普氏岩石硬度系数知识aust采矿工程Word文档下载推荐.docx
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1.0~1.5
含有碎石、卵石、建筑碎料和重达25kg的顽石（总体积10%以内）等杂质的肥粘土和重壤土
冰碛粘土，含有重量在50kg以内的巨砾，其含量为总体积10%以内
2000
泥板岩
不含或含有重量达10kg的顽石
松石
Ⅴ
含有重量在50kg以内的巨砾（占体积10%以上）的冰碛石
2100
小于200
部分用手凿工具、部分用爆破米开挖
1.5~1.2
矽藻岩和软白垩岩
1800
胶结力弱的砾岩
1900
各种不坚实的版岩
2600
石膏
2200
次坚石
Ⅵ
凝灰岩、和浮石
1100
200~400
3.5
用风镐的爆破法来开挖
2~4
灰岩多孔和裂隙严重的石灰岩和介质石灰岩
1200
中等硬变的片岩
2700
中等硬变的泥灰岩
2300
Ⅶ
石灰石胶结的带有卵石和沉积岩的砾石
400~600
6.0
用爆破方法开挖
4~6
风化的和有大裂缝的粘土质砂岩
坚实的泥板岩
2800
坚实的泥灰岩
2500
Ⅷ
砾质花岗岩
600~800
8.5
6~8
泥灰质石灰岩
粘土质砂岩
砂质云片岩
硬石膏
2900
普坚石
Ⅸ
严重风化的软弱的花岗岩、片麻岩和正长岩
800~1000
11.5
用爆破方法开挖
8~10
滑石化的蛇纹岩
2400
致密的石灰岩
含有卵石、沉积岩的碴质胶结的砾岩
砂岩
砂质石灰灰质片岩
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定额分类
一、二类土壤
Ⅰ
砂
1500
用尖锹开挖
0.5~0.6
砂壤土
1600
腐殖土
泥炭
600
Ⅱ
轻壤土和黄土类土
用锹开挖并少数用镐开挖
0.6~0.8
潮湿而松散的黄土，软的盐渍土和碱土
平均15MM以内的松散而软的砾石
1700
含有草根的密实腐殖土
1400
用尖锹开挖并少数用镐开挖
0.6~~0.8
含有直径在30MM以内根类的泥炭和腐殖土
掺有卵石、碎石和石屑的砂和腐殖土
含有卵石、或碎石杂质的胶结成块的填土
含有卵石、碎石和建筑料杂质的砂壤土
三类土壤
Ⅲ
肥粘土其中包括石炭纪、侏罗纪的粘土和冰粘土
用尖锹并同时用镐和撬棍开挖（30%）
0.81~1.0
重壤土、粗砾石、粒径为15-40MM的碎石或卵石
1750
干黄土和掺有碎石或卵石的自然含水量黄土
1790
含有直径大于30MM根类的腐殖土或泥炭
掺有碎石或卵石和建筑碎料的土壤
开挖方法及工具
紧固系数
普坚石
Ⅹ
白云石
1000~2000
15.0
用爆破方法开挖
10~12
坚固的石灰岩
大理岩
石灰岩质胶结的致密砾石
坚固的砂质片岩
特坚石
Ⅺ
粗花岗岩
1200~1400
18.5
12~14
非常坚硬的白云岩
蛇纹岩
石灰质胶结的含有火成岩之卵石的砾石
石英胶结的坚固砂岩
粗粒正长岩
Ⅻ
具有风化痕迹的安山岩和玄武岩
1400~1600
22.0
14~16
片麻岩
非常坚固的石灰岩
硅质胶结的含有火成岩之卵石的砾岩
粗石岩
ⅩⅢ
中粒花岗岩
3100
1600~1800
27.5
16~18
坚固耐用的片麻岩
辉绿岩
玢岩
坚固的粗面岩
中粒正长岩
ⅩⅥ
非常坚硬的细粒花岗岩
3300
1800~2000
32.5
