第一章岩石的性质及其工程分级

1、井巷工程井巷工程1 1 岩石性质与工程分级岩石性质与工程分级引引 子子 井巷施工最基本的工作井巷施工最基本的工作 破岩与井巷维护破岩与井巷维护 为什么要了解岩石与岩体的物理力学性质为什么要了解岩石与岩体的物理力学性质? ? 如何在开挖和支护中利用岩石的强度？如何在开挖和支护中利用岩石的强度？ 为什么要对岩石进行工程分级为什么要对岩石进行工程分级? ?1.11.1 概述概述1.2 1.2 岩石的物理性质岩石的物理性质1.31.3 岩石的力学性质岩石的力学性质1.41.4岩石的工程分级岩石的工程分级 习题习题1.1 1.1 概述概述（1 1）岩石）岩石 组成地壳的基本物质，由一种或多种矿物或岩屑在

2、地组成地壳的基本物质，由一种或多种矿物或岩屑在地质作用下按一定规律而形成的质作用下按一定规律而形成的自然地质体自然地质体，包括岩浆岩、，包括岩浆岩、沉积岩、变质岩。沉积岩、变质岩。 岩石的性质：与其矿物组成、结构有关。岩石的性质：与其矿物组成、结构有关。（2 2）岩体）岩体 地下工程周围较大范围内的自然地质体。地下工程周围较大范围内的自然地质体。 特点：非均质、各向异性、不连续、赋存地质因子。特点：非均质、各向异性、不连续、赋存地质因子。（3 3）岩块）岩块 从地壳中切取出来的小块体，不包含软弱面（岩体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

3、为中的地质遗迹、层理、节理、断层、裂隙面），近似认为各向同性的连续介质。各向同性的连续介质。1.11.1概述概述（4 4）弱面）弱面 层理、节理、断面及裂隙面与所研究岩体的岩块比较层理、节理、断面及裂隙面与所研究岩体的岩块比较, ,具有强度低、易变形的特点具有强度低、易变形的特点, ,称为弱面。称为弱面。 岩体与岩块的差异岩体与岩块的差异： 岩体的强度小，岩块的强度大；岩体的强度小，岩块的强度大； 岩块的各向同性与岩体的各向异性。岩块的各向同性与岩体的各向异性。 岩石是不分岩块和岩体的泛称。岩石是不分岩块和岩体的泛称。（5 5）围岩）围岩 井巷附近受到扰动的岩体。井巷附近受到扰动的岩体。岩块岩

4、块岩体岩体张裂张裂剪裂剪裂1.1 1.1 概述概述（6 6）表土）表土 覆盖在地壳上部的第三纪、第四纪沉积物覆盖在地壳上部的第三纪、第四纪沉积物, ,如黄土、如黄土、粘土、流砂、淤泥、砾石的统称。粘土、流砂、淤泥、砾石的统称。（7 7）基岩）基岩 表土以下的固结性岩石统称为基岩。表土以下的固结性岩石统称为基岩。（8 8）煤系地层）煤系地层 煤层周围一定范围内的地层。煤层周围一定范围内的地层。 多为沉积岩，如砂岩、灰岩、页岩、泥岩等。多为沉积岩，如砂岩、灰岩、页岩、泥岩等。1.2 1.2 岩石的物理性质岩石的物理性质 1.2.1 1.2.1 岩石的相对密度和密度岩石的相对密度和密度 1.2.2

5、1.2.2 岩石的孔隙性岩石的孔隙性 1.2.3 1.2.3 岩石的水理性岩石的水理性 1.2.4 1.2.4 岩石的碎胀性岩石的碎胀性 三相图三相图 岩石是颗粒、水和空气三者所组成的岩石是颗粒、水和空气三者所组成的。岩石的物理性质就是岩石的三相岩石的物理性质就是岩石的三相的质量与体积的相互比例关系的质量与体积的相互比例关系以及以及固、液两相相互作用表现出来的各种性质固、液两相相互作用表现出来的各种性质。反映岩石的三相在数量上的相对比例关系的物理量称为岩石的三相比例指标。反映岩石的三相在数量上的相对比例关系的物理量称为岩石的三相比例指标。岩石的三相比例指标是物理性质的反映，但与其力学性质有内在

6、联系。岩石的三相比例指标是物理性质的反映，但与其力学性质有内在联系。 1 1）相对密度）相对密度( (曾称比重曾称比重) ) 岩石的相对密度是指岩石岩石的相对密度是指岩石固体实体积固体实体积( (不包括孔隙体积不包括孔隙体积) )的质量与同的质量与同体积水的质量的比值。体积水的质量的比值。 计算公式为：计算公式为： 式中：式中： d d 岩石的相对密度岩石的相对密度( (无量纲量无量纲量);); G G绝对干燥时体积为绝对干燥时体积为V VC C的岩石质量，的岩石质量，g g； V VC C岩石固体实体积岩石固体实体积( (不包括孔隙体积不包括孔隙体积) ) ，cmcm3 3； W W水的密度

7、，水的密度，g gcmcm3 3。1.2.1 1.2.1 岩石的相对密度和密度岩石的相对密度和密度WcVGd 2 2）密度）密度岩石岩石单位体积单位体积包括岩石内孔隙体积在内包括岩石内孔隙体积在内的质量的质量 ，又称质量密度，又称质量密度，具有干密度与湿密度之分。，具有干密度与湿密度之分。a a 干密度：干密度： 是单位体积岩石绝对干燥后的质量。是单位体积岩石绝对干燥后的质量。b b 湿密度：湿密度： 是天然含水或饱和水状态下的密度。是天然含水或饱和水状态下的密度。 3 3）重度（容重）重度（容重） ： 指指单位体积岩石所受的重力单位体积岩石所受的重力，又称重力密度。，又称重力密度。= g=

8、g VGcVG11.2.1 1.2.1 岩石的相对密度和密度岩石的相对密度和密度N/m3单位单位1.2.2 1.2.2 岩石的孔隙性岩石的孔隙性 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，常用孔隙度是指岩石的孔隙和裂隙的发育程度，常用孔隙度（率）（率）n n和孔隙比和孔隙比e e来表示。来表示。 1 1）孔隙度）孔隙度n n 岩石试件内各种孔隙、裂隙的体积之和与试件总体积之岩石试件内各种孔隙、裂隙的体积之和与试件总体积之比。比。 2 2）孔隙比）孔隙比e e 岩石试件内各种孔隙、裂隙的体积总和与试件内固体矿岩石试件内各种孔隙、裂隙的体积总和与试件内固体矿物体积之比。物体积之比。

