普氏岩石硬度系数知识

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1、普氏岩石硬度系数知识由俄罗斯学者于1926年提出的岩石坚固性系数（又称普氏系数）至今仍在 矿山开采业和勘探掘进中得到广范应用。岩石的坚固性区别于岩石的强度，强度 值必定与某种变形方式（单轴压缩、拉伸、剪切）相联系，而坚固性反映的是岩 石在几种变形方式的组合作用下抵抗破坏的能力。1.普氏系数又称岩石的坚固性系数、紧固系数，数值是岩石或土壤的单轴 抗压强度极限的1/100，记作f，无量纲。f=Sc/100，式中：Sc的计量单位为kg/cm²。2.因为在钻掘施工中往往不是采用纯压入或纯回转的方法破碎岩石， 因此这种反映在组合作用下岩石破碎难易程度的指标比较贴近生产实际情 况。岩石坚固性系数

2、f表征的是岩石抵抗破碎的相对值。因为岩石的抗压 能力最强，故把岩石单轴抗压强度极限的1/10作为岩石的坚固性系数，即f=R/10式中：R是岩石的单轴抗压强度，MPa。f是个无量纲的值，它表明某种岩石的坚固性比致密的粘土坚固多少 倍，因为致密粘土的抗压强度为10MPa。岩石坚固性系数的计算公式简洁明 了，f值可用于预计岩石抵抗破碎的能力及其钻掘以后的稳定性。根据岩石的坚固性系数（f）可把岩石分成10级（见下表），等级越高的岩 石越容易破碎。为了方便使用又在第III,W,V,H,W级的中间加了半级。考虑到生产中不会大量遇到抗压强度大于200MPa的岩石，故把凡是抗压强度大于200MPa的岩石都归入

3、I级。这种方法比较简单，而且在一定程度上反映了岩石的客观性质。但它 也还存在着一些缺点：（1）岩石的坚固性虽概括了岩石的各种属性（如岩石的凿岩性、爆破 性，稳定性等），但在有些情况下这些属性并不是完全一致的。（2）普氏分级法采用实验室测定来代替现场测定，这就不可避免 地带来因应力状态的改变而造成的坚固程度上的误差。极硬（f=20）、较硬（f=56）、软层（f=0.81）、很硬（f=15）、普通（f=34）、松软（f1）等8类。坚硬（f=810）、较软（f=1.52）、额分类普氏分类土壤及岩石 名称天然湿度下平均容重Kg/m3极限压碎强 度Kg/cm2用轻钻孔机钻进1mmin开挖方法及 工具紧固

4、系数f四类土壤W土含碎石重1950用尖锹并同1.01.5粘土，其中包时用镐和撬括石炭纪、侏 罗纪的硬粘 土棍开挖含有碎石、卵石、建筑碎料1950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2000不含或含有 重量达10kg 的顽石1950松石V含有重量在2100小于200部分用手凿1.51.250kg以内的工具、部分用巨砾（占体积 10%以上）的 冰碛石矽藻岩和软1800爆破米开挖白垩岩胶结力弱的砾岩1900各种不坚实 的版岩2600石膏2200次坚石W凝灰岩、和浮 石11002

5、004003.5用风镐的爆241200破法来开挖灰岩多孔和裂隙严重的石灰岩和介质石灰岩中等硬变的2700片岩中等硬变的泥灰岩2300W石灰石胶结22004006006.0用爆破方法46的带有卵石 和沉积岩的 砾石开挖风化的和有大裂缝的粘土质砂岩2000坚实的泥板 岩2800坚实的泥灰岩2500例砾质花岗岩23006008008.5用爆破方法68泥灰质石灰岩2300开挖粘土质砂岩2200砂质云片岩2300硬石膏2900普坚石IX严重风化的2500800100011.5用爆破方法810软弱的花岗开挖岩、片麻岩和正长岩滑石化的蛇2400纹岩致密的石灰2500岩含有卵石、沉2500积岩的碴质胶结的砾岩

6、砂岩2500砂质石灰灰2500 质片岩上一页12 3下一页定额分类普氏分类土壤及岩石 名称天然湿度下平均容重Kg/m3极限压碎强 度Kg/cm2用轻钻孔机钻进1mmin开挖方法及 工具紧固系数f一、二类I砂1500用尖锹开挖0.50.6土壤砂壤土1600腐殖土1200泥炭600II轻壤土和黄1600用锹开挖并0.60.8土类土少数用镐开潮湿而松散1600挖的黄土，软的盐渍土和碱土平均15MM1700以内的松散而软的砾石含有草根的1400用尖锹开挖0.60.8密实腐殖土并少数用镐含有直径在开挖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

7、石、碎石和建筑料杂质的砂壤土三类土壤m肥粘土其中1800用尖锹并同0.811.0包括石炭纪、时用镐和撬侏罗纪的粘棍开挖土和冰粘土(30%)重壤土、粗砾1750石、粒径为15-40MM 的碎石或卵石干黄土和掺 1790有碎石或卵石的自然含水量黄土含有直径大1400于30MM根类的腐殖土或泥炭掺有碎石或1900卵石和建筑碎料的土壤1 2 3下一页定额分类普氏分类土壤及岩石 名称天然湿度下平均容重Kg/m3极限压碎强 度Kg/cm2用轻钻孔机钻进1mmin开挖方法及 工具紧固系数f普坚石X白云石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27002700270026002600100020

