1、普氏巖石硬度系數知識由俄羅斯學者于1926年提出的巖石堅固性系數（又稱普氏系數）至今仍在 礦山開采業和勘探掘進中得到廣范應用。 巖石的堅固性區別于巖石的強度，強度 值必定與某種變形方式（單軸壓縮、拉伸、剪切）相聯系，而堅固性反映的是巖 石在幾種變形方式的組合作用下抵抗破壞的能力。1.普氏系數又稱巖石的堅固性系數、緊固系數，數值是巖石或土壤的單軸 抗壓強度極限的1/100，記作f，無量綱。f=Sc/100，式中：Sc的計量單位為 kg/cm²。2.因為在鉆掘施工中往往不是采用純壓入或純回轉的方法破碎巖石， 因此這種反映在組合作用下巖石破碎難易程度的指標比較貼近生產實際情 況。巖石堅固性

2、系數 f表征的是巖石抵抗破碎的相對值。因為巖石的抗壓 能力最強，故把巖石單軸抗壓強度極限的1/10作為巖石的堅固性系數，即f=R/10式中：石的單軸抗壓強度，MPaf是個無量綱的值，它表明某種巖石的堅固性比致密的粘土堅固多少倍，因為致密粘土的抗壓強度為10MPa巖石堅固性系數的計算公式簡潔明了，f值可用于預計巖石抵抗破碎的能力及其鉆掘以后的穩定性。根據巖石的堅固性系數 可把巖石分成10級（見下表），等級越高的巖 石越容易破碎。為了方便使用又在第川，嘰V , W , %級的中間加了半級。 考慮到生產中不會大量遇到抗壓強度大于200MPa的巖石，故把凡是抗壓強度大于200MPa的巖石都歸入I級。這

3、種方法比較簡單，而且在一定程度上反映了巖石的客觀性質。但它 也還存在著一些缺點：（1）巖石的堅固性雖概括了巖石的各種屬性（如巖石的鑿巖性、爆破 性，穩定性等），但在有些情況下這些屬性并不是完全一致的。（2）普氏分級法采用實驗室測定來代替現場測定，這就不可避免 地帶來因應力狀態的改變而造成的堅固程度上的誤差。極硬（f = 20）、很硬（f =:15）、堅硬（f = 810）、較硬（f = 56）、普通（f = 34）、較軟（f =2 ）、軟層（f =1）、松軟（f V1）等8類。額分類普氏分類土壤及巖石天然濕度下極限壓碎強用輕鉆孔機開挖方法及緊固系數名稱平均容重度鉆進1m工具Kg/m3Kg/cm

4、2minf四類土壤IV土含碎石重1950一一用尖鍬并同粘土，其中包時用鎬和撬松石次堅石vn括石炭紀、侏 羅紀的硬粘 土含有碎石、卵1950石、建筑碎料和重達 25kg的頑石（總體積10%以內）等雜質的肥粘土和重壤土冰磧粘土，含2000有重量在50kg 以內的巨礫，其含量為總體積 10%以內泥板巖2000不含或含有1950重量達 10kg的頑石含有重量在210050kg 以內的巨礫（占體積10%以上）的冰磧石矽藻巖和軟1800白堊巖膠結力弱的1900礫巖各種不堅實2600的版巖石膏2200凝灰巖、和浮1100石灰巖多孔和1200裂隙嚴重的石灰巖和介質石灰巖中等硬變的2700I 匚 u_r片巖中等

5、硬變的2300泥灰巖石灰石膠結2200小于 200200400400600棍開挖部分用手鑿 工具、部分用 爆破米開挖用風鎬的爆 24破法來開挖用爆破方法 46開挖的帶有卵石 和沉積巖的 礫石普堅石風化的和有2000大裂縫的粘 土質砂巖堅實的泥板2800巖堅實的泥灰2500巖礫質花崗巖2300泥灰質石灰2300巖粘土質砂巖2200砂質云片巖2300硬石膏2900IX嚴重風化的 軟弱的花崗 巖、片麻巖和 正長巖2500滑石化的蛇紋巖2400致密的石灰巖2500含有卵石、沉 積巖的碴質 膠結的礫巖2500砂巖2500砂質石灰灰質片巖25006008008001000用爆破方法 68開挖用爆破方法 8