9、%100)1 (111wCwCccCddVGGVVVVVVn11CWCCCdVVVVVe1.2.2 1.2.2 岩石的孔隙性岩石的孔隙性3 3）孔隙度）孔隙度n n和孔隙比和孔隙比e e的关系的关系een1nne14 4）孔隙性的作用）孔隙性的作用 对岩石其它性质有显著影响，如：对岩石其它性质有显著影响，如： 密度和强度；风化程度，透水性，力学强度等密度和强度；风化程度，透水性，力学强度等。1.2.3 1.2.3 岩石的水理性质岩石的水理性质 吸水、透水、软化、溶蚀、膨胀、崩解吸水、透水、软化、溶蚀、膨胀、崩解。1 1）岩石的吸水率）岩石的吸水率w w： 岩石试件在大气压力下吸入水的质量岩石试

10、件在大气压力下吸入水的质量g g与试件与试件烘干质量烘干质量G G之比。之比。 * *表表1-11-1列出一些岩石的比重、密度、孔隙比和列出一些岩石的比重、密度、孔隙比和吸水率等指标吸水率等指标Ggw 表表 11 某些岩石的比重、密度、孔隙比、以及吸水率标准某些岩石的比重、密度、孔隙比、以及吸水率标准 岩石名称岩石名称 比重比重 密度密度,g/cm3孔隙比孔隙比e, %吸水率吸水率w,% 岩岩 浆浆 岩岩 花岗岩2.502.842.302.800.040.920.100.92闪长岩2.603.102.522.960.253.000.300.48辉绿岩2.603.102.532.970.406.

11、380.225.0安山岩2.402.802.302.701.092.190.29玄武岩2.603.302.503.100.353.000.312.69凝灰岩2.562.762.292.501.504.900.127.45 沉沉 积积 岩岩砾岩2.672.712.422.660.349.300.205.00砂岩2.602.752.202.711.602.830.2012.19页岩2.572.772.302.621.462.591.803.10石灰岩2.482.852.302.770.532.000.104.45 变变 质质 岩岩片麻岩2.633.012.303.050.704.200.103.1

12、5片岩2.753.022.692.920.702.920.080.55石英岩2.532.842.402.800.500.800.101.46大理岩2.802.852.602.700.221.300.100.801.2.3 1.2.3 岩石的水理性质岩石的水理性质2 2）岩石的软化性）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，用软化岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性，用软化系数系数k k表示。表示。k k定义为水饱和岩石试件的单向抗压强度定义为水饱和岩石试件的单向抗压强度(R(Rb b) )与干燥试件与干燥试件的单向抗压强度的单向抗压强度(R(Rc c) )的比值，即的比值，

13、即1bRcRk表1.2 （7页）1.2.4 1.2.4 岩石的碎胀性岩石的碎胀性（1 1）碎胀性）碎胀性 岩石破碎后因孔隙或裂隙增多而总体积增大的性质。岩石破碎后因孔隙或裂隙增多而总体积增大的性质。（2 2）碎胀系数）碎胀系数K K 岩石破碎后的总体积岩石破碎后的总体积V V1 1与原岩破碎前整体状态下的体积与原岩破碎前整体状态下的体积V V之比。之比。表表 12 几种岩石的碎胀系数几种岩石的碎胀系数岩石名称岩石名称砂、砾石砂、砾石砂质粘土砂质粘土中硬岩石中硬岩石坚硬岩石坚硬岩石胀碎系数胀碎系数K1.051.21.21.251.31.51.52.51.2.4 1.2.4 岩石的碎胀性岩石的碎胀

14、性（3 3）影响碎胀系数大小的因素）影响碎胀系数大小的因素 岩石的物理性质、破碎后的块度大小及其排列状态。岩石的物理性质、破碎后的块度大小及其排列状态。（4 4）残余碎胀系数）残余碎胀系数KK 岩石破碎后经过压实的总体积岩石破碎后经过压实的总体积V V1 1 与原岩破碎前整与原岩破碎前整体状态下的体积体状态下的体积V V之比。之比。（5 5）碎胀系数的意义）碎胀系数的意义 选择装岩、运输、提升设备；爆破空间大小；直接顶选择装岩、运输、提升设备；爆破空间大小；直接顶垮落后的高度。垮落后的高度。1.2.4 1.2.4 岩石的碎胀性岩石的碎胀性（6 6）岩石的碎胀应变（体积应变）岩石的碎胀应变（体积

15、应变） 几种岩石的体积应变数据，见表几种岩石的体积应变数据，见表1.41.4（第（第8 8页）页）VV1Vv1.3 1.3 岩石的力学性质岩石的力学性质 1.3.1 1.3.1 岩石的变形特征岩石的变形特征 1.3.2 1.3.2 岩石强度理论岩石强度理论 1.3.3 1.3.3 岩石的硬度岩石的硬度 1.3.4 1.3.4 岩石的可钻性与可爆性岩石的可钻性与可爆性1.3.1 1.3.1 岩石的变形特征岩石的变形特征 1 1）岩石的弹性和塑性）岩石的弹性和塑性 岩石受力后既可能出现弹性变形，也可能出现塑性岩石受力后既可能出现弹性变形，也可能出现塑性变形，而且弹性变形和塑性变形往往同时出现。变形

16、，而且弹性变形和塑性变形往往同时出现。 岩石的弹性是指在力的作用下，岩石改变形状和体岩石的弹性是指在力的作用下，岩石改变形状和体积，而卸载后能完全恢复其原始状态的性质。如煤化程积，而卸载后能完全恢复其原始状态的性质。如煤化程度较高的煤、砂岩、砾岩、石灰岩都具有较好的弹性。度较高的煤、砂岩、砾岩、石灰岩都具有较好的弹性。 塑性是指在力的作用下，岩石改变形状和体积，而塑性是指在力的作用下，岩石改变形状和体积，而卸载后仍保留残余变形的性质。如页岩、粘土岩塑性比卸载后仍保留残余变形的性质。如页岩、粘土岩塑性比较强。较强。 岩石的变形特性用岩石的弹性模量岩石的变形特性用岩石的弹性模量E E和泊松比和泊松

