井巷工程教科幻灯片 第一章--岩石性质与分级01.ppt

地下工程 UNDERGROUNDENGINEERING 第一章岩石性质及工程分级 1 1概述1 2岩石的物理性质1 3岩石的力学性质1 4岩石的工程分级1 5习题 第一章岩石性质与工程分类 地应力的地位及重要性地应力是地下工程围岩变形 破坏的根本渊源 其地位相当于工程中习惯性理解的外荷载 但又与材料力学 弹性力学中泛指的外荷载有所不同 地下工程是先受力 后开挖 并且地应力从开挖前到最终一直对围岩起着作用 地应力是涉及地壳问题各个学科领域最基础的原始资料 11 1地应力的基本概念 基本概念岩石 组成地壳的基本物质 由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律而形成的自然地质体 包括岩浆岩 沉积岩 变质岩 岩块 从地壳中切取出来的小块体 不包含软弱面 岩体中的地质遗迹 层理 节理 断层 裂隙面 近似认为各向同性的连续介质 岩体 地下工程周围较大范围内的自然地质体 从煤矿采掘工程角度 包括岩石 地下水 瓦斯 岩体的性质复杂 是我们研究的主要对象表土 建井工作者把覆盖在地壳上部的第四纪沉积物成为表土 也称为松散性岩石 如 黄土 流沙 粘土等 基岩 表土以下的固结性岩石称为基岩 岩浆岩 沉积岩 变质岩 1 1概述 岩块 1 1概述 岩体 1 1概述 表土和基岩 1 1概述 第二节岩石的物理性质 一 岩石的相对密度 密度 二 岩石的孔隙性 三 岩石的水理性质 四 岩石的碎胀性 1 相对密度 曾称比重 岩石的相对密度是指岩石固体实体积 不包括孔隙体积 的质量与同体积水的质量的比值 计算公式为 式中 d 岩石的相对密度 无量纲量 G 绝对干燥时体积为VC的岩石质量 g VC 岩石固体实体积 cm3 W 水的密度 g cm3 一 岩石的相对密度 密度 2 密度 岩石单位体积 包括岩石内孔隙体积 的质量 称为岩石的密度 亦称质量密度 两种 干密度和湿密度 前者是单位体积岩石绝对干燥后的质量 后者是天然含水或饱水状态下的密度 C 岩石的干密度 g cm3 岩石的湿密度 g cm3 G 岩石试件烘干后的质量 g G1 岩石试件的质量 天然含水或饱水 g V 岩石试件的体积 cm3 3 重度 重力密度 单位体积岩石质量所受的重力 g式中 岩石的重度 N m3 岩石密度 kg m3 g 重力加速度 9 8m s2 一 岩石的相对密度 密度 二 岩石的孔隙性 岩石的孔隙性是指岩石的孔隙和裂隙的发育程度 它通常用孔隙度n和孔隙比e来表示 孔隙度是指岩石试件内各种裂隙 孔隙的体积总和与试件总体积V之比 常以百分数表示 孔隙比是岩石试件内各种裂隙 孔隙的体积总和与试件内固体矿物颗粒体积Vc之比 三 岩石的水理性质 1 岩石吸水率 W是指岩石试件在标准大气压下吸入水的质量与试件烘干后质量G之比值 影响吸水率的因素 岩石所含孔隙 裂隙的数量 大小 开闭程度及其分布情况有关 试验条件 试验表明 整体岩石试件的吸水率要比同一岩石的碎块试样吸水率小 随着吸水水时间的增加 吸水率也会有所增大 吸水率对岩石力学性质有影响 三 岩石的水理性质 2 岩石的透水性地下水存在于岩石的孔隙和裂隙之中 而且大多数岩石的孔隙和裂隙是相互贯通的 因而 在一定水压作用下 地下水可在岩石中渗透 这种岩石能被水透过的性质 称为岩石的透水性 Q 渗水量 A 渗透面积 I 水力坡度 K 渗透系数 影响因素 地下水压力 岩体应力状态 孔隙发育程度 连通程度等 三 岩石的水理性质 表1 2岩石渗透系数 三 岩石的水理性质 3 岩石的溶蚀性由于水的化学作用而把岩石中某些组成物质带走的现象称为岩石的溶湿性 导致岩石致密程度降低 孔隙度增大 强度降低 贵州761矿巷道中的钟乳石 石笋等 4 岩石的软化性岩石浸水饱和后强度降低的性质 称为软化性 用软化系数 c 表示 c定义为岩石试件的饱和抗压强度 Rcw 与干抗压强度 Rc 的比值 即 三 岩石的水理性质 5 岩石的膨胀性和崩解性 1 膨胀性 软岩浸水后体积增大和响应的引起压力增大的性质 用膨胀应力和膨胀率来表示 膨胀应力 岩石与水进行物理化学反应后 随时间变化会产生体积增大的现象 这时 使试件体积保持不变所需要的压力称膨胀应力 膨胀率 岩石与水进行物理化学反应增大后的体积与原体积的比率 2 崩解性 软岩浸水后发生解体的性质 用耐崩解指数表示 耐崩解指数 岩石试件在承受干燥和湿润两个标准循环后 岩样对软化和崩解表现出来的抵抗力 用耐崩解仪测定 三 岩石的水理性质 岩石的碎胀性 岩石破碎后因岩块间空隙增多而总体积增大的性质称为碎胀性 碎胀程度的大小可用碎胀系数表示 K 岩石的碎胀系数 V1 岩石破碎膨胀后的体积 V 岩石处于整体状态下的体积 表1 4常见岩石碎胀系数 四 岩石的碎胀性 一 岩石的变形特征 二 岩石的强度特征 三 岩石的硬度 四 