6、10開挖上一頁 123_下一頁定額分類普氏分類土壤及巖石天然濕度下極限壓碎強用輕鉆孔機開挖方法及緊固系數名稱平均容重度鉆進1m工具Kg/m3Kg/cm2minf一、 二類I砂1500一一用尖鍬開挖土壤砂壤土1600腐殖土1200泥炭600n輕壤土和黃1600一一用鍬開挖并土類土少數用鎬開潮濕而松散1600挖的黃土，軟的 鹽漬土和堿 土類土壤平均 15MM以 1700內的松散而軟的礫石含有草根的 1400密實腐殖土含有直徑在30MM以內根類的泥炭和 腐殖土摻有卵石、碎 石和石屑的 砂和腐殖土 含有卵石、或 碎石雜質的 膠結成塊的 填土含有卵石、碎 石和建筑料 雜質的砂壤 土川肥粘土其中 1800

7、包括石炭紀、 侏羅紀的粘 土和冰粘土重壤土、粗礫 1750 石、粒徑為15-40MM勺碎石或卵石干黃土和摻 1790 有碎石或卵石的自然含 水量黃土含有直徑大 1400于30MM根類的腐殖土或 泥炭摻有碎石或 1900 卵石和建筑 碎料的土壤用尖鍬開挖 并少數用鎬 開挖用尖鍬并同 時用鎬和撬 棍開挖（30%12_ 3_下一頁定額分類普氏分類土壤及巖石天然濕度下名稱平均容重Kg/m3普堅石X白云石2700極限壓碎強用輕鉆孔機開挖方法及緊固系數度鉆進1m工具Kg/cm2minf1000 2000用爆破方法1012堅固的石灰i-JU巖2700開挖大理巖2700石灰巖質膠 結的致密礫 石2600堅固的

8、砂質匚 u_r片巖2600特堅石粗花崗巖28001200 1400用爆破方法1214非常堅硬的 白云巖2900開挖蛇紋巖2600石灰質膠結 的含有火成 巖之卵石的 礫石2800石英膠結的2700堅固砂巖 粗粒正長巖2700劉具有風化痕27001400 1600用爆破方法1416跡的安山巖開挖丄化！JU和玄武巖2600片麻巖非常堅固的石灰巖2900硅質膠結的2900含有火成巖之卵石的礫I-JU巖 粗石巖2600xm中粒花崗巖31001600 1800用爆破方法1618堅固耐用的丄化！JU2800開挖片麻巖輝綠巖2700玢巖2500堅固的粗面i-JU巖2800中粒正長巖2800xw非常堅硬的330

9、01800 2000用爆破方法1820細粒花崗巖開挖花崗巖麻巖 2900 閃長巖 2900 高硬 度的石 3100 灰巖堅固的玢巖2700XV女山巖、玄武31002000 2500用爆破方法2025巖、堅固的負開挖頁巖高硬度的輝2900綠巖和閃長巖堅固的輝長2800巖和石英巖XW拉長玄武巖3300大于2500小于60用爆破方法大于25和橄欖玄武開挖巖小塌方：塌方咼度3m或體積30m3中塌方:塌方咼度 36m,或體積30100m3;大塌方：塌方咼度6m或體積100m3;表1-9按堅固性系數對巖石可鉆性分級表巖石堅固代表性巖石f級別程度I最堅固20最堅固、致密、有韌性的石英巖、玄武巖和其他各種特別

10、堅固的巖石。n很堅固很堅固的花崗巖、石英斑巖、硅質片巖，較堅固的石英巖，最堅固的砂 巖和石灰巖。15出堅固致密的花崗巖，很堅固的砂巖和石灰巖，石英礦脈，堅固的礫巖，很堅 固的鐵礦石。10川a堅固堅固的砂巖、石灰巖、大理巖、白云巖、黃鐵礦，不堅固的花岡巖。8IV比較堅固一般的砂巖、鐵礦石6IVa比較堅固砂質頁巖，頁巖質砂巖。5V中等堅固堅固的泥質頁巖，不堅固的砂巖和石灰巖，軟礫石。4Va中等堅固各種不堅固的頁巖，致密的泥灰巖。3屮比較軟軟弱頁巖，很軟的石灰巖，白堊，鹽巖，石膏，無煙煤，破碎的砂巖和 石質土壤。2Wa比較軟碎石質土壤，破碎的頁巖，粘結成塊的礫石、碎石，堅固的煤，硬化的 粘土。vn軟

