北京工業職業技術學院第1章

巖石的性質及工程分級北京工業職業技術學院第1章巖石的性質及工程分級1講述內容第一節概述第二節巖石的物理性質第三節巖石的力學性質第四節巖石的工程分級講述內容第一節概述第二節巖石的物理性質第三節2第一節概述基本概念1.巖石

2.巖塊

3.巖體

4.表土

5.基巖

組成地殼的基本物質，由礦物或巖屑在地質作用下按一定規律而形成的自然地質體，包括巖漿巖、沉積巖、變質巖。從地殼中切取出來的小塊體，不包含軟弱面（巖體中的地質遺跡、層理、節理、斷層、裂隙面），近似認為各向同性的連續介質,。地下工程周圍較大范圍內的自然地質體。從煤礦采掘工程角度：包括巖石、地下水、瓦斯。巖體的性質復雜，是我們研究的主要對象。

建井工作者把覆蓋在地殼上部的第四紀沉積物成為表土，也稱為松散性巖石，如：黃土、流沙、粘土等。表土以下的固結性巖石稱為基巖。第一節概述基本概念1.巖石2.巖塊3.巖體4.3第一節概述第一節概述第一節概述第一節概述4第一節概述第一節概述第一節概述第一節概述5第二節巖石的物理性質一、巖石的相對密度、密度

二、巖石的孔隙性三、巖石的水理性質四、巖石的碎脹性第二節巖石的物理性質一、巖石的相對密度、密度二、巖石6一、巖石的相對密度、密度

1．相對密度巖石的相對密度是指巖石固體實體積(不包括孔隙體積)的質量與同體積水的質量的比值。計算公式為：式中：d——巖石的相對密度；G—絕對干燥時體積為VC的巖石質量，g；VC—巖石固體實體積，cm3；ρW——水的密度，g／cm3。第二節巖石的物理性質一、巖石的相對密度、密度1．相對密度第二節巖石的物理72.密度巖石單位體積(包括巖石內孔隙體積)的質量，稱為巖石的密度，亦稱質量密度。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量，后者是天然含水或飽水狀態下的密度。式中：ρC——巖石的干密度，g／cm3；ρ——巖石的濕密度，g／cm3G——巖石試件烘干后的質量，g；G1——巖石試件的質量(天然含水或飽水)，g；V——巖石試件的體積，cm3。第二節巖石的物理性質2.密度式中：ρC——巖石的干密度，g／cm3；第二節83．重度(重力密度)單位體積巖石質量所受的重力。

γ=ρg式中：γ——巖石的重度，N／m3；ρ——巖石密度，kg／m3；g——重力加速度，9.8m／s2。第二節巖石的物理性質3．重度(重力密度)第二節巖石的物理性質9二、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各種裂隙、孔隙的體積總和與試件總體積V之比(常以百分數表示)：

孔隙比是巖石試件內各種裂隙、孔隙的體積總和與試件內固體礦物顆粒體積Vc之比。第二節巖石的物理性質二、巖石的孔隙性巖石的孔隙性是指巖石的孔隙和裂隙的發育程度，10三、巖石的水理性質1.巖石吸水率（W）是指巖石試件在標準大氣壓下吸入水的質量與試件烘干后質量G之比值。影響吸水率的因素：⑴巖石所含孔隙，裂隙的數量、大小、開閉程度及其分布情況有關；⑵試驗條件，試驗表明，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。吸水率對巖石力學性質有影響。第二節巖石的物理性質三、巖石的水理性質1.巖石吸水率（W）影響吸水率的因素：第二11第二節巖石的物理性質第二節巖石的物理性質122．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，稱為巖石的透水性。Q—滲水量;A—滲透面積；I—水力坡度; K-滲透系數影響因素：地下水壓力、巖體應力狀態、孔隙發育程度、連通程度等。第二節巖石的物理性質2．巖石的透水性Q—滲水量;影響因素：第二節巖石的物理13第二節巖石的物理性質第二節巖石的物理性質143.巖石的溶蝕性由于水的化學作用而把巖石中某些組成物質帶走的現象稱為巖石的溶濕性。導致巖石致密程度降低，孔隙度增大，強度降低,貴州761礦巷道中的鐘乳石、石筍。4．巖石的軟化性巖石浸水飽和后強度降低的性質，稱為軟化性，用軟化系數(ηc)表示。ηc定義為巖石試件的飽和抗壓強度(Rcw)與干抗壓強度(Rc)的比值，即第二節巖石的物理性質3.巖石的溶蝕性4．巖石的軟化性第二節巖石的物理性質155.巖石的膨脹性和崩解性。⑴膨脹性軟巖浸水后體積增大和響應的引起壓力增大的性質，用膨脹應力和膨脹率來表示。膨脹應力：巖石與水進行物理化學反應后，隨時間變化會產生體積增大的現象，這時，使試件體積保持不變所需要的壓力稱膨脹應力。膨脹率：巖石與水進行物理化學反應增大后的體積與原體積的比率。