17、比等等参数来表示。参数来表示。表表1-3 1-3 几种岩石的弹性模量和泊松比几种岩石的弹性模量和泊松比1.3.1 1.3.1 岩石的变形特征岩石的变形特征 岩石种类岩石种类弹性模量弹性模量 E (MP a) 泊松比泊松比?压缩压缩拉伸拉伸平行层理平行层理垂直层理垂直层理平行层理平行层理平行层理平行层理垂直层理垂直层理花岗岩花岗岩6010360103221030.050.250.050.25石灰岩石灰岩26.810329103261030.160.270.190.39砂砂 岩岩37.410339.8103371030.120.140.20砂质页岩砂质页岩36.310324.2103131030.

18、250.18泥质页岩泥质页岩2510315103111030.150.390.10.48粘粘 土土0.3103煤煤(1020)1030.10.50.10.52 2）岩石的脆性和流变性）岩石的脆性和流变性 岩石的脆性是指岩石在破裂前几乎没有或仅有很短岩石的脆性是指岩石在破裂前几乎没有或仅有很短的塑性阶段。的塑性阶段。 如煤化程度较高的煤、砂岩、石灰岩都具有脆性。如煤化程度较高的煤、砂岩、石灰岩都具有脆性。 流变：通常把随时间因素而变化的应力应变现象统称为流变：通常把随时间因素而变化的应力应变现象统称为流变。许多岩石有流变性，而不同岩石的流变性差异很流变。许多岩石有流变性，而不同岩石的流变性差异很

19、大。大。 流变性表现在蠕变和松弛两个方面。流变性表现在蠕变和松弛两个方面。 蠕变是在应力一定的条件下，变形随时间的持续而蠕变是在应力一定的条件下，变形随时间的持续而逐渐增长；逐渐增长； 松弛是在变形量一定的条件下，应力随时间的持续松弛是在变形量一定的条件下，应力随时间的持续而逐渐减少。而逐渐减少。1.3.1 1.3.1 岩石的变形特征岩石的变形特征静载荷静载荷下岩石的变形特征下岩石的变形特征应力应变曲线应力应变曲线体积应变体积应变三种破坏形式三种破坏形式 1.3.1 1.3.1 岩石的变形特征岩石的变形特征动载荷动载荷下岩石的变形特征下岩石的变形特征(4) (4) 三向静荷载压缩下的岩石变形特

20、性三向静荷载压缩下的岩石变形特性比例极限；屈服限； 屈服平台；屈服平台终端； 强度限abbccdb（1 1）应力应变曲线）应力应变曲线1.3.1 1.3.1 岩石的变形特征岩石的变形特征 上图为上图为页岩的单轴压缩全应力应变曲线页岩的单轴压缩全应力应变曲线和和软钢拉伸应力应变软钢拉伸应力应变曲线的比较曲线的比较。与软钢相比，岩石全应力应变曲线的特点，也就是。与软钢相比，岩石全应力应变曲线的特点，也就是岩块变形性质的特点，有以下几点：岩块变形性质的特点，有以下几点： 1 1）达到应力峰值的应变量，页岩只有）达到应力峰值的应变量，页岩只有0.0130.013，而软钢达，而软钢达0.170.17，比

21、页岩高十几倍。比页岩高十几倍。 2 2）弹性段的斜率（弹模），软钢要比岩石高一个量级（）弹性段的斜率（弹模），软钢要比岩石高一个量级（1010倍）左右。倍）左右。 3 3）软钢有明显的屈服平台，单轴压缩下的岩石没有屈服平）软钢有明显的屈服平台，单轴压缩下的岩石没有屈服平台。台。 4 4）在各自的弹性段，岩石和软钢一样，都可以假设为线弹）在各自的弹性段，岩石和软钢一样，都可以假设为线弹性，但在塑性段，软钢可以假设为理想塑性，岩石则只能假设为性，但在塑性段，软钢可以假设为理想塑性，岩石则只能假设为线性强化或非线性强化。线性强化或非线性强化。 5 5）岩石以应力峰值为界，其左右分别称为峰前区和峰后区

22、；）岩石以应力峰值为界，其左右分别称为峰前区和峰后区；软钢没必要区分。软钢没必要区分。 6 6）岩石在峰后区，最终变为残余强度阶段；该阶段应力不）岩石在峰后区，最终变为残余强度阶段；该阶段应力不会增加，而变形无限增长。会增加，而变形无限增长。1 1）加载）加载 OAABBCCDDEpp特征区段应力达0.6应力达0.95斜率渐增不变渐减递减变号裂隙状况原始裂隙闭合微量新裂隙产生以上时，新裂隙产生渐多以上时，新裂隙激增并相互贯穿贯穿裂隙继续发展声发射微量少量明显增多急增继续变化残余应变无无有有有岩石全应力应变曲线特征岩石全应力应变曲线特征1 1）加载）加载 I IOAOA阶段阶段 裂隙压密闭合阶段

23、；裂隙压密闭合阶段； ABAB阶段阶段 线弹性阶线弹性阶段段 ；BCBC段段 破裂发展阶段或称破裂发展阶段或称 变形屈服阶段；变形屈服阶段； 一一CDCD段段 软化阶段软化阶段 2 2）变形四个阶段）变形四个阶段3 3）卸载）卸载 弹性段卸载，应力应变一弹性段卸载，应力应变一般总能回到原点，没有残余般总能回到原点，没有残余应变。但不同的岩石，又分应变。但不同的岩石，又分三种情况。三种情况。12B0线弹性线弹性完全弹性或非线性弹性完全弹性或非线性弹性滞弹性滞弹性102B102B(a)(b)(c)1 1）加载）加载4 4）弹模确定）弹模确定0ddEpddEpE（1 1）线弹性岩石的弹模，显然其线段

