岩石的工程性质(6篇)

岩石的工程性质篇1

【关键词】岩石试验成果；岩体强度；相关性

中图分类号：P588文献标识码：A

前言

文章对岩体强度计算思路的提出和估算方法进行了详细的介绍，对岩石试验结果的取值进行了阐述，通过分析，并结合自身实践经验和相关理论知识，对室内岩石试验成果与岩体强度的相关性进行了探讨。

二、岩体强度概述

人们对岩体强度理论的研究最早始于18世纪。岩体的强度指的是岩体破坏时的应力状态或应变状态，或者是岩体抵抗破坏的极限能力，而破坏则是岩体变形过程中的一个特殊阶段。对于一个实际工程而言，则指的是岩体失去了预期的承载任务的能力，显然，形成破坏的具体现象将取决于其承载的任务如何。岩体的强度与破坏是相关联的，简单应力状态下的强度可由试验确定，复杂应力状态下的强度则由强度理论来确定。岩体的强度准则又称破坏判据，是研究岩体在极限应力状态下的应力状态和岩石强度参数之间的关系，一般用极限应力状态下的主应力关系方程表示：

或者用处于极限平衡状态下斜面上的剪应力和正应力关系方程表示：

在岩体强度理论一百多年的发展过程中，许多专家学者相继提出许多非常有价值的强度准则。根据他们的研究理论和方法，可将岩体强度理论划分为“理论强度准则”和“经验强度准则”两大类。前者基于材料力学和弹性力学的知识体系，包括3个经典强度理论：Mohr-Coulomb强度理论、Griffith和修正的Griffith理论以及双剪强度理论。后者则是以试验为主要研究手段，近似地描述岩体破坏机理的破坏判据最著名的有Hoek-Brown经验强度准则等。

三、岩体强度理论分析

1、Mohr-Coulomb岩体强度理论分析

这是岩体力学中最常用的理论，该强度理论认为，材料达到极限状态时，某剪切面上的剪应力达到一个取决于正应力与材料性质的最大值。

用摩尔应力圆来表示任意一点的应力：

我们把应力圆和强度曲线联系起来，建立强度准则：

摩尔强度理论比较全面地反映了岩石的强度特性，它反映了岩石的抗拉强度远小于抗压强度。该理论只能为岩石的破坏提供强度准则，而不能对岩石的破坏机理以及破坏的发生和发展过程进行描述。此外，该理论没有考虑中间主应力的影响，虽然在很多情况下，对岩石的破坏起主要作用的是最大、最小主应力，中间主应力起次要作用，但在某些情况下却不能忽略。对于摩尔强度理论，如果岩石的破坏机制是由剪切作用引起的，该理论是有效的，否则，就不再适用。

2．Griffith强度理论和修正的Griffith强度理论

大多数理论均把岩体材料看作连续的均质介质，实际上，岩体内部存在着许多细微裂隙，在力的作用下，这些细微裂隙周围，特别是裂隙尖端产生较大的应力集中，从而增加裂隙端区域的弹性能。当由应力集中造成的弹性能积累到能使岩体沿裂纹扩展所作阻力功，岩体材料将沿裂纹开裂。Griffith通过对材料及裂隙进行简化，提出了自己的强度准则。其表达式为：

3、经验强度准则

在众多经验强度准则中，Hoek-Bmwn经验强度准则是被应用最广的强度准则之一，它不仅反映了岩体的固有特点和非线性破坏特征，以及岩石强度、结构面组数及所处应力状态对岩体强度的影响，而且弥补了Mohr-oculomb强度准则的不足。它能解释低应力区、拉应力区和最小主应力对强度的影响，并能沿用到破碎岩体和各向异性岩体的情况。其表达式为：

四、岩体强度计算思路的提出

在岩体工程中，我们接触的是岩体，而不是岩石。但岩体是由岩石组成的，两者的力学参数必然有一定的联系。但岩体毕竟与岩石不同，其性质并不完全由岩石决定，它们的力学参数也不完全相等。岩体是由包含一系列结构面的结构体所组成的复杂介质，从而岩体性质取决于所组成的岩石性质及结构面性质。于是，我们就自然会想到用室内岩石力学性质试验得到的参数来推算岩体力学参数。许多岩石力学文献中都介绍了计算岩体强度的

一种方法，即根据弹性波在岩体和该岩石试件中的传播速度比，可判别岩体裂隙发育的程度，称此值的平方为龟裂系数，以K表示为K=V/v,式中:V──岩体中弹性波的传播速度;v──岩石中弹性波的传播速度。

各种岩体的龟裂系数见表1。

准岩体抗压强度计算式为:SMC=Kσc,准岩体抗拉强度计算式为:Smt=Kσt,式中σc、σt分别为岩石试件的单轴抗压强度和抗拉强度。

通过龟裂系数的计算，可得到岩体的力学参数，但有其本身的应用范围，用龟裂系数计算得到的岩体强度本身也是一种近似估算值。一些室内和现场测试资料表明，同类岩性在相距不远的不同地点，得到的测试结果可能相差较大，且测试地点中岩性变化、断层产状及规模、地下水、岩体含水率变化等对声波波速的影响较大，表现出较大的离散性，其测试结果在应用中存在一定困难，导致通过龟裂系数得到的岩体强度可靠性低。但前述的龟裂系数给我们提供了一种思路，即采用某种计算方法，通过室内抗压强度试验，获得岩体抗压强度的推算值，并用岩体抗压强度推算值与岩石抗压强度之比，作为岩体强度的弱化系数，然后就可用该系数来计算该岩体其它参数。

五、岩体强度估算方法

1.基于节理密度的岩体强度估算及修正岩体中结构面的方向、性质、密度和组合方式对岩体力学性质及变形特征的影响，从而产生了结构效应。节理对工程岩体的完整性、渗透性、物理力学性质及应力传递等都有显著的影响，是造成岩体非均质、非连续、各向异性和非弹性的本质原因之一。

2.对于岩体与岩块之间的强度关系，国外学者Vardar年基于节理密度提出:

Protodyakonov在隧道工程中基于节理系数得出:

式中：节理系数是指节理间距与样品的长度的比值；l为节理间距（m）；L为试样长度（m）。工程实践证明，两种方法在野外可行性比较高，可以在短时间根据现场粗略估算出岩体的强度。Vadar提出的经验公式（1）得出的值与实际比较吻合，Protodyakonov经验公式中l一般定义为典型段试样长度为10m的节理间距（即L=10m）。在野外的岩石边坡工程中，可取典型段来估算岩体强度，但在隧道工程中掌子面由于受爆破影响，常导致掌子面节理密度偏大，应用该法计算结果偏大。上述两个基于节理密度的经验公式重点考虑节理，没有考虑水对岩石的软化作用。笔者认为，对于岩块的强度应该进一步修正。因为除了岩块孔隙中流体内压力的影响外，无压力空隙流体的存在对岩块（尤其软弱岩石）强度具有很大的影响。Colback等指出，对页岩或砂岩试件来说，水的存在使其强度大大降低，即饱和样比烘干样的强度减小一半；对于黏土岩、泥质胶结的砂岩、砾岩、泥灰岩等岩石，软化性较强，岩石的软化系数一般为0.4～0.6。Hoek和Bray认为，孔隙压力会减少岩体结构面的抗剪强度.

六、岩石试验结果的取值

岩石的物理性指标中,一般来说,比重、密度(包括天然密度、干密度和饱和密度)试验结果较为集中,孔隙率和饱和吸水率结果较为离散,但由于岩石中的孔隙体积极小,它们在数值上的绝对差值仍是很小的,所以对于一个工程来说,只要有一定数量具有代表性的岩石试验结果,其物理性指标就可按数理统计方法求得。

岩石的力学性指标试验结果的取值就要复杂一些,因为岩石力学性指标除了岩块的不均匀性等影响以外,还有岩石的各向异性等影响因素,所以力学性指标的离散性要大些,对于层理明显的岩石,平行层理和垂直层理分别进行试验,其力学性指标相差甚大。试验所用的岩块同一角上引出的3条棱应相互垂直,如达不到这个要求,其力学性指标的试验结果将会产生较大误差,尤以抗剪断强度受其影响最大。

岩石的破坏类型通常是脆性破坏和塑性破坏,脆性破坏主要是由于岩石中裂隙的产生和发展的结果,而塑性破坏可以处在塑性流动状态,这是由于组成物质颗粒间相互滑移所致。

七、室内岩石试验成果与岩体强度的相关性

本文目的在于将部分具有代表意义的实例资料以探讨室内岩样试验成果与岩体强度的相关性,进而以此为基础探讨评价岩体强度的有效方法。

图1所示为不同侧限压力条件下,对现场制作的未扰动泥质灰岩半坚硬未风化岩石试件所做静载试验的应力—应变曲线。图中曲线簇的一个共同特征是不论侧限压力如何变化,在该岩石破坏后的某一区间内,试件总具有一定的抗力稳定作用,这便是所谓“残余强度”的概念。

图2为新鲜花岗岩坚硬岩石试件的应力—应变试验曲线,同样具有上述力学特性。这些曲线还反映出,即便是未经风化的同一岩性的岩石,达到峰值强度后,由于周向荷载围压的改变,其抗力值残余强度呈一定规律性变化,因此笔者以为,“残余强度”的概念对于具天然结构面的破裂岩体强度评价具重要意义，,甚至可以用来作为一个评价岩体强度的重要参数。

通过原位试验成果分析,采用逆运算方法推测矿柱强度,在此基础上,将单轴应力状态下室内岩样的残余强度值与岩体强度评价值作对比舞,以此得出结论在变形破坏后阶段,室内岩样的残余强度可以看作是未经风化岩体的最低极限强度。

尽管下表2中岩体最低强度值是由试验结果分析和逆运算推定的,但它的意义在于,如果我们将室内岩样的平均单轴残余强度(用R0r表示)和平均单轴极限强度(用R0u表示)的比值(R0r/R0u)。看作是岩石的结构弱化系数的话,同时就可以考虑存在一个岩体的结构弱化系数。不妨设岩体的结构弱化系数为“入”,则“入”可于工程最初设计阶段,通过现场大型岩块原型试验加以确定。如果考虑天然应力状态对岩体强度特征的影响,那么,由图和图可知,其岩样的结构弱化系数仍可用其单轴平均残余强度和单轴平均极限强度的比值(R0r/R0u)取代,这样便使问题更加简化。笔者通过对部分岩石试验成果对比,在归纳、分析的基础上,依此提出一条在单轴或三轴应力状态下,评价岩体极限强度的经验关系曲线：

Rn—岩体极限强度;

Ru—岩样三轴(或单轴)应力状态下的极限强度;

Rr—岩样三轴(或单轴)应力状态下的残余强度;

R0u—岩样平均单轴极限强度;

R0u—岩样平均单轴残余强度;

入—岩体结构弱化系数,可于工程初设阶段通过原型试验推定。

八、结束语

综上所述，通过对室内岩石进行试验，研究了岩体在极限应力状态下的应力状态和岩石强度参数之间的相关性。同时也有利于我国岩石强度评估理论体系的进一步完善，为节理岩体强度参数的研究提供了一条新的思路。然而较之欧美等发达国家，在岩石强度相关性方面的研究还是存在一定的差距，因此，需要我们投入更多的时间、财力、精力、科研力量加大研究力度，进一步促进我国的岩石强度评估理论体系的建设和发展。