8、0015.0用爆破方法 开挖1012特坚石XI粗花岗岩 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2800290026002800270027001200140018.5用爆破 方法开挖1214XH片麻岩 非常坚固的 石灰岩具有风化痕 迹的安山岩 和玄武岩 2600290027001400160022.0用爆破 方法开挖1416硅质胶结的2900含有火成岩之卵石的砾岩粗石岩 2600xm中粒花冈岩31001600180027.5用爆破方法1618坚固耐用的2800开挖片麻岩辉绿岩2700玢岩2500坚固的粗面2800岩中粒正长岩2800x

9、w非常坚硬的33001800200032.5用爆破方法1820细粒花岗岩开挖花冈岩麻石2900闪长岩2900高硬度的石3100灰岩坚固的玢岩2700XV安山石、玄武31002000 250046.0用爆破方法2025岩、坚固的负开挖页岩高硬度的辉2900绿岩和闪长岩坚固的辉长2800岩和石英岩xw拉长玄武岩3300大于2500小于60用爆破方法大于25和橄榄玄武开挖岩:小塌方：塌方高度3m,或体积30m3；中塌方：塌方高度36m，或体积30100m3； 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坚固代表性岩石f级别程度I最坚固最坚固、致密、有韧性的石英岩

10、、玄武岩和其他各种特别坚固的岩石。20II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15岩和石灰岩。m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10固的铁矿石。ma坚固坚固的砂石、石灰石、大理岩、白云岩、黄铁矿，不坚固的花岗岩。8w比较坚固一般的砂岩、铁矿石6Wa比较坚固砂质页岩，页岩质砂岩。5V中等坚固坚固的泥质页岩，不坚固的砂岩和石灰岩，软砾石。4Va中等坚固各种不坚固的页岩，致密的泥灰岩。3W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2石质土壤。Wa比较软碎石质土壤，破碎的页岩，粘结成块的砾石、碎石，坚固的煤，硬

11、化的1.5粘土。W软软致密粘土，较软的烟煤，坚固的冲击土层，粘土质土壤。1Wa软软砂质粘土、砾石，黄土。0.8例土状腐殖土，泥煤，软砂质土壤，湿砂。0.6IX松散状砂，山砾堆积，细砾石，松土，开采下来的煤。0.5X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(Frederich Mohs)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(Orthocla

12、se)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Kg/cm2普氏硬度系 数可碎性系数可磨性系 数岩石实例很软2002000200.650.750.5硬花冈岩，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

13、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-p/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

14、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fk4的岩石，则只有洞顶出现围岩压力， 一般没有侧壁围岩压力。依反映了岩土强度特性。软弱岩石k值均小于4，土的依值均小于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

15、 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。尽管如此依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：T=c+otane15.1-1产生散体地压时，非弹性变形区内的岩石已被破

16、坏，c、e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、e值降低为c/、e/。由于降低后的c/e/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B角相对于e角的变化，反映c、e的降低值c/、e/。称B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：T = otanB。式中tanB/，/为普氏坚固性系数，/=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：T = otanB，岩石破碎前、后的内摩擦角分为e、W， 关于B及e、e/的比较，下列各项中正确的是（）。A、

17、Bee/；B、BeBe/；D、WBe；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；答案：B、C、D（2）平巷地压普氏计算法(a) 15.1-2自瓣F衡拱受力图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

18、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NMM=0y 15.1-227可见,原蝌能平,拱制轴鼬顼赡。程可籽布博:b=:朋aT鲜割岩石晋曜固性藉：I-拱成将关匠更盖绢生布什A拄周兰标，尸n尹，并七人平街茬由戢万理式，碍挟顶捱力表些式为旅睇白炉方吨足蜿植噩，必旅足X检,胡贮瑙,贝,有：EC*2T=(dm：b=yM总散鼠佛二螟4的新掘M石的重Th地压耐按下沏新瓦 融瞻务而鼬岫：24?#.= 一以比=一击=322/则酬鼬IW岩石ET笑询功P艺；4?F=pa= :;.1-4普氏坚固性系数/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

19、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；答案：B【例题4】关于普氏坚固性系数/，下列各项中不正确的是（）。A、/可按单轴抗压强度的百分之一；B、/可按抗剪强度的百分之一；。、为了更确切的反映岩体的实际强度，/值可结合地下工程具体条件加以修正；D、/可按抗拉强度的百分之一；答案：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；答案：A【例题6】按照普氏理论，自然平

20、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；答案：D2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，i&Sfi舞I醐 蜘为卜竺/,如山，卦尴觌大，峰谶翻雁宜翘蹄扩麻砒瑟曲碾分并元的咪，页就德珂果匪曲Pv ：由堕=（-+常1 口Man 伊萨/醯直瞒血况艾距此半，盯计宣肮ft90。- j?攵度注,版胡-h：戒一:;l街醒度混；厂部梅毓；】TE羯焚W数一；L岩罚棒二；-司捻莎苫质；Afll器图，曲域.；=1扇甦壶亘胆7亲干做调.大

21、谑仁酝7月于吊不地新期压计宜，例题j瑾大惦理也熟下链小蜀噩下冷怕路面与圭亘醐度联 一奴囚斗；七;C-曲叫三；222二、？; 谷奏门【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； 答案：A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，

22、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；答案：B、C、D【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；。、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；答案：D