24、的斜率。）线弹性岩石的弹模，显然其线段的斜率。（2 2）非线性弹性的弹模，有三种定义。）非线性弹性的弹模，有三种定义。初始弹模：初始弹模：，即过原点的切线斜率。即过原点的切线斜率。 即过任意点即过任意点P P的切线斜率。的切线斜率。 即任意点即任意点P P的切线斜率。的切线斜率。切线弹模：切线弹模：割线弹模割线弹模：ISRMISRM建议用下列三种定义建议用下列三种定义021S点相应的切线模量，即点相应的切线模量，即 021SddE021S点相应的割线模量，即点相应的割线模量，即 021SE弹性范围内近似于直线段的平均斜率。弹性范围内近似于直线段的平均斜率。1 1）加载）加载5 5）塑性段卸载）

25、塑性段卸载1 1）卸载段曲线斜率大体平行于弹性段）卸载段曲线斜率大体平行于弹性段OBOB。2 2）重复加载时，通常沿另一曲线上升，形成滞环。）重复加载时，通常沿另一曲线上升，形成滞环。3 3）上升曲线不过原卸载点，但在其邻近并能和原曲线光滑衔接。）上升曲线不过原卸载点，但在其邻近并能和原曲线光滑衔接。4 4）同一应力下，反复加、卸载，滞环减小，斜率更近似为平行）同一应力下，反复加、卸载，滞环减小，斜率更近似为平行OBOB。5 5）卸载后部分变形不可恢复，产生永久应变。）卸载后部分变形不可恢复，产生永久应变。6 6）横向变形）横向变形单轴压缩时， 0101032，但 0203。 1为轴向应变，

26、2、 3为横向应变。 岩石为各向同性时， 032，为各向异性时， 032，各向同性岩石的泊松比的定义与材料力学相同， 12，一般岩石取0.150.35。1 1）加载）加载 岩块单轴压缩试验，始终伴随有体积变化。总的特点是：在岩块单轴压缩试验，始终伴随有体积变化。总的特点是：在弹弹性段体积减小，在塑性阶段体积膨胀。性段体积减小，在塑性阶段体积膨胀。以圆柱体岩石试件为例，它的原体积为：以圆柱体岩石试件为例，它的原体积为：hdV204变形后的体积变形后的体积 )()(42hhddVdd2hh1)1 ()1 (41222hdV体积应变体积应变 21002VVVVVv（忽略高阶）（忽略高阶） 一般岩石的

27、一般岩石的 35. 015. 0，即 12)35. 015. 0(， 12)70. 030. 0(2v为负，故体积减小。为负，故体积减小。 体积应变体积应变1 1）加载）加载 岩石在塑性段的体积变化，很难从理论上研究。试验证明，岩石在岩石在塑性段的体积变化，很难从理论上研究。试验证明，岩石在塑性段，总的是体积膨胀。但因为在弹性段体积减小，故在塑性段，塑性段，总的是体积膨胀。但因为在弹性段体积减小，故在塑性段，试件先是恢复至原体积，即，而后超过原体积，相对于试件原体积而试件先是恢复至原体积，即，而后超过原体积，相对于试件原体积而言，体积由减小到增加的转折点，约在言，体积由减小到增加的转折点，约在

28、 。续续. .021S 岩石在塑性段体积膨胀，称为岩石在塑性段体积膨胀，称为扩容或剪胀现象扩容或剪胀现象，该现象主要是，该现象主要是裂隙发展和张开造成的，并且扩容或剪胀是岩土等脆性材料特有的裂隙发展和张开造成的，并且扩容或剪胀是岩土等脆性材料特有的现象现象 。 在研究巷道变形和围岩对支护造成的压力等问题时，应考虑到岩在研究巷道变形和围岩对支护造成的压力等问题时，应考虑到岩石在塑性阶段的这一特性。石在塑性阶段的这一特性。 例如，当用多点位移计实测粘土质岩石底板变形时，如果不论例如，当用多点位移计实测粘土质岩石底板变形时，如果不论距离巷道远近的两测点间的相对应变皆相等，说明底板岩石仅有弹性距离巷道

29、远近的两测点间的相对应变皆相等，说明底板岩石仅有弹性变形。或有由于粘土吸水而产生的均匀膨胀变形。但实际经常发现靠变形。或有由于粘土吸水而产生的均匀膨胀变形。但实际经常发现靠近巷道两测点间的相对应变，大于较远的两测点间的相对应变，这就近巷道两测点间的相对应变，大于较远的两测点间的相对应变，这就说明邻近巷道的一定范围内的岩体由于破裂而引起的扩容现象。粘土说明邻近巷道的一定范围内的岩体由于破裂而引起的扩容现象。粘土岩的剪胀系数为岩的剪胀系数为1.021.101.021.10。1 1）加载）加载 种破坏形式种破坏形式 脆性破坏脆性破坏 永久变形或全变形小于永久变形或全变形小于5%5%者为脆性破坏。具有

30、这种特性者为脆性破坏。具有这种特性的岩石称为脆性岩石；的岩石称为脆性岩石； 塑性破坏塑性破坏 永久变形或全变形大于永久变形或全变形大于5%5%者塑性破坏。具有这种特性的者塑性破坏。具有这种特性的岩石称为塑性岩石；岩石称为塑性岩石；(4) (4) 三向静荷载压缩下的岩石变形特性三向静荷载压缩下的岩石变形特性 岩石破坏前的应变随着围岩石破坏前的应变随着围压的增大而增加。压的增大而增加。 随着围压的增大，岩石逐随着围压的增大，岩石逐渐由脆性岩石转化为塑性渐由脆性岩石转化为塑性岩石。岩石。 围压增大到围压增大到165MPa165MPa时，则时，则岩石屈服后的应力差值随岩石屈服后的应力差值随应变的增加而

31、稳定增长，应变的增加而稳定增长，出现应变硬化现象。出现应变硬化现象。(4) (4) 岩石的强度特性与理论岩石的强度特性与理论岩石抵抗外载破坏的能力称为岩石的强度。岩石抵抗外载破坏的能力称为岩石的强度。（1 1）岩石的强度与受力状态和加载速度关系很大。）岩石的强度与受力状态和加载速度关系很大。 岩石的抗压强度是抗拉强度的岩石的抗压强度是抗拉强度的1010倍。岩石的三向受力强度比二向受力倍。岩石的三向受力强度比二向受力强度要高。岩石在动荷载作用下的强度比静荷载作用下的强度要高。强度要高。岩石在动荷载作用下的强度比静荷载作用下的强度要高。（2 2）岩石矿物成分对岩石强度有影响。）岩石矿物成分对岩石强

