软岩的力学特点及工程危害

1软岩的力学特性及工程危害王维(1.成都理工大学环工学院地质工程系.成都,610059)摘要：基于软岩的特殊工程性质及其在工程地质方面的危害，进行了软岩性质的研究。通过对软岩的基本力学属性和物理力学指标的分析，研究其在实际工程中存在的危害性；通过对软岩的分类分级的方法来了解软岩的种类，由于软岩存在可塑性、膨胀性、崩解性、流变性、和易扰动性的特点，对软岩的工程特性做了系统的分析，为预防和治理地质灾害提供了参考性价值，为实际工程的设计和施工提供了依据。关键词：软岩；力学属性；工程力学特性；工程危害1概述1.1关于软岩的定义软岩一般是所谓软质岩或软质岩石的通称。在《工程岩体分级标准》(GB50218-94)及(岩土工程勘察规范》(GB50021-94)等规范中，按坚硬程度划分，软质岩包括较软岩、软岩和极软岩，与软质岩相对的是硬质岩。在《公路工程地质勘察规范》(JTJ064-98)中按饱和抗压极限强度来划分岩石，软质岩石包括软质岩和极软岩。《水利水电工程地质勘察规范》(GB50287-99)中软质岩包括软岩和较软岩。在其他国内文献中，与软岩有关的术语有软弱岩石、软弱夹层、泥化岩、风化岩等，除软弱夹层外，一般仅注出代表性岩石或某些强度指标，缺乏确切定义[1]。在主要的软岩定义方法中，主要有以下两种标准:(1)单一指标定义。在国内众多的技术规范中，一般按照单轴抗压极限强度来定义软岩和硬岩，划分标准为30MPa。日本坝基岩石分级标准中，当单轴抗压强度不足20MPa时即定义为软岩。西方多采用25MPa作为划分标准。也有学者提出按照其他指标来定义[2]，如:①抗压强度与上覆岩层荷重(YH)之比小于或等于2的岩层为软岩；②松动圈厚度大于或等于1.5m的围岩称为软岩；③按岩石地基承载力分类，先按岩石坚固性初步划分，然后再进一步按其承载力标准值，将小于2MPa的归为软质岩石；④按岩石的波速值分类，多采用纵波波速值UP，一般将纵波波速小于4000m/s的视为软岩。(2)地质特性描述定义。1984年召开的矿山压力名词专题讨论会，初步将软岩定义为“强度低，孔隙大，胶结程度差，受构造切割面及风化影响显著或含有大量膨胀粘土矿物的松、散、软、弱岩层”。文献[3]给软岩下的定义为:在高地应力，地下水和强风化作用下，具有显著渗流、膨胀或崩解特性的软弱、破碎、风化和节理化的不稳定围岩。目前，人们普遍采用的软岩定义基本上可归于地质软岩的范畴，该类岩石多为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质矿岩，是天然形成的复杂的地质介质。国际岩石力学学会将软岩定义为单轴抗压强度(σc)在0.5~25MPa之间的一类岩石，其分类依据基本上是依据岩石的强度指标。国际岩石力学学会的软岩定义用于工程实践中会出现一些矛盾。巷道所处深度足够的浅，地应力水平足够的低，则单轴抗压强度小于25MPa的岩石也不会产生软岩的特征，工程实践中，采用比较经济的一般支护技术即可奏效；相反，大于25MPa的岩石，其工程部位所处的深度足够的深，地应力水平足够的高，也可以产生软岩的大变形、大地压和难支护的现象。因此，地质软岩的定义不能用于工程实践，故而提出了工程软岩的概念。工程软岩是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体。1.2工程软岩与地质软岩石工程软岩和地质软岩的关系：当工程荷载相对于地质软岩(如泥页岩等)的强度足够小时，地质软岩不产生软岩显著塑性变形力学特征，即不作为工程软岩，只有在工程力作用下发生了显著变形的地质软岩，才作2为工程软岩；在大深度、高应力作用下，部分地质硬岩(如泥质胶结砂岩等)也呈现显著变形特征，则应视其为工程软岩。2软岩的基本力学属性软岩有两个基本力学属性：软化临界荷载和软化临界深度。