理論巖石強(qiáng)度理論：巖石強(qiáng)度理論：研究巖石在一定的假說條件下在各種應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度研究巖石在一定的假說條件下在各種應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度準(zhǔn)則的理論。準(zhǔn)則的理論。強(qiáng)度準(zhǔn)則：強(qiáng)度準(zhǔn)則：又稱破壞判據(jù)，是表征巖石破壞條件的又稱破壞判據(jù)，是

39、表征巖石破壞條件的應(yīng)力狀態(tài)與巖石強(qiáng)度應(yīng)力狀態(tài)與巖石強(qiáng)度參數(shù)參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系間的函數(shù)關(guān)系，可用如下的方程表示可用如下的方程表示: :或處于或處于極限平衡狀態(tài)截面上的剪應(yīng)力極限平衡狀態(tài)截面上的剪應(yīng)力 和正應(yīng)力和正應(yīng)力 間的關(guān)系方程：間的關(guān)系方程： f),(321cftc 一、一、 庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則 巖石的破壞：巖石的破壞：剪切破壞。剪切破壞。 認(rèn)為巖石的剪切強(qiáng)度等于巖石本身的粘結(jié)力和剪切面上由法認(rèn)為巖石的剪切強(qiáng)度等于巖石本身的粘結(jié)力和剪切面上由法向力產(chǎn)生的摩擦阻力。平面應(yīng)力中的剪切強(qiáng)度準(zhǔn)則（圖）為：向力產(chǎn)生的摩擦阻力。平面應(yīng)力中的剪切強(qiáng)度準(zhǔn)則（圖）為：|tanc|tanc或或坐標(biāo)下庫侖準(zhǔn)則

40、坐標(biāo)下庫侖準(zhǔn)則2 最大主應(yīng)力方向與剪切面法線方向間的夾角最大主應(yīng)力方向與剪切面法線方向間的夾角 （稱為破（稱為破壞角）恒等為：壞角）恒等為： 另外另外由圖可得：由圖可得：并可改寫為：并可改寫為：若取若取 ，則極限應(yīng)力，則極限應(yīng)力 為為巖石單軸抗壓強(qiáng)度巖石單軸抗壓強(qiáng)度 ，即有：，即有：31312sinctgcsin12sin1sin131ctgcsin12ctgcc031c cAOBD131313L245o2 一、一、 庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則令：令：sin1sin1sin12ctgcc則公式則公式 簡化為：簡化為：c31 顯然，在顯然，在 坐標(biāo)中，庫倫強(qiáng)度包絡(luò)線是一條直線，坐標(biāo)中，庫倫強(qiáng)度包絡(luò)

41、線是一條直線，且公式及其簡單，若得到且公式及其簡單，若得到一組三軸一組三軸實驗結(jié)果，則可以利用最小實驗結(jié)果，則可以利用最小二乘法，求得直線的斜率和截距，即二乘法，求得直線的斜率和截距，即 和和 。并且通過。并且通過 和和 進(jìn)一步求得內(nèi)聚力進(jìn)一步求得內(nèi)聚力c c和內(nèi)摩擦角和內(nèi)摩擦角。由于利用了統(tǒng)計方法。由于利用了統(tǒng)計方法求出了巖石的強(qiáng)度參數(shù)，因此，可從統(tǒng)計意義上分析實驗結(jié)果求出了巖石的強(qiáng)度參數(shù)，因此，可從統(tǒng)計意義上分析實驗結(jié)果的可靠性，這也是的可靠性，這也是 坐標(biāo)中庫倫強(qiáng)度公式成為常用公式坐標(biāo)中庫倫強(qiáng)度公式成為常用公式的原因。的原因。ccc3131 一、一、 庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則用庫倫準(zhǔn)則解

