第一章岩石的物理力学性质及工程分级

25 第一章 岩石的物理力学性质及工程分级第一章 岩石的物理力学性质及工程分级第一节 概 述凿岩爆破是隧道施工的基本方法，其工作对象是岩石，也就是说，在具体施工时，凿岩方法、钻机类型、钻眼工作参数、炸药类型、爆破参数的选择，首先取决于岩石的组成、结构、构造及其物理力学性质。隧道施工的基本过程就是把岩石从岩体上破碎下来，形成设计所要求的各种用途的地下空间，在此过程中，还需对这些地下空间进行必要的维护，以防止围岩产生过大的变形和坍塌。因此，有效地破碎岩石和维护围岩就成为隧道等地下工程施工中的主要问题。为了有效合理地进行破岩和维护围岩，就必须对岩石和岩体的物理力学性质有所了解，并在此基础上制定出岩石的工程分级方法。只有这样，才能在不同的条件下，使所选用的破岩和围岩维护方法有科学依据。第二节 岩石和岩体的基本概念岩石和岩体是描述岩石的两个不同概念，它们既相互联系，同时又有较大的区别。1. 岩石岩石是指由一种或多种矿物组成的集合体，其物理力学性质与组成该岩石的矿物成分及其含量、岩石结构和构造特征有密切关系。2. 岩体与岩块岩体是指在一定工程范围内的自然地质体。岩体结构的基本要素包括结构面和结构体。结构面指褶皱、断层、节理、劈理等，结构体指有不同产状的结构面组合切割而成的单元块体。岩块是指从天然岩体中取出的较为标准的样块，人为地排除了大部分天然的软弱面。在研究岩体问题时，可以把岩块视为均质的、各向同性的连续介质；而岩体一般均属于非均质的各向异性的不连续介质。3. 岩体与岩块的区别岩体与岩块的主要区别表现在：（1）岩体具有明显的弱面，因此具有显著的非均质性和各向异性。而岩块不包含显著的弱面，可以相对地把岩块近似地视为均质、各向同性的连续介质；（2）岩体强度低，易变形；（3）岩体和岩块的渗透性也存在显著差异。第三节 岩石的物理性质岩石的物理力学性质指标包括岩石的重量指标、孔隙性和吸水性。一、岩石的重量指标岩石由固体、水、空气三相组成，具有比重和容重等重量指标。1. 比重岩石的比重是指岩石固体实体积的重量与同体积水的重量之比。所谓固体实体积，是指不包括孔隙体积在内的实在体积，即： （1-1）式中：岩石的比重；G绝对干燥时体积为VC的岩石的重量，g；VC岩石固体实在体积，cm3；gW水的容重，g/cm3。岩石的比重取决于组成岩石的矿物的比重。一般在已鉴定出岩石矿物成分后，岩石的比重就可以粗略地进行估计。例如，石灰石的比重与方解石的相近，砂岩的比重接近于石英。2容重单位体积岩石的重量称为岩石的容重。所谓单位体积是指包括孔隙体积在内的体积。岩石的容重又分为干容重和湿容重。干容重：单位体积岩石绝对干燥后的容重，用gC表示；湿容重：岩石在天然含水或饱和状态下的容重，用表示。， （1-2）式中：gC岩石的干容重，g/cm3；G岩石试件干燥后的重量，g；V岩石试件的体积，cm3；g岩石的湿容重，g/cm3；G1岩石试件的重量（天然含水或饱和），g。一般地，gC与g差别不大，但对粘土来说则差别很大；g取决于岩石的矿物成分、孔隙大小及含水量，在其它条件相同时，g还与岩石的埋深有关，埋深浅的容重小，埋深大的容重大。二、 岩石的孔隙性岩石的孔隙性是指岩石的裂隙发育程度，通常用孔隙度n和孔隙比e来表示。孔隙度指岩石试件内各种裂隙、孔隙的体积总和与岩石试件总体积的比值。孔隙比指岩石试件内各种裂隙、孔隙的体积总和与岩石试件内固体矿物颗粒体积VC的比值，用式(1-3)和式(1-4)表示 （1-3） （1-4）n和e通常是根据岩石的比重D和干容重C计算求得。岩石的孔隙性对岩石的其它性质有显著的影响。一般地，随着岩石孔隙度n的增大，岩石的整体性降低，比重和强度降低，而透水性提高；同时，岩石中的孔隙加快了风化的速度，进一步增大了岩石的透水性，降低了其力学强度。三、岩石的吸水率吸水率W是指岩石试件在大气压力下吸入水的重量GW与岩石干重量GS之比，即。