参考文献：

［1］高磊．矿山岩体力学［M］.北京:冶金工业出版社，2009．

［2］姚宝魁，等．矿山地下开采稳定性研究［M］．北京:中国科学技术出版社，2011．

岩石的工程性质篇2

由于区域地质构造复杂，岩石地层并不是严格的按上下层序排列，多呈互层、夹层状态出现，很难从岩土工程角度，按照岩性为主定义原则来定义地层，由此采用以基岩风化带定义为主、岩性名称为辅的原则来划分地层。因此将基岩风化带定义为主层，然后按照不同岩性划分亚层。根据风化程度划分，分述如下：（1）残积土和全风化岩（Qel）：主要发育残积土、全风化岩，属于下伏母岩风化形成的残积土，主要是由粉质粘土、粉砂～粉土组成，其性质与下伏母岩有关，但母岩的原生结构已完全破坏，局部残积土含极软～较软碎石、块石大小的碎块和铁氧化物团块和结核。对全风化岩石来说，岩石已经风化成土状，母岩的原生结构完全破坏，但尚可辨认，有时残积土和全风化岩之间是很难区分的。（2）砂岩、泥岩和砾岩（K3ysJx）：主要发育砂岩、含砾砂岩，局部发育砂质泥岩、泥质砂岩、砾岩、角砾岩，根据风化程度再细分为基岩强风化带、基岩中风化带和基岩微风化带3个亚层。（3）基岩强风化带：灰～深灰色、黄褐色，主要由强风化砂岩、含砾砂岩组成，局部为泥质砂岩，局部夹中风化岩块，为极软岩。该层分布较广，但层位起伏较大；属中等压缩性土；标贯击数一般大于50击，具有较高的承载力，可作为良好的地基持力层和桩端持力层。（4）基岩中风化带：颜色以浅褐～褐色、褐红色、灰色为主，主要为砂岩、含砾砂岩，局部为砾岩、角砾岩、砂砾岩；砂岩、含砾砂岩属较软岩，以粉细砂状结构为主，局部为中粗砂状结构，泥质胶结，局部含角砾，裂隙中等～很发育，部分裂隙充填粘土矿物或方解石，局部夹强风化岩；砾岩、角砾岩、砂砾岩属较软岩，局部较硬，砾状结构，块状构造，钙泥质胶结，裂隙中等发育～发育，浅褐色、褐红色、灰色为主，局部夹强风化岩。（5）基岩微风化带：砂岩、含砾砂岩属较软～较硬岩，灰色～浅灰色，以粉细砂状结构为主，局部为中粗砂状结构，钙质胶结，局部含角砾，偶含泥质，岩体较完整；砾岩、角砾岩、砂砾岩，较软～较硬岩，局部很硬，砾状结构，块状构造，钙泥质胶结，浅褐色、褐红色、灰色为主。

2岩石地基动力特征

岩石密度与压缩波波速都（完整岩石）的经验值内，用于判定岩石风化程度的波速比也在参考值范围内，只是基岩强风化带的压缩波速高于经验值，由此说明压缩波和波速比适用于基岩风化带分带，声波测试手段用于评价岩体完整程度等指标是十分必要的。变形指标弹性模量比文献中岩石的经验值要偏小，这从某种程度上说明岩体的力学性质与岩石的力学性质差异较大，由此可认为，工程建设中的测试应以原位测试为主要手段。另外值得注意的是，中岩体动弹性模量值与中相对应岩石的静弹性模量比值大于10倍以上。

3结语

岩石的工程性质篇3

通过收集、整理与分析相关资料，对礼让隧道工程地质中的地形地貌、地区岩性、地质构造、各种不良地质条件以及礼让隧道的水文地质条件等进行了分析。基于上述分析，提出了礼让隧道的工程地质评价及针对岩溶、石膏岩膨胀性、石膏岩腐蚀性的施工设计建议。对同类穿越石膏岩地层的隧道具有参考价值。

关键词：

礼让隧道；石膏岩；膨胀性；腐蚀性；施工设计

重庆市梁平至忠县高速公路LZ2合同段（K8+740~K23+715）是梁平至忠县高速公路中的一段，对于加快重庆市规划公路网建设，促进区域经济发展，建设放射状高速公路快速通道，带动沿线区县经济全面发展具有极其重要的作用。而礼让隧道则是梁平至忠县高速公路主要的控制工程之一,为使工程的施工方案更加科学、对各种地质问题的防治措施更加完善，本文特针对该段在工程地质及水文地质方面存在的问题进行了分析和研究。

1.隧道工程地质条件

1.1地理位置、地形地貌礼让隧道区为构造剥蚀、溶蚀形成的背斜山，山体呈北东南西向延伸。隧道进、出口段地形为单向自然斜坡。明月山中部为北西南东向发育的溶蚀槽谷，宽约500m～1500m，槽谷靠南东侧分布溶蚀残丘，呈线状分布，槽谷中地形标高581.0m～768.30m，地形总体北西低南东高。隧道穿越段发育的溶蚀槽谷分为前槽、后槽，前槽地形标高627.40m～689.20m，坡度5°～10°；后槽为狭窄的深切槽谷，宽10m～30m，地形标高574.10m～590.30m，槽谷两侧地形坡度较大，一般为30°～56°。

1.2地区岩性隧址区出露地层为三叠系下统嘉陵江组（T1j）、中统雷口坡组（T2l）、上统须家河组（T3xj）、侏罗系下统珍珠冲组（J1z）、中下统自流井组（J1-2z）、中统新田沟组（J2x）、第四系（Q4）。

1.3地质构造礼让隧道穿越的地质构造为明月峡背斜，构造行迹呈北北东~北东向，无大的区域性断裂隙构造分布。明月峡背斜位于华蓥山隆褶带南东边缘，该背斜轴线平直，向北30°东延伸，无大弯曲，背斜两翼不对称，南东翼陡，倾角57°～80°,北西翼缓，倾角30°～44°，为线形斜歪背斜。