42、釋剪裂角用庫倫準(zhǔn)則解釋剪裂角 一、一、 庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則 一、一、 庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則|tanc 一、一、 庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則 一、一、 庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則二、二、 莫爾強(qiáng)度理論莫爾強(qiáng)度理論 莫爾（莫爾（MohrMohr，19001900年）把庫侖準(zhǔn)則推廣到考慮三向應(yīng)力年）把庫侖準(zhǔn)則推廣到考慮三向應(yīng)力狀態(tài)。最主要的貢獻(xiàn)是認(rèn)識到材料性質(zhì)本身乃是應(yīng)力的函數(shù)。狀態(tài)。最主要的貢獻(xiàn)是認(rèn)識到材料性質(zhì)本身乃是應(yīng)力的函數(shù)。他總結(jié)指出他總結(jié)指出“到極限狀態(tài)時，滑動平面上的剪應(yīng)力達(dá)到一個到極限狀態(tài)時，滑動平面上的剪應(yīng)力達(dá)到一個取決于正應(yīng)力與材料性質(zhì)的最大值取決于正應(yīng)力與材料性質(zhì)的最大值”

43、，并可用下列函數(shù)關(guān)系并可用下列函數(shù)關(guān)系表示：表示： f上式在上式在 坐標(biāo)系中為一條對稱于坐標(biāo)系中為一條對稱于 軸的曲線，它可通軸的曲線，它可通過過試驗方法求得試驗方法求得，即由對應(yīng)于各種應(yīng)力狀態(tài)（單軸拉伸、，即由對應(yīng)于各種應(yīng)力狀態(tài)（單軸拉伸、單軸壓縮及三軸壓縮）下的破壞單軸壓縮及三軸壓縮）下的破壞莫爾應(yīng)力圓莫爾應(yīng)力圓包絡(luò)線，即各包絡(luò)線，即各破壞莫爾圓的外公切線破壞莫爾圓的外公切線，稱為莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線給定，稱為莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線給定。實驗表明，實驗表明，(內(nèi)摩擦角內(nèi)摩擦角) )與圍壓、巖石性質(zhì)有關(guān)，不是一個與圍壓、巖石性質(zhì)有關(guān)，不是一個常量常量例如，砂巖：例如，砂巖：( (圖圖A)A)，頁巖：，頁巖

44、：( (圖圖B)B)此外，實驗證明，此外，實驗證明，隨圍壓增大而減小隨圍壓增大而減小( (圖圖B)B)隨著溫度、圍壓的增加，剪裂角逐漸接近隨著溫度、圍壓的增加，剪裂角逐漸接近4545，但不會超過，但不會超過它它. . 二、二、 莫爾強(qiáng)度理論莫爾強(qiáng)度理論三、三、 格里菲斯強(qiáng)度理論格里菲斯強(qiáng)度理論 格里菲斯（格里菲斯（Griffith Griffith ，19201920年）年）基本思想：基本思想：材料內(nèi)部存在著許多微裂紋，這些微裂紋的存材料內(nèi)部存在著許多微裂紋，這些微裂紋的存在改變了材料內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，在外載下，這些裂紋產(chǎn)生在改變了材料內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，在外載下，這些裂紋產(chǎn)生擴(kuò)展、連接、貫通等現(xiàn)象

45、，最終導(dǎo)致破壞發(fā)生。擴(kuò)展、連接、貫通等現(xiàn)象，最終導(dǎo)致破壞發(fā)生。格里菲斯原理認(rèn)為格里菲斯原理認(rèn)為:當(dāng)作用力的勢能始終保持不變時，裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則可寫為：當(dāng)作用力的勢能始終保持不變時，裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則可寫為：0)(CWWcd 式中：式中：C為裂紋長度參數(shù)；為裂紋長度參數(shù)；Wd為裂紋表面的表面能；為裂紋表面的表面能；We為儲存在裂紋周圍的彈性應(yīng)變能。為儲存在裂紋周圍的彈性應(yīng)變能。格里菲斯總結(jié)三點：格里菲斯總結(jié)三點： （1 1）脆性材料內(nèi)部隨機(jī)的存在著許多扁平）脆性材料內(nèi)部隨機(jī)的存在著許多扁平的裂紋，通常將這些微小的裂紋用一個扁平的的裂紋，通常將這些微小的裂紋用一個扁平的橢圓來描述。在外力的作用下，微裂紋尖端

