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工程软岩

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中文名: 工程软岩 类 型: 岩石 标 准: 抗压强度小于25 MPa 分类依据: 强度指标

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，该类岩石多为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质砂岩等单轴抗压强度小于25 MPa的岩石，是天然形成的复杂的地质介质。国际岩石力学会将软岩定义为单轴抗压强度（σc）在0.5～25 MPa之间的一类岩石1，其分类依据基本上是依强度指标。

简介

1　软岩的概念及工程分类

关于软岩的概念，国内外有十几种之多[8,9]，大体上可分为描述性定义、指标化定义和工程定义，且各有其优缺点。本文在研究前人关于软岩概念的基础上，提出了新的软岩概念及其分类体系。

1.1　地质软岩的概念

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，该类岩石多为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质砂岩等单轴抗压强度小于25 MPa的岩石，是天然形成的复杂的地质介质。国际岩石力学会将软岩定义为单轴抗压强度（σc）在0.5～25 MPa之间的一类岩石，其分类依据基本上是依强度指标。

该软岩定义用于工程实践中会出现矛盾。如巷道所处深度足够的浅，地应力水平足够的低，则小于25 MPa的岩石也不会产生软岩的特征；相反，大于25 MPa的岩石，其工程部位足够的深，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。

1.2　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。流行的软岩定义强调了软岩的软、弱、松、散等低强度的特点，同时应强调软岩所承受的工程力荷载的大小，强调从软岩的强度和工程力荷载的对立统一关系中分析、把握软岩的相对性实质。

该定义的主题词是工程力、显著变形和工程岩体。工程岩体是软岩工程研究的主要对象，是巷道、边坡、基坑开挖扰动影响范围之内的岩体，包含岩块、结构面及其空间组合特征。工程力是指作用在工程岩体上的力的总和，它可以是重力、构造残余应力、水的作用力和工程扰动力以及膨胀应力等；显著塑性变形是指以塑性变形为主体的变形量超过了工程设计的允许变形值并影响了工程的正常使用，显著塑性变形包含显著的弹塑性变形、粘弹塑性变形，连续性变形和非连续性变形等。此定义揭示了软岩的相对性实质，即取决于工程力与岩体强度的相互关系。当工程力一定时，不同岩体，强度高于工程力水平的大多表现为硬岩的力学特性，强度低于工程力水平的则可能表现为软岩的力学特性；对同种岩石，在较低工程力作用下，表现为硬岩的变形特性，在较高工程力的作用下则可能表现为软岩的变形特性。

1.3 　软岩的两个基本力学属性

软岩有两个基本力学属性：软化临界荷载和软岩临界深度。它揭示了软岩的相对性实质。

1.3.1　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，岩石出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；而只有当荷载水平高于软化临界荷载时，该岩石表现出软岩的大变形特性，此时该岩石称之为软岩。

1.3.2　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。当巷道的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。

1.4　软岩的工程分类

按照工程软岩的定义，根据产生塑性变形的机理不同，将软岩分为四类，即膨胀性软岩(或称低强度软岩)、高应力软岩、节理化软岩和复合型软岩。具体的分级分类指标如表1所示。

表1　 软岩工程分类与分级总表

Table 1　Classification and grading of soft rock

软岩分类 分类指标 软岩分级 分级指标

σc/MPa 泥质含量 结构面

膨胀性软岩 <25 >25% 少 　 蒙脱石含量/(%) ω0/（%） 自由膨胀变量/(%)

弱膨胀软岩 <10 <10 >15

中膨胀软岩 10～30 10～50 10～15

强膨胀软岩 >30 >50 <10

高应力软岩 ≥25 ≤25% 少 　 工程岩体应力水平/MPa

高应力软岩 25～50

超高应力软岩 50～75

极高应力软岩 >75

节理化软岩 低～中等 少含 多组 　 JS/条.m－2 节理间距 完整指数Kv

较破碎软岩 0～15 0.2～0.4 0.55～0.35

破碎软岩 15～30 0.1～0.2 0.35～0.15

极破碎软岩 >3 <0.1 <0.15

复合型软岩 低～高 含 少～多组 根据具体条件进行分类和分级

1.5　 我国膨胀型软岩的地质力学化学特征

不同地质时期的软岩由于其成生环境不同，矿物成分与含量也不同，表现在工程上其水理性质、化学性质和力学性质都存在较大的差别(表2)[11～12]。

表2　 我国膨胀型软岩的地质力学化学特征

Table 2　 The geomechanical and chemical Characteristics of the swelling soft rocks in China