1.4不良地质现象隧道区存在的主要不良地质现象为岩溶、煤层采空区以及石膏岩膨胀性和腐蚀性。其中膏岩的膨胀性和腐蚀性对本工程的影响尤为明显。（1）岩溶岩溶是可溶岩与具有侵蚀性的地下水相互作用的产物，岩溶发育强度及岩溶地下水具有典型的不均匀性[1]，在近年的工程实践中也遇到很多诸如此类的问题。隧道区分布的可溶岩类呈条带状分布，地下岩溶的发育走向与可溶岩的分布是一致的,地下岩溶洞隙的发育宽度受可溶岩的厚度控制，延伸方向与岩层走向相同。地下水不断地对可溶岩进行化学的、物理的破坏作用，造成地下溶洞的不断扩大。（2）煤层采空区隧道范围分布的采空区对隧道的主要影响为穿越煤层采空区段时岩体的完整性差，采空区内的集水及有毒有害气体对隧道施工的影响。隧道穿越的须家河组T3xj1、T3xj3、T3xj5煤系地层含低瓦斯，煤层自燃倾向性等级为Ⅰ级，煤层属容易自燃煤层，有煤尘爆炸危险。（3）石膏的膨胀性、腐蚀性石膏主要分布于背斜轴部分布的三叠系下统嘉陵江组四段的地层中，具体分布范围：左线ZK14+582～ZK14+907、右线K14+599～K14+920。地下水进入石膏岩层后体积会发生膨胀[2]，工程上认为这种膨胀是不可逆的。当石膏岩受到扰动，特别是当湿度条件变化时，石膏岩的性状常发生巨大变化，产生体积膨胀，对临近构筑物产生膨胀压力，影响工程的稳定性。石膏地层对隧道的腐蚀作用主要分为物理腐蚀作用和化学腐蚀作用。物理腐蚀主要表现为地下水中的CaSO4溶液随混凝土的孔隙渗入其中，在环境湿度较低时结晶析出，对混凝土孔壁造成极大的结晶压力，从而引起混凝土的膨胀开裂；化学腐蚀主要为地下水中硫酸盐对混凝土材料的侵蚀。石膏为弱透水层，在隧道中不存在干湿和冻融交替作用，判定为Ⅱ类环境，石膏对砼具有强腐蚀（对应腐蚀作用等级为D级），对钢筋混凝土结构中钢结构有微腐蚀性[3]。

2.隧道水文地质条件

隧址区三叠系中下统碳酸盐岩类分布于背斜轴部，因受两侧碎屑岩所构成的中、低山岭的夹持，具备有利的岩溶发育条件，形成了特有的隆脊型岩溶槽谷，岩溶的发育与岩性、地貌条件关系密切；岩溶水运动和富集则受地质构造的控制。隧道进口前部为两沟相交部分，由东向西发育的冲沟为主沟，雨后流量可达到2.5L/s；南东向北西方向的冲沟为次级冲沟，雨后流量为0.5L/s。隧道洞口施工前须进行改沟施工。煤矿矿井水及嘉陵江组四段石膏盐层地段的地下水SO42-含量较高，对砼物具弱腐蚀性，化学腐蚀环境分类及作用等级划分为C级，地下水对钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性。隧道穿越石膏层时，分布的石膏对砼物具强腐蚀性，腐蚀性等级为D级，为严重；对钢筋混凝土中的钢筋具弱腐蚀性。隧道区其余正常区段地下水对混凝土结构具微腐蚀性。

3.工程地质评价及施工、设计建议

3.1区域稳定些评价根据地质勘探资料，隧道进、出口段地形为单向自然斜坡。进口侧自然斜坡坡向北西，地形坡度25°～30°；出口侧自然斜坡坡向南东，地形坡度35°～50°，局部大于60°。各层岩性由新至老可分为第四系全新统（Q4）、侏罗系（J）、三叠系（T）其中第四系全新统残坡积土主要分布于隧道进、出口段及洞身段地形坡度较小的地段地表。地下水可分为松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水、砂泥岩风化裂隙水和碳酸盐岩类岩溶水（岩溶裂隙、溶洞水）。

3.2设计、施工建议综合以上分析，针对区域内不良地质情况对设计、施工提出相应建议。（1）岩溶岩溶发育，可能产生冒顶、突水和突泥，应加强地质超前预测预报工作，预防产生岩溶突水，应采取以堵为主的防治方案[4]。隧道岩溶的治理应以安全、质量为重点，因此制定方案时应严格遵从“保证施工安全、确保结构稳定、保障安全运营”的基本原则，还应根据施工现场实际情况采用恰当、不同的方法进行地质预报，采集精确数据、认真分析得出结论，指导施工。施工现场应注意以下几个原则：（1）坚持综合超前地质预报的原则，做到有疑必探、有水必治、强化探测，先探后掘。（2）坚持动态设计，动态施工的原则。（3）坚持“光面爆破、支护紧跟、监控量测、及时反馈和修正、适时衬砌施工”的原则。（4）坚持“钎探深、预注浆、管超前、短进尺、弱爆破、强支护、紧封闭、勤量测”的原则[5]。（5）坚持岩溶水地段先止水结合排水，再开挖的原则。（2）石膏岩的膨胀性膏岩是一种软岩，在地下水的作用下会有膨胀性。而且水是膨胀性围岩隧道病害的主要根源，对隧道危害较大，因此必须采取加强隧道的防排水措施[6]。防排水措施的好坏直接影响到膨胀岩隧道工程质量[7]，所以，膨胀岩隧道开挖后，应及时锚喷，封闭暴露围岩，并重视地表水和地下水的防、排水措施。本隧道围岩可分为Ⅴ级、Ⅳ级、Ⅲ级,其中石膏岩为V级。Ⅴ级围岩分布于隧道进、出口及部分洞身段，其主要岩性为粉砂质页岩、炭质页岩、煤层、石膏质岩层及盐溶角砾岩；岩体受地质构造及风化作用影响较重，裂隙较发育，呈碎裂状松散结构，易坍塌，围岩无自稳能力，跨度5m或更小时，可稳定数日。根据石膏质围岩的此种情况，要求在施工过程中加强围岩支护，并时刻注意隧道中的排水情况，尽量降低石膏质围岩发生结构失稳的可能性。尤其对于V类围岩，可进行超前布设稀疏锚杆以单侧壁导坑法，开挖第一次锚喷联合初期支护。膨胀岩层对隧道施工危害具体表现在以下几个方面：隧道下沉、围岩膨胀、坍塌、衬砌变形和破坏等。为了尽量避免如上几个问题的出现，建议在隧道施工过程中，应坚持短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、勤量测、衬砌跟的原则，选择合理的施工方法和开挖方法，并制定有效防排水方案[8~9]；在隧道开挖断面时要预留较大的变形量，防止围岩膨胀导致的衬砌侵入建筑限界；衬砌设计方面宜采用复合式衬砌，初期采用锚喷支护，具有即时、柔性、密闭的优点；仰拱应及时施作，使支护衬砌尽早形成闭合结构，以增加衬砌整体刚度，同时防止水流浸泡基底，以控制边墙变形和底鼓；当膨胀变形大、膨胀力大或者围岩难以支护时，应对拱部和边墙进行进一步处理。如采用超前注浆小导管、自进式锚杆等方法。（3）石膏岩的腐蚀性石膏对隧道混凝土的腐蚀机理主要分为物理腐蚀和化学腐蚀两种，前者简单来说是由于混凝土内的某些成分在环境因素的影响下，进行溶解或膨胀；后者是由于化学环境介质（CO2、Mg2+、Cl-、pH、SO42-）与混凝土成分发生化学反应[10]。隧道施工中穿越石膏层建议对隧道衬砌层采用抗硫酸盐水泥，并需作抗溶出型腐蚀处理措施。特别的，针对石膏质围岩性质及对于混凝土的腐蚀破坏性，结合相关施工防腐措施提出以下整改建议：（1）必须严格控制施工工序，建立完善施工流程，对于石膏段围岩具有的软化性和腐蚀性，需要快速施工形成较稳定的支护状态以减轻隧道施工过程中这些因素造成的塌方事故。建议建立钻爆作业线、防排水作业线、装碴运输作业线、喷锚作业线、二次模筑混凝土衬砌作业线、通风作业线等六条独立、相互配合的作业线，是全面完成隧道快速施工的关键，尤其加强锚喷作业和防排水作业的力量是提高进度的重要手段。（2）完善现场防排水措施，应遵循“以排为主，防排结合，因地制宜，综合治理”的原则。（3）提高混凝土喷射和二衬混凝土施工工艺。（4）设计及施工过程中必须考虑各种极端情况。（5）采取准确的超前探测，有效的反馈信息，采取针对性措施。