一般地，岩石吸水率W的大小取决于岩石中所含孔隙、裂隙的数量和大小、孔隙和裂隙的开闭程度及分布状况，且与试验条件有关；整体岩石试件的吸水率W要比同一岩石碎块试件的吸水率W小，同时随着浸入时间的增加，吸水率W有所增大。第四节 岩石的变形特性在荷载作用下，岩石首先要发生变形，当作用的荷载不断增大，或当荷载超过某一数值而保持恒定不变时，随着该恒定荷载作用时间的延长，均可导致岩石的破坏。因此，岩石的变形和破坏，是在荷载作用下岩石性能变化过程中的两个不同阶段，变形阶段含有岩石破坏的因素，而岩石的破坏阶段则可看作是变形不断发展的最终结果。一、静荷载作用下岩石的变形特性所谓静荷载，一般指加载速率小于35kg/(cm2·s)。根据加载方式的不同，分为单向压缩和三向压缩加载。常用应力-应变曲线（s-e曲线）、弹性模量E和泊松比m来表示岩石的变形特性。（一）岩石在单向压缩条件下的变形特性1. 脆性岩石的应力-应变曲线脆性岩石在破坏之前，没有明显的塑性变形，当应力达到岩石的强度极限Ra时，岩石突然破坏。如图1-1所示，若用普通材料试验机加压，只能得到C点前（破坏前）的应力-应变曲线，原因是普通试验机的刚度小，压头会产生变形，储存弹性变形能，试件破坏时突然释放。若用刚性试验机加压，则可得到包括C点前后的完整的s-e曲线，该曲线称为全过程s-e曲线。一般地，脆性岩石的s-e曲线可以分为四个阶段：OA段、AB段、BC段和CD段。（1）OA段：曲线向上弯曲，为岩石裂隙压实闭合阶段，此过程由于岩石中的裂隙受压闭合，变形较大，E较小且不为常数；（2）AB段：线弹性变形阶段，E为常数，B点为弹性极限；（3）BC段：破坏发展阶段，s-e曲线由直线向曲线转变。E降低直至趋于零，自B点开始，岩石内就有微破裂不断发生，至C点发生破坏，C点为强度极限（Ra）；（4）CD段：C点之后，s 随e 的增大而下降，到D点时保持某一较小的应力值，称为剩余强度。2塑性岩石的应力-应变曲线如图1-2所示，塑性岩石的塑性变形比弹性变形大，曲线的斜率开始较陡，以后逐渐平缓。开始平缓的转折点，即s增加很小而变形有很大增长时的应力值，称为屈服极限sT。OE段可以看作弹性变形阶段，EG段可以看作是塑性流动阶段。 图1-1 脆性岩石的应力-应变曲线 图1-2 塑性岩石的应力-应变曲线图1-3 三向压缩条件下全过程应力-应变曲线（二）岩石在三向压缩条件下的变形特性有侧向约束作用时的岩石变形特性与单向压缩时的变形特性大不相同，如图1-3所示，岩石在三向压缩条件下的变形特性如下：（1）由于侧向压力的存在，岩石破坏时的应变量较单向压缩时增加了，并且随着侧向应力的增大而增加；（2）随着侧向压力的增加，岩石表现出比较明显的塑性变形；（3）三向压缩条件下全过程应力-应变曲线的获得，证明了当应力达到破坏点后，岩石仍然保留一定的承载能力。二、动荷载作用下的岩石的变形特性 动荷载一般指加载速率大于35kg/(cm2·s)的荷载，如冲击荷载等。图1-4 波的传播过程图1冲击荷载和波无论是冲击式凿岩还是爆破破碎岩石，岩石承受的外力都不是静载，而是一种冲击荷载，荷载是时间的函数。岩石在这种急剧变化的荷载作用下，既产生运动又产生变形。如图1-4所示，当冲击荷载P施加于岩石端面时，岩石质点便失去原来的平衡而发生变形和位移，并形成扰动。一个质点的扰动必然引起相邻质点的扰动。这样使质点扰动一个接一个地连续的由冲击端向另一端传播下去，这种扰动的传播叫做波。图1-5 微小单元六面体受力状态分析示意图岩石内只有ct段发生变形，其它部分仍处于静止状态。所以，在动荷载作用下，岩石的变形不是整体的均匀变形，质点的运动速度也不是整体一致的，即变形和速度都有一个传播过程。按照波的传播位置可将波分为体积波和表面波，体积波在介质内部传播，而表面波沿介质表面传播；按照波的振动方向与波的传播方向之间的相对关系，又可将其分为纵波和横波。