⑵崩解性軟巖浸水后發生解體的性質。用耐崩解指數表示：巖石試件在承受干燥和濕潤兩個標準循環后，巖樣對軟化和崩解表現出來的抵抗力。用耐崩解儀測定。第二節巖石的物理性質5.巖石的膨脹性和崩解性。⑵崩解性第二節巖石的物理性質16四、巖石的碎脹性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稱為碎脹性。碎脹程度的大小可用碎脹系數表示。第二節巖石的物理性質四、巖石的碎脹性巖石的碎脹性巖石破碎后因巖塊間空隙增17第三節巖石的力學性質一、巖石的變形特征二、巖石的強度特征三、巖石的硬度

四、巖石的可鉆性和可爆性第三節巖石的力學性質一、巖石的變形特征二、巖石的強度特征三18一、巖石的變形特征㈠靜載荷下巖石的變形特征（單向壓縮）⑴應力應變曲線I—OA階段裂隙壓密閉合階段

Ⅱ—AB階段線彈性階段

Ⅲ—BC段破裂發展階段

Ⅳ一CD，軟化階段

第三節巖石的力學性質一、巖石的變形特征⑴應力應變曲線I—OA階段裂隙壓密閉合階段19⑵體積應變巖石的體積改變量ΔV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、轉折點在附近。巖石在塑性階段體積增大的性質稱為擴容現象,對于研究巷道變形和圍巖對支護造成的壓力等問題有重要意義。第三節巖石的力學性質⑵體積應變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20⑶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：永久變形或全變形在3%到5%之間。

第三節巖石的力學性質⑶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21特點：⑴彈性段與單軸壓縮基本相同；⑵巖石表現出明顯的塑性變形；⑶屈服極限，強度峰值、殘余強度與圍壓大小成正比；⑷大部分巖石在一定臨界圍壓下出現屈服平臺，呈塑性流動現象；⑸達到臨界圍壓后，繼續提高圍壓，不在出現峰值，應力—應變出現單調增長趨勢。

第三節巖石的力學性質特點：第三節巖石的力學性質22（三）動壓條件下巖石的變形特征⑴動荷載的特點第三節巖石的力學性質（三）動壓條件下巖石的變形特征⑴動荷載的特點第三節巖石的力23⑵巖石在動荷載作用下的變形特征F

ΔLΔL—質點擾動位移，CP—質點擾動的傳播速度（波速），Δt—波的傳播時間，CPΔt—在Δt—時間內變形范圍。

第三節巖石的力學性質⑵巖石在動荷載作用下的變形特征FΔLΔL—質點擾動位移，C24⑶波的反射和投射表面波(勒夫波)