4.结语

岩石的工程性质篇4

【关键词】残积土；全风化；强风化；中风化；微风化；未风化

一、前言

随着建设工程的日益发展，越来越多的相关部门和人员都与岩土工程分不开，如房地产开发公司及其现场代表、设计人员、现场监理员、施工人员、质量监督员、桩基检测员以及从事岩土工程勘察工作及相关课题研究的人员等等，都有着与岩土工作接触的经历，但如何去正确区分岩石处在何种风化程度等级呢？这个问题恐怕是最令他们头痛的事情，亦是争议性最大的话题。虽然有关规范都有相关定性的定义，但不同的岩性都有不同的风化特点，这是造成了对岩石风化程度等级划分意见分岐的因素，这在专门从事岩土工程勘察行业中亦没有统一的说法，往往是各部门都有自己的标准。本人也从从事桩基检测部门收集过多家勘察单位的地质资料，结果发现没有一家勘察单位对同一地层风化程度等级有相同的标准，在划分同一风化程度等级的岩石力学数据离散性很大，这对设计人员对岩石力学数据的采用及现场施工人员对岩石风化程度等级的判断都造成了很大误导。有些工地就因各单位对所挖岩石是什么风化程度等级出现争议不休的现象。本人曾对同一工地的岩土工程勘察岩样、桩位超前钻探岩样及开挖基桩过程中的岩样作过对比分析，发现三者都有所区别，这引起本人对岩石风化程度等级探讨的极大兴趣，由于水平有限，文中有不当之处在所难免，敬请读者批评指正。

二、岩石风化程度等级的划分

在探讨岩石风化程度等级的划分这个问题前，首先让我们来看看本地区地层由哪些岩性来组成。分布范围最广的要数白垩系红层，该岩系主要分布于市区的东部和西南部，为中生代白垩纪内陆湖盆沉积之红岩系地层（简称红层），普通称为红砂岩，它很少以单一的岩性组成的，一般由多种岩石组成的岩组产出，这些岩石在岩组中也往往是呈互层或夹层状产出的。从组成岩屑颗粒的大小可分为：砾岩、砂砾岩、粗砂岩、中砂岩、细砂岩、粉砂岩和泥岩，岩屑成分以长石、石英或灰岩、砂岩或花岗岩碎屑为主，多为泥质、铁钙质胶结。分布于市区的西北部的煤系地层为中生代二叠系和石炭系海相沉积岩层，其岩性一般较单一，以灰岩为主，局部地段与煤层呈互层或夹层状产出，由于受断裂等构造的影响，在地下水的作用下，往往形成溶隙或溶洞等不良地质现象。分布于市区的北部地层为燕山期侵入花岗岩体。

本文着重讨论红层的风化程度等级的划分，花岗岩在垂直剖面上遵循标准风化规律（从未风化微风化中风化强风化全风化风化土，按国标《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）规范（2009年版）表A.0.3划分，在此不作讨论。灰岩属可溶性岩，是否仍需作风化程度等级划分，未见有关文献规定。

1.红层根据《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）规范（2009年版）将岩石风化等级分为五类：

未风化：岩质新鲜，未见风化痕迹，锤击声清脆，岩块断口边锋利，用手摸有割手感。在红层中，一般不作划分。

微风化：岩质新鲜，色泽光鲜，少见风化裂隙，锤击声清脆，岩块断口边锋利，用手摸有割手感，岩芯易干水。在岩土工程勘察或基桩钻芯法检测中钻取的芯样，呈柱状或长柱状，岩质新鲜，锤击声清脆，刚钻取的芯样干水较快，如图1；成桩作业时捞上来的沉渣（碎石粒）或挖掘的岩块（呈片状，边角手摸有割手感），岩质新鲜，干水较快。

中风化：色泽暗沉，风化裂隙发育，裂隙面多为铁锰质渲染（黑色），岩块断口用手摸无割手感，可刻划，具泥痕，锤击声哑，岩芯不易干水。在岩土工程勘察或基桩钻芯法检测中钻取的芯样，多呈短柱状或块状，色泽暗，锤击声哑，刚钻取的芯样干水较慢，如图2；成桩作业时捞上来的沉渣（碎石粒，磨圆度较好）或挖掘的岩块（呈块状，边角手摸无割手感），色泽暗沉，且干水较慢。