2波动方程从弹性力学中的波动理论知道，假设从受冲击荷载作用的各向同性的弹性体中取出一个边长分别为dx、dy、dz的微小单元六面体，如图1-5所示，则该单元体的各个面上均有三个力，只要分析一下各个面上的应力改变量，就可以导出相应的波动方程。 （1-5）或者 （1-6）式中：x，y，z直角坐标分量；u，v，w与x，y，z坐标相对应的位移函数；t时间；c应力波传播速度。波动方程表示的是在冲击荷载作用下，弹性变形的质点运动加速度同变形加速度之间以及惯性同弹性之间的一种平衡关系。如果假定质点的位移只在X轴方向传播，即位移u仅仅是坐标x和时间t的函数，在Y轴和Z轴方向的位移均为零，则 （1-7）经求解可得纵波所产生的正应力s和横波产生的剪应力t为 （1-8）式中：Cp，Cs纵波和横波的传播速度；Vp，Vs纵波和横波引起的介质质点的振动速度；介质的密度。在无限介质三维情况下，纵波和横波的传播速度分别为 （1-9）式中：Ed介质的动弹性模量；md介质的动泊松比；Gd介质的动剪切模量，。在一维情况下，即波长比杆的截面尺寸（或直径）大很多的情况下，可以不考虑横向变形的影响，此时，。3. 应力波的叠加当两个扰动同时传播到某一点时，那么这点的总状态就等于两个扰动分别抵达该点的代数和，称为波的叠加。4. 应力波的反射与透射应力波在传播过程中，遇到岩石中的层理、节理、裂隙、断层和自由面时，或者介质性质发生改变时，应力波的一部分会从交界面反射回来，另一部分则透过交界面进入第二种介质，这种现象叫应力波的反射与透射。因入射的角度不同，可以有垂直入射和斜入射两种情况。应力波的反射与透射的前提条件是：在交界面上，应力波具有连续性，且交界面上的作用力与反作用力相等。三、岩石的变形能图1-6 外力作功示意图上述讨论表明，岩石在静载和动载作用下的变形特性，有着本质的区别。但是，无论在哪种荷载作用下，岩石从变形到破坏，都是一个从获得能量到释放能量的过程。在这个过程中，岩石的总的变形能量WT由静载变形能（弹性变形能）WE与动载变形能（动能）WK叠加而成，即WT=WE+WK。在弹性限度内，如图1-6所示，外力由零逐渐增加到P，力的作用点的位移由零逐渐加到Dl，力P在位移Dl上所做的功u为 （1-10）取一微小单元体，其边长为l，面积为A，体积为，作用在单元体上的力由零逐渐增加到P，则静载变形能WE在数值上等于外力所作的功u，即 （1-11）其中，。如果外力以一定的速度加载，则岩石质点产生运动，其动能即为岩石得到的动载变形能WK，即 （1-12）其中，。因此，即静载变形能与动载变形能相等，在岩石的总变形能中，静载变形能和动载变形能各占一半，并且与岩石的体积和应力的平方成正比。四、岩石的蠕变性在恒定荷载的持续作用下，岩石变形随时间而增长的特性，称为岩石的蠕变性。表示这一特性的变形-时间曲线，称为蠕变曲线，如图1-7所示，各段曲线的变形特征为：（1）OA段为开始加载时的瞬时弹性应变阶段，这段所用的时间极短，可图1-7 恒载作用下的岩石蠕变曲线看作与时间无关；（2）A、B之间的蠕变不断增加，但蠕变速度逐渐减慢，称为第一阶段蠕变或过渡蠕变；（3）在B、C之间，蠕变以恒定速率增长，称为第二阶段蠕变或稳定蠕变；（4）C点之后，蠕变加速增长，称为第三阶段蠕变或加速蠕变；（5）达到D点，岩石破坏。第五节 岩石的强度特性根据加载速率的大小，岩石的强度可分为静载强度和动载强度。一、岩石的静载强度当荷载的加载速率小于35kg/(cm2·s)时岩石所呈现的强度称为岩石的静载强度。1. 岩石的单向抗压强度岩石的单向抗压强度是岩石试件在单向压力作用下达到破坏时的极限强度，在数值上等于岩石破坏时的最大压应力。岩石的单向抗压强度可在实验室中用压力机进行加压试验来测定，试件采用正方柱状或圆柱状，横截面尺寸分别为5cm×5cm（或7cm×7cm），或直径D = 5cm（或D = 7cm），试件高度h为：（1）正方柱状试件：，其中A为试件的横断面面积；（2）圆柱状试件：。