软岩性质 类别 古生代软岩 中生代软岩 新生代软岩

水理性质 基本不含蒙脱石，吸水量低，岩块吸水率小于10%，膨胀性、崩解性和软化性质不明显。 含少量蒙脱石和大量伊/蒙混层矿物，吸水量明显，岩块吸水率为10%～70%，有较强的膨胀性和吸水软化性不明显，少量软岩膨胀性和吸水力低。 含大量蒙脱石和大量伊/蒙混层矿物，吸水量强，岩块吸水率为20%～80%，膨胀性和吸水软化性显著。

化学性质 pH值 5.4～10.1，最小为4.98，最大为10.38 7.1～10.1，最小为6.82，最大为10.18 7.8～10，最小为4.4，最大为10.02

比表面积/

m2.g－1 20～100 100～350，最小24.27，最大为717 150～450，最小为18.15，最大为555.4

阳离子

交换量/

meg.100g－1 10～20，最小为5.09，最大为38.07 20～50，最小为8.13，最大为86.73 25～60.最小为7.02，最大为79.8

力学性质 抗压强度/

MPa 24～40 15～30 小于10

抗拉强度/

MPa 1～2 0.4～1 小于0.5

(长期强度)/(瞬时强度)/

(%) 40～70 30～60 10～40

弹性模量 较大 较低 很低

泊松比 较小 比较大 较大

2　 软岩变形力学机制及其转化对策

2.1　软岩变形力学机制

软岩巷道支护盲目性的表现之一是对其变形力学机制不清楚。不同的软岩在其特定的地质力学环境中所表现出的变形机制不同。软岩巷道之所以具有大变形、大地压、难支护的特点，是因为软岩巷道围岩并非具有单一的变形力学机制，而是同时具有多种变形力学机制的“并发症”和“综合症”—复合型变形力学机制。软岩变形力学机制可分为三类十三亚类(图1)。每种变形力学机制有其独特的特征型矿物、力学作用和结构特点，其软岩巷道的破坏特征也有所不同(表3)。

表3　软岩巷道变形机制及破坏特点

Table 3　 Deformation mechanism and failure characteristics of adit in soft rocks

类型 亚型 控制性因素

特征型 软岩巷道破坏特点

Ⅰ型

ⅠA型 分子吸水机制，晶胞之间可吸收无定量水分子，吸水能力强 蒙脱石型 围岩暴露后，容易风化，软化，裂隙化：Ⅰ型巷道底鼓、挤帮、难支护，其严重程度从 ⅠA、ⅠAB、ⅠB依次减弱；ⅠC型则看微隙发育程度。

ⅠAB型 ⅠA & ⅠB决定于混层比 伊/蒙混层型

ⅠB型 胶体吸水机制，晶胞之间不允许进入水分子，粘粒表面形成水的吸附层 高岭石型

ⅠC型 微隙-毛细吸水机制 微隙型

Ⅱ型

ⅡA型 残余构造应力 构造应力型 变型破坏与方向有关，与深度无关

ⅡB型 自重应力 重力型 与方向无关，与深度有关

ⅡC型 地下水 水力型 仅与地下水有关

ⅡD型 工程开挖活动 工程偏应力型 与设计有关，巷道密集，岩柱偏小

Ⅲ型

ⅢA型 断层、断裂带 断层型 塌方、冒顶

ⅢB型 软弱夹层 弱层型 超挖、平顶

ⅢC型 层理 层理型 规则锯齿状

ⅢD型 优势节理 节理型 不规则锯齿状

ⅢE型 随机节理 随机节理型 掉块

图1　 软岩巷道变形力学机制

Fig.1　Deformation mechanism of adit in soft rocks

因此，要想有效地进行软岩巷道支护，单一的支护方法是难以奏效的，必须“对症下药”,采取符合这种“综合症”、“并发症”特点的联合支护方法。为此，要对软岩巷道实施成功支护，须运用以下3个技术关键：

2.1.1　软岩变形力学机制的确定

通过野外工程地质研究和室内物化力学试验分析以及理论分析，可正确地确定软岩巷道的变形力学机制类型。I型变形力学机制主要依据其特征矿物和微隙发育情况进行确定；II型变形力学机制主要是根据受力特点及在工程力作用下巷道的特征来确定；III型变形力学机制主要是受结构面影响的非对称变形力学机制，要求首先鉴别结构面的力学性质及其构造体系归属，然后再依据其产状与巷道走向的相互交切关系来确定。