32、度有影响。 岩石中含石英、长石、角闪石、辉绿石等越多，强度越低。含云母、岩石中含石英、长石、角闪石、辉绿石等越多，强度越低。含云母、绿泥石、滑石、蒙脱石、高岭石越多，强度越低。绿泥石、滑石、蒙脱石、高岭石越多，强度越低。（3 3）岩石的胶结特性对岩石强度影响很大）岩石的胶结特性对岩石强度影响很大 硅质胶结、铁质胶结、钙质胶结、泥质胶结等强度依次降低。硅质胶结、铁质胶结、钙质胶结、泥质胶结等强度依次降低。（4 4）非连续面对强度的影响）非连续面对强度的影响（5 5）静荷载下岩石强度性质）静荷载下岩石强度性质 1 1）岩石表现为脆性破坏。）岩石表现为脆性破坏。 2 2）同一种岩石的强度变化大。）同

33、一种岩石的强度变化大。 3 3）不同受力状态，岩石极限强度相差悬殊。）不同受力状态，岩石极限强度相差悬殊。三向等压抗压强度三向等压抗压强度三向不等压抗压强度三向不等压抗压强度双向抗压强度双向抗压强度单向抗压强单向抗压强度度单向抗剪强度单向抗剪强度单向抗弯强度单向抗弯强度单向抗拉强度。单向抗拉强度。（6 6）动荷载下的岩石强度性质）动荷载下的岩石强度性质 岩石稳定性岩石稳定性岩石的静荷载强度。岩石的静荷载强度。 巷道开挖巷道开挖岩石的动荷载强度。岩石的动荷载强度。动载荷下岩石的变形特征动载荷下岩石的变形特征 动荷载动荷载 岩石承受的外力不是静荷岩石承受的外力不是静荷载，而是一种冲击载荷，他不是载

34、，而是一种冲击载荷，他不是一个常数，而是时间的函数。一个常数，而是时间的函数。 如冲击凿岩和爆破落岩如冲击凿岩和爆破落岩等。如等。如图图1 12 2所示为凿岩机活塞所示为凿岩机活塞冲击钎尾时，作用力随时间变化冲击钎尾时，作用力随时间变化的实测曲线。的实测曲线。 从图可见，作用力在几从图可见，作用力在几十微秒内零骤增到数万牛顿，再十微秒内零骤增到数万牛顿，再经数百微秒重新下降到零。经数百微秒重新下降到零。LL质点扰动位移，质点扰动位移，C CP P质点扰动的传播速度（波速），质点扰动的传播速度（波速），tt波的传播时间，波的传播时间，C CP Ptt在在tt时间内变形范围。时间内变形范围。 ll

35、tcpp冲击端面产生的变形冲击端面产生的变形 当冲击载荷当冲击载荷p p施于岩石的施于岩石的端面时，其质点便失去原来端面时，其质点便失去原来的平衡而发生变形和位移，的平衡而发生变形和位移，形成挠动。一个质点的挠动形成挠动。一个质点的挠动必将引起相邻质点的挠动。必将引起相邻质点的挠动。这样一个传一个地使质点的这样一个传一个地使质点的挠动连锁反应地由冲击端面挠动连锁反应地由冲击端面向另一端传播下去，这种挠向另一端传播下去，这种挠动的传播叫做波。动的传播叫做波。动载荷下岩石的变形特征动载荷下岩石的变形特征 波阻抗波阻抗ccp p 介质密度与介质密度与纵波速度纵波速度的乘积，它表示介质对应力的乘积，它

36、表示介质对应力波传播的阻尼作用。波传播的阻尼作用。 表表1 13 3列出了几种材料的密度、纵波波速及波阻抗列出了几种材料的密度、纵波波速及波阻抗值。值。动载荷下岩石的变形特征动载荷下岩石的变形特征表表 13 几种材料的密度、纵波速度及波阻抗值几种材料的密度、纵波速度及波阻抗值材料名称材料名称密度，密度，g/cm3纵波速度，纵波速度，m/s波阻抗，波阻抗，kg/(cm2.s)钢钢7.851304000铝铝2.52.950901370花岗岩花岗岩2.63.0400068008001900玄武岩玄武岩2.72.854500700014002000辉绿岩辉绿岩2.853.054700750018002

37、300辉长岩辉长岩2.93.15600630016001950石灰岩石灰岩2.32.8320055007001900砂岩砂岩2.12.9300046006001300板岩板岩2.32.7250060005751620片麻岩片麻岩2.52.85500600014001700大理岩大理岩2.62.84400590012001700石英岩石英岩2.652.95000650011001900 岩石的强度是指岩石抵抗破坏的能力。岩石的强度是指岩石抵抗破坏的能力。 岩石材料破坏的形式岩石材料破坏的形式: :断裂破坏断裂破坏、流动破坏流动破坏（出现显著的塑性变形（出现显著的塑性变形或流动现象）。断裂破坏发生

38、于应力达到或流动现象）。断裂破坏发生于应力达到强度极限强度极限，流动破坏发生于，流动破坏发生于应力达到应力达到屈服极限屈服极限。 岩体的力学性质可分为岩体的力学性质可分为变形性质和强度性质，变形性质和强度性质， 变形性质主要通过本构关系来反映，强度性质主要通过强度准则来变形性质主要通过本构关系来反映，强度性质主要通过强度准则来反映反映。1.3.21.3.2岩石强度理论岩石强度理论岩石强度理论：岩石强度理论：研究岩石在一定的假说条件下在各种应力状态下的强度研究岩石在一定的假说条件下在各种应力状态下的强度准则的理论。准则的理论。强度准则：强度准则：又称破坏判据，是表征岩石破坏条件的又称破坏判据，是

