普氏巖石硬度系數(shù)知識(shí)1

1、普氏巖石硬度系數(shù)知識(shí)由俄羅斯學(xué)者于1926年提出的巖石堅(jiān)固性系數(shù)（又稱普氏系數(shù)）至今仍在 礦山開采業(yè)和勘探掘進(jìn)中得到廣范應(yīng)用。 巖石的堅(jiān)固性區(qū)別于巖石的強(qiáng)度，強(qiáng)度 值必定與某種變形方式（單軸壓縮、拉伸、剪切）相聯(lián)系，而堅(jiān)固性反映的是巖 石在幾種變形方式的組合作用下抵抗破壞的能力。1.普氏系數(shù)又稱巖石的堅(jiān)固性系數(shù)、緊固系數(shù)，數(shù)值是巖石或土壤的單軸 抗壓強(qiáng)度極限的1/100，記作f，無量綱。f=Sc/100，式中：Sc的計(jì)量單位為 kg/cm²。2.因?yàn)樵阢@掘施工中往往不是采用純壓入或純回轉(zhuǎn)的方法破碎巖石， 因此這種反映在組合作用下巖石破碎難易程度的指標(biāo)比較貼近生產(chǎn)實(shí)際情 況。巖石堅(jiān)固性

2、系數(shù) f表征的是巖石抵抗破碎的相對(duì)值。因?yàn)閹r石的抗壓 能力最強(qiáng)，故把巖石單軸抗壓強(qiáng)度極限的1/10作為巖石的堅(jiān)固性系數(shù)，即f=R/10式中：石的單軸抗壓強(qiáng)度，MPaf是個(gè)無量綱的值，它表明某種巖石的堅(jiān)固性比致密的粘土堅(jiān)固多少倍，因?yàn)橹旅苷惩恋目箟簭?qiáng)度為10MPa巖石堅(jiān)固性系數(shù)的計(jì)算公式簡潔明了，f值可用于預(yù)計(jì)巖石抵抗破碎的能力及其鉆掘以后的穩(wěn)定性。根據(jù)巖石的堅(jiān)固性系數(shù) 可把巖石分成10級(jí)（見下表），等級(jí)越高的巖 石越容易破碎。為了方便使用又在第川，嘰V , W , %級(jí)的中間加了半級(jí)。 考慮到生產(chǎn)中不會(huì)大量遇到抗壓強(qiáng)度大于200MPa的巖石，故把凡是抗壓強(qiáng)度大于200MPa的巖石都?xì)w入I級(jí)。這

3、種方法比較簡單，而且在一定程度上反映了巖石的客觀性質(zhì)。但它 也還存在著一些缺點(diǎn)：（1）巖石的堅(jiān)固性雖概括了巖石的各種屬性（如巖石的鑿巖性、爆破 性，穩(wěn)定性等），但在有些情況下這些屬性并不是完全一致的。（2）普氏分級(jí)法采用實(shí)驗(yàn)室測定來代替現(xiàn)場測定，這就不可避免 地帶來因應(yīng)力狀態(tài)的改變而造成的堅(jiān)固程度上的誤差。極硬（f = 20）、很硬（f =:15）、堅(jiān)硬（f = 810）、較硬（f = 56）、普通（f = 34）、較軟（f =2 ）、軟層（f =1）、松軟（f V1）等8類。額分類普氏分類土壤及巖石天然濕度下極限壓碎強(qiáng)用輕鉆孔機(jī)開挖方法及緊固系數(shù)名稱平均容重度鉆進(jìn)1m工具Kg/m3Kg/cm

4、2minf四類土壤IV土含碎石重1950一一用尖鍬并同粘土，其中包時(shí)用鎬和撬松石次堅(jiān)石vn括石炭紀(jì)、侏 羅紀(jì)的硬粘 土含有碎石、卵1950石、建筑碎料和重達(dá) 25kg的頑石（總體積10%以內(nèi)）等雜質(zhì)的肥粘土和重壤土冰磧粘土，含2000有重量在50kg 以內(nèi)的巨礫，其含量為總體積 10%以內(nèi)泥板巖2000不含或含有1950重量達(dá) 10kg的頑石含有重量在210050kg 以內(nèi)的巨礫（占體積10%以上）的冰磧石矽藻巖和軟1800白堊巖膠結(jié)力弱的1900礫巖各種不堅(jiān)實(shí)2600的版巖石膏2200凝灰?guī)r、和浮1100石灰?guī)r多孔和1200裂隙嚴(yán)重的石灰?guī)r和介質(zhì)石灰?guī)r中等硬變的2700I 匚 u_r片巖中等

