(精品)第一章 岩石性质与工程分级.ppt

井巷工程 刘刚TheThe Gjovik Gjovik multi-purpose cavern hall in Norway.This huge multi-purpose cavern hall in Norway.This hugecavern hall cavern hall（9191616125m25m）was used for winter Olympics in 1994.was used for winter Olympics in 1994.1中国矿业大学建筑工程学院井巷工程 刘刚第一第一章章 岩石岩石的的性质性质及及工程分类工程分类 井巷工程的最基本工作就是破岩与维护。因此，在这一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。行讲授。本章的重点应是围岩分级。本章的重点应是围岩分级。2中国矿业大学建筑工程学院井巷工程 刘刚本章主要参考书本章主要参考书3中国矿业大学建筑工程学院井巷工程 刘刚第一第一节节 概述概述 Rock mechanics is the theoretical and applied science of the mechanical behaviourmechanical behaviour of rock and rock massesrock and rock masses;it is that branch of mechanics concerned with the response of rock and rock masses to the force fields of their physical environment.岩石力学是研究岩石的力学性状的一门理论和应用科学，它是岩石力学是研究岩石的力学性状的一门理论和应用科学，它是力学的一个分支，是探讨岩石对其周围物理环境中力场的反应。力学的一个分支，是探讨岩石对其周围物理环境中力场的反应。US National Committee on Rock Mechanics,19644中国矿业大学建筑工程学院井巷工程 刘刚1.岩块、岩体和岩石岩块、岩体和岩石5中国矿业大学建筑工程学院井巷工程 刘刚 岩体岩体（Rock Mass）：指岩石工程周围较大范围内的自指岩石工程周围较大范围内的自然地质体然地质体 岩体岩体=岩块（岩石材料）岩块（岩石材料）+弱面弱面（层理、节理、断层）层理、节理、断层）岩块岩块（Rock）：从地壳岩层中切取出来的小块体，通常是从地壳岩层中切取出来的小块体，通常是指岩石材料指岩石材料（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 discontinuities6中国矿业大学建筑工程学院井巷工程 刘刚岩块（岩块（Rock）性质：性质：强度：抗压强度、抗拉强度、剪切强度等；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。性性质质包包括括：剪剪切切强强度度、方方位位、距距离离、硬硬度度、张张开开度度、充充填填性性、风风化性、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。7中国矿业大学建筑工程学院井巷工程 刘刚8中国矿业大学建筑工程学院井巷工程 刘刚 岩石和土壤类似，与其它工程材料有显著的区别。岩石和土壤类似，与其它工程材料有显著的区别。钢筋混凝土结构的设计钢筋混凝土结构的设计，工程师首先计算外荷裁，然后根据所要，工程师首先计算外荷裁，然后根据所要求的强度选择材料（采取措施以保证其强度），同时相应地确定出求的强度选择材料（采取措施以保证其强度），同时相应地确定出结构的几何尺寸。结构的几何尺寸。然而，然而，在岩体结构中，作用荷载往往难于确定。在岩体结构中，作用荷载往往难于确定。此外，由于地下此外，由于地下洞室一类的岩体结构有许多可能的破坏模式，材料洞室一类的岩体结构有许多可能的破坏模式，材料“强度强度”的确定的确定既需要量测，也需要判断。还有最后一点，地下结构的几何尺寸至既需要量测，也需要判断。还有最后一点，地下结构的几何尺寸至少在一定程度上由地质构造来决定。少在一定程度上由地质构造来决定。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9中国矿业大学建筑工程学院井巷工程 刘刚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线线弹性的弹性的 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非线弹性的非线弹性的 Non-Lineraly ElasticD.I.A.N.E.10中国矿业大学建筑工程学院井巷工程 刘刚11中国矿业大学建筑工程学院井巷工程 刘刚第二第二节节 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）：2.302.80，组成岩石的矿物的比重，组成岩石的矿物的比重矿物成份、孔隙、含水量、埋藏深度矿物成份、孔隙、含水量、埋藏深度容重大，力学性质好容重大，力学性质好 岩石物理力学性质是岩体最基本、最重要的性质之一，也是岩石力学学科中研究最早、最完善的内容之一。比重与密度在数值上大体相等。比重与密度在数值上大体相等。一般地，岩石密度越大，其力学性质越好。一般地，岩石密度越大，其力学性质越好。12中国矿业大学建筑工程学院井巷工程 刘刚 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en关系关系13中国矿业大学建筑工程学院井巷工程 刘刚14中国矿业大学建筑工程学院井巷工程 刘刚 1.1.吸水率吸水率 2.2.透水性透水性 (DarcyDarcy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方向的截方向的截面面积面面积；k渗透系数。（渗透系数。