根据岩石试件破坏时的荷载和试件的横断面面积即可得到岩石的单向抗压强度为：图1-8 劈裂法测定岩石抗拉强度示意图1承压板；2岩石试件；3钢丝 （1-13）式中：sp岩石的单向抗压强度，kg/cm2；P岩石试件破坏时的荷载，kg；A试件的横断面面积，cm2。2. 岩石的单向抗拉强度岩石的单向抗拉强度是岩石试件在单向拉伸条件下达到破坏时的极限强度，在数值上等于岩石破坏时的最大拉应力。常用劈裂法测定岩石的抗拉强度，如图1-8所示，把一个经过加工的圆板状（或正方形板状）岩石试件横置在压力机的承压板上，并在试件与承压板之间各放置一根硬质钢丝作为垫条。则岩石的抗拉强度为 （1-14）式中：P试件发生劈裂时的压力；D试件直径；t试件厚度。一般地，岩石的抗拉强度远小于其抗压强度，即。3. 岩石的剪切强度剪切强度是岩石在一定的应力条件下（主要是压应力）所能抵抗的最大剪应力，用t表示。常用的剪切强度包括：抗剪断强度、抗切强度、弱面抗剪强度等，如图1-9所示。图1-9 岩石的三类剪切强度图1-10 剪切仪示意图图1-10为剪切仪示意图。通过试验可得 （1-15）式中：P试件发生剪断时的压力；F剪切面积；f摩擦系数。若不计f时，。4. 岩石的三向压缩强度岩石试件在三向压力作用下所能抵抗的最大主应力，称为岩石的三向压缩强度。常用测量三向压缩强度的试验有两种：（1）三向不等压试验（）；（2）三向压缩试验（）。它是最常用的一种试验方法，也是确定岩石剪切强度的最好方法。试验在三轴试验机上进行。试验时，先加侧压s3，然后逐渐增加轴压，直至破坏，得到破坏时的s1，根据s1和s3绘应力圆，如图1-11（a）所示。采用同样的试件，改变侧压，加压至破坏又可得到一个s1，重复上述试验，可得数个应力圆，绘制这些应力圆的包络线，即可得到岩石的抗剪强度曲线，如图1-11（b）所示，它近似为直线，其中j为岩石的内摩擦角，c为岩石的粘结力。一般地，岩石的强度具有如下特性，即：三向压缩强度>单向抗压强度>剪切强度>单向抗拉强度。 （a） （b）图1-11 岩石的应力圆与抗剪强度曲线图二、岩石的动载强度特性当荷载的加载速率大于35kg/(cm2·s)时岩石所呈现的强度称为岩石的动载强度。在动载作用下岩石强度与加载速率有关，加载速度提高，强度也相应提高。岩石抗压强度与加载速率的关系可用公式(1-16)表示 （1-16）式中：sd动载强度；K比例系数；v加载速率；ss静载强度。此外，岩石的动载强度还可用下列一些综合指标来加以说明。1. 岩石的动态弹性参数（1）动态弹性模量Ed在三维状况下：或在二维状况下：在一维状况下：（2）动态剪切模量Gd （1-17）（3）动态泊松比md （1-18）2. 岩石的冲击参数（1）动应力强度sd （1-19）式中：v岩石质点在破碎时的飞散速度。（2）比能a比能a表示破碎单位体积岩石所消耗的能量 （1-20）式中：W破碎岩石所消耗的总能量；V破碎的岩石体积。比能又可分为静载比能as和动载比能ad，一般来说，也就是说，在能量相等时，静载破碎的岩石体积大，这一现象同加载速度有关。冲击加载是瞬时性的，一般为ms级，而静载通常超过10s。因此静载破碎时，应力可以分布到较深、较大的范围，而变形和裂隙的发展也比较充分。三、岩石的硬度岩石的硬度表示岩石表面抵抗工具侵入的能力，它可用静压入硬度和冲击硬度来表示。1. 静压入硬度一定形状、一定材料的压头，以静力压入岩石的表面使之产生非弹性变形或破坏时，受压岩石单位接触面积上的压力值称为岩石的静压入硬度。2. 冲击硬度使冲锤（又称施密特锤）以一定的速度冲击岩石表面，冲锤的回弹高度可作为表征冲击硬度的指标。四、岩石的磨蚀性岩石的磨蚀性是指岩石对工具的磨蚀能力。主要影响因素有岩石成分、结构、硬度和其中的石英含量。五、岩石的强度理论强度条件是指材料出现危险时的条件。