39、表征岩石破坏条件的应力状态与岩石强度应力状态与岩石强度参数参数间的函数关系间的函数关系，可用如下的方程表示可用如下的方程表示: :或处于或处于极限平衡状态截面上的剪应力极限平衡状态截面上的剪应力 和正应力和正应力 间的关系方程：间的关系方程： f),(321cftc 一、一、 库仑强度准则库仑强度准则 岩石的破坏：岩石的破坏：剪切破坏。剪切破坏。 认为岩石的剪切强度等于岩石本身的粘结力和剪切面上由法认为岩石的剪切强度等于岩石本身的粘结力和剪切面上由法向力产生的摩擦阻力。平面应力中的剪切强度准则（图）为：向力产生的摩擦阻力。平面应力中的剪切强度准则（图）为：|tanc|tanc或或坐标下库仑准则

40、坐标下库仑准则2 最大主应力方向与剪切面法线方向间的夹角最大主应力方向与剪切面法线方向间的夹角 （称为破（称为破坏角）恒等为：坏角）恒等为： 另外另外由图可得：由图可得：并可改写为：并可改写为：若取若取 ，则极限应力，则极限应力 为为岩石单轴抗压强度岩石单轴抗压强度 ，即有：，即有：31312sinctgcsin12sin1sin131ctgcsin12ctgcc031c cAOBD131313L245o2 一、一、 库仑强度准则库仑强度准则令：令：sin1sin1sin12ctgcc则公式则公式 简化为：简化为：c31 显然，在显然，在 坐标中，库伦强度包络线是一条直线，坐标中，库伦强度包络

41、线是一条直线，且公式及其简单，若得到且公式及其简单，若得到一组三轴一组三轴实验结果，则可以利用最小实验结果，则可以利用最小二乘法，求得直线的斜率和截距，即二乘法，求得直线的斜率和截距，即 和和 。并且通过。并且通过 和和 进一步求得内聚力进一步求得内聚力c c和内摩擦角和内摩擦角。由于利用了统计方法。由于利用了统计方法求出了岩石的强度参数，因此，可从统计意义上分析实验结果求出了岩石的强度参数，因此，可从统计意义上分析实验结果的可靠性，这也是的可靠性，这也是 坐标中库伦强度公式成为常用公式坐标中库伦强度公式成为常用公式的原因。的原因。ccc3131 一、一、 库仑强度准则库仑强度准则用库伦准则解

42、释剪裂角用库伦准则解释剪裂角 一、一、 库仑强度准则库仑强度准则 一、一、 库仑强度准则库仑强度准则|tanc 一、一、 库仑强度准则库仑强度准则 一、一、 库仑强度准则库仑强度准则二、二、 莫尔强度理论莫尔强度理论 莫尔（莫尔（MohrMohr，19001900年）把库仑准则推广到考虑三向应力年）把库仑准则推广到考虑三向应力状态。最主要的贡献是认识到材料性质本身乃是应力的函数。状态。最主要的贡献是认识到材料性质本身乃是应力的函数。他总结指出他总结指出“到极限状态时，滑动平面上的剪应力达到一个到极限状态时，滑动平面上的剪应力达到一个取决于正应力与材料性质的最大值取决于正应力与材料性质的最大值”

43、，并可用下列函数关系并可用下列函数关系表示：表示： f上式在上式在 坐标系中为一条对称于坐标系中为一条对称于 轴的曲线，它可通轴的曲线，它可通过过试验方法求得试验方法求得，即由对应于各种应力状态（单轴拉伸、，即由对应于各种应力状态（单轴拉伸、单轴压缩及三轴压缩）下的破坏单轴压缩及三轴压缩）下的破坏莫尔应力圆莫尔应力圆包络线，即各包络线，即各破坏莫尔圆的外公切线破坏莫尔圆的外公切线，称为莫尔强度包络线给定，称为莫尔强度包络线给定。实验表明，实验表明，(内摩擦角内摩擦角) )与围压、岩石性质有关，不是一个与围压、岩石性质有关，不是一个常量常量例如，砂岩：例如，砂岩：( (图图A)A)，页岩：，页岩

44、：( (图图B)B)此外，实验证明，此外，实验证明，随围压增大而减小随围压增大而减小( (图图B)B)随着温度、围压的增加，剪裂角逐渐接近随着温度、围压的增加，剪裂角逐渐接近4545，但不会超过，但不会超过它它. . 二、二、 莫尔强度理论莫尔强度理论三、三、 格里菲斯强度理论格里菲斯强度理论 格里菲斯（格里菲斯（Griffith Griffith ，19201920年）年）基本思想：基本思想：材料内部存在着许多微裂纹，这些微裂纹的存材料内部存在着许多微裂纹，这些微裂纹的存在改变了材料内部的应力状态，在外载下，这些裂纹产生在改变了材料内部的应力状态，在外载下，这些裂纹产生扩展、连接、贯通等现象

45、，最终导致破坏发生。扩展、连接、贯通等现象，最终导致破坏发生。格里菲斯原理认为格里菲斯原理认为:当作用力的势能始终保持不变时，裂纹扩展准则可写为：当作用力的势能始终保持不变时，裂纹扩展准则可写为：0)(CWWcd 式中：式中：C为裂纹长度参数；为裂纹长度参数；Wd为裂纹表面的表面能；为裂纹表面的表面能；We为储存在裂纹周围的弹性应变能。为储存在裂纹周围的弹性应变能。格里菲斯总结三点：格里菲斯总结三点： （1 1）脆性材料内部随机的存在着许多扁平）脆性材料内部随机的存在着许多扁平的裂纹，通常将这些微小的裂纹用一个扁平的的裂纹，通常将这些微小的裂纹用一个扁平的椭圆来描述。在外力的作用下，微裂纹尖端

46、附椭圆来描述。在外力的作用下，微裂纹尖端附近的应力最大。近的应力最大。 （2 2）裂纹沿着与最大拉应力成直角的方向裂纹沿着与最大拉应力成直角的方向扩展扩展。在双向应力的情况下，裂纹尖端附近处。在双向应力的情况下，裂纹尖端附近处为最大拉应力。此时裂纹将沿着与为最大拉应力。此时裂纹将沿着与pppp垂直的垂直的方向扩展，最后逐渐向最大主应力方向过渡。方向扩展，最后逐渐向最大主应力方向过渡。 （3 3）当作用在裂纹尖端处的有效应力达到）当作用在裂纹尖端处的有效应力达到新裂纹所需能量时，裂纹开始扩展。新裂纹所需能量时，裂纹开始扩展。三、三、 格里菲斯强度理论格里菲斯强度理论21313133138(0)(