11、軟致密粘土，較軟的煙煤，堅固的沖擊土層，粘土質土壤。1Wa軟軟砂質粘土、礫石，黃土。vrn土狀腐殖土，泥煤，軟砂質土壤，濕砂。IX松散狀砂，山礫堆積，細礫石，松土，開米下來的煤。X流沙狀流沙，沼澤土壤，含水黃土及其他含水土壤。奧國礦物學家摩氏(FrederichMohs )創立一種硬度表，作為評判礦物硬度的標準。最軟者為滑石，最硬者為金剛石，共有十種礦物，定為十級，分別為：滑石(Talc)石膏(Gypsum)指甲方解石(Calcite)銅幣螢石(Fluorite) 磷灰石(Apatite) 鋼刀玻璃-6正長石(Orthoclase)鋼鋰石英(Quartz)黃玉(Topaz) 剛玉(Corund

12、um) 金剛石(Diamond)摩氏硬度表中所刊載的數字，并沒有比例上的關系。例如正長石硬度6，并不表示他是方解石硬度的兩倍，數字的大小僅表明硬度排行而已。 當鑒定硬度時，如果沒有以上的摩氏硬度計,可用其他東西代替,如小刀其硬度約為；銅幣約為至4;指甲約為2至3;玻璃硬度為6。關于礦石硬度等級的劃分礦石硬度等Kg/cm2普氏硬度系可碎性系數可磨性系巖石實例級數數很軟200200020硬化岡巖，玄武巖，含鐵石英巖M. M.普羅托齊雅科諾夫基于實際工程觀察和模型試驗結果，提出了天然平衡拱法分析圍巖應力。此法在我國簡稱為普 氏fk法，得到了普遍的應用。此法認為，洞室開挖后圍巖一部分砂體失去平衡而向下

13、塌落，塌落部位以上和兩側砂體， 處于新的平衡狀態而穩定。塌落邊界輪廓呈拱形。 若洞室側圍砂體沿斜面滑動，洞頂仍塌落后呈拱形。 若有支撐或襯砌，作用在支撐或襯砌上的壓力，便是拱圈以內塌落的砂體重量，而拱圈以外的砂體已維持自身平衡。這個拱便稱為“天然 平衡拱”。設洞壁鉛直，把側圍三角形滑塌體內最大主應力方向視為鉛直的，則天然條件下滑塌斜面就會與側壁呈45$ /2的夾角。由此，對散粒土體根據靜力平衡的平面問題做出假定條件后，便可求出拱圈（塌落體）高度。普氏將此方法推廣到巖體上，認為被許多裂隙切割的巖體也可以視為具一定凝聚力的松散體，并認為堅固系數為巖石抗 壓強度的1/100;對fk V 4的巖土，按

14、上述方法計算洞頂和洞壁的圍巖壓力；對fk 4的巖石，貝幟有洞頂出現圍巖壓力，一般沒有側壁圍巖壓力。fk反映了巖土強度特性。軟弱巖石fk值均小于4, 土的fk值均小于。對于4 = 0的浮砂及飽水淤泥，一般可按靜水壓力原則計算圍巖壓力。普氏平衡拱理論有一定優點，把塌落體的重量視為圍巖壓力，很直觀，易理解，也有理論根據。但把所有圍巖塌落體均 視為拱形，便有很大局限性。實際上，除一般土體外，巖體塌落體大都不呈拱形。普氏理論完全不考慮巖體結構、構造 應力，特別是圍巖應力重分布的影響。目前，由于長期實踐，多數部門仍沿用堅固系數fk，并按fk法確定圍巖塌落的拱高度，計算圍巖壓力。當確定巖體堅固系數時，使其帶