5、硬變的2300泥灰?guī)r石灰石膠結(jié)2200小于 200200400400600棍開挖部分用手鑿 工具、部分用 爆破米開挖用風(fēng)鎬的爆 24破法來開挖用爆破方法 46開挖的帶有卵石 和沉積巖的 礫石普?qǐng)?jiān)石風(fēng)化的和有2000大裂縫的粘 土質(zhì)砂巖堅(jiān)實(shí)的泥板2800巖堅(jiān)實(shí)的泥灰2500巖礫質(zhì)花崗巖2300泥灰質(zhì)石灰2300巖粘土質(zhì)砂巖2200砂質(zhì)云片巖2300硬石膏2900IX嚴(yán)重風(fēng)化的 軟弱的花崗 巖、片麻巖和 正長巖2500滑石化的蛇紋巖2400致密的石灰?guī)r2500含有卵石、沉 積巖的碴質(zhì) 膠結(jié)的礫巖2500砂巖2500砂質(zhì)石灰灰質(zhì)片巖25006008008001000用爆破方法 68開挖用爆破方法 8

6、10開挖上一頁 123_下一頁定額分類普氏分類土壤及巖石天然濕度下極限壓碎強(qiáng)用輕鉆孔機(jī)開挖方法及緊固系數(shù)名稱平均容重度鉆進(jìn)1m工具Kg/m3Kg/cm2minf一、 二類I砂1500一一用尖鍬開挖土壤砂壤土1600腐殖土1200泥炭600n輕壤土和黃1600一一用鍬開挖并土類土少數(shù)用鎬開潮濕而松散1600挖的黃土，軟的 鹽漬土和堿 土類土壤平均 15MM以 1700內(nèi)的松散而軟的礫石含有草根的 1400密實(shí)腐殖土含有直徑在30MM以內(nèi)根類的泥炭和 腐殖土摻有卵石、碎 石和石屑的 砂和腐殖土 含有卵石、或 碎石雜質(zhì)的 膠結(jié)成塊的 填土含有卵石、碎 石和建筑料 雜質(zhì)的砂壤 土川肥粘土其中 1800

7、包括石炭紀(jì)、 侏羅紀(jì)的粘 土和冰粘土重壤土、粗礫 1750 石、粒徑為15-40MM勺碎石或卵石干黃土和摻 1790 有碎石或卵石的自然含 水量黃土含有直徑大 1400于30MM根類的腐殖土或 泥炭摻有碎石或 1900 卵石和建筑 碎料的土壤用尖鍬開挖 并少數(shù)用鎬 開挖用尖鍬并同 時(shí)用鎬和撬 棍開挖（30%12_ 3_下一頁定額分類普氏分類土壤及巖石天然濕度下名稱平均容重Kg/m3普?qǐng)?jiān)石X白云石2700極限壓碎強(qiáng)用輕鉆孔機(jī)開挖方法及緊固系數(shù)度鉆進(jìn)1m工具Kg/cm2minf1000 2000用爆破方法1012堅(jiān)固的石灰i-JU巖2700開挖大理巖2700石灰?guī)r質(zhì)膠 結(jié)的致密礫 石2600堅(jiān)固的

8、砂質(zhì)匚 u_r片巖2600特堅(jiān)石粗花崗巖28001200 1400用爆破方法1214非常堅(jiān)硬的 白云巖2900開挖蛇紋巖2600石灰質(zhì)膠結(jié) 的含有火成 巖之卵石的 礫石2800石英膠結(jié)的2700堅(jiān)固砂巖 粗粒正長巖2700劉具有風(fēng)化痕27001400 1600用爆破方法1416跡的安山巖開挖丄化！JU和玄武巖2600片麻巖非常堅(jiān)固的石灰?guī)r2900硅質(zhì)膠結(jié)的2900含有火成巖之卵石的礫I-JU巖 粗石巖2600xm中?；◢弾r31001600 1800用爆破方法1618堅(jiān)固耐用的丄化！JU2800開挖片麻巖輝綠巖2700玢巖2500堅(jiān)固的粗面i-JU巖2800中粒正長巖2800xw非常堅(jiān)硬的330