2.1.2　复合型变形力学机制的转化

软岩巷道的变形力学机制通常是三种以上变形力学机制的复合类型。不同复合型具不同的支护技术对策要点，因此，其支护的关键技术对策是有效地把复合型转化为单一型。

2.1.3　合理地运用复合型转化技术

要做好软岩支护工作，除了正确地确定软岩巷道变形力学机制类型、有效地转化复合型的变形力学机制之外，要十分注重、合理地运用复合型向单一型转化技术。即软岩变形过程中的每个支护力学措施的效果与时间、支护顺序密切有关，每个环节都将是十分考究，必须适应其复合型变形力学机制特点。只有这样，才能保证支护做到“对症下药”，才能保证支护成功。

2.2　软岩软化路径及状态方程

岩石在工程力的作用下进入软岩状态的途径，从理论上可分为四种类型，即初始软化型、强度软化型、应力增长型、强度降低与应力增加复合型。

2.2.1　初始软化型

在工程开挖之初（T=0），岩石软化临界荷载（σcs）小于围岩应力（σmax），巷道持续变形不止，表明岩石即进入软岩状态。该种类型称为初始软化型。其状态方程为：

(5)

式中 U=Uc+Upo+Upr； U为总变形，mm； Uc为弹性变形，mm； Upo为与时间无关的塑性变形，mm； Upr为与时间有关的塑性变形（如流变等），mm。

2.2.2　强度软化型

在工程开挖一段时间以后（T=t），围岩应力为常量，围岩的软化临界荷载由于风化、裂隙化等影响不断降低，使得fs<1，巷道围岩持续变形。这种类型称为强度降低型。其软化状态方程为：

(6)

2.2.3　应力增长型

随着工程开挖的不断进行（T≥t），围岩的最大应力值不断增加，()，围岩的软化临界荷载保持不变（σcs=C），在某一时刻，围岩开始进入软岩状态（fs≤1）,巷道围岩持续变形不止。（），表明围岩进入了软岩状态。该种类型称为应力增长型，其状态方程为：

(7)

2.2.4　 强度降低和应力增长复合型

随着工程开挖的不断进行(T≥t),围岩最大应力值不断增加(），围岩的软化临界荷载不断降低(σcs=f2(t),≤0),在某一时刻,围岩开始进入软岩状态(fs<1),巷道持续变形.该种类型称为强度降低和应力增长复合型,其状态方程为：

(8)

3　软岩巷道支护原理

3.1　软岩巷道支护原理

软岩巷道支护和硬岩巷道支护原理截然不同，这是由它们的本构关系不同所决定的。硬岩巷道支护不允许硬岩进入塑性，因进入塑性状态的硬岩将丧失承载能力。而软岩巷道另一个独特之处是，其巨大的塑性能(如膨胀变形能等)必须以某种形式释放出来。假设巷道开挖后使围岩向临空区运动各种力(包括重力、水作用力、膨胀力、构造应力和工程偏应力等)的合力T(图2)，则软岩巷道支护原理可以表示为：

T=D+R+S　(9)

式中：T为挖掉巷道岩体后使围岩向临空区运动的合力，包括重力、水作用力、膨胀力、构造应力和工程偏应力等；D 为以变形的形式转化的工程力，可以包括①弹塑性转化(与时间无关)；②粘弹塑性转化(与时间有关)；③膨胀力的转化(与时间有关)。对于软岩来讲，主要是塑性能以变形的方式释放；R 为围岩自撑力，即围岩本身具有一定强度，可承担部分或全部荷载；S 为工程支护力。

图2　PT合力示意图

Fig.2　Scheme of resultant force PT

式(9)和图2表示如下意义：

(1)巷道开挖后引起的围岩向临空区运动的合力T并不是纯粹由工程支护力S全部承担，而是由三部分共同分担。T首先由软岩的弹塑性能以变形的方式释放一部分，亦即T的一部分转化为岩体形变。其次，T的另一部分由岩体本身自承力承担。如果岩体强度很高，R>T－D，则巷道可以自稳。对于软岩，R较小，一般R<T－D，故巷道要稳定，必须进行工程支护，即加上S。为求工程稳定，通常(S+R)值要大于(T-D)值。

(2)一个优化的巷道设计和支护设计应该同时满足三个条件：

①PD→max；

②PR→max；

③PS→min。

实际上，要使PD→max，PR就不能达到最大；要使PR→max，PD就不能达到最大。要同时满足PD→max，PR→max，关键是选取变形能释放的时间和支护时间。

3.2　 最佳支护时间和最佳支护时段

岩石力学理论和工程实际表明，巷道开挖以后，巷道围岩的变形会逐渐加大。以变形速度区分，可划分三个阶段：即减速变形阶段、近似线性的恒速变形阶段和加速变形阶段。当进入加速变形阶段时，岩体本身结构改组，产生新裂纹，强度就大大降低。显然，加速变形阶段可以使D→max，但却大大降低了R，这不满足优化原则。解决这个问题的关键是最佳支护时间概念的建立和最佳支护时段的确定。

