地下工程 UNDERGROUNDENGINEERING 第一章巖石性質(zhì)及工程分級 1 1概述1 2巖石的物理性質(zhì)1 3巖石的力學(xué)性質(zhì)1 4巖石的工程分級1 5習(xí)題 第一章巖石性質(zhì)與工程分類 地應(yīng)力的地位及重要性地應(yīng)力是地下工程圍巖變形 破壞的根本淵源 其地位相當(dāng)于工程中習(xí)慣性理解的外荷載 但又與材料力學(xué) 彈性力學(xué)中泛指的外荷載有所不同 地下工程是先受力 后開挖 并且地應(yīng)力從開挖前到最終一直對圍巖起著作用 地應(yīng)力是涉及地殼問題各個學(xué)科領(lǐng)域最基礎(chǔ)的原始資料 11 1地應(yīng)力的基本概念 基本概念巖石 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 巖塊 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)為各向同性的連續(xù)介質(zhì) 巖體 地下工程周圍較大范圍內(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象表土 建井工作者把覆蓋在地殼上部的第四紀(jì)沉積物成為表土 也稱為松散性巖石 如 黃土 流沙 粘土等 基巖 表土以下的固結(jié)性巖石稱為基巖 巖漿巖 沉積巖 變質(zhì)巖 1 1概述 巖塊 1 1概述 巖體 1 1概述 表土和基巖 1 1概述 第二節(jié)巖石的物理性質(zhì) 一 巖石的相對密度 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 1 相對密度 曾稱比重 巖石的相對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 計算公式為 式中 d 巖石的相對密度 無量綱量 G 絕對干燥時體積為VC的巖石質(zhì)量 g VC 巖石固體實(shí)體積 cm3 W 水的密度 g cm3 一 巖石的相對密度 密度 2 密度 巖石單位體積 包括巖石內(nèi)孔隙體積 的質(zhì)量 稱為巖石的密度 亦稱質(zhì)量密度 兩種 干密度和濕密度 前者是單位體積巖石絕對干燥后的質(zhì)量 后者是天然含水或飽水狀態(tài)下的密度 C 巖石的干密度 g cm3 巖石的濕密度 g cm3 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 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 N m3 巖石密度 kg m3 g 重力加速度 9 8m s2 一 巖石的相對密度 密度 二 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 它通常用孔隙度n和孔隙比e來表示 孔隙度是指巖石試件內(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 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 影響吸水率的因素 巖石所含孔隙 裂隙的數(shù)量 大小 開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 隨著吸水水時間的增加 吸水率也會有所增大 吸水率對巖石力學(xué)性質(zhì)有影響 三 巖石的水理性質(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的性質(zhì) 稱為巖石的透水性 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 三 巖石的水理性質(zhì) 表1 2巖石滲透系數(shù) 三 巖石的水理性質(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)象稱為巖石的溶濕性 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 石筍等 4 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 三 巖石的水理性質(zhì) 5 巖石的膨脹性和崩解性 1 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 隨時間變化會產(chǎn)生體積增大的現(xiàn)象 這時 使試件體積保持不變所需要的壓力稱膨脹應(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 2 崩解性 軟巖浸水后發(fā)生解體的性質(zhì) 用耐崩解指數(shù)表示 耐崩解指數(shù) 巖石試件在承受干燥和濕潤兩個標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)后 巖樣對軟化和崩解表現(xiàn)出來的抵抗力 用耐崩解儀測定 三 巖石的水理性質(zhì) 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)稱為碎脹性 碎脹程度的大小可用碎脹系數(shù)表示 K 巖石的碎脹系數(shù) V1 巖石破碎膨脹后的體積 V 巖石處于整體狀態(tài)下的體積 表1 4常見巖石碎脹系數(shù) 四 巖石的碎脹性 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 