9、01800 2000用爆破方法1820細(xì)?；◢弾r開挖花崗巖麻巖 2900 閃長巖 2900 高硬 度的石 3100 灰?guī)r堅(jiān)固的玢巖2700XV女山巖、玄武31002000 2500用爆破方法2025巖、堅(jiān)固的負(fù)開挖頁巖高硬度的輝2900綠巖和閃長巖堅(jiān)固的輝長2800巖和石英巖XW拉長玄武巖3300大于2500小于60用爆破方法大于25和橄欖玄武開挖巖小塌方：塌方咼度3m或體積30m3中塌方:塌方咼度 36m,或體積30100m3;大塌方：塌方咼度6m或體積100m3;表1-9按堅(jiān)固性系數(shù)對(duì)巖石可鉆性分級(jí)表巖石堅(jiān)固代表性巖石f級(jí)別程度I最堅(jiān)固20最堅(jiān)固、致密、有韌性的石英巖、玄武巖和其他各種特別

10、堅(jiān)固的巖石。n很堅(jiān)固很堅(jiān)固的花崗巖、石英斑巖、硅質(zhì)片巖，較堅(jiān)固的石英巖，最堅(jiān)固的砂 巖和石灰?guī)r。15出堅(jiān)固致密的花崗巖，很堅(jiān)固的砂巖和石灰?guī)r，石英礦脈，堅(jiān)固的礫巖，很堅(jiān) 固的鐵礦石。10川a堅(jiān)固堅(jiān)固的砂巖、石灰?guī)r、大理巖、白云巖、黃鐵礦，不堅(jiān)固的花岡巖。8IV比較堅(jiān)固一般的砂巖、鐵礦石6IVa比較堅(jiān)固砂質(zhì)頁巖，頁巖質(zhì)砂巖。5V中等堅(jiān)固堅(jiān)固的泥質(zhì)頁巖，不堅(jiān)固的砂巖和石灰?guī)r，軟礫石。4Va中等堅(jiān)固各種不堅(jiān)固的頁巖，致密的泥灰?guī)r。3屮比較軟軟弱頁巖，很軟的石灰?guī)r，白堊，鹽巖，石膏，無煙煤，破碎的砂巖和 石質(zhì)土壤。2Wa比較軟碎石質(zhì)土壤，破碎的頁巖，粘結(jié)成塊的礫石、碎石，堅(jiān)固的煤，硬化的 粘土。vn軟

11、軟致密粘土，較軟的煙煤，堅(jiān)固的沖擊土層，粘土質(zhì)土壤。1Wa軟軟砂質(zhì)粘土、礫石，黃土。vrn土狀腐殖土，泥煤，軟砂質(zhì)土壤，濕砂。IX松散狀砂，山礫堆積，細(xì)礫石，松土，開米下來的煤。X流沙狀流沙，沼澤土壤，含水黃土及其他含水土壤。奧國礦物學(xué)家摩氏(FrederichMohs )創(chuàng)立一種硬度表，作為評(píng)判礦物硬度的標(biāo)準(zhǔn)。最軟者為滑石，最硬者為金剛石，共有十種礦物，定為十級(jí)，分別為：滑石(Talc)石膏(Gypsum)指甲方解石(Calcite)銅幣螢石(Fluorite) 磷灰石(Apatite) 鋼刀玻璃-6正長石(Orthoclase)鋼鋰石英(Quartz)黃玉(Topaz) 剛玉(Corund

12、um) 金剛石(Diamond)摩氏硬度表中所刊載的數(shù)字，并沒有比例上的關(guān)系。例如正長石硬度6，并不表示他是方解石硬度的兩倍，數(shù)字的大小僅表明硬度排行而已。 當(dāng)鑒定硬度時(shí)，如果沒有以上的摩氏硬度計(jì),可用其他東西代替,如小刀其硬度約為；銅幣約為至4;指甲約為2至3;玻璃硬度為6。關(guān)于礦石硬度等級(jí)的劃分礦石硬度等Kg/cm2普氏硬度系可碎性系數(shù)可磨性系巖石實(shí)例級(jí)數(shù)數(shù)很軟200200020硬化岡巖，玄武巖，含鐵石英巖M. M.普羅托齊雅科諾夫基于實(shí)際工程觀察和模型試驗(yàn)結(jié)果，提出了天然平衡拱法分析圍巖應(yīng)力。此法在我國簡稱為普 氏fk法，得到了普遍的應(yīng)用。此法認(rèn)為，洞室開挖后圍巖一部分砂體失去平衡而向下