[4]2.1软化临界荷载软岩的蠕变试验表明，当所施加的荷载小于某一荷载水平时，岩石处于稳定变形状态，蠕变曲线趋于某一变形值，随时间延伸而不再变化；当所施加的荷载大于某一荷载水平时，岩石呈现明显的塑性变形加速现象，即产生不稳定变形，这一荷载称为软岩的软化临界荷载，亦即能使岩石产生明显变形的最小荷载。岩石种类一定时，其软化临界荷载是客观存在的。当岩石所受荷载水平低于软化临界荷载时，该岩石属于硬岩范畴；当岩石所受的荷载水平高于该岩石的软化临界荷载时，则该岩石表现出软岩的大变形特性，此时的岩石被视为软岩。2.2软化临界深度与软化临界荷载相对应地存在着软化临界深度。对特定矿区，软化临界深度也是一个客观量。当巷道位置大于某一开采深度时，围岩产生明显的塑性大变形、大地压和难支护现象；但当巷道位置较浅，即小于某一深度时，大变形、大地压现象明显消失。这一临界深度，称之为岩石软化临界深度。软化临界深度的地应力水平大致相当于软化临界荷载。3软岩分类与分级按照工程软岩的定义，根据产生塑性变形的机理不同，软岩可分为四大类，即膨胀性软岩(也称低强度软岩)、高应力软岩、节理化软岩和复合型软岩，[4]见表3-1。表3-1软岩分类3.1膨胀性软岩的分级膨胀软岩是指与水发生物理化学反应，引起体积膨胀的一类岩石，多数属于易风化和软化的软弱岩石。典型的膨胀软岩有粘土岩、页岩、泥岩、蛇蚊岩、泥灰岩、凝灰岩、片岩，以及受热液化变质作用的花岗岩、片麻岩、安山岩等。根据文献可知膨胀性软岩(SwellingSoftRock，简称S型)系指含有粘土高膨胀性矿物在较低应力水平（25MPa)条件下即发生显著变形的低强度工程岩体。例如，通常软岩定义中所列举的软弱、松散的岩体，膨胀、流变、强风化的岩体以及指标化定义中所述的抗压强度小于25MPa的岩体，均属低应力软岩的范畴。产生塑性变形的机理是片架状粘土矿物发生滑移和膨胀。在实际工程中，一般的地质特点是泥质岩类为主体的低强度工程岩体。即，泥质岩的吸水膨胀是岩石失水后与水相互作用发生的，对于同一种岩石，失水程度越高，吸水作用也越显著。因此采用绝对干燥的不规则岩块(在105℃-恒重样品)测定在蒸馏水中的饱和吸水(即所吸附的非重力水的质量分数)，以此作为膨胀岩的判别与分类依据，即:小于10%为非膨胀性岩石；10%一20%为微膨胀性岩石；20%一50%为弱膨胀性岩石；50%一100%为强膨胀性岩石；大于100%为剧膨胀性岩石。根据矿物组合特征和饱和吸水率两个指标可细分为三级，详见表3-2。表3-2膨胀性软岩分级3.2高应力软岩的分级高应力软岩(HighStressedSoftRock，简称Ｈ型)，是指在较高应力水平(25MPa)条件下才发生显著变形的中高强度的工程岩体。这种软岩的强度一般高于25MPa，其地质特征是泥质成分较少，但有一定含量，砂质成分较多，如泥质粉砂岩、泥质砂岩等。它们的工程特点是，在深度不大时，表现为硬岩的变形特征；当深度加大至一定深度以下，就表现为软岩的变形特性了。其塑性变3形机理是处于高应力水平时，岩石骨架中的基质(粘土矿物)发生滑移和扩容，此后再接着发生缺陷或裂纹的扩容和滑移塑性变形。根据高应力类型不同，高应力软岩可细分为自重高应力软岩和构造高应力软岩。前者的特点是与深度有关，与方向无关；而后者的特点是与深度无关，而与方向有关。根据应力水平分为三级，即高应力软岩、超高应力软岩和极高应力软岩。[13]高应力的界线值是根据国际岩石力学学会定义的软岩概念(σc=0.5~25MPa)而确定的。即能够使σc25MPa的岩石进入塑性状态的应力水平称为高应力水平。3.3节理化软岩的分级节理化软岩(JointedSoftRock，简称Ｊ型)，系指含泥质成分很少(或几乎不含)的岩体，发育了多组节理，其中岩块的强度颇高，呈硬岩力学特性，但整个工程岩体在巷道工程力的作用下则发生显著的变形，呈现出软岩的特性，其塑性变形机理是在工程力作用下，结构面发生滑移和扩容变形。例如，我国许多煤矿的煤层巷道，煤块强度很高，节理发育很好，岩体强度较低，常发生显著变形，特别是发生非线性、非光滑的变形。此类软岩可根据节理化程度不同，细分为镶嵌节理化软岩、碎裂节理化软岩和散体节理化软岩。