18~20
花岗岩麻岩
闪长岩
高硬度的石灰岩
坚固的玢岩
ⅩⅤ
安山岩、玄武岩、坚固的负页岩
2000~2500
46.0
20~25
高硬度的辉绿岩和闪长岩
坚固的辉长岩和石英岩
拉长玄武岩和橄榄玄武岩
大于2500
小于60
大于25
：
小塌方：
塌方高度<
3m，或体积<
30m3；
中塌方：
塌方高度3～6m，或体积30～100m3；
大塌方：
塌方高度>
6m，或体积>
100m3；
表1-9按坚固性系数对岩石可钻性分级表
岩石
级别
坚固
程度
代表性岩石
最坚固
最坚固、致密、有韧性的石英岩、玄武岩和其他各种特别坚固的岩石。
20
很坚固
很坚固的花岗岩、石英斑岩、硅质片岩，较坚固的石英岩，最坚固的砂岩和石灰岩。
15
坚 固
致密的花岗岩，很坚固的砂岩和石灰岩，石英矿脉，坚固的砾岩，很坚固的铁矿石。
10
Ⅲa
坚固的砂岩、石灰岩、大理岩、白云岩、黄铁矿，不坚固的花岗岩。
8
比较坚固
一般的砂岩、铁矿石
6
Ⅳa
砂质页岩，页岩质砂岩。
5
中等坚固
坚固的泥质页岩，不坚固的砂岩和石灰岩，软砾石。
4
Ⅴa
各种不坚固的页岩，致密的泥灰岩。
3
Ⅵ
比较软
软弱页岩，很软的石灰岩，白垩，盐岩，石膏，无烟煤，破碎的砂岩和石质土壤。
2
Ⅵa
碎石质土壤，破碎的页岩，粘结成块的砾石、碎石，坚固的煤，硬化的粘土。
1.5
软
软致密粘土，较软的烟煤，坚固的冲击土层，粘土质土壤。
1
Ⅶa
软砂质粘土、砾石，黄土。
0.8
土 状
腐殖土，泥煤，软砂质土壤，湿砂。
0.6
松散状
砂，山砾堆积，细砾石，松土，开采下来的煤。
0.5
流沙状
流沙，沼泽土壤，含水黄土及其他含水土壤。
0.3
奥国矿物学家摩氏（FrederichMohs）创立一种硬度表，作为评判矿物硬度的标准。
最软者为滑石，最硬者为金刚石，共有十种矿物，定为十级，分别为：
滑石（Talc）
石膏（Gypsum）
指甲2.5
方解石（Calcite）
铜币3.5-4
萤石（Fluorite）
磷灰石（Apatite）
钢刀5.5
玻璃5.5-6
正长石（Orthoclase）
钢锉6.5
石英（Quartz）
黄玉（Topaz）
刚玉（Corundum）
金刚石（Diamond）
摩氏硬度表中所刊载的数字，并没有比例上的关系。
例如正长石硬度6，并不表示他是方解石硬度的两倍，数字的大小仅表明硬度排行而已。
当鉴定硬度时,如果没有以上的摩氏硬度计,可用其他东西代替,如小刀其硬度约为5.5;
铜币约为3.5至4;
指甲约为2至3;
玻璃硬度为6。
关于矿石硬度等级的划分
矿石硬度等级
普氏硬度系数
可碎性系数
可磨性系数
岩石实例
很软
<
200
1.3~1.4
2.00
石膏，石板岩
200~800
2~8
1.1~1.2
1.25~1.4
泥灰岩、石灰石
中硬
800~1600
8~16
1.0
硫化矿，硬质页岩
硬
1600~2000
16~20
0.9~0.95
0.85~0.7
硅化页岩铁矿，硬沙岩
很硬
>
0.65~0.75
硬花岗岩，玄武岩，含铁石英岩
M.M.普罗托齐雅科诺夫基于实际工程观察和模型试验结果，提出了天然平衡拱法分析围岩应力。
此法在我国简称为普氏fk法，得到了普遍的应用。
此法认为，洞室开挖后围岩一部分砂体失去平衡而向下塌落，塌落部位以上和两侧砂体，处于新的平衡状态而稳定。
塌落边界轮廓呈拱形。
