软岩的特点及工程危害

高等岩石力学研究报告张文斌2010020265岩土工程作者简介（Biography ）：张文斌(1986 - )，男，汉族，山东烟台人，硕士研究生，研究方向岩土工程。

[Zhang Wenbin, male ,the Han nationality, from Yantai in Shandong Province, master candidate, majoring geotechenical engineering]软岩的力学特性及工程危害张文斌1(1.成都理工大学环工学院岩土工程系.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MECHANICAL PROPERTIES AND ENGINEERING HAZARDSOF SOFT ROCKZHANG Wen-bin 1(1. Department of Civil and Environment Engineering, Chengdu University of techenology , Chengdu 610059)Abstract: The harm of soft rocket qualitative research is based on the special engineering prop- erties and the engineering geological aspects. To research by the basic mechanical properties of soft rock and the analysis of the physical and mechanical indexes. To learn about the kinds of soft rock is based on the classification of soft rock hierarchical. Because of soft rock exists plasticity, expansile, crumbling sex, rheological properties, and disturbance, characteristic of the engineering properties of soft rock makes a system analysis, to prevent and control geological disasters provi- des reference value, for practical engineering design and construction to provide the basis. Keyword: Soft rock; Mechanical properties; Engineering mechanics characteristics; Engineering harm1概述1.1关于软岩的定义(1)ISRM(国际岩石力学学会1990，1993)定义：软岩是指单轴抗压强度在5~25MPa 的一类岩石。

(2)G. Russo(1994)定义：软岩指单轴抗压强度小于17MPa 的岩石。

(3)抗压强度小于20MPa 的岩层称为软岩。

(4) σc/(γH)<2 的岩层称为软岩(式中 σc 为单轴抗压强度；γ为岩石容重；H 为深度)。

[1]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，按地质学的岩性划分，地质软岩是指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱岩层(煤矿矿山压力名词讨论会，昆明，1984.12)，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)也呈现了显著变形特征，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。

[1]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，[1]见表3-1。

表3-1 软岩分类3.1膨胀性软岩的分级根据文献可知膨胀性软岩(Swelling Soft Rock，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。

由于低应力软岩的显著特征是含有大量粘土矿物而具有膨胀性，因此，根据低应力软岩的膨胀性大小可以分为：强膨胀性软岩(自由膨胀变形>15%)、中膨胀性软岩(自由膨胀变形10%~15%)和弱膨胀性软岩(自由膨胀变形<10%)。

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(High Stressed Soft Rock，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。

[10]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σc>25MPa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(Jointed Soft Rock，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。

[11]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。