本章所讨论的岩石强度是指岩石的静载强度。目前，莫尔（Mohr）强度理论较能反映出岩石的强度条件。该理论假设：材料内某一点的破坏主要取决于最大主应力和最小主应力，而与中间主应力无关。根据对岩石进行的强度试验，在s-t平面上绘制一系列莫尔应力圆，然后作出一条线将这些极限应力圆包络起来，如图1-12所示，根据Mohr强度理论，有如下关系式满足 （1-21）图1-12 极限应力圆示意图式中：c岩石的粘结力；j岩石的内摩擦角；t岩石的抗剪强度；s正应力。六、 岩体的强度剪切强度是岩体最重要的强度指标。试验和理论分析表明，岩体的剪切强度主要受软弱面（各种结构面）、应力状态、岩石特性、风化程度以及含水量等因素的影响。一般地，在高应力条件下，岩体的剪切强度性质比较接近于岩块的值，而在低应力条件下，岩体的剪切强度主要受软弱面控制；如果只有一组软弱面，当垂直于软弱面施加剪力时，岩体的剪切强度最高；沿软弱面施加剪切力时，其剪切强度等于软弱面的抗剪强度，如图1-13所示。图1-13 岩体中的软弱结构面第六节 岩石的可钻性、爆破性及坚固性一、岩石的可钻性1概念岩石的可钻性表示在岩石上钻眼的难易程度。在选用凿岩机械、工具、凿岩工艺参数和编制凿岩工作量定额时，都需要了解岩石的可钻性。2测定方法通常采用如下两种方法来测定岩石的可钻性。（1）微型模拟钻头钻眼试验以钻速、钻进一定深度炮眼所需的时间和钻头的磨损量、比能（功）耗等指标表示岩石的可钻性。（2）凿测器凿测器由东北大学（原东北工学院）设计。测试时，锤重4kg，落高1m，钎头直径40mm，刃角110°，每冲击一次转15°角，共冲击480次，以比功耗a和钎刃两端向内4mm处的磨钝宽度b作为可钻性的衡量指标。 （1-22）式中：N冲击次数；A单次冲击功（4kg·m）；d钎头直径，mm；H纯凿深，mm。二、岩石的爆破性1概念岩石对爆破作用的抵抗性或爆破岩石的难易程度称为岩石的爆破性（可爆性）。实际工程中，选用炸药、确定爆破参数和编制爆破工作量定额时，都需要了解岩石的可爆性。2衡量指标可爆性的衡量指标主要有爆破单位体积岩石所需的炸药量、爆破单位体积岩石所需的炮眼长度等。这些指标不仅取决于岩性，还取决于炸药类型、爆破方法、爆破参数、装药结构、起爆方式、爆破块度等爆破条件。为了比较不同岩石的可爆性，必须规定统一的爆破条件。岩石可看作是被结构面切割形成的岩块所组成的地质体。因此，岩体的可爆性可根据岩块或完整岩石的可爆性和岩体的完整性来判断。3. 测试方法莫斯科矿业学院提出了一种在实验室条件下测试岩块可爆性的方法。测试方法和过程如下：（1）选取边长为0.40.5m较均质的完整岩块；（2）中心钻F32F40mm的孔，孔深为岩块高度的1/2；（3）采用爆力为360380mm的炸药，单位炸药消耗量qd = 0.50.7kg/m3（称为标准单位耗药量）；（4）用砂封堵炮眼，在专门容器（旧矿车）内爆破；（5）筛选出块度大于100mm的岩块，计算出百分比；（6）计算出块度不超过（）100mm的耗药量q，称为计算单位炸药消耗量，用来表示岩石的可爆性 （1-23）式中：qd岩石的标准单位耗药量（0.50.7kg/m3）；爆破后块度超过100mm的岩石重量在整个岩块重量中所占的百分数。三、岩石的坚固性坚固性的概念是原苏联学者普洛托奇雅可洛夫教授提出的，他指出：“岩石坚固性和所有的材料一样，是一种抵抗外力的性能。”由此可见，岩石的坚固性是一个抽象化的概念，可以笼统地表征岩石的性质、凿岩的难易程度和地压的大小。工程中常用普氏方法来测定和描述岩石的坚固性。1 普氏系数（f）普氏采用岩石强度、凿岩速度、凿碎单位体积岩石所消耗的功和单位炸药消耗量等几项指标，经过长期大量的测试，取其结果的平均值作为岩石的坚固性系数。由于科学技术的发展，普氏当年采用的多项指标中只剩下一个静载抗压强度指标沿用至今。