若洞室侧围砂体沿斜面滑动，洞顶仍塌落后呈拱形。
若有支撑或衬砌，作用在支撑或衬砌上的压力，便是拱圈以内塌落的砂体重量，而拱圈以外的砂体已维持自身平衡。
这个拱便称为“天然平衡拱”。
设洞壁铅直，把侧围三角形滑塌体内最大主应力方向视为铅直的，则天然条件下滑塌斜面就会与侧壁呈45°
－φ/2的夹角。
由此，对散粒土体根据静力平衡的平面问题做出假定条件后，便可求出拱圈（塌落体）高度。
普氏将此方法推广到岩体上，认为被许多裂隙切割的岩体也可以视为具一定凝聚力的松散体，并认为坚固系数为岩石抗压强度的1／100；
对fk＜4的岩土，按上述方法计算洞顶和洞壁的围岩压力；
对fk＞4的岩石，则只有洞顶出现围岩压力，一般没有侧壁围岩压力。
fk反映了岩土强度特性。
软弱岩石fk值均小于4，土的fk值均小于1.0。
对于4＝0的浮砂及饱水淤泥，一般可按静水压力原则计算围岩压力。
普氏平衡拱理论有一定优点，把塌落体的重量视为围岩压力，很直观，易理解，也有理论根据。
但把所有围岩塌落体均视为拱形，便有很大局限性。
实际上，除一般土体外，岩体塌落体大都不呈拱形。
普氏理论完全不考虑岩体结构、构造应力，特别是围岩应力重分布的影响。
目前，由于长期实践，多数部门仍沿用坚固系数fk，并按fk法确定围岩塌落的拱高度，计算围岩压力。
当确定岩体坚固系数时，使其带有经验性质的系数，即反映了岩体具体的地质条件，如岩性、风化破碎及构造特征等，便更符合实际。
尽管如此fk法最好只用于土体和软弱岩体，对坚硬岩石的围岩应具体分析岩体结构等特征，去确定围岩压力
熟悉新奥法施工的原理和技术要点；
了解矿山法（爆破法）的原理及技术要点；
熟悉掘进机法、盾构法的特点及适用条件；
了解太沙基理论的分析方法；
熟悉土体应力、地应力、应变测试和弹性波测试方法及应用。
15.1
散体地压的两种计算方法
l地压的普氏计算方法
（1）
破碎岩石强度条件的修正
围岩未破碎时的强度条件：
τ=c+σtanφ
15.1-1
产生散体地压时，非弹性变形区内的岩石已被破坏，c、φ值有所降低，强度曲线由原来的AA/，变BB/，如图15.1-1所示，相应c、φ值降低为c/、φ/。
由于降低后的c/、φ/很难测定，且松散岩体黏聚力很低，故可以通过原点的斜直线OD近似代替BB/，即用β角相对于φ角的变化，反映c、φ的降低值c/、φ/。
称β角为“似内摩擦角”或“内阻力角”。
因此，破碎岩石的强度条件近似为：
τ=σtanβ。
式中
tanβ=ƒ，ƒ为普氏坚固性系数，ƒ=Sc/100（Sc为岩石单轴抗压强度）。
【例题1】按照地压的普氏理论，破碎岩石的强度近似条件为：
τ=σtanβ，岩石破碎前、后的内摩擦角分为φ、φ/，关于β及φ、φ/的比较，下列各项中正确的是（
）。
A、β>
φ>
φ/；
B、β<
φ<
C、φ>
β>
D、φ/>
φ；
答案：
A
【例题2】当地下洞室的围岩产生散体地压时，被破坏的岩石是指（
A、弹性变形区内的岩石；
B、塑性变形区内的岩石；
C、被软弱结构面切割成块体的围岩；
D、原已破碎的围岩；
B、C、D
（2）平巷地压普氏计算法
普氏理论即自然平衡拱理论。
其主要之点是：
视冒落岩体为具有一定凝聚力的松散体；
巷道顶板的冒落形式呈拱形最终稳定下来，这种拱称作自然平衡拱；
自然平衡拱的轮廓线是一条抛物线。