：沿介質邊界傳播c；體積波：在介質內部傳播，分為橫波和縱波橫波：介質振動方向和波的傳播方向垂直，產生剪切變形b；縱波：質點振動方向和波的傳播方向一致，產生壓縮、拉伸變形a；瑞利波：質點運動軌跡為橢圓的波，為地震波的主要形式

d第三節巖石的力學性質⑶波的反射和投射表面波(勒夫波)：沿介質邊界傳播c；第三節25二、巖石的強度特征1．巖石在靜荷載作用下的強度⑴大多數情況下，巖石表現為脆性破壞；⑵同種巖石強度并非常數；⑶不同受力情況下，巖石的極限強度相差懸殊。三向等壓抗壓強度>三向不等壓抗壓強度>雙向抗壓強度>單向抗壓強度>單向抗剪強度>單向抗彎強度>單向抗拉強度。單向抗壓強度RC、單向抗剪強度τ、單向抗拉強度Rt之間有下列關系：第三節巖石的力學性質二、巖石的強度特征1．巖石在靜荷載作用下的強度⑴大多數情況26第三節巖石的力學性質第三節巖石的力學性質27三、巖石的硬度巖石的硬度是巖石抵抗其他較硬物體侵入的能力。硬度與強度又有區別。1．靜壓入硬度巖石的硬度是巖石抵抗其他較硬物體侵入的能力。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，我國生產的施米特錘叫回彈儀。第三節巖石的力學性質三、巖石的硬度巖石的硬度是巖石抵抗其他較硬物體侵入的能力。128四、巖石的可鉆性和可爆性1．鑿碎比功：即破碎單位體積巖石所作的功．現以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第三節巖石的力學性質四、巖石的可鉆性和可爆性1．鑿碎比功：即破碎單位體積巖石所29第四節巖石的工程分級一、巖石工程分級的必要性二、分級方法第四節巖石的工程分級一、巖石工程分級的必要性30一、巖石工程分級的必要性按成因不同，將巖石分為巖漿巖、沉積巖、變質巖三類，對于采掘工程來說，又要求要求對巖石進行定量的區分，以便能正確地進行工程設計，合理地選用施工方法、施工設備、機具與器材，準確地制定生產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。第四節巖石的工程分級一、巖石工程分級的必要性按成因不同，將巖石分為巖漿巖、沉積巖31二、分級方法1．普氏分級法用一個綜合性的指標——堅固性系數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。ＲＣ—巖石單向抗壓強度，MPa；10—單位為MPa；普氏分級的優點：普氏巖石分級法簡明，便于使用，因而多年來在蘇聯及一些東歐國家獲得廣泛應用。缺點：它沒有反映巖體的特征。關于巖石堅固性正各方面表現趨于一致的觀點，對少數巖石也不適用，如粘土就鉆眼容易，而爆破困堆。第四節巖石的工程分級二、分級方法1．普氏分級法ＲＣ—巖石單向抗壓強度，MPa；第32根據f的大小將巖石分為10級15種第四節巖石的工程分級根據f的大小將巖石分為10級15種第四節巖石的工程分級332．根據錨噴支護需要，按照煤礦巖層特點制定的圍巖分類。第四節巖石的工程分級2．根據錨噴支護需要，按照煤礦巖層特點制定的圍巖分類。第四節343．巖心質量指標分級法（R．Q．D）即鉆探時將鉆孔中直接獲取的巖心的總長度，扣除破碎巖心和軟弱夾泥的長度，再與鉆孔總進尺相比。具體計算巖心長度時，只計算大于10cm的堅硬和完整的巖心，既：

R．Q．D=第四節巖石的工程分級3．巖心質量指標分級法（R．Q．D）R．Q．D=第四節35演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！36北京工業職業技術學院第1章

巖石的性質及工程分級北京工業職業技術學院第1章巖石的性質及工程分級37講述內容第一節概述第二節巖石的物理性質第三節巖石的力學性質第四節巖石的工程分級講述內容第一節概述第二節巖石的物理性質第三節38第一節概述基本概念1.巖石

2.巖塊

3.巖體

4.表土

5.基巖

組成地殼的基本物質，由礦物或巖屑在地質作用下按一定規律而形成的自然地質體，包括巖漿巖、沉積巖、變質巖。從地殼中切取出來的小塊體，不包含軟弱面（巖體中的地質遺跡、層理、節理、斷層、裂隙面），近似認為各向同性的連續介質,。地下工程周圍較大范圍內的自然地質體。從煤礦采掘工程角度：包括巖石、地下水、瓦斯。巖體的性質復雜，是我們研究的主要對象。