现今的普氏坚固性系数直接用岩石的单向抗压强度来确定 （1-24）式中：f岩石坚固性系数（无量纲）；sp岩石单向抗压强度。2 巴隆修正公式巴隆在工程实践中发现，按式（1-24）确定的坚固性系数对软岩偏低，对硬岩则偏高，因此建议修正为 （1-25）3坚固性系数的简易测定方法莫斯科矿业学院提出采用捣碎法测定岩石的坚固性系数。测定过程如下：（1）取5份岩石试样，每份块度为2040mm，总体积为1020cm3；（2）利用重锤捣碎试样（锤重2.4kg，落高0.6m）；（3）用孔径为0.5mm的筛过筛，量测量筒内的粉末高度。采用式(1-26)计算f值 （1-26）式中：n重锤投掷次数；l量筒内的粉末高度。第七节 岩石分级和围岩分类岩石工程分级是在工程实践过程中随着科学技术的进步和人们对施工技术与地质体之间的关系不断认识的基础上发展起来的。早在19世纪，人们就提出了岩石工程分级的问题。从20世纪前半期开始，著名的太沙基（K. Terzaghi）分级和普氏分级逐步在世界各国得到了广泛应用。与此同时，还出现了一些其它形式的岩石分级方法。近30多年来，随着地下工程和各类岩土工程的规模和设计施工范围越来越广，相继出现了多种不同工艺要求的岩石分级方法。概括起来，这些分级方法大体上可分为两大类：一类是单项工艺多因素分级，如可钻性分级、爆破性分级、岩石稳定性分级等；另一类是综合工艺或工艺统一的多因素分级，如坚固性分级、凿岩与爆破统一分级、以岩石裂隙间距或岩石强度为依据的分级等。按岩石的成因不同，可将其分为岩浆岩、沉积岩和变质岩，这种分类在地质学上是必要的，但对地下工程和各类岩土工程来说，是不够的。地下工程和各类岩土工程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、爆破器材以及合理准确地制定生产定额和材料消耗定额等。一、岩石的可钻性分级岩石的可钻性分级采用凿碎比功、钎刃磨钝宽度两种指标表示。1凿碎比功（能）破碎单位体积岩石所消耗的能量，称为凿碎比功（或凿碎比能），用式（1-22）计算。2钎刃磨钝宽度专用工具在岩石上凿480次后，在钎刃上由两端向内量测的4mm处的钎刃的磨钝宽度，称为钎刃磨钝宽度。根据凿碎比功（能）数值的大小可将岩石分为7级，根据钎刃的磨钝宽度可将岩石分为3级，见表1-1、表1-2。表1-1 岩石的可钻性分级岩石级别软硬程度凿碎比功（J/cm3）极软<20软2030较软3040中硬4050较硬5060硬6070极硬>70表1-2 岩石的磨蚀性分级岩石级别磨蚀性钎刃磨钝宽度(mm)弱<0.2中0.30.6强>0.8二、岩石的爆破性分级岩石的爆破性是岩石的物理力学性质和炸药性能、爆破参数和爆破工艺的综合效应。岩石的爆破性分级是以能量平衡为准则的。当爆破器材、参数、工艺条件一定时，根据爆破漏斗的体积、大块率、平均合格率和岩石波阻抗等大量数据，运用数理统计的多元回归分析，得出可爆性指数F为 （1-27）式中：V爆破漏斗体积，m3； K大大块率（大于300mm），%；K平平均合格率，%；K小小块率（小于50mm），%；rc岩石的波阻抗，kg/(m2·s)；e自然对数的底。根据F值可将岩石分为5级，见表1-3。表1-3 岩石爆破性分级岩 石 级 别F爆破性程度1<29极易爆229.00138138.00146易爆246.00153153.00160中等260.00168168.00174难爆274.00181181.00186极难爆2>86但是，这种分级方法也存在一些缺点，如岩石的块度测定工作劳动强度大，并且有一定的随机性，求算指数的计算公式不够方便等。三、岩石的坚固性分级前苏联学者普洛托奇雅可洛夫通过长期观察与测定，建立了岩石坚固性的概念，并用这个概念来表征岩石的性质。普氏认为：用一种方法难以破碎的岩石，用其它方法也同样难以破碎，岩石的坚固性在各个方面的表现是趋于一致的。