如图15.1-2所示，拱上作用有均布重力荷载q，取脱离体OM，如图15.1-2（b），设M点的坐标为x、y。
作用于OM上的外力有右半拱的水平推力T，垂直均布荷载q和左半半拱被截掉部分的反力R。
由拱的平衡条件取
ΣMM=0
普氏坚固性系数ƒ可按单轴抗压强度的百分之一，Sc/100。
为了更确切的反映岩体的实际强度，可结合地下工程具体条件加以修正。
【例题3】按照普氏理论，对于产生散体地压的围岩，其作用于支护结构上的压力为（
A、大于拱内岩石的重量；
B、等于拱内岩石的重量；
C、小于拱内岩石的重量；
D、以上A、B、C三种情况均有可能产生；
B
【例题4】关于普氏坚固性系数ƒ，下列各项中不正确的是（
A、ƒ可按单轴抗压强度的百分之一；
B、ƒ可按抗剪强度的百分之一；
C、为了更确切的反映岩体的实际强度，ƒ值可结合地下工程具体条件加以修正；
D、ƒ可按抗拉强度的百分之一；
B、D
【例题5】自然平衡拱理论是指（
）。
A、普氏理论；
B、太沙基理论；
C、TBM施工理论；
D、NATM施工理论；
【例题6】按照普氏理论，自然平衡拱的轮轮廓线为（
A、一条直线；
B、一条对数线；
C、一条单曲线；
D、一条抛物线；
D
2地压太沙基计算方法
太沙基理论也把破裂岩体看成松散体。
它的特点是从应力传递的概念出发，推导出作用于支架上的垂直应力计算公式。
当巷道埋深不大时，支护结构的弯曲和下沉引起覆盖岩层下滑，
【例题8】太沙基计算法的适用范围是（
A、一般用于埋深不大的巷道地压计算；
B、一般用于埋深较大的巷道地压计算；
C、一般用于冲击地压计算；
D、一般用于变形地压的计算；
从松散体理论分析围岩压力计算公式中，不难看出，产生围岩压力的根本原因，在于两种不同的土体塌落：
整体塌落或土柱底部局部塌落，从而建立两种围岩压力的计算公式。
当埋深
较浅，土柱重量（作用力）大于土柱两侧的摩擦力和粘结力（反作用力），地层不能形成拱作用，开挖地道时所引起的应力重分布会波及到地表面，这时土体塌落是整体的塌落；
当埋深较大时，土柱两侧的摩擦力和粘结力迅速增大，并大于土柱的重量，这时地层能形成拱作用，地层中应力重分布不波及地面，土柱底部局部变形或塌落便是土层压力的来源。
由此不难看出，土柱理论和压力拱理论是相联系的，土柱的稳定是压力拱存在的必要条件。
如果从整体来看土柱不能处于稳定平衡状态，压力拱当然也不可能形成。
【例题9】某地下洞室以上覆盖层为松散破碎体，按照太沙基理论，下列各项中不正确的是（
A、土体塌落为整体塌落，作用于支护结构上的力由塌落土体的重量决定；
B、土体塌落为局部塌落，作用于支护结构上的力由拱内塌落土体的重量决定；
C、土柱重量小于两侧的摩擦力及粘结力，形成局部塌落；
D、当地下洞室以上土柱处于稳定平衡时，会形成拱作用；
【例题10】关于太沙基理论与自然平衡拱理论，下列说法正确的是（
A、二者均为经典地压计算理论，因此可适用于各类地压的计算；
B、自然平衡拱理论考虑了冒落岩体的凝聚力，而太沙基理论则未考虑岩体粘聚力的影响；
C、自然平衡拱理论适用于各种类型的散体地压的计算，而太沙基理论仅适用于埋深较浅时的散体地压的计算；
D、二者是从不同的角度分析地压的产生而形成的理论，各自有其适用性和局限性，但二者不是相互独立的，而是相互联系的；
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