（水库、地热、储存等）水库、地热、储存等）于是，当水温在于是，当水温在20，渗透系数，渗透系数k具有速度的量纲（具有速度的量纲（m/s）。）。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 岩石样品渗透性的确定对实际问题有直接的意义，例如：将水、油或岩石样品渗透性的确定对实际问题有直接的意义，例如：将水、油或气泵入多孔的岩层中，或从其中抽出来；在多孔岩层中处理卤水废物；为气泵入多孔的岩层中，或从其中抽出来；在多孔岩层中处理卤水废物；为了能量转换而在地下洞穴中贮存液体；评价水库的不透水性；排除深处洞了能量转换而在地下洞穴中贮存液体；评价水库的不透水性；排除深处洞室的海水，或预估流入隧洞的水量等。室的海水，或预估流入隧洞的水量等。15中国矿业大学建筑工程学院井巷工程 刘刚3.3.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16中国矿业大学建筑工程学院井巷工程 刘刚 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 k1.051.21.21.251.31.51.52.5300组合拱理论联合支护围岩变形在一般支护下无稳定期45中国矿业大学建筑工程学院井巷工程 刘刚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）绕绕过过了了地地应应力力、围围岩岩强强度度、结结构构面面性性质质测测定定等等困困难难问问题题，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）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。46中国矿业大学建筑工程学院井巷工程 刘刚4.按围岩变形量分类按围岩变形量分类 陆陆士士良良教教授授根根据据围围岩岩变变形形量量的的大大小小和和维维护护的的难难易易程程度度，将将回回采采巷巷道围岩分为五类：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1122442002005005001000100047中国矿业大学建筑工程学院井巷工程 刘刚 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48中国矿业大学建筑工程学院井巷工程 刘刚 5.按施工需要分类按施工需要分类 19881988年年，煤煤炭炭工工业业部部根根据据全全国国5858条条试试验验巷巷道道的的地地质质特特征征、井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：49中国矿业大学建筑工程学院井巷工程 刘刚50中国矿业大学建筑工程学院井巷工程 刘刚 国国家家技技术术监监督督局局与与建建设设部部于于19951995年年联联合合发发布布工工程程岩岩体体分分级级标标准准，适适用用于于各各类类型型岩岩石石工工程程，涵涵盖盖103103个个岩岩石石工工程程案案例例。该该分分级级标准以标准以“岩体基本质量岩体基本质量”代表岩体品质，并据此进行岩体优劣分级。代表岩体品质，并据此进行岩体优劣分级。6.工程岩体分级标准工程岩体分级标准 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（岩体弹性纵波速度/岩石弹性横波速度）岩石弹性横波速度）2 251中国矿业大学建筑工程学院井巷工程 刘刚 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 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。52中国矿业大学建筑工程学院井巷工程 刘刚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 工工程程岩岩体体分分级级标标准准将将岩岩体体分分为为、等等五五级级，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。53中国矿业大学建筑工程学院井巷工程 刘刚 南非隧道工法之核心为南非隧道工法之核心为RMR系统，主要由南非系统，主要由南非Bieniawski根据根据49个隧道个隧道案例之调查结果，于案例之调查结果，于1973年提出，其后陆续增加地下工程案例年提出，其后陆续增加地下工程案例。RMR随随岩石质量而从岩石质量而从0递增到递增到100。这个评分值取决于这个评分值取决于5个通用参数：岩石强度、个通用参数：岩石强度、岩芯质量、地下水条件、节理和断裂的间距、以及节理的特征。另加第岩芯质量、地下水条件、节理和断裂的间距、以及节理的特征。另加第6个参数，即节理的方向，它专门应用于隧洞、采矿和地基工程中，但其作个参数，即节理的方向，它专门应用于隧洞、采矿和地基工程中，但其作用的大小则因工程而有所不同。用的大小则因工程而有所不同。岩体强度岩体强度 0 01515 岩石质量指标岩石质量指标 3 32020 节理间距节理间距 5 52020 节理状况节理状况 0 03030 地下水情况地下水情况 0 01515 节理状态节理状态 12120 0 7南非南非RMR系统（系统（Rock Mass Rating）54中国矿业大学建筑工程学院井巷工程 刘刚本章思考题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表表示示岩岩石石物物理理性性质质的的主主要要指指标标有有哪哪些些？各各对对岩岩体体力力学学性性质质的的有有什么影响？什么影响？3什什么么是是岩岩石石的的全全应应力力应应变变曲曲线线？简简述述岩岩石石在在单单轴轴压压缩缩条条件件下下的变形特征？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根根据据围围岩岩松松动动圈圈的的大大小小，围围岩岩可可划划分分为为几几类类？这这种种分分级级法法有有何何优点？优点？55中国矿业大学建筑工程学院井巷工程 刘刚56中国矿业大学建筑工程学院