这种分级方法是用岩石坚固性系数f值来表示岩石的坚固程度，f系数又叫普氏系数。普氏曾采用岩石强度、凿岩速度、凿碎单位体积岩石所消耗的功和单位炸药消耗量等多项指标来综合测定岩石的坚固性系数值，然后按f值的大小将岩石分成10个等级，见表1-4。普氏岩石分级的明显优点是定量清楚、分级内容简单，在实验室就可以确定岩石等级，使用方便。缺点是经过抽象化的“坚固性”有时同岩石的具体属性相差甚远，仅用单轴抗压强度难以代表岩石（特别是岩体）各方面的特征。岩石坚固性趋于一致的观点，仅对一些岩石是适用的，而对某些岩石（土）并不适用，如粘土，钻眼容易，爆破却难。表1-4 普氏岩石分级简表（坚固性分级）等级坚固性程度典 型 的 岩 石f值最坚固最坚固、细致和有韧性的石英岩、玄武岩及其它各种特别坚固岩石20很坚固很坚固花岗岩、石英页岩、硅质片岩，较坚固的石英岩，最坚固的砂岩和石灰岩15坚 固致密花岗岩，很坚固砂岩和石灰岩、石英质矿脉，坚固的砾岩，极坚固的铁矿石10a坚 固坚固的石灰岩、砂岩、大理岩，不坚固花岗岩、黄铁矿8较坚固一般的砂岩、铁矿6a较坚固砂质的页岩、页岩质砂岩5中 等坚固的粘土质岩石，不坚固的砂岩和石灰岩4a中 等各种不坚固的页岩、致密的泥灰岩3较软弱软弱的页岩，很软的石灰岩、白垩、岩盐、石膏、冻土、无烟煤，普通泥灰岩、破碎砂岩、胶结砾岩、石质土壤2a较软弱碎石质土壤、破碎岩石、凝结成块的砾岩和碎石，坚固的煤、硬化粘土1.5软 弱致密粘土，软弱的烟煤，坚固的冲积层、粘土质土壤1.0a软 弱轻砂质粘土、黄土、砾岩0.8土质岩石腐质土、泥煤，轻砂质土壤、湿砂0.6松散性岩石砂、山麓堆积、细砂石、松土、采下的煤0.5流沙性岩石流沙、沼泽土壤，含水黄土及其它含水土壤0.3四、岩体的工程分类岩体和围岩分类方法有很多，主要有：岩体质量分级（参见工程岩体分级标准GB50218-94）、洞室围岩分类（参见锚杆喷射混凝土支护技术规范GBJ86-85）、岩体地质力学分类（RMR分类）、Barton岩体质量（Q）分类等。本章仅介绍与凿岩爆破和地下工程密切相关的几种分类方法。1岩体质量指标（RQD）分级该分类方法由美国提出，即用钻探时直接获取的长度大于100mm的累计岩芯总长度与钻孔总长度的比值表征岩体的质量，即 （1-28）计算时，以1 500mm的钻进长度作为计算分析的总长度。例如，在1 500mm的钻进长度中，可见岩芯的总长度为1 250mm，长度大于100mm的岩芯的累计长度为850mm，则：RQD = 850/1 50057%。根据RQD的值，可将岩体划分为5级，见表1-5。表1-5 岩体质量指标分级分 类RQD（%）优 质90100良 好7590好5075差2550很 差025很明显，岩芯的采集率的高低，大体上可以说明岩体的结构形式和连续性情况，即可以反映一定范围内岩体的连续性及其结构类型。如果采集出的岩芯长，说明岩体的完整性好，岩体的强度高。2. 应力波传播速度分级应力波在岩体中的传播速度同样反映了岩体的性质。这种分级方法的主要分级指标有：（1）岩体内纵波的传播速度Cp纵波在岩体内的传播速度一般在1 0007 000m/s，在强度高、密度大的岩体中，Cp= 4 0007 000m/s，而在裂隙发育的岩体中Cp 4 000m/s。实践表明，Cp基本上可以反映岩体的结构形式和连续性以及完整程度。（2）传播速度比K1传播速度比K1是指岩体内的纵波传播速度Cp与相同的岩石试件内的纵波传播速度Cmp的比值 （1-29）传播速度比在一定程度上反映了岩体的完整性。（3）岩体的完整性系数K2岩体的完整性系数是指岩体内的纵波传播速度与相同的岩石试件内的纵波传播速度的平方的比值，即 （1-30）式中：Edp岩体的动弹性模量；Edpm岩石的动弹性模量；r岩体的密度；rm岩石的密度。3. 围岩稳定性分类工程实践中，围岩的稳定性主要取决于岩体的结构和岩体的强度，而不是岩石试件的强度。