46、附橢圓來描述。在外力的作用下，微裂紋尖端附近的應(yīng)力最大。近的應(yīng)力最大。 （2 2）裂紋沿著與最大拉應(yīng)力成直角的方向裂紋沿著與最大拉應(yīng)力成直角的方向擴(kuò)展擴(kuò)展。在雙向應(yīng)力的情況下，裂紋尖端附近處。在雙向應(yīng)力的情況下，裂紋尖端附近處為最大拉應(yīng)力。此時裂紋將沿著與為最大拉應(yīng)力。此時裂紋將沿著與pppp垂直的垂直的方向擴(kuò)展，最后逐漸向最大主應(yīng)力方向過渡。方向擴(kuò)展，最后逐漸向最大主應(yīng)力方向過渡。 （3 3）當(dāng)作用在裂紋尖端處的有效應(yīng)力達(dá)到）當(dāng)作用在裂紋尖端處的有效應(yīng)力達(dá)到新裂紋所需能量時，裂紋開始擴(kuò)展。新裂紋所需能量時，裂紋開始擴(kuò)展。三、三、 格里菲斯強(qiáng)度理論格里菲斯強(qiáng)度理論21313133138(0)(

47、0)t )(2arccos213121格里菲斯強(qiáng)度準(zhǔn)則格里菲斯強(qiáng)度準(zhǔn)則三、三、 格里菲斯強(qiáng)度理論格里菲斯強(qiáng)度理論 結(jié)論結(jié)論 (1)(1)材料的單軸抗壓強(qiáng)度是抗拉強(qiáng)度的材料的單軸抗壓強(qiáng)度是抗拉強(qiáng)度的8 8倍，倍，其反映了脆性材料其反映了脆性材料的基本力學(xué)特征。的基本力學(xué)特征。 (2)(2)材料發(fā)生斷裂時，可能處于各種應(yīng)力狀態(tài)。不論何種應(yīng)力材料發(fā)生斷裂時，可能處于各種應(yīng)力狀態(tài)。不論何種應(yīng)力狀態(tài)，材料都是因裂紋尖端附近達(dá)到極限拉應(yīng)力而斷裂開始擴(kuò)展，狀態(tài)，材料都是因裂紋尖端附近達(dá)到極限拉應(yīng)力而斷裂開始擴(kuò)展，即材料的破壞機(jī)理是拉伸破壞。新裂紋與最大主應(yīng)力方向斜交，即材料的破壞機(jī)理是拉伸破壞。新裂紋與最大

48、主應(yīng)力方向斜交，而且擴(kuò)展方向會最終趨于與最大主應(yīng)力平行。而且擴(kuò)展方向會最終趨于與最大主應(yīng)力平行。 GriffithGriffith強(qiáng)度準(zhǔn)則只適用于研究脆性巖石的破壞。強(qiáng)度準(zhǔn)則只適用于研究脆性巖石的破壞。 Mohr-coulombMohr-coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則的適用性一般的巖石材料。強(qiáng)度準(zhǔn)則的適用性一般的巖石材料。三、三、 格里菲斯強(qiáng)度理論格里菲斯強(qiáng)度理論1.4 1.4 巖石的工程分級巖石的工程分級 巖石巖石“最復(fù)雜的材料最復(fù)雜的材料” 巖塊、結(jié)構(gòu)面、地質(zhì)環(huán)境等。巖塊、結(jié)構(gòu)面、地質(zhì)環(huán)境等。 以巖石強(qiáng)度等穩(wěn)定性質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)或指標(biāo)，把性質(zhì)相似的巖以巖石強(qiáng)度等穩(wěn)定性質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)或指標(biāo)，把性質(zhì)相似的巖石劃分在

49、一個類別中，賦予好壞等評價。石劃分在一個類別中，賦予好壞等評價。 分類的目的分類的目的 給出具有代表性的、單一的性質(zhì)參數(shù)，以滿足科學(xué)研究給出具有代表性的、單一的性質(zhì)參數(shù)，以滿足科學(xué)研究和工程設(shè)計與施工的要求。和工程設(shè)計與施工的要求。 在井巷工程中，巖石分類對于解決地下工程支護(hù)設(shè)計問在井巷工程中，巖石分類對于解決地下工程支護(hù)設(shè)計問題，合理的選用施工方法、施工設(shè)備、機(jī)具和器材，以及準(zhǔn)題，合理的選用施工方法、施工設(shè)備、機(jī)具和器材，以及準(zhǔn)確的制定生產(chǎn)定額和材料消耗定額等工作必不可少。確的制定生產(chǎn)定額和材料消耗定額等工作必不可少。分類指標(biāo)分類指標(biāo) 巖石分類的關(guān)鍵是選擇合理有效的分類指標(biāo)。根據(jù)分類指巖石分