建井工作者把覆蓋在地殼上部的第四紀沉積物成為表土，也稱為松散性巖石，如：黃土、流沙、粘土等。表土以下的固結性巖石稱為基巖。第一節概述基本概念1.巖石2.巖塊3.巖體4.39第一節概述第一節概述第一節概述第一節概述40第一節概述第一節概述第一節概述第一節概述41第二節巖石的物理性質一、巖石的相對密度、密度

二、巖石的孔隙性三、巖石的水理性質四、巖石的碎脹性第二節巖石的物理性質一、巖石的相對密度、密度二、巖石42一、巖石的相對密度、密度

1．相對密度巖石的相對密度是指巖石固體實體積(不包括孔隙體積)的質量與同體積水的質量的比值。計算公式為：式中：d——巖石的相對密度；G—絕對干燥時體積為VC的巖石質量，g；VC—巖石固體實體積，cm3；ρW——水的密度，g／cm3。第二節巖石的物理性質一、巖石的相對密度、密度1．相對密度第二節巖石的物理432.密度巖石單位體積(包括巖石內孔隙體積)的質量，稱為巖石的密度，亦稱質量密度。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量，后者是天然含水或飽水狀態下的密度。式中：ρC——巖石的干密度，g／cm3；ρ——巖石的濕密度，g／cm3G——巖石試件烘干后的質量，g；G1——巖石試件的質量(天然含水或飽水)，g；V——巖石試件的體積，cm3。第二節巖石的物理性質2.密度式中：ρC——巖石的干密度，g／cm3；第二節443．重度(重力密度)單位體積巖石質量所受的重力。

γ=ρg式中：γ——巖石的重度，N／m3；ρ——巖石密度，kg／m3；g——重力加速度，9.8m／s2。第二節巖石的物理性質3．重度(重力密度)第二節巖石的物理性質45二、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各種裂隙、孔隙的體積總和與試件總體積V之比(常以百分數表示)：

孔隙比是巖石試件內各種裂隙、孔隙的體積總和與試件內固體礦物顆粒體積Vc之比。第二節巖石的物理性質二、巖石的孔隙性巖石的孔隙性是指巖石的孔隙和裂隙的發育程度，46三、巖石的水理性質1.巖石吸水率（W）是指巖石試件在標準大氣壓下吸入水的質量與試件烘干后質量G之比值。影響吸水率的因素：⑴巖石所含孔隙，裂隙的數量、大小、開閉程度及其分布情況有關；⑵試驗條件，試驗表明，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。吸水率對巖石力學性質有影響。第二節巖石的物理性質三、巖石的水理性質1.巖石吸水率（W）影響吸水率的因素：第二47第二節巖石的物理性質第二節巖石的物理性質482．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，稱為巖石的透水性。Q—滲水量;A—滲透面積；I—水力坡度; K-滲透系數影響因素：地下水壓力、巖體應力狀態、孔隙發育程度、連通程度等。第二節巖石的物理性質2．巖石的透水性Q—滲水量;影響因素：第二節巖石的物理49第二節巖石的物理性質第二節巖石的物理性質503.巖石的溶蝕性由于水的化學作用而把巖石中某些組成物質帶走的現象稱為巖石的溶濕性。導致巖石致密程度降低，孔隙度增大，強度降低,貴州761礦巷道中的鐘乳石、石筍。4．巖石的軟化性巖石浸水飽和后強度降低的性質，稱為軟化性，用軟化系數(ηc)表示。ηc定義為巖石試件的飽和抗壓強度(Rcw)與干抗壓強度(Rc)的比值，即第二節巖石的物理性質3.巖石的溶蝕性4．巖石的軟化性第二節巖石的物理性質515.巖石的膨脹性和崩解性。⑴膨脹性軟巖浸水后體積增大和響應的引起壓力增大的性質，用膨脹應力和膨脹率來表示。膨脹應力：巖石與水進行物理化學反應后，隨時間變化會產生體積增大的現象，這時，使試件體積保持不變所需要的壓力稱膨脹應力。膨脹率：巖石與水進行物理化學反應增大后的體積與原體積的比率。