根据结构面组数和结构面间距两个指标将其细分为三级，即较破碎软岩、破碎软岩和极破碎软岩。3.4复合型软岩复合型软岩是指上述三种软岩类型的组合。即高应力－强膨胀复合型软岩，简称HS型软岩；高应力－节理化复合型软岩，简称HJ型软岩；高应力－节理化－强膨胀复合型软岩，简称HJS型软岩。[14]4软岩的物理力学特性4.1软岩的成分软岩物质成分一般由固体相、液体相、气体相等三相组成的多相体系，有时由两相组成。固体相是由许许多多大小不等、形状不同的矿物颗粒按照各种不同的排列方式组合在一起，构成软岩的主要部分，称“骨架”。在颗粒间的孔隙中，通常有液相的水溶液和气体形成三相体，有时只被水或气体充填形成二相体。由于颗粒、水溶液和气体这三个基本组成部分不是彼此孤立地、机械地混在一起，而是相互联系、相互作用，共同形成软岩的工程地质性质，并决定软岩的力学特性。固相颗粒是软岩的最主要的物质组成，构成软岩的主体，是最稳定、变化最小的成分，在三相之间相互作用过程中，一般居主导地位，对于固相颗粒部分，在进行软岩的工程地质研究时，从颗粒大小的组合和矿物成分，化学成分三个方面来考虑。组成软岩的液体相部分实际上是化学溶液而不是纯水。若将溶液作为纯水研究时，研究颗粒的亲水性而形成的强结合水，弱结合水、毛细水、重力水对软岩工程地质亦有很大的影响。软岩的固体相部分，实质上都是矿物颗粒，并且是一种多矿物体系。不同的矿物其性质各不相同，它们在软岩中的相对含量和粒度成分一样，也是影响软岩的力学性质的重要因素。(1)原生矿物组成软岩固体相部分的物质，主要来自岩石风化产物。岩石经过物理风化、迁移作用、沉积作用、成岩作用而形成软岩。原生矿物仍保留着风化作用前存在于母岩中的矿物成分。软岩中原生矿物主要有：硅酸盐类矿物、氧化物类矿物，此外尚有硫化物类矿物及磷酸盐类矿物。硅酸盐类矿物中常见的有长石类、云母类、辉石类及角闪石类等矿物。常见的长石类矿物有钾长石(KAISI3O8)和钙长石(CaAl2O8)。它们不太稳定，风化作用易形成次生矿物。常见的云母类矿Mn)3AlSi3O10(OH)2)。两者都不易风化，云母类矿物含较多的Fe、Mg、K等元素。常见的辉石类和角闪石类矿物有普通辉石(Ca(Mg、Fe、Al)((Si,Al)206))和普通角闪石(Ca2Na(Mg、Fe)4(A1,Fe+3)((Si,Al)4O11)(OH)2)。氧化物类矿物中常见的有石英、赤铁矿、磁铁矿，它们相当稳定，不易风化，其中石英是软岩中分布较广的一种矿物。软岩中硫化物类矿物通常只有铁的硫化物，它们极易风化。磷酸盐类矿物主要是磷灰石。有白云母4(KAl2AlSi3O10(OH,F)2)和黑云母(K(Mg、Fe、Mn)3AlSi3O10(OH)2)。两者都不易风化，云母类矿物含较多的Fe、Mg、K等元素。常见的辉石类和角闪石类矿物有普通辉石(Ca(Mg、Fe、Al)((Si,Al)206))和普通角闪石(Ca2Na(Mg、Fe)4(A1,Fe+3)((Si,Al)4O11)(OH)2)。氧化物类矿物中常见的有石英、赤铁矿、磁铁矿，它们相当稳定，不易风化，其中石英是软岩中分布较广的一种矿物。软岩中硫化物类矿物通常只有铁的硫化物，它们极易风化。磷酸盐类矿物主要是磷灰石。(2)次生矿物原生矿物在一定的气候条件下，经化学风化作用，使原生矿物进一步分解，形成一种新的矿物，颗粒变得更细，甚至变成胶体颗粒，这种矿物称次生矿物。次生矿物有两种类型：一种是原生矿物中的一部分可溶的物质被溶滤到别的地方沉淀下来，形成“可溶的次生矿物”；另一种是原生矿物中可溶的部分被溶滤走后，残存的部分性质已改变，形成了新的“不可溶的次生矿物”。可溶性的次生矿物主要指各种矿物中化学性质活泼的K、Na、Ca、Mg及Cl、S等元素。这些元素呈阳离子及酸根离子，溶于水后，在迁移过程中，因蒸发浓缩作用形成可溶的卤化物、硫酸盐及碳酸盐。这些盐类一般都结晶沉淀并充填于软岩的孔隙内，形成不稳定的胶结物；未沉淀析出的部分，则成离子状态存在于软岩的孔隙溶液中，这种溶液与粘粒相互作用，影响着软岩的工程地质