13、塌落，塌落部位以上和兩側(cè)砂體， 處于新的平衡狀態(tài)而穩(wěn)定。塌落邊界輪廓呈拱形。 若洞室側(cè)圍砂體沿斜面滑動(dòng)，洞頂仍塌落后呈拱形。 若有支撐或襯砌，作用在支撐或襯砌上的壓力，便是拱圈以內(nèi)塌落的砂體重量，而拱圈以外的砂體已維持自身平衡。這個(gè)拱便稱為“天然 平衡拱”。設(shè)洞壁鉛直，把側(cè)圍三角形滑塌體內(nèi)最大主應(yīng)力方向視為鉛直的，則天然條件下滑塌斜面就會(huì)與側(cè)壁呈45$ /2的夾角。由此，對(duì)散粒土體根據(jù)靜力平衡的平面問題做出假定條件后，便可求出拱圈（塌落體）高度。普氏將此方法推廣到巖體上，認(rèn)為被許多裂隙切割的巖體也可以視為具一定凝聚力的松散體，并認(rèn)為堅(jiān)固系數(shù)為巖石抗 壓強(qiáng)度的1/100;對(duì)fk V 4的巖土，按

14、上述方法計(jì)算洞頂和洞壁的圍巖壓力；對(duì)fk 4的巖石，貝幟有洞頂出現(xiàn)圍巖壓力，一般沒有側(cè)壁圍巖壓力。fk反映了巖土強(qiáng)度特性。軟弱巖石fk值均小于4, 土的fk值均小于。對(duì)于4 = 0的浮砂及飽水淤泥，一般可按靜水壓力原則計(jì)算圍巖壓力。普氏平衡拱理論有一定優(yōu)點(diǎn)，把塌落體的重量視為圍巖壓力，很直觀，易理解，也有理論根據(jù)。但把所有圍巖塌落體均 視為拱形，便有很大局限性。實(shí)際上，除一般土體外，巖體塌落體大都不呈拱形。普氏理論完全不考慮巖體結(jié)構(gòu)、構(gòu)造 應(yīng)力，特別是圍巖應(yīng)力重分布的影響。目前，由于長期實(shí)踐，多數(shù)部門仍沿用堅(jiān)固系數(shù)fk，并按fk法確定圍巖塌落的拱高度，計(jì)算圍巖壓力。當(dāng)確定巖體堅(jiān)固系數(shù)時(shí)，使其帶

15、有經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)的系數(shù)，即反映了巖體具體的地質(zhì)條件，如巖性、風(fēng) 化破碎及構(gòu)造特征等，便更符合實(shí)際。盡管如此fk法最好只用于土體和軟弱巖體，對(duì)堅(jiān)硬巖石的圍巖應(yīng)具體分析巖體結(jié)構(gòu)等特征，去確定圍巖壓力熟悉新奧法施工的原理和技術(shù)要點(diǎn)；了解礦山法（爆破法）的原理及技術(shù)要點(diǎn)；熟悉掘進(jìn)機(jī)法、盾構(gòu)法的特點(diǎn)及適用條件;了解太沙基理論的分析方法；熟悉土體應(yīng)力、地應(yīng)力、應(yīng)變測試和彈性波測試方法及應(yīng)用。散體地壓的兩種計(jì)算方法l地壓的普氏計(jì)算方法（1）破碎巖石強(qiáng)度條件的修正t =c+(T tan $圍巖未破碎時(shí)的強(qiáng)度條件：產(chǎn)生散體地壓時(shí)，非彈性變形區(qū)內(nèi)的巖石已被破壞，c、值有所降低，強(qiáng)度曲線由原來的AA/,變BB/，如圖所示

