1、普氏巖石硬度系數(shù)知識由俄羅斯學者于1926年提出的巖石堅固性系數(shù)（又稱普氏系數(shù)）至今仍在 礦山開采業(yè)和勘探掘進中得到廣范應用。 巖石的堅固性區(qū)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(lián)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(shù)又稱巖石的堅固性系數(shù)、緊固系數(shù)，數(shù)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(chǎn)實際情 況。巖

2、石堅固性系數(shù)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(shù)，即f=R/10式中： R是巖 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(shù)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(wěn)定性。根據(jù)巖石的堅固性系數(shù) 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(chǎn)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

3、都歸入I級。這種方法比較簡單，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(wěn)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(xiàn)場測定，這就不可避免 地帶來因應力狀態(tài)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= 1.52）、軟層（f= 0.81）、 松軟（fv 1 ）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(shù)名稱平均容重度鉆進 1m工

4、具Kg/m3Kg/cm2minf四類土壤IV土含碎石重1950用尖鍬并同1.01.5粘土，其中包時用鎬和撬括石炭紀、 侏 羅紀的硬粘 土棍開挖含有碎石、 卵1950石、建筑碎料 和重達25kg 的頑石（總體 積10%以內(nèi)） 等雜質的肥 粘土和重壤 土 冰磧粘土，含 有重量在200050kg 以 內(nèi) 的巨礫，其含量 為總體積10%以內(nèi) 泥板巖2000不含或含有重 量 達 10kg的頑石1950松石V含有重量在2100小于 200部分用手鑿1.51.250kg 以 內(nèi) 的工具、部分用巨礫（占體積10%以上）的 冰磧石 矽藻巖和軟 白堊巖1800爆破米開挖膠結力弱的1900礫巖 各種不堅實 的版巖2

5、600石膏2200次堅石凝灰?guī)r、和浮石11002004003.5用風鎬的爆241200破法米開挖灰?guī)r多孔和 裂隙嚴重的 石灰?guī)r和介 質石灰?guī)r中等硬變的2700| r . rJU片巖中等硬變的泥灰?guī)r2300vn石灰石膠結22004006006.0用爆破方法46的帶有卵石 和沉積巖的 礫石開挖風化的和有 大裂縫的粘 土質砂巖2000堅實的泥板巖2800堅實的泥灰?guī)r2500礫質花崗巖23006008008.5用爆破方法68泥灰質石灰2300開挖巖粘土質砂巖2200砂質云片巖2300硬石膏2900普堅石IX嚴重風化的2500800100011.5用爆破方法810軟弱的花崗開挖巖、片麻巖和正長巖滑石化的

6、蛇 2400紋巖致密的石灰 2500LJU巖含有卵石、沉 2500積巖的碴質膠結的礫巖砂巖2500砂質石灰灰 2500質片巖上一頁11 2 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/m3一 、 二類I砂1500土壤砂壤土1600腐殖土1200泥炭600n輕壤土和黃土類土1600潮 濕 而 松 散 1600 的黃土，軟的 鹽漬土和堿土平 均 15MM 1700 以內(nèi)的松散 而軟的礫石含 有 草 根 的 1400 密實腐殖土 含有直徑在極限壓 碎強用輕鉆孔機開挖方法 及緊固系數(shù)度鉆進 1m工具Kg/cm2minf用尖鍬開挖0.50.6用鍬開挖并 少數(shù)用鎬開 挖0.60.8用尖

7、 鍬 開挖 0.60.8 并少數(shù)用鎬 開挖30MM 以 內(nèi) 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 土用尖鍬并 同 0.811.0 時用鎬和撬類土壤川肥粘土其中1800包括石炭紀、侏羅紀的粘土和冰粘土棍開挖（30%）重壤土、粗礫 1750石、粒徑為15-40MM 的碎石或卵石 干黃 土和摻 17901下一頁定額分類普堅石特堅石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普氏分類土壤及巖石 名稱天然濕度下 平均容重極限壓碎強

8、 度Kg/m3Kg/cm2X白云石27001000 2000堅固的石灰?guī)r2700大理巖2700石灰?guī)r質膠 結的致密礫 石2600堅固的砂質| r . rJU片巖2600粗花崗巖28001200 1400非常堅硬的白云巖2900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劉丄田屮具有風化痕 跡的安山巖 和玄武巖260027001400 1600片丿林巖非常堅固的 石灰?guī)r2900用輕鉆孔機開挖方法及緊固系數(shù)鉆進1m工具minf15.0用爆破方法開挖101218.5用爆破方法 1214開挖22.0用爆破方法 1416開挖硅 質 膠 結

9、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 180027.5用爆破方法1618堅固耐用的2800開挖片麻巖輝綠巖2700玢巖2500堅固的粗面2800i-JU巖中粒正長巖2800xw非常堅硬的33001800 200032.5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?guī)r堅固的玢巖2700XV安山巖、玄武31002000 250046.0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i-JU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

10、 于 25和橄欖玄武開挖i-JU巖:小塌方：塌方高度3m，或體積30m3 ;中塌方：塌方高度36m，或體積30100m3;大塌方：塌方高度>6m，或體積 >100m3 ;表1-9 按堅固性系數(shù)對巖石可鉆性分級表巖石級別I堅固程度最堅固代表性巖石最堅固、致密、有韌性的石英巖、玄武巖和其他各種特別堅固的巖石。f20n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?guī)r。15出堅固致密的花崗巖，很堅固的砂巖和石灰?guī)r，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?guī)r、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6