强风化：风化裂隙很发育，岩芯锤击易碎，岩块用手可扳断，风镐易挖掘。在岩土工程勘察或基桩钻芯法检测时，干钻不易钻进，标准贯入试验实测击数N'≥50击。如图3。

全风化：岩芯呈硬土块状，用手可捏碎，铁镐易挖掘。在岩土工程勘察或基桩钻芯法检测时，干钻可钻进，标准贯入试验实测击数30击≤

残积土：具可塑性，锹镐易挖掘。在岩土工程勘察或基桩钻芯法检测时，对钻取的芯样，首先是区分是残积土还是冲积土或坡积土，其中冲积成因的土层一般含有腐木屑或砂粒，粘结性好（粉土除外），且颜色多样；坡积成因的土层一般含有硬土粒或碎石粒，粒结性一般，颜色多呈暗红或褐红色；残积成因的土层，由于是母岩在原地风化产物，未经搬运，颜色单一，粘结性一般。后判断为何种母岩风化产物，如粉砂岩风化后形成的粉质粘土，泥岩风化后形成的粘土等。最后需进行重型圆锥动力触探试验，判定其状态。

如珠江新城某工地，基础采用人工挖孔桩，设计持力层为微风化粉砂岩，桩已挖至15.60m，工人反映风镐挖掘困难，且挖上来的岩碎块多呈片状，断口有割手感，说是到微风化岩了，但现场甲方代表和监理人员说是中风化岩，需继续往下挖，为此事在现场争议不休，最后工人罢工不挖了。后请来国家注册岩土工程师现场判断，并当场挖岩块判别，指出该岩块岩质新鲜，断口有割手感，且在讨论过程中岩块已干水，已达到微风化岩的风化程度等级标准，并以该岩块作整个场地挖孔桩的终孔标准。

又如新港路某楼高为12层的住宅楼，基础采用钻孔灌注桩，87#号桩，桩径为1200mm，设计桩长为16.65m，单桩承载力特征值为3165kN，设计要求持力层为中风化砂岩，而钻芯法检测的结果为：检测桩长为16.31m，桩底下0.41m为强风化粗砂岩，泥质胶结为主，岩芯呈碎块状、岩块用手可扳碎；往下0.40m为中风化含砾粗砂岩，钙泥胶结，岩质较硬；再往下为微风化含砾粗砂岩，钙泥胶结，岩质新鲜、坚硬。该桩为单桩承台，设计工程师为了上部建筑物的使用安全，采用了在桩的四周增加了四根钢管桩，并加大承台的方法处理。

2.灰岩：本地区灰岩属化学石灰岩（普通灰岩），浅灰至黑色，隐晶质结构，致密块状构造，遇冷稀盐酸剧烈起泡，常具贝壳状断口。除受构造影响对岩体完整性造成破坏外，岩石完整，致密，坚硬。它只受含侵蚀CO2地下水这单一风化营力（化学分解）以溶蚀的方式风化。岩体当受到受构造力的破坏后，产生裂隙，在含侵蚀CO2地下水的溶蚀作用下，往往形成溶隙或溶洞等，当地下水具有径流作用时，它的溶蚀作用表现得更为强烈，如形成地下暗河等。鉴于灰岩特殊的风化现象，不宜作风化程度等级的划分，应鉴定它的完整性，岩体是否存在破碎及溶蚀现象，溶蚀规模等。

岩石的工程性质篇5

【关键词】岩爆；公路隧道施工；不良地质灾害；对策

公路隧道施工地质条件较为复杂，这严重影响了隧道设计与施工的科学性和安全性，而多发的公路隧道施工问题，如遭遇涌水、涌泥、岩爆、瓦斯突出等，也再次证明公路隧道施工的严峻性，因此，必须全面分析隧道发生灾害的原因，并进行客观性以及主观性措施改进。下面就岩爆现象进行分析。

一、岩爆灾害形成原因

在岩性、地应力、岩体结构以及施工等因素的作用下，往往引发岩爆灾害。其一，岩性。完整、坚硬的岩体具有较高的弹性模量，能够将大量的弹性变形能聚集，一旦开挖，弹性变形能就会突然释放，进而形成岩爆。其二，地应力。一般来说，地应力越高的岩石具有的弹性模量就越高，其弹性应变力就越大，所以，在开挖扰动下，极易形成岩爆；开挖后，具有较高地应力的岩石周围，会产生切向应力和径向应力，在两者作用下，也会产生岩爆。其三，岩体结构。岩爆发生往往由岩体完整度决定，在完整岩体中，岩块破裂由内部裂纹扩展造成，其能量释放较为彻底，而在高能量的作用下，必定会产生岩爆。其四，施工因素。应力集中不仅与原始应力有关，而且受隧道形状以及施工方式的影响，如开挖方法不当，造成隧道断面不规则，进而加剧围岩局部应力集中程度，而产生岩爆；采用不正规的爆破方式，使得岩体外载荷差异性增加，这就促使弹性波传播扩展，对邻近岩体区造成岩爆威胁。其四，地下水对岩爆的影响。干燥的岩体往往容易引发岩爆，而较为湿润的岩体则很难引发岩爆，这在于地下水对岩石的作用力。一方面，地下水能够软化岩石，这就降低了岩石强度，同时将弹性变形能储存在岩石体内；另一方面，在地下水侵入下，岩石体内所存储的弹性变形能得以耗散，且岩石内部的节理缝隙所产生的抗剪强度受到一定抑制，因此，可以降低岩石爆破度。

二、加强预测，防患于未然

不良地质主要由于地质作用和人类活动引起，其中不良地质主要包括岩溶、瓦斯、岩爆、断层、滑坡、断层等，其与地质灾害不同，地质灾害是指在地质应力的作用下，而产生的塌方、突泥、涌水等现象或是过程，从以往公路隧道工程事故来看，不良地质是引起地质灾害的主要原因，因此，要减少工程事故，必须加强对不良地质灾害的防御，就岩爆灾害来看，其预防方式主要有：

超前预报法。在岩石结构、岩性、地应力、地下水等因素的作用下，产生岩爆现象，因此在施工前，要预报多重岩爆诱发因素。采用红外线、地质雷达、超前钻孔等技术超前检测施工前方的地质条件，并根据检测结果，对围岩的完整度、强度、地下水存在情况、岩性等进行判断，从而根据地质现象分析，判断岩爆发生的可能性，以提升施工安全性。

声发射检测法。该方法依据岩石变形或是破坏而产生的声现象进行应力区定位，在定位过程中，往往利用拾音器收集人耳无法听到的声波，并将其转化为电信号，在利用地音检测器检验破裂程度，在应力区定位后，比较所收集到的信号时间，从而确定应力向何方传播，当地音读数增加速度加剧时，如果其数据大于预定目标，则预示会产生岩爆现象。