因此，国内外提出了各种各样的岩体工程分类的方法。在各种岩体工程分类的方法中，虽然分类原则不尽相同，但都普遍考虑了岩体的完整性或破碎程度，这无疑是正确的。因为岩体的完整性或破碎程度，实质上反映了岩体中软弱面的发育特征。此外，许多分类方法中都不同程度地考虑了岩石与岩体的成层性和地下水的影响。表1-6为煤炭部门采用的围岩分类，表1-7为交通部门采用的隧道围岩分类。表1-6 围岩分类（煤炭部门）围岩分类岩层描述巷道开挖后围岩的稳定状态（35mm跨度）类别名称稳定岩层（1）完整坚硬岩层，R > 600kg/cm2，不易风化（2）层状岩层，层间胶结好，无软弱夹层围岩稳定，长期不支护，无碎块掉落现象稳定性较好岩层（1）完整比较坚硬，R = 400600kg/cm2（2）层状岩层，胶结较好（3）坚硬块状岩层，裂隙面闭合，无泥质充填物围岩基本稳定，较长时间不支护会出现小块掉落注：表中R指岩石的单向抗压强度。表1-7 隧道围岩分类（交通部门）类 别围岩主要工程地质条件围岩开挖后的稳定状态主要工程地质条件结构特征和完整状态硬质岩石（饱和抗压强度Rb > 60MPa），受地质构造影响轻微，节理不发育，无软弱面（或夹层）；层状岩层为厚层，层间结合良好呈巨块状整体结构围岩稳定、无坍塌，可能产生岩爆硬质岩石（Rb > 30MPa），受地质构造影响较重，节理较发育，有少量软弱面（或夹层）和贯通微张节理，但其产状及组合关系不致产生滑动；层状岩层为中层或厚层，层间结合一般，很少有分离现象，或为硬质岩石偶夹软弱岩石呈大块状砌体结构暴露时间长，可能会出现局部小坍塌；侧壁稳定；层间结合差的平缓岩层，顶板易塌落软质岩石（Rb 30MPa），受地质构造影响轻微，节理不发育；层状岩层为厚层，层间结合良好呈巨块状整体结构硬质岩石（Rb > 30MPa），受地质构造影响严重，节理发育，有层状软弱面（或夹层），但其产状及组合关系尚不致产生滑动；层状岩层为薄层或中层，层间结合差，多有分离现象；或为硬、软质岩石互层呈块（石）碎（石）状镶嵌结构拱部无支护时可产生小坍塌，侧壁基本稳定，爆破震动过大易塌软质岩石（Rb = 530MPa），受地质构造影响严重，节理较发育；层状岩层为薄层、中层或厚层，层间结合一般呈大块状砌体结构硬质岩石（Rb > 30MPa），受地质构造影响很严重，节理很发育，层状软弱面（或夹层）已基本被破坏呈碎石状压碎结构拱部无支护时，可产生较大的坍塌，侧壁有时失去稳定软质岩石（Rb = 530MPa），受地质构造影响严重，节理发育呈块（石）碎（石）状镶嵌结构1. 略具压密或成岩作用的粘性土或砂性土2. 一般钙质、铁质胶结的碎、卵石土、大块石土3. 黄土（Q1、Q2）1. 呈大块状压密结构2. 呈巨块状整体结构3呈巨块状整体结构石质围岩位于挤压强烈的断裂带内，裂隙杂乱，呈石加土或土加石状呈角（砾）碎（石）状松散结构围岩易坍塌，处理不当会出现大坍塌，侧壁经常小坍塌；浅埋时易出现地表下沉（陷）或塌至地表一般第四系的半干硬至硬塑的粘性土及稍湿至潮湿的一般碎、卵石土，圆砾、角砾土及黄土（Q3、Q4）非粘性土呈松散结构，粘性土及黄土呈松软结构续表1-7石质围岩位于挤压极其强烈的断裂带内，呈角砾、砂、泥松软体呈松软结构围岩极易坍塌变形，有水时土砂常与水一起涌出；浅埋时易塌至地表软塑状粘性土及潮湿的粉细砂等粘性土呈易蠕动的松软结构，砂性土呈潮湿松散结构注：表中“类别”和“围岩主要工程地质条件”栏，不包括特殊地质条件的围岩，如膨胀性盐岩、多年冻土。思 考 题1. 解释岩体和岩块的概念及其关系。2. 解释岩石的物理力学性质指标及其意义。3. 分析论述岩石在静载作用下的变形特性。4. 分析论述岩石在动载作用下的变形特性。5. 分析论述岩石的强度特性。6. 解释岩石的可钻性、爆破性及坚固性的概念，并评价各自的岩石分级。7. 综合论述岩石的分级和围岩的分类依据及意义，并对现有的分级和分类方法加以评述。