50、類的關(guān)鍵是選擇合理有效的分類指標(biāo)。根據(jù)分類指標(biāo)的不同，巖石分類有定性的，也有定量的；有單一指標(biāo)，標(biāo)的不同，巖石分類有定性的，也有定量的；有單一指標(biāo)，也有綜合指標(biāo)。也有綜合指標(biāo)。巖體分類原則巖體分類原則（1 1）分類指標(biāo)形式要簡單，含義要明確，應(yīng)具有科學(xué)意義和實）分類指標(biāo)形式要簡單，含義要明確，應(yīng)具有科學(xué)意義和實用價值。用價值。（2 2）分類指標(biāo)要容易獲得。）分類指標(biāo)要容易獲得。（3 3）分類指標(biāo)應(yīng)明確表達(dá)出巖石的質(zhì)量和穩(wěn)定性。）分類指標(biāo)應(yīng)明確表達(dá)出巖石的質(zhì)量和穩(wěn)定性。1.4.2 1.4.2 工程分級方法工程分級方法 1 1）普氏分級法普氏分級法 2 2）中國煤炭部門圍巖分類法）中國煤炭部門圍巖

51、分類法 3 3）巖石質(zhì)量指標(biāo)（）巖石質(zhì)量指標(biāo)（RQDRQD）分類）分類 4 4）Q Q分類分類 5 5）圍巖松動圈分類）圍巖松動圈分類1.4.2 1.4.2 工程分級方法工程分級方法 普羅托奇雅克諾夫普羅托奇雅克諾夫 19261926年提出用年提出用“堅固性堅固性”作為巖石工程分級的依作為巖石工程分級的依據(jù)，即用一個綜合性指標(biāo)據(jù)，即用一個綜合性指標(biāo)“堅固性系數(shù)堅固性系數(shù)f f”來表示巖石破壞的相對難易程來表示巖石破壞的相對難易程度。度。 f = f = RcRc/10/10 據(jù)據(jù)f f值，分為十級十五種（如值，分為十級十五種（如表表1-61-6所示）。所示）。 * * 級巖石級巖石（最堅固，如

52、石英、玄武巖）（最堅固，如石英、玄武巖）普氏系數(shù)普氏系數(shù)f f2020 * * 級巖石級巖石（中等堅固，如頁巖）（中等堅固，如頁巖）普氏系數(shù)普氏系數(shù)f f3 34 4 * * 級巖石級巖石（如無煙煤）（如無煙煤）普氏系數(shù)普氏系數(shù)f f2 2 * * aa級巖石級巖石（如堅固煙煤）（如堅固煙煤）普氏系數(shù)普氏系數(shù)f f1.51.5 * * 級巖石級巖石（如軟的煙煤）（如軟的煙煤）普氏系數(shù)普氏系數(shù)f f1.01.0 * * 級巖石級巖石（如采下的煤）（如采下的煤）普氏系數(shù)普氏系數(shù)f f0.50.5表表 16 按巖石堅固性分級表按巖石堅固性分級表級級別別堅固性程度堅固性程度巖巖 石石堅固性堅固性系系最

53、堅固的巖石最堅固的巖石最堅固、最致密的石英巖及玄武巖，其他最堅固的巖石最堅固、最致密的石英巖及玄武巖，其他最堅固的巖石20很堅固的巖石很堅固的巖石致密的花崗巖，石英斑巖，很堅固的花崗巖，硅質(zhì)片巖；堅固致密的花崗巖，石英斑巖，很堅固的花崗巖，硅質(zhì)片巖；堅固程度較程度較級巖石較差的石英巖，最堅固的砂巖及石灰?guī)r級巖石較差的石英巖，最堅固的砂巖及石灰?guī)r15堅固的巖石堅固的巖石致密的花崗巖及花崗巖類巖石，很堅固的的砂巖及石灰?guī)r，石致密的花崗巖及花崗巖類巖石，很堅固的的砂巖及石灰?guī)r，石英質(zhì)礦脈，堅固的礫巖，很堅固的鐵礦石英質(zhì)礦脈，堅固的礫巖，很堅固的鐵礦石10 a堅固的巖石堅固的巖石堅固的石灰?guī)r，不堅固的