15、有經驗性質的系數，即反映了巖體具體的地質條件，如巖性、風 化破碎及構造特征等，便更符合實際。盡管如此fk法最好只用于土體和軟弱巖體，對堅硬巖石的圍巖應具體分析巖體結構等特征，去確定圍巖壓力熟悉新奧法施工的原理和技術要點；了解礦山法（爆破法）的原理及技術要點；熟悉掘進機法、盾構法的特點及適用條件;了解太沙基理論的分析方法；熟悉土體應力、地應力、應變測試和彈性波測試方法及應用。散體地壓的兩種計算方法l地壓的普氏計算方法（1）破碎巖石強度條件的修正t =c+(T tan $圍巖未破碎時的強度條件：產生散體地壓時，非彈性變形區內的巖石已被破壞，c、值有所降低，強度曲線由原來的AA/,變BB/，如圖所示

16、，相應c、$值降低為c/、$ /。由于降低后的c/、$ /很難測定，且松散巖體黏聚力很低，故可以通過原點的斜直線0D近似代替BB/，即用B角相對于$角的變化，反映c、$的降低值c/、$ /。稱B角為似內摩擦角”或內阻力角”。因此，破碎巖石的強度條件近似為：t=b tan 3式中 tan 3 =?, ?為普氏堅固性系數，？ =Sc/100(Sc為巖石單軸抗壓強度)。【例題1】按照地壓的 普氏理論，破碎巖石的強度近似條件為：t =b tan 3,巖石破碎前、后的內摩擦角分為/ , 關于3及$、$ /的比較，下列各項中正確的是 ()。A、3 $ $ / ；B、3 $ 3 $ / ；D、$ / 3 $

17、； 答案： A【例題 2】當地下洞室的圍巖產生散體地壓時,被破壞的巖石是指()。A、彈性變形區內的巖石；B、塑性變形區內的巖石；C、被軟弱結構面切割成塊體的圍巖；D、原已破碎的圍巖；答案： B、 C、 D(2) 平巷地壓 普氏 計算法普氏理論即自然平衡拱理論 。其主要之點是： 視冒落巖體為具有一定凝聚力的松散體；巷道頂板的冒落形式呈拱形 最終穩定下來,這種拱稱作自然平衡拱；自然平衡拱的輪廓線是一條拋物線。如圖所示，拱上作用有均布重力荷載q，取脫離體0M如圖(b)，設M點的坐標為x、y。作用于OMt的外力有右半拱的水平推力T,垂直均布荷載q和左半半拱被截掉部分的反力 R。由拱的平衡條件取工 MM

18、=0普氏堅固性系數？可按單軸抗壓強度的百分之一，Sc/100。為了更確切的反映巖體的實際強度，可結合地下工程具體條件加以修正。【例題 3】按照 普氏 理論,對于產生散體地壓的圍巖,其作用于支護結構上的壓力為()。A、大于拱內巖石的重量；B、等于拱內巖石的重量；C、小于拱內巖石的重量；D、以上A、B、C三種情況均有可能產生；答案： B【例題 4】關于 普氏堅固性系數?,下列各項中不正確的是()。A、?可按單軸抗壓強度的百分之一；B、?可按抗剪強度的百分之一；C、 為了更確切的反映巖體的實際強度，？值可結合地下工程具體條件加以修正；D、?可按抗拉強度的百分之一；答案： B、 D【例題 5】自然 平

19、衡拱理論 是指 () 。A、普氏理論；B、太沙基理論；C、TBM施工理論；D、NAT施工理論；答案： A【例題 6】按照 普氏 理論，自然平衡拱的輪輪廓線為 ( )。A、一條直線；B、一條對數線；C、一條單曲線；D、一條拋物線；答案： D2 地壓太沙基計算方法太沙基理論也把破裂巖體看成松散體。它的特點是從應力傳遞的概念出發，推導出作用于支架上的垂直應力計算公式。【例題 8】太沙基計算法的適用范圍是A、一般用于埋深不大的巷道地壓計算；B、般用于埋深較大的巷道地壓計算；c、般用于沖擊地壓計算；D、般用于變形地壓的計算；答案：A當巷道埋深不大時，支護結構的彎曲和下沉引起覆蓋巖層下滑，)。從松散體理論分析圍巖壓力計算公式中，不難看出，產生圍巖壓力的根本原因，在于兩種不同的土體塌落：整體塌落或 土柱底部局部塌落，從而建立兩種圍巖壓力的計算公式 。