11、IV a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?guī)r，軟礫石。4V a中等堅固各種不堅固的頁巖，致密的泥灰?guī)r。3屮比較軟軟弱頁巖，很軟的石灰?guī)r，白堊，鹽巖，石膏，無煙煤，破碎的砂巖和 石質土壤。2W a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。1.5vn軟軟致密粘土，較軟的煙煤，堅固的沖擊土層，粘土質土壤。1vn a軟軟砂質粘土、礫石，黃土。0.8vrn土狀腐殖土，泥煤，軟砂質土壤，濕砂。0.6IX松散狀砂，山礫堆積，細礫石，松土，開采下來的煤。0.5X流沙狀流沙，沼澤土壤，含水黃土及其他含水土壤。0.3奧國礦物學家摩氏(Fr

12、ederich Mohs)創(chuàng)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2.5 方解石(Calcite) 銅幣3.5-4 螢石(Fluorite) 磷灰石(Apatite) 鋼刀5.5 玻璃5.5 -6 正長石(Orthoclase) 鋼銼6.5 石英(Quartz) 黃玉(Topaz) 剛玉(Corundum) | 金剛石(Diamond)摩氏硬度表中所刊載的數(shù)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(shù)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

13、氏硬度計，可用其他東西代替，如小刀其硬度約為5.5;銅幣約為3.5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 級Kg/cm2普氏硬度系數(shù)可碎性系數(shù)可磨性系數(shù)巖石實例很軟<200<21.31.42.00石膏，石板巖軟200800281.11.21.251.4泥灰?guī)r、石灰石中硬80016008161.01.0硫化礦，硬質頁巖硬1600200016200.90.950.850.7硅化頁巖鐵礦，硬沙巖很硬>2000>200.650.750.5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

14、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塌落，塌落部位以上和兩側砂體， 處于新的平衡狀態(tài)而穩(wěn)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(nèi)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(nèi)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(jù)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

15、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(shù)為巖石抗壓強度的1/100;對fk V 4的巖土，按上述方法計算洞頂和洞壁的圍巖壓力；對fk >4的巖石，則只有洞頂出現(xiàn)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1.0。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(yōu)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(jù)。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

16、的影響。目前，由于長期實踐，多數(shù)部門仍沿用堅固系數(shù)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(shù)時，使其帶有經(jīng)驗性質的系數(shù)，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。15.1 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圍巖

17、未破碎時的強度條件：t =c+ (T tan $15.1-1產(chǎn)生散體地壓時，非彈性變形區(qū)內(nèi)的巖石已被破壞，c、$值有所降低，強度曲線由原來的 AA/，變BB/，如圖15.1-1所示，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OD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(nèi)摩擦角”或"內(nèi)阻力角” 。因 此，破碎巖石的強度條件近似為：t =(T tan 3°式中tan 3 =?, ?為普氏堅固性系數(shù)，？ =Sc/100(Sc為巖石單軸抗壓強度)。【例題1】

18、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(nèi)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 < $ <$ /；C、$ > 3 >$ /；D 、$ />3 > $；答案： A【例題 2】當?shù)叵露词业膰鷰r產(chǎn)生散體地壓時,被破壞的巖石是指 ()。A、彈性變形區(qū)內(nèi)的巖石；B、塑性變形區(qū)內(nèi)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

19、一定凝聚力的松散體；巷道頂板的冒落形式呈拱形最終穩(wěn)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15.1-2所示，拱上作用有均布重力荷載q，取脫離體OM，如圖15.1-2(b)，設M點的坐標為x、y。作用于OM上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=0如-=027可fb勁扶:目然平酣卿毀廿酬辦強可軒弍計舞:將拱左變蠱曲坐標代入拱周呈尿，沖蘆#代入平饗拱曲艘方繪武.容換陽推力表藝弍劉:為闈建巨弊方彌嘶迄性，找為齪K艦若取竝魏 3有:KT=<2T=qaf鵬；* 曰于是故舊，苗二更咒加刀需于扶內(nèi)巖石極刀，地玉nT

20、KTrfsirH.說迦口聶工I而祝近叫力;0J1酥卷道JW巖石絹rTZErr P対:15.M普氏堅固性系數(shù)?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(chǎn)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(nèi)巖石的重量；B、等于拱內(nèi)巖石的重量；C、小于拱內(nèi)巖石的重量；D、以上A、 B、 C三種情況均有可能產(chǎn)生；答案： B【例題 4】關于 普氏 堅固性系數(shù) ?，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

21、，？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 平衡拱理論 是指 ()。A、普氏 理論；B 、太沙基理論；C、TBM 施工理論；D、NATM 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(shù)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(fā)，推導出作用于支架上的垂直應力計算公式。 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，癱曲單缶確T魁耀于艾壯灘直功R:2 也二（1-J咖）+疝叫 15.1-5粥L匯直探匣間鏡駝半即計劇諦90a-ffl左竝半也曲叔）；2a-fZ豐：曠訊內(nèi)車灘；i-m邊袁數(shù)j BF；L松尿；廠酣翎寵；TI辭，迴韓鮎遛的匚癡動射平勁鳩.主秒謝0i我阱啊工健）蛇忖取赳題J腆卻劉初當蝦輕少騒龍下i&時-髒面罰克磁痢加）©Qk P0（4： B. - :C、砧*+乂；2 2 2PD悅蘭： 害奧：D、【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、一般用于埋深較大的巷道地壓計算；C、一般用于沖