54、花崗巖，堅固的砂巖，堅固的大理巖，堅固的石灰?guī)r，不堅固的花崗巖，堅固的砂巖，堅固的大理巖，白云巖，黃鐵礦白云巖，黃鐵礦8相當(dāng)堅固的巖石相當(dāng)堅固的巖石一般的砂巖，鐵礦石一般的砂巖，鐵礦石6 a相當(dāng)堅固的巖石相當(dāng)堅固的巖石砂質(zhì)頁巖，泥質(zhì)砂巖砂質(zhì)頁巖，泥質(zhì)砂巖5堅固性中等的巖石堅固性中等的巖石堅固的頁巖，不堅固的砂巖及石灰?guī)r，軟的礫巖堅固的頁巖，不堅固的砂巖及石灰?guī)r，軟的礫巖4 a堅固性中等的巖石堅固性中等的巖石各種不堅固的頁巖，致密的泥灰?guī)r各種不堅固的頁巖，致密的泥灰?guī)r3堅固性中等的巖石堅固性中等的巖石堅固的頁巖，不堅固的砂巖及石灰?guī)r，軟的礫巖堅固的頁巖，不堅固的砂巖及石灰?guī)r，軟的礫巖4 a堅固性

55、中等的巖石堅固性中等的巖石各種不堅固的頁巖，致密的泥灰?guī)r各種不堅固的頁巖，致密的泥灰?guī)r3相當(dāng)軟的巖石相當(dāng)軟的巖石軟的頁巖，很軟的石灰?guī)r，白堊，巖鹽，石膏，軟的頁巖，很軟的石灰?guī)r，白堊，巖鹽，石膏，凍土，無煙煤，普通泥灰?guī)r，破碎的砂巖，膠結(jié)凍土，無煙煤，普通泥灰?guī)r，破碎的砂巖，膠結(jié)的卵石及粗砂礫，多石塊的土的卵石及粗砂礫，多石塊的土2 a相當(dāng)軟的巖石相當(dāng)軟的巖石碎石土，破碎的頁巖，結(jié)塊的卵石及碎石，堅硬碎石土，破碎的頁巖，結(jié)塊的卵石及碎石，堅硬的煙煤，硬化的粘土的煙煤，硬化的粘土1.5軟巖軟巖致密的粘土，軟的煤灰，堅固的表土層致密的粘土，軟的煤灰，堅固的表土層1.0 a軟巖軟巖微砂質(zhì)粘土，黃土，

56、細(xì)礫石微砂質(zhì)粘土，黃土，細(xì)礫石0.8土質(zhì)巖石土質(zhì)巖石腐殖土，泥煤，微砂質(zhì)粘土，濕砂腐殖土，泥煤，微砂質(zhì)粘土，濕砂0.6松散巖石松散巖石砂，細(xì)礫，松土，采下的煤砂，細(xì)礫，松土，采下的煤0.5流砂狀巖石流砂狀巖石流沙，沼澤土壤，飽含水的黃土及飽含水的土壤流沙，沼澤土壤，飽含水的黃土及飽含水的土壤0.3 普氏巖石分級法的不足普氏巖石分級法的不足： 沒有反映巖體的特征。沒有反映巖體的特征。 井巷圍巖穩(wěn)定性主要取決于井巷圍巖穩(wěn)定性主要取決于巖體的結(jié)構(gòu)巖體的結(jié)構(gòu)和和巖石巖石的強(qiáng)度的強(qiáng)度，而不只是巖石試件的強(qiáng)度，因此，國，而不只是巖石試件的強(qiáng)度，因此，國內(nèi)外提出了各種內(nèi)外提出了各種“巖石工程分類方法巖石工程

57、分類方法”。巖層描述巖層描述* * 巖體結(jié)構(gòu)巖體結(jié)構(gòu) 完整的；完整的； 層狀的；層狀的；塊狀的；塊狀的；破碎的。破碎的。 完整的完整的層理和裂隙的間距大于層理和裂隙的間距大于1.5m1.5m； 層狀的層狀的層間距小于層間距小于1.5m1.5m； 塊狀的塊狀的節(jié)理裂隙間距小于節(jié)理裂隙間距小于1.5m1.5m，大于，大于0.3m0.3m； 破碎的破碎的節(jié)理裂隙間距小于節(jié)理裂隙間距小于0.3m0.3m。 * * 巖層強(qiáng)度描述：巖層強(qiáng)度描述： R Rb b單軸飽和抗壓強(qiáng)度單軸飽和抗壓強(qiáng)度（較軟）（較軟）2020；（中硬）；（中硬）4040；（較硬）；（較硬）6060；（堅硬）；（堅硬）8080 * *