16、，相應(yīng)c、$值降低為c/、$ /。由于降低后的c/、$ /很難測定，且松散巖體黏聚力很低，故可以通過原點(diǎn)的斜直線0D近似代替BB/，即用B角相對(duì)于$角的變化，反映c、$的降低值c/、$ /。稱B角為似內(nèi)摩擦角”或內(nèi)阻力角”。因此，破碎巖石的強(qiáng)度條件近似為：t=b tan 3式中 tan 3 =?, ?為普氏堅(jiān)固性系數(shù)，？ =Sc/100(Sc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度)?！纠}1】按照地壓的 普氏理論，破碎巖石的強(qiáng)度近似條件為：t =b tan 3,巖石破碎前、后的內(nèi)摩擦角分為/ , 關(guān)于3及$、$ /的比較，下列各項(xiàng)中正確的是 ()。A、3 $ $ / ；B、3 $ 3 $ / ；D、$ / 3 $

17、； 答案： A【例題 2】當(dāng)?shù)叵露词业膰鷰r產(chǎn)生散體地壓時(shí),被破壞的巖石是指()。A、彈性變形區(qū)內(nèi)的巖石；B、塑性變形區(qū)內(nèi)的巖石；C、被軟弱結(jié)構(gòu)面切割成塊體的圍巖；D、原已破碎的圍巖；答案： B、 C、 D(2) 平巷地壓 普氏 計(jì)算法普氏理論即自然平衡拱理論 。其主要之點(diǎn)是： 視冒落巖體為具有一定凝聚力的松散體；巷道頂板的冒落形式呈拱形 最終穩(wěn)定下來,這種拱稱作自然平衡拱；自然平衡拱的輪廓線是一條拋物線。如圖所示，拱上作用有均布重力荷載q，取脫離體0M如圖(b)，設(shè)M點(diǎn)的坐標(biāo)為x、y。作用于OMt的外力有右半拱的水平推力T,垂直均布荷載q和左半半拱被截掉部分的反力 R。由拱的平衡條件取工 MM

18、=0普氏堅(jiān)固性系數(shù)？可按單軸抗壓強(qiáng)度的百分之一，Sc/100。為了更確切的反映巖體的實(shí)際強(qiáng)度，可結(jié)合地下工程具體條件加以修正?！纠} 3】按照 普氏 理論,對(duì)于產(chǎn)生散體地壓的圍巖,其作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力為()。A、大于拱內(nèi)巖石的重量；B、等于拱內(nèi)巖石的重量；C、小于拱內(nèi)巖石的重量；D、以上A、B、C三種情況均有可能產(chǎn)生；答案： B【例題 4】關(guān)于 普氏堅(jiān)固性系數(shù)?,下列各項(xiàng)中不正確的是()。A、?可按單軸抗壓強(qiáng)度的百分之一；B、?可按抗剪強(qiáng)度的百分之一；C、 為了更確切的反映巖體的實(shí)際強(qiáng)度，？值可結(jié)合地下工程具體條件加以修正；D、?可按抗拉強(qiáng)度的百分之一；答案： B、 D【例題 5】自然 平

19、衡拱理論 是指 () 。A、普氏理論；B、太沙基理論；C、TBM施工理論；D、NAT施工理論；答案： A【例題 6】按照 普氏 理論，自然平衡拱的輪輪廓線為 ( )。A、一條直線；B、一條對(duì)數(shù)線；C、一條單曲線；D、一條拋物線；答案： D2 地壓太沙基計(jì)算方法太沙基理論也把破裂巖體看成松散體。它的特點(diǎn)是從應(yīng)力傳遞的概念出發(fā)，推導(dǎo)出作用于支架上的垂直應(yīng)力計(jì)算公式?！纠} 8】太沙基計(jì)算法的適用范圍是A、一般用于埋深不大的巷道地壓計(jì)算；B、般用于埋深較大的巷道地壓計(jì)算；c、般用于沖擊地壓計(jì)算；D、般用于變形地壓的計(jì)算；答案：A當(dāng)巷道埋深不大時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的彎曲和下沉引起覆蓋巖層下滑，)。從松散體理論分析圍巖壓力計(jì)算公式中，不難看出，產(chǎn)生圍巖壓力的根本原因，在于兩種不同的土體塌落：整體塌落或 土柱底部局部塌落，從而建立兩種圍巖壓力的計(jì)算公式 。