47、0)t )(2arccos213121格里菲斯强度准则格里菲斯强度准则三、三、 格里菲斯强度理论格里菲斯强度理论 结论结论 (1)(1)材料的单轴抗压强度是抗拉强度的材料的单轴抗压强度是抗拉强度的8 8倍，倍，其反映了脆性材料其反映了脆性材料的基本力学特征。的基本力学特征。 (2)(2)材料发生断裂时，可能处于各种应力状态。不论何种应力材料发生断裂时，可能处于各种应力状态。不论何种应力状态，材料都是因裂纹尖端附近达到极限拉应力而断裂开始扩展，状态，材料都是因裂纹尖端附近达到极限拉应力而断裂开始扩展，即材料的破坏机理是拉伸破坏。新裂纹与最大主应力方向斜交，即材料的破坏机理是拉伸破坏。新裂纹与最大

48、主应力方向斜交，而且扩展方向会最终趋于与最大主应力平行。而且扩展方向会最终趋于与最大主应力平行。 GriffithGriffith强度准则只适用于研究脆性岩石的破坏。强度准则只适用于研究脆性岩石的破坏。 Mohr-coulombMohr-coulomb强度准则的适用性一般的岩石材料。强度准则的适用性一般的岩石材料。三、三、 格里菲斯强度理论格里菲斯强度理论1.4 1.4 岩石的工程分级岩石的工程分级 岩石岩石“最复杂的材料最复杂的材料” 岩块、结构面、地质环境等。岩块、结构面、地质环境等。 以岩石强度等稳定性质为标准或指标，把性质相似的岩以岩石强度等稳定性质为标准或指标，把性质相似的岩石划分在

49、一个类别中，赋予好坏等评价。石划分在一个类别中，赋予好坏等评价。 分类的目的分类的目的 给出具有代表性的、单一的性质参数，以满足科学研究给出具有代表性的、单一的性质参数，以满足科学研究和工程设计与施工的要求。和工程设计与施工的要求。 在井巷工程中，岩石分类对于解决地下工程支护设计问在井巷工程中，岩石分类对于解决地下工程支护设计问题，合理的选用施工方法、施工设备、机具和器材，以及准题，合理的选用施工方法、施工设备、机具和器材，以及准确的制定生产定额和材料消耗定额等工作必不可少。确的制定生产定额和材料消耗定额等工作必不可少。分类指标分类指标 岩石分类的关键是选择合理有效的分类指标。根据分类指岩石分

50、类的关键是选择合理有效的分类指标。根据分类指标的不同，岩石分类有定性的，也有定量的；有单一指标，标的不同，岩石分类有定性的，也有定量的；有单一指标，也有综合指标。也有综合指标。岩体分类原则岩体分类原则（1 1）分类指标形式要简单，含义要明确，应具有科学意义和实）分类指标形式要简单，含义要明确，应具有科学意义和实用价值。用价值。（2 2）分类指标要容易获得。）分类指标要容易获得。（3 3）分类指标应明确表达出岩石的质量和稳定性。）分类指标应明确表达出岩石的质量和稳定性。1.4.2 1.4.2 工程分级方法工程分级方法 1 1）普氏分级法普氏分级法 2 2）中国煤炭部门围岩分类法）中国煤炭部门围岩

51、分类法 3 3）岩石质量指标（）岩石质量指标（RQDRQD）分类）分类 4 4）Q Q分类分类 5 5）围岩松动圈分类）围岩松动圈分类1.4.2 1.4.2 工程分级方法工程分级方法 普罗托奇雅克诺夫普罗托奇雅克诺夫 19261926年提出用年提出用“坚固性坚固性”作为岩石工程分级的依作为岩石工程分级的依据，即用一个综合性指标据，即用一个综合性指标“坚固性系数坚固性系数f f”来表示岩石破坏的相对难易程来表示岩石破坏的相对难易程度。度。 f = f = RcRc/10/10 据据f f值，分为十级十五种（如值，分为十级十五种（如表表1-61-6所示）。所示）。 * * 级岩石级岩石（最坚固，如

52、石英、玄武岩）（最坚固，如石英、玄武岩）普氏系数普氏系数f f2020 * * 级岩石级岩石（中等坚固，如页岩）（中等坚固，如页岩）普氏系数普氏系数f f3 34 4 * * 级岩石级岩石（如无烟煤）（如无烟煤）普氏系数普氏系数f f2 2 * * aa级岩石级岩石（如坚固烟煤）（如坚固烟煤）普氏系数普氏系数f f1.51.5 * * 级岩石级岩石（如软的烟煤）（如软的烟煤）普氏系数普氏系数f f1.01.0 * * 级岩石级岩石（如采下的煤）（如采下的煤）普氏系数普氏系数f f0.50.5表表 16 按岩石坚固性分级表按岩石坚固性分级表级级别别坚固性程度坚固性程度岩岩 石石坚固性坚固性系系最

53、坚固的岩石最坚固的岩石最坚固、最致密的石英岩及玄武岩，其他最坚固的岩石最坚固、最致密的石英岩及玄武岩，其他最坚固的岩石20很坚固的岩石很坚固的岩石致密的花岗岩，石英斑岩，很坚固的花岗岩，硅质片岩；坚固致密的花岗岩，石英斑岩，很坚固的花岗岩，硅质片岩；坚固程度较程度较级岩石较差的石英岩，最坚固的砂岩及石灰岩级岩石较差的石英岩，最坚固的砂岩及石灰岩15坚固的岩石坚固的岩石致密的花岗岩及花岗岩类岩石，很坚固的的砂岩及石灰岩，石致密的花岗岩及花岗岩类岩石，很坚固的的砂岩及石灰岩，石英质矿脉，坚固的砾岩，很坚固的铁矿石英质矿脉，坚固的砾岩，很坚固的铁矿石10 a坚固的岩石坚固的岩石坚固的石灰岩，不坚固的