58、層間膠結(jié)：層間膠結(jié)： 膠結(jié)好，較好，少數(shù)軟巖夾層，軟巖。膠結(jié)好，較好，少數(shù)軟巖夾層，軟巖。 * * 當(dāng)?shù)叵滤绊憞鷰r穩(wěn)定性時，考慮適當(dāng)降級。當(dāng)?shù)叵滤绊憞鷰r穩(wěn)定性時，考慮適當(dāng)降級。2 2）中國煤炭部門圍巖分類法）中國煤炭部門圍巖分類法巷道開挖后的穩(wěn)定狀態(tài)（跨度巷道開挖后的穩(wěn)定狀態(tài)（跨度3-5m3-5m） I I：圍巖穩(wěn)定，長期不掉塊；：圍巖穩(wěn)定，長期不掉塊； IIII：圍巖較穩(wěn)定，較長時間不支護(hù)會有掉小塊；：圍巖較穩(wěn)定，較長時間不支護(hù)會有掉小塊； IIIIII：一個月以上穩(wěn)定，局部掉塊；：一個月以上穩(wěn)定，局部掉塊； IVIV：暫時穩(wěn)定，幾天后冒落；：暫時穩(wěn)定，幾天后冒落； V V：瞬時穩(wěn)定，易

59、產(chǎn)生冒頂片幫，隨挖隨冒。：瞬時穩(wěn)定，易產(chǎn)生冒頂片幫，隨挖隨冒。2 2）中國煤炭部門圍巖分類法）中國煤炭部門圍巖分類法表表1.7 1.7 煤炭行業(yè)巖石分類表煤炭行業(yè)巖石分類表2 2）中國煤炭部門圍巖分類法）中國煤炭部門圍巖分類法圍巖分類圍巖分類巖層描述巖層描述巷道開掘后圍巖的巷道開掘后圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)（穩(wěn)定狀態(tài)（35m跨度）跨度）巖種舉例巖種舉例類別類別名稱名稱穩(wěn)定巖穩(wěn)定巖層層1. 完整堅硬巖層，完整堅硬巖層，R b60MPa，不易風(fēng)化，不易風(fēng)化 2.層狀巖層間膠結(jié)好，無軟弱夾層層狀巖層間膠結(jié)好，無軟弱夾層 圍巖穩(wěn)定，長期不圍巖穩(wěn)定，長期不支護(hù)，無碎塊掉落支護(hù)，無碎塊掉落現(xiàn)象現(xiàn)象完整的玄武巖，石完

60、整的玄武巖，石英巖，奧陶紀(jì)灰?guī)r，英巖，奧陶紀(jì)灰?guī)r，茅口灰?guī)r，大冶厚茅口灰?guī)r，大冶厚層灰?guī)r層灰?guī)r穩(wěn)定性穩(wěn)定性較好巖較好巖層層1.完整比較堅硬巖層，完整比較堅硬巖層，R b =4060MPa 2.層狀巖層，膠結(jié)較好層狀巖層，膠結(jié)較好 3.堅硬塊狀巖層，裂隙面閉合，無泥質(zhì)充填堅硬塊狀巖層，裂隙面閉合，無泥質(zhì)充填物，物，R b 60MPa圍巖基本穩(wěn)定，較圍巖基本穩(wěn)定，較長時間不支護(hù)會出長時間不支護(hù)會出現(xiàn)小塊掉落現(xiàn)小塊掉落膠結(jié)好的砂巖、礫膠結(jié)好的砂巖、礫巖大冶薄層灰?guī)r巖大冶薄層灰?guī)r中等穩(wěn)中等穩(wěn)定巖層定巖層1.完整的中硬巖層，完整的中硬巖層，R b =2040MPa 2.層狀巖層以堅硬巖為主，夾有少數(shù)軟巖