chap.xlsx 爆破工程地质

1高文学北京工业大学道桥研究所Tel.：13910721699E-mail：[e-mail]贵州省2012年爆破工程技术人员培训讲座2目录5爆破工程地质6岩土爆破理论8地下爆破9井巷掘进爆破35爆破工程地质45.1岩石性质及其分级5.2地质构造5.3地质条件对爆破的影响5.4爆破对工程地质条件的改变55.1岩石性质及其分级岩石是组成地壳的基本物质，它是由矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集而形成的自然体。我们通常将不包含有显著弱面的均质岩石称为岩块，岩块在一定程度上代表了相应的岩石。岩体是指一定工程范围内的自然地质体，岩体与岩石（岩块）既有联系、又有区别，通常岩体强度远低于岩石强度，在某些大型爆破工程中研究岩体的强度指标更有意义。65.1岩石性质及其分级5.1.1岩石分类岩石类别岩浆岩沉积岩变质岩片麻岩大理岩千枚岩泥岩砂岩砾岩页岩煤、油页岩石灰岩白云岩花岗岩闪长岩辉长岩花岗斑岩辉绿岩玄武岩安山岩流纹岩•第四纪以来未结硬成岩的堆积物统称为松散沉积物（考题）。7岩浆岩成因：深部岩浆上升冷凝或喷出地表形成的。其特性与结构构造密切相关，岩浆岩主要由结晶矿物颗粒组成，结晶颗粒越细，结构越致密，强度越高，坚固性越好。沉积岩成因：地表母岩经风化剥离或溶解后，再经过搬运和沉积，在常温常压下固结形成的岩石。其坚固性除与矿物颗粒成分、粒度和形状有关外，还与胶结成分和颗粒间胶结的强弱有关。变质岩成因：是由已形成的岩浆岩、沉积岩在高温高压或其他因素作用下，其矿物成分和排列经某种变质作用而形成的岩石。一般变质程度越高，矿物重结晶越好，结构越紧密，其坚固性越强。8由岩浆岩形成的变质岩称为正变质岩，常见的有花岗片麻岩；由沉积岩形成的变质岩称为副变质岩，常见的有大理岩、板岩、石英岩、千枚岩等。第四纪以来，由于风化的作用、流水的作用、风的作用等各种地质作用的结果，形成各种堆积物，这些堆积物尚未硬结成岩，一般统称为松散沉积物——如在隧道洞口、山坡坡脚等。95.1.2岩石基本性质岩石性质取决于：生成条件、矿物成分、结构构造状态、后期地质的营造作用（考题）岩石物理性质：1.密度（密度、堆积密度）、容重、孔隙率；2.岩石波阻抗：岩石中纵波波速与岩石密度的乘积。岩石的这一性质与炸药爆炸后传给岩石的能量有直接关系。通常认为选用炸药波阻抗若与岩石波阻抗相匹配或接近，则能取得较好爆炸效果；3.岩石风化程度(未风化、微风化、弱风化、强风化、全风化)；4.岩石的抗冻性105.1.2岩石基本性质岩石的主要力学性质：岩石的力学性质可视为其在一定力场作用下性态的反映。岩石在外力作用下将发生变形，这种变形因外力的大小、岩石物理力学性质的不同会呈现弹性、塑性、脆性性质。当外力继续增大至某一值时，岩石便开始破坏，岩石开始破坏时的强度称为岩石的极限强度。因受力方式的不同而有抗拉、抗剪、抗压等强度极限。岩石与爆破有关的主要力学性质如下。1.岩石变形特征：弹性、塑性、脆性；弹性模量、泊松比；2.岩石强度特征：岩石在外力作用下发生破坏前所能承受的最大应力。通常采用岩石试件在单轴静态荷载作用下承受的最大抗力来鉴定；主要强度指标：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度。3.弹性模量E：岩石在弹性变形范围内，应力与应变之比。4.泊松比u：岩石试件单向受压时，横向应变与竖向应变之比。5.岩石动态特性：岩石动态强度比静态强度大幅度提高11岩石介质对爆破作用的抵抗能力与其性质有关。岩石基本性质从根本上说决定于其生成条件、矿物成分、结构构造状态和后期地质营造作用。用来定量评价岩石物理力学性质的参数有100多个，但与爆破有关的主要参数，一般来说有10多个。岩浆岩一般可爆性较差（对爆破作用的抵抗能力最强），沉积岩和变质岩的可爆性较好。5.1.2岩石基本性质12（1）堆积密度（容重）γ：单位体积自然状态下岩石具有的重量。