⑵崩解性軟巖浸水后發生解體的性質。用耐崩解指數表示：巖石試件在承受干燥和濕潤兩個標準循環后，巖樣對軟化和崩解表現出來的抵抗力。用耐崩解儀測定。第二節巖石的物理性質5.巖石的膨脹性和崩解性。⑵崩解性第二節巖石的物理性質52四、巖石的碎脹性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稱為碎脹性。碎脹程度的大小可用碎脹系數表示。第二節巖石的物理性質四、巖石的碎脹性巖石的碎脹性巖石破碎后因巖塊間空隙增53第三節巖石的力學性質一、巖石的變形特征二、巖石的強度特征三、巖石的硬度

四、巖石的可鉆性和可爆性第三節巖石的力學性質一、巖石的變形特征二、巖石的強度特征三54一、巖石的變形特征㈠靜載荷下巖石的變形特征（單向壓縮）⑴應力應變曲線I—OA階段裂隙壓密閉合階段

Ⅱ—AB階段線彈性階段

Ⅲ—BC段破裂發展階段

Ⅳ一CD，軟化階段

第三節巖石的力學性質一、巖石的變形特征⑴應力應變曲線I—OA階段裂隙壓密閉合階段55⑵體積應變巖石的體積改變量ΔV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、轉折點在附近。巖石在塑性階段體積增大的性質稱為擴容現象,對于研究巷道變形和圍巖對支護造成的壓力等問題有重要意義。第三節巖石的力學性質⑵體積應變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56⑶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：永久變形或全變形在3%到5%之間。

第三節巖石的力學性質⑶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57特點：⑴彈性段與單軸壓縮基本相同；⑵巖石表現出明顯的塑性變形；⑶屈服極限，強度峰值、殘余強度與圍壓大小成正比；⑷大部分巖石在一定臨界圍壓下出現屈服平臺，呈塑性流動現象；⑸達到臨界圍壓后，繼續提高圍壓，不在出現峰值，應力—應變出現單調增長趨勢。

第三節巖石的力學性質特點：第三節巖石的力學性質58（三）動壓條件下巖石的變形特征⑴動荷載的特點第三節巖石的力學性質（三）動壓條件下巖石的變形特征⑴動荷載的特點第三節巖石的力59⑵巖石在動荷載作用下的變形特征F

ΔLΔL—質點擾動位移，CP—質點擾動的傳播速度（波速），Δt—波的傳播時間，CPΔt—在Δt—時間內變形范圍。

第三節巖石的力學性質⑵巖石在動荷載作用下的變形特征FΔLΔL—質點擾動位移，C60⑶波的反射和投射表面波(勒夫波)

：沿介質邊界傳播c；體積波：在介質內部傳播，分為橫波和縱波橫波：介質振動方向和波的傳播方向垂直，產生剪切變形b；縱波：質點振動方向和波的傳播方向一致，產生壓縮、拉伸變形a；瑞利波：質點運動軌跡為橢圓的波，為地震波的主要形式

d第三節巖石的力學性質⑶波的反射和投射表面波(勒夫波)：沿介質邊界傳播c；第三節61二、巖石的強度特征1．巖石在靜荷載作用下的強度⑴大多數情況下，巖石表現為脆性破壞；⑵同種巖石強度并非常數；⑶不同受力情況下，巖石的極限強度相差懸殊。三向等壓抗壓強度>三向不等壓抗壓強度>雙向抗壓強度>單向抗壓強度>單向抗剪強度>單向抗彎強度>單向抗拉強度。單向抗壓強度RC、單向抗剪強度τ、單向抗拉強度Rt之間有下列關系：第三節巖石的力學性質二、巖石的強度特征1．巖石在靜荷載作用下的強度⑴大多數情況62第三節巖石的力學性質第三節巖石的力學性質63三、巖石的硬度巖石的硬度是巖石抵抗其他較硬物體侵入的能力。硬度與強度又有區別。1．靜壓入硬度巖石的硬度是巖石抵抗其他較硬物體侵入的能力。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，我國生產的施米特錘叫回彈儀。第三節巖石的力學性質三、巖石