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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/cm。 2.因 为 在 钻 掘 施 工 中 往 往 不
2、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 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
3、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 , , , , 级 的 中 间 加 了 半 级 。考 虑 到 生 产 中 不 会 大 量 遇 到 抗 压 强 度
4、大 于 200MPa 的 岩 石 ， 故 把 凡 是 抗 压 强度 大 于 200MPa 的 岩 石 都 归 入 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
5、 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（f20） 、 很硬（ f15） 、 坚硬（f810） 、较硬（f56） 、 普通（ f34） 、 较软（f1.52） 、软层（f0.81） 、 松软（ f1）等 8 类。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 及工具紧固系数额分类 普氏分类 土壤及岩石名称Kg/m3 Kg/cm2 min f土含碎石重粘土，其中包括石炭纪、侏罗纪的硬粘土1950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
6、50kg以内的巨砾，其含量为总体积10%以内2000泥板岩 2000四类土壤 不含或含有重量达10kg的顽石1950 用尖锹并同时用镐和撬棍开挖1.01.5含有重量在50kg以内的巨砾（占体积10%以上）的冰碛石2100矽藻岩和软白垩岩1800胶结力弱的砾岩1900松 石 各种不坚实的版岩2600小于200 部分用手凿工具、部分用爆破米开挖1.51.2石膏 2200凝灰岩、和浮石1100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2300200400 3.5 用风镐的爆破法来开挖24 石灰石胶结的带有卵石和沉积岩的砾石46 风化的和有大裂缝的粘土质砂岩
7、2000坚实的泥板岩2800坚实的泥灰岩25002200 400600 6.0 用爆破方法开挖 砾质花岗岩 68泥灰质石灰岩2300粘土质砂岩 2200砂质云片岩 2300次坚石硬石膏 29002300 600800 8.5 用爆破方法开挖严重风化的软弱的花岗岩、片麻岩和正长岩2500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普 坚 石 砂质石灰灰质片岩25008001000 11.5 用爆破方法开挖 810上一页 1 2 3 下一页 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 及工具紧固系数定额分类 普氏分类 土壤及岩石名
8、称Kg/m3 Kg/cm2 min f砂 1500砂壤土 1600腐殖土 1200泥炭 600 用尖锹开挖 0.50.6 轻壤土和黄土类土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17001600 用锹开挖并少数用镐开挖含有草根的密实腐殖土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一 、 二类 土 壤 含有卵石、碎石和建筑料杂质的砂壤土1400 用尖锹开挖并少数用镐开挖肥粘土其中包括石炭纪、侏罗纪的粘土和冰粘土1800三 类 土 壤 重壤土、粗砾石、粒径1750 用尖锹并同
9、时用镐和撬棍开挖（30%）0.811.0为15-40MM的碎石或卵石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19001 2 3 下一页 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 系数定额分类 普氏分类 土壤及岩石名称Kg/m3 Kg/cm2 min f白云石 2700坚固的石灰岩2700大理岩 2700石灰岩质胶结的致密砾石2600普坚石 坚固的砂质片岩26001000 2000 15.0 用爆破 方法 开挖1012粗花岗岩 2800非常坚硬的白云岩2900蛇纹岩 2600石灰质胶结
10、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 27001200 1400 18.5 用爆破 方法 开挖1214特坚石 具有风化痕迹的安山岩2700 1400 1600 22.0 用爆破 方法 开挖1416和玄武岩片麻岩 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 中粒花岗岩 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 28003100 1600 1800 27.5 用爆破 方法 开挖 非常坚硬的细粒花岗岩1820花岗岩麻岩 2900闪长岩 2900高硬度的石灰岩3100坚固的
11、玢岩 27003300 1800 2000 32.5 用爆破 方法 开挖 安山岩、玄武岩、坚固的负页岩2025高硬度的辉绿岩和闪长岩2900坚固的辉长岩和石英岩28003100 2000 2500 46.0 用爆破 方法 开挖 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f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
12、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。10a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比较坚固一般的砂岩、铁矿石6a比较坚固砂质页岩，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。4a中等坚固各种不坚固的页岩，致密的泥灰岩。3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。2a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软软致密粘土，较软的烟煤，坚固的冲击土层，粘土质土壤。1a软软砂质粘土、砾石，黄土。0.8土状腐殖土，泥煤，软砂质土壤，湿砂。0
13、.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(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
14、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 2000 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
15、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45/2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1100；对fk4 的岩土，按上述方法计算洞
16、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40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