第三節(jié)巖石的力學(xué)性質(zhì) 一 靜載荷下巖石的變形特征 單向壓縮 一 巖石的變形特征 二 巖石在三向靜荷載壓縮條件下的變形特征 三 動壓條件下巖石的變形特征 第三節(jié)巖石的力學(xué)性質(zhì) 一 靜載荷下巖石的變形特征 單向壓縮 1 應(yīng)力應(yīng)變曲線 2 體積應(yīng)變 3 三種破壞形式 一 巖石的變形特性 1 應(yīng)力應(yīng)變曲線 I OA階段 裂隙壓密閉合階段 AB階段 線彈性階段 BC階段 破裂發(fā)展階段 CD階段 軟化階段 一 巖石的變形特性 2 體積應(yīng)變 巖石的體積改變量 V與原體積V的比值 也稱體積改變率 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)稱為擴(kuò)容現(xiàn)象 對于研究巷道變形和圍巖對支護(hù)造成的壓力等問題有重要意義 一 巖石的變形特性 3 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為塑性巖石 過度狀態(tài) 永久變形或全變形在3 到5 之間 一 巖石的變形特性 二 巖石在三向靜荷載壓縮條件下的變形特征 真三軸試驗(yàn) 1 2 3常規(guī)三軸試驗(yàn) 1 2 3 一 巖石的變形特性 特點(diǎn) 1 彈性段與單軸壓縮基本相同 2 巖石表現(xiàn)出明顯的塑性變形 3 屈服極限 強(qiáng)度峰值 殘余強(qiáng)度與圍壓大小成正比 4 大部分巖石在一定臨界圍壓下出現(xiàn)屈服平臺 呈塑性流動現(xiàn)象 5 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)增長趨勢 一 巖石的變形特性 三 動壓條件下巖石的變形特征 1 動荷載的特點(diǎn) 2 巖石在動荷載作用下的變形特征 3 波的反射和投射 一 巖石的變形特性 1 動荷載的特點(diǎn) 一 巖石的變形特性 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 分為橫波和縱波橫波 介質(zhì)振動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)動軌跡為橢圓的波 為地震波的主要形式d 3 波的反射和投射 一 巖石的變形特性 為介質(zhì)密度 區(qū)段截面積 CP 為波阻抗 介質(zhì)密度和波速的乘積 表征介質(zhì)對于應(yīng)力波的阻尼作用 當(dāng) 1CP1 2CP2時 r 0 t i 不產(chǎn)生波的反射 當(dāng) 2CP2 1CP1時 r 0 t 0 說明交界面上既有透射波 又有反射波 當(dāng) 2CP2 0或 2CP2 1CP1時 即當(dāng)應(yīng)力波到達(dá)的交界面為自由面時 r i t 0 疊加結(jié)果是交界面的應(yīng)力值為零 當(dāng) 2CP2 1CP1時 交界面既有透射壓縮波又有反射拉伸波 也能破碎巖石 為垂直反射系數(shù) 為垂直透射系數(shù) 1 大多數(shù)情況下 巖石表現(xiàn)為脆性破壞 2 同種巖石強(qiáng)度并非常數(shù) 3 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 1 巖石在靜荷載作用下的強(qiáng)度 二 巖石的強(qiáng)度特征 2 動荷載作用下的強(qiáng)度 二 巖石的強(qiáng)度特征 巖石的硬度是巖石抵抗其他較硬物體侵入的能力 1 靜壓入硬度 2 回彈高度 以重物落于巖石表面后的回彈高度來表示 巖石越硬 回彈高度越大 常用肖氏硬度計和施米特錘來測定 施米特錘用來測定混凝土硬度 我國生產(chǎn)的施米特錘叫回彈儀 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 三 巖石的硬度 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器 測定巖石的鑿碎比能和鑿480次后釬刃磨鈍的寬度 鑿測器圖1 釬頭 2 承擊臺 3 銷釘 4 導(dǎo)向桿 5 落錘 6 卡套 7 轉(zhuǎn)動手柄 四 巖石的可鉆性和可爆性 巖石工程分級的必要性 二 分級方法 第四節(jié)巖石的工程分級 按成因不同 將巖石分為巖漿巖 沉積巖 變質(zhì)巖三類 對于采掘工程來說 又要求要求對巖石進(jìn)行定量的區(qū)分 以便能正確地進(jìn)行工程設(shè)計 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與巖體工程分類問題 一 巖石工程分級的必要性 式中 巖石單向抗壓強(qiáng)度 MPa 10 單位為MPa 普氏分級的優(yōu)點(diǎn) 普氏巖石分級法簡明 便于使用 因而多年來在蘇聯(lián)及一些東歐國家獲得廣泛應(yīng)用 普氏分級的缺點(diǎn) 它沒有反映巖體的特征 關(guān)于巖石堅固性正各方面表現(xiàn)趨于一致的觀點(diǎn) 對少數(shù)巖石也不適用 如粘土就鉆眼容易 而爆破困堆 根據(jù)f的大小將巖石分為10級15種 1 普氏分級法用一個綜合性的指標(biāo) 堅固性系數(shù)f 來表示巖石破壞的相對難易程度 通常稱f為普氏巖石堅固性系數(shù) 二 分級方法 巖石按堅固性分級 2 根據(jù)錨噴支護(hù)需要 按照煤礦巖層特點(diǎn)制定的圍巖分類 二 分級方法 3 巖心質(zhì)量指標(biāo)分級法 R