3.2.1　最佳支护时间和最佳支护时段的概念

最佳支护时间系指可以使(R+D)同时达到最大的支护时间，其意义如图3所示。图3表明，最佳支护时间就是(PR+PD)-t曲线峰值点所对应的时间TS。实践证明该点与PD-t曲线和PR-t曲线的交点所对应的时间基本相同。此时，支护使PD在优化意义上充分地达到最大，最佳支护时间点的确定，在工程实践中是难以办到的，所以提出了最佳支护时段概念，最佳支护时段的概念如图4所示。

图3　 最佳支护时间Ts的含义

Fig.3　 The meaning of optimum supporting time Ts

图4　最佳支护时段的含义

Fig.4　 The meaning of optimum supporting period

3.2.2　 最佳支护时间(TS)的物理意义

巷道开挖以后，原有的天然应力状态被破坏，围岩中应力重新分布，切向应力增大的同时，径向应力减小，并在硐壁处达到极限。这种变化促使围岩向巷道临空区变形，围岩本身的裂隙发生扩容和扩展，力学性质随之不断恶化。在围岩应力条件下，切向应力在硐壁附近发生高度集中，致使这一区域岩层屈服而进入塑性工作状态。进入塑性状态的围岩称为塑性区。塑性区的出现，使应力集中区从岩壁向纵深偏移，当应力集中的强度超过围岩屈服强度时，又将出现新的塑性区，如此逐层推进，使塑性区不断向纵深发展。假若不采取适当支护措施，临空塑性区将随变形加大而出现松动破坏。塑性区和松动破坏区截然不同，松动破坏区没有承载能力，而塑性区具有承载能力。

塑性区可分为稳定塑性区和非稳定塑性区。出现松动破坏之前的最大塑性区范围，称为稳定塑性区；出现了松动破坏区之后的塑性区，称为非稳定塑性区。稳定塑性区所对应的宏观围岩的径向变形称为稳定变形；非稳定塑性区所对应的围岩的径向变形称为非稳定变形。 塑性区的出现改变了围岩的应力状态，这种变化对支护来讲具有两个力学效应：(1)围岩中切向应力和径向应力降低，减小了作用于支护体上的荷载；(2)应力集中区向深层偏移，减小了应力集中的破坏作用。在巷道两帮发生应力集中时，两帮岩石处于极不利的单轴受力状态条件，极易产生片帮破坏。

应力集中偏移深部后，一方面应力集中程度降低，另一方面深部岩石处于三轴受力状态，其破坏可能性大大减小。因此，对于高应力软岩巷道支护来讲，要允许出现稳定塑性区，严格限制非稳定塑性区的扩展。其宏观判别标志就是最佳支护时间Ts。Ts之前出现的变形称稳定变形，对应的塑性区称稳定塑性区。所以最佳支护时间的力学含义就是最大限度地发挥塑性区承载能力而又不出现松动破坏时所对应的时间。它可以通过计算机监控得到，也可以通过现场特征判断直接得到。

3.2.3　 最佳支护时间的确定

研究表明，变形力学状态进入图4中A区时，支护体多产生鳞状剥落；变形力学状态进入B区时，伴随着片状剥落；进入C区后，将产生块状崩落和结构失稳。因此，判别最佳支护时间(段)就是鳞、片状剥落的高应力腐蚀现象出现的时间。

根据现场调查研究，张性、张扭性裂缝，宽度达到1～3 mm，即已进入A区和B区，即进入耦合支护的时间；巷道表面各点变形量达到设计余量的60%，即进入耦合支护的时间。

4　 关键部位耦合支护理论

研究发现，无论是新开巷道、还是翻修巷道，其破坏是一个渐进的力学过程，是从某一个或几个部位开始变形、损伤、破坏，进而导致整个支护体失稳。这些首先破坏的部位，我们称为关键部位。

4.1　 关键部位产生的力学机理

关键部位的产生是巷道围岩和支护相互作用的工程力学破坏现象。其机理是软岩巷道已进入非线性塑性大变形阶段，变形场是非线性力学场。众所周知，线性力学的变形场是协调的、可以叠加的，是能量保守场；而软岩非线性力学的塑性大变形场则是不协调的、力学量不可叠加，是能量耗散场。因此，软岩巷道的支护与围岩相互作用后出现关键部位的机理颇为复杂，有如下4种类型(图5)。

参考来源

软岩隧道施工