岩石的可钻性和可爆性 第三节岩石的力学性质 一 静载荷下岩石的变形特征 单向压缩 一 岩石的变形特征 二 岩石在三向静荷载压缩条件下的变形特征 三 动压条件下岩石的变形特征 第三节岩石的力学性质 一 静载荷下岩石的变形特征 单向压缩 1 应力应变曲线 2 体积应变 3 三种破坏形式 一 岩石的变形特性 1 应力应变曲线 I OA阶段 裂隙压密闭合阶段 AB阶段 线弹性阶段 BC阶段 破裂发展阶段 CD阶段 软化阶段 一 岩石的变形特性 2 体积应变 岩石的体积改变量 V与原体积V的比值 也称体积改变率 一般岩石具有在弹性阶段体积变小和塑性阶段体积增大的特点 转折点在附近 岩石在塑性阶段体积增大的性质称为扩容现象 对于研究巷道变形和围岩对支护造成的压力等问题有重要意义 一 岩石的变形特性 3 三种破坏形式脆性破坏 永久变形或全变形小于3 者为脆性破坏 具有这种特性的岩石称为脆性岩石 塑性破坏 永久变形或全变形大于5 者塑性破坏 具有这种特性的岩石称为塑性岩石 过度状态 永久变形或全变形在3 到5 之间 一 岩石的变形特性 二 岩石在三向静荷载压缩条件下的变形特征 真三轴试验 1 2 3常规三轴试验 1 2 3 一 岩石的变形特性 特点 1 弹性段与单轴压缩基本相同 2 岩石表现出明显的塑性变形 3 屈服极限 强度峰值 残余强度与围压大小成正比 4 大部分岩石在一定临界围压下出现屈服平台 呈塑性流动现象 5 达到临界围压后 继续提高围压 不在出现峰值 应力 应变出现单调增长趋势 一 岩石的变形特性 三 动压条件下岩石的变形特征 1 动荷载的特点 2 岩石在动荷载作用下的变形特征 3 波的反射和投射 一 岩石的变形特性 1 动荷载的特点 一 岩石的变形特性 表面波 勒夫波 沿介质边界传播c 体积波 在介质内部传播 分为横波和纵波横波 介质振动方向和波的传播方向垂直 产生剪切变形b纵波 质点振动方向和波的传播方向一致 产生压缩 拉伸变形a 瑞利波 质点运动轨迹为椭圆的波 为地震波的主要形式d 3 波的反射和投射 一 岩石的变形特性 为介质密度 区段截面积 CP 为波阻抗 介质密度和波速的乘积 表征介质对于应力波的阻尼作用 当 1CP1 2CP2时 r 0 t i 不产生波的反射 当 2CP2 1CP1时 r 0 t 0 说明交界面上既有透射波 又有反射波 当 2CP2 0或 2CP2 1CP1时 即当应力波到达的交界面为自由面时 r i t 0 叠加结果是交界面的应力值为零 当 2CP2 1CP1时 交界面既有透射压缩波又有反射拉伸波 也能破碎岩石 为垂直反射系数 为垂直透射系数 1 大多数情况下 岩石表现为脆性破坏 2 同种岩石强度并非常数 3 不同受力情况下 岩石的极限强度相差悬殊 三向等压抗压强度 三向不等压抗压强度 双向抗压强度 单向抗压强度 单向抗剪强度 单向抗弯强度 单向抗拉强度 单向抗压强度RC 单向抗剪强度 单向抗拉强度Rt之间有下列关系 1 岩石在静荷载作用下的强度 二 岩石的强度特征 2 动荷载作用下的强度 二 岩石的强度特征 岩石的硬度是岩石抵抗其他较硬物体侵入的能力 1 静压入硬度 2 回弹高度 以重物落于岩石表面后的回弹高度来表示 岩石越硬 回弹高度越大 常用肖氏硬度计和施米特锤来测定 施米特锤用来测定混凝土硬度 我国生产的施米特锤叫回弹仪 岩石的硬度 是岩石抵抗其他较硬物体侵入的能力 硬度与强度又有区别 三 岩石的硬度 1 凿碎比功 即破碎单位体积岩石所作的功 现以a表示 单位为J 厘米3 2 钎刃磨钝宽 即岩石的磨蚀性 量出钎刃两端向内4 处的磨钝宽度 以b表示 单位为 目前 使用便携式岩石凿测器 测定岩石的凿碎比能和凿480次后钎刃磨钝的宽度 凿测器图1 钎头 2 承击台 3 销钉 4 导向杆 5 落锤 6 卡套 7 转动手柄 四 岩石的可钻性和可爆性 岩石工程分级的必要性 二 分级方法 第四节岩石的工程分级 按成因不同 将岩石分为岩浆岩 沉积岩 变质岩三类 对于采掘工程来说 又要求要求对岩石进行定量的区分 以便能正确地进行工程设计 合理地选用施工方法 施工设备 机具与器材 准确地制定生产定额和材抖消耗定额等 因此 提出了岩石工程分级与岩体工程分类问题 一 岩石工程分级的必要性 式中 岩石单向抗压强度 MPa 10 单位为MPa 普氏分级的优点 普氏岩石分级法简明 便于使用 因而多年来在苏联及一些东欧国家获得广泛应用 普氏分级的缺点 它没有反映岩体的特征 关于岩石坚固性正各方面表现趋于一致的观点 对少数岩石也不适用 如粘土就钻眼容易 而爆破困堆 根据f的大小将岩石分为10级15种 1 普氏分级法用一个综合性的指标 坚固性系数f 来表示岩石破坏的相对难易程度 通常称f为普氏岩石坚固性系数 二 分级方法 岩石按坚固性分级 2 根据锚喷支护需要 按照煤矿岩层特点制定的围岩分类 二 分级方法 3 岩心质量指标分级法 R