地震学预测法。地震学预测利用内用力和应变力之间的比例关系，确定岩爆发生前岩石内部的应力，其预测分为两步，首先确定地震多发地带岩爆现象发生的地点、时间，再者确定爆发的次数以及单次岩爆规模。

微重力法。该方法是利用力学参数来测验应变力的一种方式，当岩石应力超出临界线时，产生岩石扩容现象，即为岩石体积骤然增大，在其情况下，岩石变形，产生微重力变化，微重力值出现异常极值，则根据其极值，判定岩爆现象的发生。

三、施工防治措施

岩爆发生的原因主要在于围岩应力以及岩性，在其防治中，要采取人为手段，以减缓或是阻止岩爆发生。

1、认真勘探，科学设计

在勘探过程中，要对隧道所处的地质情况、外在环境等进行全面性勘察，尤其是应变场、应力、岩体等，保证施工环境的安全性以及地质稳定性。加强隧道设计，包括选址、施工方案、爆破技术等内容；在位置选择中，避开应力集中地区，若不得不经过此地区，则要对隧道轴线与应力方向进行全面设计，保证两者处于平行位置，以便于减少隧道周边围岩之间的切向应力；在隧道断面设计过程中，要加强断面形状选择，尽量形成平稳应力状态，以降低岩爆烈度。

2、落实施工，强化防治

隧道施工工程量较大，难度较高，在施工过程中，要把握住每个施工点，并加强岩性和应力控制，以保证安全施工，提升隧道施工质量。其一，采用混凝土喷射技术、系统锚杆加固技术等加固围岩，其主要针对周边加固和超前加固，在加固作用下，可以促使围岩应力状态由平面状态转移到三位状态，进而实现岩爆控制。其二，通过岩石表面喷水、深层高压注水等方式改变岩石的物理形式，以有效降低岩石的干燥度；利用钻孔法、应理解除法等改变岩石的应力条件，进而降低岩爆发生率。

3、规范人员操作

由于隧道施工环境的恶劣性，以及人员操作不规范，造成隧道施工安全事故的发生，因此，在施工过程中，要规范作业人员行为，要求穿防砸背心，设置保护钻孔、安装放电设备、采用标准爆破技术等，并通过专业性培训，促使工作人员全面了解岩性、应力、岩爆特征、诱发因素以及防治方法等，以保证安全施工。

结语

在地质应力以及地质灾害作用下，公路隧道施工难度提升，要实现安全施工，提升隧道施工质量，必须分析诱发不良地质灾害的原因，并以各种预测方法，对岩性、应力、岩石结构等因素进行监测，以防患于未然，必须强化施工环节，落实安全施工，以最终实现公路隧道建设效益。

参考文献

[1]吴满路，廖椿庭.大茅隧道地应力测量及围岩体稳定性研究[J].地质力学学报，2012（01）.

[2]徐林生，王兰生.岩爆形成机理研究[J].重庆大学学报（自然科学版），2011（08）.

[3]徐林生，李永林，程崇国.公路隧道围岩变形破裂类型与等级的判定[J].重庆交通学院学报，2012（02）.

岩石的工程性质篇6

【关键词】岩石工程类比设计原理

1岩石工程设计

1.1岩石结构的复杂性

作为一项具有重要意义的工程建筑的岩石工程，其建筑主体同建筑的结构物相比较有着鲜明的特点。岩石工程建筑结构所用材料的性质、岩石工程结构物构件的类型、岩石工程建筑物的尺寸以及结构的形式都是被明确规定好的，目前为止对于岩石工程建筑结构的分析已经十分细致了，所以在进行相应的计算的时候可以直接引用[1]。其实，岩石是一种有着很复杂结构的物质。

（1）实时考察岩石可以把它的历史分为“建造中”和“改造中”两大部分，然而进一步更为详尽的地质历史目前是无法确定的。（2）岩石的组成成分和结构形式要想弄清楚还有一定的难度。（3）不能使用测定其他工程材料的精确度来测量岩石材料的性质。（4）岩石在复杂的地理环境当中没有确切的边界。（5）一般来说，岩石是多相体系。

因为岩石和工程施工的复杂性，到目前为止，岩石工程当中的计算数据和真实情况下的数据有着很大的差别，不可以直接引用。由此看来，工程师一般会使用类比的方法来进行岩石工程的设计[2]，其中的计算数值则只能作为参考数据[3]。

1.2岩石工程的设计概念和类比

通常地将，岩石的工程设计可以大致分成概念设计环节、具体方案环节和审核计算环节三个环节。概念设计这个环节最开始的时候是针对抗震性质而设计出来的。因为地震有着显著的不确定特点，所以在进行结构抗震设计的时候，概念设计是最为重要的。抗震作用的概念设计聚焦于工程结构的总体上的地震反应，通过岩石工程的结构破坏成度以及损坏的机制，综合运用抗震设计的各项原则，系统、全面地解决岩石工程结构设计方面所出现的基本问题。然而，因为岩石工程也有着明显的不确定性，所以近几年来，概念设计也被逐渐引入到岩石工程当中。从本质上来讲，很多工程的设计都是以概念设计为开头的，最后慢慢演变成各种各样的实施方案，在工程概念设计的最后检验设计方案是否合理可行。岩石工程之所以与众不同，是因为在工程设计当中概念设计所占地位的重要程度要明显高于其他工程，其中理论的计算值只作为参考数值。需要重点强调的是，岩石工程的设计不是那些线性的推进，不能避免重复和反馈。

工程设计过程里概念设计的主要任务是对工程里出现的问题提出解决办法，其可行程度主要取决于设计人员对那个工程项目目标的认识程度，以及对技术运用、约束条件的把握程度。现如今，岩石工程的设计一般是运用类比设计的方式来完成的。类比推理的思维方式是一种十分重要的思维方式，在人们的生产活动中起着重要的作用。虽然类比推理有着诸多的优势但是到目前为止，人们还没有对类比推理进行深层面的研究和探索。从本质上来讲，类比推理是逻辑方面的问题，然而研究工作却很难进行下去。