54、花岗岩，坚固的砂岩，坚固的大理岩，坚固的石灰岩，不坚固的花岗岩，坚固的砂岩，坚固的大理岩，白云岩，黄铁矿白云岩，黄铁矿8相当坚固的岩石相当坚固的岩石一般的砂岩，铁矿石一般的砂岩，铁矿石6 a相当坚固的岩石相当坚固的岩石砂质页岩，泥质砂岩砂质页岩，泥质砂岩5坚固性中等的岩石坚固性中等的岩石坚固的页岩，不坚固的砂岩及石灰岩，软的砾岩坚固的页岩，不坚固的砂岩及石灰岩，软的砾岩4 a坚固性中等的岩石坚固性中等的岩石各种不坚固的页岩，致密的泥灰岩各种不坚固的页岩，致密的泥灰岩3坚固性中等的岩石坚固性中等的岩石坚固的页岩，不坚固的砂岩及石灰岩，软的砾岩坚固的页岩，不坚固的砂岩及石灰岩，软的砾岩4 a坚固性

55、中等的岩石坚固性中等的岩石各种不坚固的页岩，致密的泥灰岩各种不坚固的页岩，致密的泥灰岩3相当软的岩石相当软的岩石软的页岩，很软的石灰岩，白垩，岩盐，石膏，软的页岩，很软的石灰岩，白垩，岩盐，石膏，冻土，无烟煤，普通泥灰岩，破碎的砂岩，胶结冻土，无烟煤，普通泥灰岩，破碎的砂岩，胶结的卵石及粗砂砾，多石块的土的卵石及粗砂砾，多石块的土2 a相当软的岩石相当软的岩石碎石土，破碎的页岩，结块的卵石及碎石，坚硬碎石土，破碎的页岩，结块的卵石及碎石，坚硬的烟煤，硬化的粘土的烟煤，硬化的粘土1.5软岩软岩致密的粘土，软的煤灰，坚固的表土层致密的粘土，软的煤灰，坚固的表土层1.0 a软岩软岩微砂质粘土，黄土，

56、细砾石微砂质粘土，黄土，细砾石0.8土质岩石土质岩石腐殖土，泥煤，微砂质粘土，湿砂腐殖土，泥煤，微砂质粘土，湿砂0.6松散岩石松散岩石砂，细砾，松土，采下的煤砂，细砾，松土，采下的煤0.5流砂状岩石流砂状岩石流沙，沼泽土壤，饱含水的黄土及饱含水的土壤流沙，沼泽土壤，饱含水的黄土及饱含水的土壤0.3 普氏岩石分级法的不足普氏岩石分级法的不足： 没有反映岩体的特征。没有反映岩体的特征。 井巷围岩稳定性主要取决于井巷围岩稳定性主要取决于岩体的结构岩体的结构和和岩石岩石的强度的强度，而不只是岩石试件的强度，因此，国，而不只是岩石试件的强度，因此，国内外提出了各种内外提出了各种“岩石工程分类方法岩石工程

57、分类方法”。岩层描述岩层描述* * 岩体结构岩体结构 完整的；完整的； 层状的；层状的；块状的；块状的；破碎的。破碎的。 完整的完整的层理和裂隙的间距大于层理和裂隙的间距大于1.5m1.5m； 层状的层状的层间距小于层间距小于1.5m1.5m； 块状的块状的节理裂隙间距小于节理裂隙间距小于1.5m1.5m，大于，大于0.3m0.3m； 破碎的破碎的节理裂隙间距小于节理裂隙间距小于0.3m0.3m。 * * 岩层强度描述：岩层强度描述： R Rb b单轴饱和抗压强度单轴饱和抗压强度（较软）（较软）2020；（中硬）；（中硬）4040；（较硬）；（较硬）6060；（坚硬）；（坚硬）8080 * *

58、层间胶结：层间胶结： 胶结好，较好，少数软岩夹层，软岩。胶结好，较好，少数软岩夹层，软岩。 * * 当地下水影响围岩稳定性时，考虑适当降级。当地下水影响围岩稳定性时，考虑适当降级。2 2）中国煤炭部门围岩分类法）中国煤炭部门围岩分类法巷道开挖后的稳定状态（跨度巷道开挖后的稳定状态（跨度3-5m3-5m） I I：围岩稳定，长期不掉块；：围岩稳定，长期不掉块； IIII：围岩较稳定，较长时间不支护会有掉小块；：围岩较稳定，较长时间不支护会有掉小块； IIIIII：一个月以上稳定，局部掉块；：一个月以上稳定，局部掉块； IVIV：暂时稳定，几天后冒落；：暂时稳定，几天后冒落； V V：瞬时稳定，易

59、产生冒顶片帮，随挖随冒。：瞬时稳定，易产生冒顶片帮，随挖随冒。2 2）中国煤炭部门围岩分类法）中国煤炭部门围岩分类法表表1.7 1.7 煤炭行业岩石分类表煤炭行业岩石分类表2 2）中国煤炭部门围岩分类法）中国煤炭部门围岩分类法围岩分类围岩分类岩层描述岩层描述巷道开掘后围岩的巷道开掘后围岩的稳定状态（稳定状态（35m跨度）跨度）岩种举例岩种举例类别类别名称名称稳定岩稳定岩层层1. 完整坚硬岩层，完整坚硬岩层，R b60MPa，不易风化，不易风化 2.层状岩层间胶结好，无软弱夹层层状岩层间胶结好，无软弱夹层 围岩稳定，长期不围岩稳定，长期不支护，无碎块掉落支护，无碎块掉落现象现象完整的玄武岩，石完

60、整的玄武岩，石英岩，奥陶纪灰岩，英岩，奥陶纪灰岩，茅口灰岩，大冶厚茅口灰岩，大冶厚层灰岩层灰岩稳定性稳定性较好岩较好岩层层1.完整比较坚硬岩层，完整比较坚硬岩层，R b =4060MPa 2.层状岩层，胶结较好层状岩层，胶结较好 3.坚硬块状岩层，裂隙面闭合，无泥质充填坚硬块状岩层，裂隙面闭合，无泥质充填物，物，R b 60MPa围岩基本稳定，较围岩基本稳定，较长时间不支护会出长时间不支护会出现小块掉落现小块掉落胶结好的砂岩、砾胶结好的砂岩、砾岩大冶薄层灰岩岩大冶薄层灰岩中等稳中等稳定岩层定岩层1.完整的中硬岩层，完整的中硬岩层，R b =2040MPa 2.层状岩层以坚硬岩为主，夹有少数软岩