土壤及岩石概述.doc

极硬（f＝20）、 很硬（f＝15）、 坚硬（f＝8～10）、 较硬（f＝5～6）、 普通（f＝3～4）、 较软（f＝1.5～2）、 软层（f＝0.8～1）、 松软（f＜1）等8类。 额分类 普氏分类 土壤及岩石名称 天然湿度下平均容重 极限压 碎强度 用轻钻孔机钻进1m 开挖方法 及工具 紧固系数 Kg/m3 Kg/cm2 min f 四类土壤 Ⅳ 土含碎石重粘土，其中包括石炭纪、侏罗纪的硬粘土 1950 － － 用尖锹并同时用镐和撬棍开挖 1.01.5 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 1950 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 1.51.2 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 200400 3.5 用风镐的爆破法来开挖 24 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 2200 400600 6.0 用爆破方法开挖 46 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 Ⅷ 砾质花岗岩 2300 600800 8.5 用爆破方法开挖 68 泥灰质石灰岩 2300 粘土质砂岩 2200 砂质云片岩 2300 硬石膏 2900 普 坚 石 Ⅸ 严重风化的软弱的花岗岩、片麻岩和正长岩 2500 8001000 11.5 用爆破方法开挖 810 滑石化的蛇纹岩 2400 致密的石灰岩 2500 含有卵石、沉积岩的碴质胶结的砾岩 2500 砂岩 2500 砂质石灰灰质片岩 2500 上一页[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 极限压 碎强度 用轻钻孔机钻进1m 开挖方法 及工具 紧固系数 Kg/m3 Kg/cm2 min f 一 、 二类 土 壤 Ⅰ 砂 1500 － － 用尖锹开挖 0.50.6 砂壤土 1600 腐殖土 1200 泥炭 600 Ⅱ 轻壤土和黄土类土 1600 － － 用锹开挖并少数用镐开挖 0.60.8 潮湿而松散的黄土，软的盐渍土和碱土 1600 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 0.60.8 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 1800 － － 用尖锹并同时用镐和撬棍开挖（30） 0.811.0 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 1400 掺有碎石或卵石和建筑碎料的土壤 1900 [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 极限压 碎强度 用轻钻孔机钻进1m 开挖方法及 工具 紧固 系数 Kg/m3 Kg/cm2 min f 普坚石 Ⅹ 白云石 2700 1000 2000 15.0 用爆破 方法 开挖 1012 坚固的石灰岩 2700 大理岩 2700 石灰岩质胶结的致密砾石 2600 坚固的砂质片岩 2600 特坚石 Ⅺ 粗花岗岩 2800 1200 1400 18.5 用爆破 方法 开挖 1214 非常坚硬的白云岩 2900 蛇纹岩 2600 石灰质胶结的含有火成岩之卵石的砾石 2800 石英胶结的坚固砂岩 2700 粗粒正长岩 2700 Ⅻ 具有风化痕迹的安山岩和玄武岩 2700 1400 1600 22.0 用爆破 方法 开挖 1416 片麻岩 2600 非常坚固的石灰岩 2900 硅质胶结的含有火成岩之卵石的砾岩 2900 粗石岩 2600 ⅩⅢ 中粒花岗岩 3100 1600 1800 27.5 用爆破 方法 开挖 1618 坚固耐用的片麻岩 2800 辉绿岩 2700 玢岩 2500 坚固的粗面岩 2800 中粒正长岩 2800 ⅩⅥ 非常坚硬的细粒花岗岩 3300 1800 2000 32.5 用爆破 方法 开挖 1820 花岗岩麻岩 2900 闪长岩 2900 高硬度的石灰岩 3100 坚固的玢岩 2700 ⅩⅤ 安山岩、玄武岩、坚固的负页岩 3100 2000 2500 46.0 用爆破 方法 开挖 2025 高硬度的辉绿岩和闪长岩 2900 坚固的辉长岩和石英岩 2800 ⅩⅥ 拉长玄武岩和橄榄玄武岩 3300 大 于 2500 小 于 60 用爆破 方法 开挖 大 于 25 小塌方塌方高度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 f Ⅰ 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 Ⅱ 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 Ⅲ 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 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 Ⅳ 比较坚固 一般的砂岩、铁矿石 6 Ⅳa 比较坚固 砂质页岩，页岩质砂岩。 5 Ⅴ 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 中等坚固 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 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，硬化的粘土。 1.5 Ⅶ 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 软砂质粘土、砾石，黄土。 0.8 Ⅷ 土 状 腐殖土，泥煤，软砂质土壤，湿砂。 0.6 Ⅸ 松散状 砂，山砾堆积，细砾石，松土，开采下来的煤。 0.5 Ⅹ 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 Kg/cm2 普氏硬度系数 可碎性系数 可磨性系数 岩石实例 很软 20 0.650.75 0.5 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 τcσtanφ 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τσtanβ。 式中tanβƒ，ƒ为普氏坚固性系数，ƒSc/100Sc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τσtanβ，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、βφφ/； B、βφ/； D、φ/βφ； 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 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15.1-2b，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 ΣMM0 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； 答案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； 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； 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，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； 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； 答案D