测定容重时，岩石体积包括岩石中孔隙体积，岩石的重量包括空隙中自然状态下的水重。如果不包括空隙内的水重，则所得容重称干容重。γ=G/V式中γ——岩石的堆积密度，N/m3；G——岩石的重量，N；V——岩石的体积，m3。岩石的堆积密度一般为20~30KN/m3。岩石密度大，其容重也大，岩石的强度和抵抗爆破作用的能力也增强，破碎和移动岩石所耗费的能量也增加。在工程实践中常用公式K=0.4+(γ/2450)2(kg·m-3)，来估算标准抛掷爆破的单位用药量值。13（2）密度ρ与孔隙率η：密度指岩石的颗粒质量与所占体积之比；孔隙率指岩石中孔隙体积(气相、液相所占体积)与岩石总体积之比，它常常是利用密度计算出来的。岩石的孔隙率η：岩石的孔隙比：，指岩石中孔隙的体积和岩石实体体积之比。岩石的密度ρ一般为14~30KN/m3。常见岩石的孔隙率一般在0.1％～30％之间。随着孔隙率的增加，岩石中冲击波和应力波的传播速度降低。%10014（3）含水率和透水性：岩石中水的重量与固体物质重量的比称为岩石的含水率W，常用百分率表示。岩石的透水性是指水在岩石中流动与转移的性能，主要取决于岩石中孔隙的大小、数量、形状和连通程度，常用渗透系数定量。岩石含水率增大时，往往导致其坚固性的降低，降低程度因岩石而异。含水率大的沉积岩，其强度可减少一半甚至更多。15（4）碎胀性：岩石破碎后，碎块之间空隙增多，碎块的堆积体积比原岩体积要大，这种性质称为岩石的碎胀性。岩石破碎后的体积与原岩体积之比，称为松散系数或碎胀系数。岩石名称松散系数初始残余砂、垆坶①1.1~1.21.02~1.03腐殖土1.2~1.31.03~1.04肥粘土.粗砾石.重垆坶1.24~1.31.04~1.07软泥灰岩1.33~1.371.11~1.15粘土质片岩、较软的岩石1.35~1.451.10~1.20中砾、结实的岩石1.04~1.601.20~1.30硬和极硬结实岩石1.45~1.801.25~1.35注：①垆坶为砂、粉土、粘土的混合物16（5）风化程度：岩石在地质内营力和外营力的作用下发生破坏疏松的程度。一般来说随着风化程度的增大，岩石的孔隙率和变形性增大，其强度和弹性性能降低。所以，同一种岩石常常由于风化程度的不同，其物理力学性质差异很大。岩石的风化程度用未风化、微风化、弱风化、强风化和全风化划分。名称风化特征未风化结构构造未变，岩质新鲜微风化结构构造、矿物色泽基本未变，部分裂隙面有铁锰质渲染弱风化结构构造部分破坏，矿物色泽较明显变化，裂隙面出现风化矿物或存在风化夹层强风化结构构造大部分破坏，矿物色泽明显变化，长石、云母等多风化成次生矿物全风化结构构造全部破坏，矿物成分除石英外，大部分风化成土状17（6）波阻抗：岩石中纵波波速C与岩石密度ρ的乘积。它表征了岩石对应力波传播阻尼作用，它直接影响炸药爆炸后传给岩石的总能量和传递效率。波在岩石中传播速度与岩石种类有关。对于越致密越坚实的岩石，纵波速度越高，波阻抗越大；当岩石越疏松，裂纹空隙越多，则波速越低，波阻抗越小。通常认为选用的炸药波阻抗若与岩石波阻抗相匹配(接近一致)，则能取得较好的爆破效果。18岩石风化程度：岩石在地质内力和外力作用下发生的破坏疏松的程度。风化对岩石性质的影响：一般随着风化程度增大，岩石的孔隙率和变形性增大，其强度和弹性性能降低。因此，同一种岩石常常由于风化程度不同，其物理力学性质的差异很大。题库：基础理论题10页第34~38题题库：中级题38页第12题题库：高级题57页第3题19岩石的主要力学特性（1）岩石的变形特征1）弹性：岩石受力后发生变形，当外力解除后恢复原状的性能。2）塑性：当岩石所受外力解除后，岩石没能恢复原状而留有一定残余变形的性能。3）脆性：岩石在外力作用下，不经显著的残余变形就发生破坏的性能。岩石因其成分、结晶、结构等的特殊性，它不像一般固体材料那样有明显的屈服点，而是在所谓的弹塑性范围内呈现弹性和塑性，甚至在弹性变形一开始就呈现出塑性变形。