1.3以往的类比方法

简单来说，类比设计其实就是参考比较以往的相似的工程来进行设计的一项技术。但目前为止，岩石工程设计基本是把“类比设计”作为核心，不能够达到工程建筑结构物体的设计要求。

1.4改进已有的类比方法

很明显，以往的类比设计方式已经不能满足当代物质的发展水平，为了能够更好地发展岩石工程，必须对以往的类比设计方法进行改造，这种改造基本上可以分为直接改进、间接改进以及从定性分析到综合集成三个途径。

1.4.1直接改进

这种改进方法能够尽最大限度使之达到半定量的水平，但是由于缺少对分层的研究，所以去比较直接计算的可比度是比较难的。

1.4.2间接改进

间接改进就是指组建专家团队，通过这种方式来解决问题。然而，虽然现如今的专家体系的研制和开发有很多，但是可以达到标准的却很少。此外，还存在输入数据信息量较大以及运行的效率低下等诸多问题。

1.4.3从定性分析到综合集成

这种改进方式可以使设计达到一半以上的半定量水平。分类的类比和典型方法是人们处理问题的根本方法，针对多数的隧道工程没有条件进行岩体力学测试的实际情况，合理运用我国现有的测试成果，引用围岩分类的概念设计理念，总结出具有代表性的工程资料，为多数的岩石工程提供设计资源。与此同时，重视一般的隧道工程的测量资料，以此作为工程修正和验证的材料。

典型的类比分析方法是隧道工程当中最喜欢运用的一种分析方法，是以往有的分析方法的延拓和发展：典型的类比分析方法把那些圆形的断面净水压力场不断简化进行热工解析分析计算，变成现在的可以考虑实际情况的分析方法；从以往的个别的专家按照各自经验自主判断以及选定综合修正的系数到现在的可以综合考虑围岩分类、现场数据采集以及反分析位移数据等项实用技术，并在整个专家团队经验的基础上，用在特定情况下的反馈和修正，选定出综合修正的系数。

典型的类比分析作为综合集成里的一种应用，优势之一就是构造了一个框架，可以集合各个方面专家团队的意见和建议，整理运用到岩石工程的类比设计当中。但是这种系统性质的综合处理方式削减了岩石工程概念设计的功能，所以在其他的工程设计里很难运用。总的来说，岩石工程类比设计还不够明确，不够规范，运行的效率也比较低。

2岩石工程的类比

2.1类比设计的对象

说白了，类比就是两个对象之间的比较，类比推理大致上可以看作是一项比较特别的归纳推理。要是，两个要类比的对象之间有着某些相似的地方，那就可以根据其中一个对象的一个已知的特性来推理出另一个对象的某种特性，这就是类比推理的过程，也可以叫做类比迁移。

2.2类比设计的原理

类比和推理一样，要求要达到一定的条件，包括：类似性质、系统性质、选择性质等，能够把这些性质当作类比的基本原理。

第一、类似性类比设计原理：通常认为，类比推理是把类似性作为类比的基础。如果两个类比对象有着某些相同的特性，但是在描绘特征值的时候有区别，就叫这种相同的特性为类似特性。如果两个对象存在着类似特性，就说这两个对象有类似性。就是说这两个对象相似，而且要说明他们相似的特性。

第二、选择性类比设计原理：众所周知类比的中心环节就是选择类比的对象。选择的原理指的就是用在过滤互相匹配的特性。

第三、目标性类比设计原理：岩石工程设计把解决主要问题作为设计的目标。目标性类比设计的原理就是目标驱动化。

第四、类似程度：类似是指把主要的给予适当程度的概括。这两个事物的类似程度随着他们的共同特点的增多而相应地增多，随着这两个事物之间差异的增多而相应地减少。两个事物的类似程度越低，类比推理的效果相对就较差。总而言之，岩石工程设计困难比较大，很难一步确定。要想用一个定量的指标来表示这些复杂的对象，还要进一步的研究。

第五、系统性类比设计原理：在岩石工程类比设计的过程当中必须遵守这个原理。系统性原则指的是把类比的两个对象当作系统，而系统都有着一定程度的特点；类比就是把这些对应的特点匹配起来，所以要从系统的层面来考虑类似性。

3研究成果

根据已有的认知心理学的原理，可以把岩石工程的类比设计划的程式分成目标性的表征课题、类比检索和映射系统以及迁移解答和概括图式三大类。众所周知，类比设计的前提条件是，对基础性的课题以及目标性的课题做出合理的表征。目标性的课题的表征指的是对问题进行基本定义，而基础性的课题的表征不但要求对问题进行基本定义，同时还要对这种问题进行相应的解答和表述解答结果，由此看来，基础性的课题的表征是一种高水平的设计工程。

到目前为止，一部分研究人员已经在岩石工程的概念设计以及图示归纳方面做出了不小的成果。这些研究人员根据土质的条件细致划分出不同区的土层，并通过大量的工程实践经验，归纳整理出了各种类型土层工程建筑的几大注意事项；通过了类比的方法设计了结构的选型；通过专用的软件对工程数据进行精密的计算；通过比较选出最终的实施方案。例如郝晓平济南地区的典型地层深基坑工程为研究对象，并成功提出了相应的类比设计的初步计划和初步思路。她把该施工地区的土层根据土质等性质分为了三个地层，并且总结了以往的大量类似工程的经验，设计出了适合该工程的特定的设计方案。在设计的过程当中，运用了多种科学的设计方法，综合多种经验，最终筛选出了最为节约资源，最能实现长远发展的设计方案[1-2]。虽然，到目前为止，我们已经在岩石工程的类比设计领域当中取得了一定的成就，但是这些都是在表面上的研究成果，要想得到进一步的理论成果进一步促进我国岩石工程更好、更快发现，还需大家的共同努力[3]。

4结语

在岩石工程的设计过程当中，类比设计的方法是很重要的。然而，在理论上对其进行探讨是很局限的，本文作者希望通过阐明岩石工程类比设计的实质和重点，来提升当代岩石工程类比设计的水平。不可否认的是，到目前为止，我们已经在岩石工程的类比设计领域当中取得了一定的成就，但是这些都只是在表面上的成果，要想进一步促进我国岩石工程的快速发展，想形成更加完善的类比设计，赶超其他世界大国，还需大家的共同努力。