脆性是坚硬岩石的固有特征（与爆破关系）。20（2）岩石的强度特征岩石强度是指岩石在受外力作用发生破坏前所能承受的最大应力，是衡量岩石力学性质的主要指标。1.单轴抗压强度：岩石试件在单轴压力下发生破坏时的极限强度。2.单轴抗拉强度：岩石试件在单轴拉力下发生破坏时的极限强度。3.抗剪强度：岩石抵抗剪切破坏的最大能力。（3）弹性模量E岩石在弹性变形范围内，应力与应变之比。（4）泊松比υ岩石试件单向受压时，横向应变与竖向应变之比。215.1.3岩石动力学特性加载方式稳定载荷液压机气压机冲击杆爆炸冲击应变率/s-1载荷状态10-6流变10-6~10-4静态10-4~10准静态10~104准动态104动态载荷种类比较•爆炸荷载具有明显的波动特性；•岩石动态强度比静态强度大幅度提高。•题库：高级题57页第1、2题22爆炸冲击荷载特点：1)冲击荷载作用下形成的应力场(应力分布及大小)与岩石性质有关；静载则与岩性无关。2)冲击加载是瞬时性的，一般为毫秒级；静载则通常超过10s。3)爆炸荷载在传播过程中，具有明显的波动特性。在爆炸冲击作用下，破坏岩石要消耗较多的能量。4)在爆炸冲击载荷下，岩石不易发生塑性变形，强度有所提高；加载速度越快，材料强度就越大。23爆炸载荷下岩石的破坏特性：随着应力波的继续向外传播，由于几何扩散和能量耗散，应力波的强度逐渐降低，导致能量密度的减少，在粉碎区之外，应力波波阵面上的压力已小于岩石动态抗压强度。由于岩石的抗拉强度远小于抗压强度，在切向拉应力的作用下，在粉碎区之外产生径向裂缝，径向裂缝发展很快，一般是纵波的0.15~0.38倍。尔后，爆炸气体产物渗入径向裂隙，像尖劈一样使裂隙进一步扩展；该破坏区域称为破碎区。破碎区内还存在剪切破坏和环状裂隙的破坏形式。当爆炸应力波遇到自由面时，压缩应力波反射为拉伸应力波，造成岩石片落（霍布金森效应）。24我国土木建筑、市政工程普遍采用的建设部《全国统一建筑工程基础定额》中的土壤及岩石开挖分类表，它是按坚固性系数（普氏系数）f和轻型钻孔机钻进1m的耗时将土壤和岩石分成Ⅰ~ⅩⅥ类，f=σc/100，式中σc为岩石的单轴极限抗压强度。2008年修订的《爆破工程消耗量定额(GYD-102-2008)》也采用该分类表作为土石方爆破的分类，计算爆破器材消耗、劳动生产定额的依据。即把土壤和岩石共划分为五类：Ⅰ-Ⅳ为土壤类；Ⅴ为松石（软石）；Ⅵ-Ⅷ为次坚石；Ⅸ-Ⅹ为普坚石；Ⅺ-ⅩⅥ为特坚石（与隧道分级的区别）。25岩石坚固性是一个综合性的概念。它用来表示各种方法破碎岩石（包括爆破破碎）的难易程度或岩石对任何外力造成破坏的抵抗作用，即不管外力的种类，也不管外力的是由何引起，岩石所体现出来的对外力的抵抗作用是趋于一致性的——讨论。岩石坚固性系数（普氏系数）定义为：f=σc/100式中f——岩石坚固性系数（普氏系数）；σc——岩石单轴抗压强度，MPa。26岩石可钻性是表示钻凿炮孔难易程度的一种岩石坚固性指标。国外有用岩石抗压强度、普氏坚固性系数、点荷载强度、岩石的侵入硬度等作为可钻性指标的。东北工学院根据多年的研究，于1980年提出以凿碎比能（冲击凿碎单位体积岩石所耗之能量）作为判据来表示岩石的可钻性。这种可钻性分级方法简单实用，便于掌握，现场、实验室均可测定——（30多年过去，研究进展不大）。岩石可钻性分级表可用于钻孔凿岩时指导钻及类型选择、钻进效率预测和作业消耗、劳动生产定额的编制题库：基础理论题10页第39~41题题库：中级题38页第13题27岩石可爆性（或称爆破性）表示岩石在炸药爆炸作用下发生破碎的难易程度，它是动载作用下岩石物理力学性质的综合体现。国内外研究者已经做了大量工作，根据岩石爆破性的主要影响因素，提出了许多不同的判据和指标，以及分级方法。其中主要判据包括：岩石强度、单位炸药消耗量、工程地质参数、岩石的弹性波速度、岩石波阻抗、爆破岩石质点位移、临界速度、爆破功指数、岩石弹性变形能系数等等。由于炸药爆炸瞬间产生巨大的能量，以及岩石结构构造