岩土工程稳定与加固-04

第四章软岩特性与变形控制

第一节软岩的概念

一、概述从20世纪60年代到90年代初，关于软岩的概念在国内外一直争论不休，产生的软岩定义多达几十种。

1981年9月，国际岩石力学学会委托日本力学协会召开了国际软岩学术讨论会，软岩的概念问题被作为重要的议题进行讨论。

1984年12月，我国原煤炭工业部矿山压力情报中心站、《煤炭学报》编辑部、中国煤炭学会岩石力学专业委员会联合发起煤矿矿山压力名词讨论会，这次会议集中了国内矿山岩石力学方面的专家、学者，在昆明会议上专门讨论了松软岩层的定义。但是，在近几年的文献中，关于软岩的概念仍然名目繁多、定义各异，各有其优缺点。总括起来，大体上可分为描述性定义、指标化定义和工程定义3类。

1．描述性定义

（l）长春煤炭研究所陆家梁提出，松软岩层系指松散、软弱的岩层，它是相对于坚硬岩层而言的。松软岩层由于成岩的时间短、结构疏松、胶结程度差，故自身强度很低。

（2）东北大学郑雨天等认为，软岩是软弱、破碎、松散、膨胀、流变、强风化蚀变及高应力的岩体之总称。

（3）安徽理工大学（原淮南矿业学院）朱效嘉教授提出，松软、破碎、膨胀及风化等岩层称为松软岩层，简称软岩。

（4）原东蒙煤炭公司曾小泉认为，松软岩层系松散破碎、软弱、强风化和膨胀性岩层的总称。（5）1984年12月，在昆明市举行的煤矿矿山压力名词讨论会上提出的定义是，松软岩层是指强度低、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。

2．指标化定义

（1）ISRM（国际岩石力学学会）定义：软岩是指单轴抗压强度在0.5～25MPa的一类岩石。

（2）G.Russo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）。

3．工程定义

（1）中国矿业大学董方庭提出，松动圈厚度大于1.5m的围岩，称为软岩。

（2）中国矿业大学鹿守敏指出，围岩松动圈大于1.5m，并且用常规支护不能适应的围岩称为软岩。

（3）松软岩层是指“难支护的围岩”，或“多次支护，需要重复翻修的围岩”。由此可见，国内外对于软岩的定义尚不能统一，这严重阻碍了软岩的学术交流和研究的深入。为了便于理论研究和工程应用，中国矿业大学何满朝将软岩分为地质软岩和工程软岩分别予以定义。

二、地质软岩与工程软岩的概念

1．地质软岩目前，人们普遍采用的软岩定义基本上可归于地质软岩的范畴，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、粉砂岩和泥质矿岩，是天然形成的复杂的地质介质。

注意：国际岩石力学学会将软岩定义为单轴抗压强度σc＝0.5～25MPa之间的一类岩石，属于地质软岩的范畴，其分类依据是岩石的强度指标。该定义用于工程实践中会出现一些矛盾，如巷道所处深度浅，地应力水平足够低，则单轴抗压强度小于25MPa的岩石也不会产生软岩的特征，采用一般支护技术即可奏效；相反，大于25MPa的岩石，如其工程部位所处的深度足够深，地应力水平足够高，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，故提出了工程软岩的概念。

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，即工程软岩要满足的条件是：

式中：σ为工程荷载（应力），MP；〔σ〕为工程岩体强度，MPa；U巷道变形，mm；〔U〕为巷道允许变形，mm。

（1）工程岩体：是软岩工程研究的主要对象，是巷道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。

（2）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。

（3）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。

注意：工程软岩的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，在较低工程力的作用下，则表现为硬岩的小变形特性，在较高工程力的作用下则可能表现为软岩的大变形特性。

3．工程软岩和地质软岩的关系（1）当工程荷载相对于地质软岩的强度足够小时，地质软岩不产生软岩显著塑性变形，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；（2）在大深度、高应力作用下，部分地质硬岩也呈现了显著塑性变形特征，则应视其为工程软岩。

三、软化临界荷载与软化临界深度

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（稳定蠕变类型），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。

注意：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．软化临界深度

当巷道位置大于某一深度时，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。这一临界深度称为岩石的软化临界深度。

注意：软化临界深度的地应力水平大致相当于软化临界荷载，所以二者可以互为转换。

3．确定方法

（1）蠕变试验法

在试验中，通过岩石蠕变力学试验测定出各岩石的长期强度，此值大致相当于软化临界荷载。

（2）经验公式法

计算公式为：

σcs＝KRc式中：σcs为软化临界荷载，MPa；Rc为岩石单轴抗压强度，MPa；K为经验系数，膨胀性软岩K＝0.3～0.5，高应力软岩K＝0.5～0.7，节理化软岩K＝0.4～0.8。

（3）现场观察法

在现场调查中，围岩开始产生显著变形的埋深即为岩石的软化临界深度Hcs。

第二节

软岩的工程分类体系一、软岩矿井分类（见下表）

二、软岩分类（见下表）

三、软岩分级

1．膨胀性软岩的分级膨胀性软岩（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。膨胀性软岩的分级见下表。

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。

其工程特点是：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。

高应力软岩的分级见下表。

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），但发育了多组节理，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。节理化软岩的分级见下表。

4．复合型软岩复合型软岩是指上述3种软岩类型的组合，即（1）

高应力-膨胀性复合型软岩，简称HS型软岩；（2）

高应力-节理化复合型软岩，简称HJ型软岩；（3）高应力-节理化-膨胀性复合型软岩，简称HJS型软岩。

四、软岩软化程度分类

1．软化指数概念

软岩的软化临界荷载与工程岩体中的最大应力的比值，即

fs＝σcs/σmax式中：fs为软化指数；σcs为软化临界荷载，MPa；

σmax为工程岩体中最大应力，MPa。

2．软岩软化程度分类（见下表）

注意：我国膨胀软岩的分布十分广泛，东起渤海之滨的山东龙口矿区，西到新疆六道湾煤矿；南起广东茂名矿务局石鼓煤矿，北到黑龙江省鸡西矿务局的穆棱煤矿。从膨胀软岩形成地质时代区分，早自上二叠统，晚到上第三系甚至早更新统都有。从我国膨胀软岩的成因类型区分，几乎包括国外膨胀软岩所有类型。因此，我国膨胀软岩的工程性质是十分复杂的。

第三节

软岩的力学特性

一、软岩的单轴抗压特性1．完整岩样的单轴抗压特性下表是峰峰矿务局通二煤矿-550水平各种软岩的单轴抗压试验结果。说明：泥页岩强度的软化效应极强烈，软化系数变化于0.39～0.43。砂岩的软化情况差异较大，泥质粉砂岩的软化系数为0.54，而粉砂岩和细砂岩的软化系数都高达0.87～0.90。显然，软岩的强度受水的影响较大。

下图是各类软岩在天然状态下和炮和状态下的应力-应变曲线，具有压密阶段、线性变形阶段、塑性变形阶段和应变软化阶段，且应力应变关系是非线性的。

2．裂隙岩样的单轴抗压特性下图是粉砂岩的力学指标随压应力方向与结构面方向夹角的变化趋势图。

说明：（1）作用力与结构面的相对方向对岩体的强度和弹性模量的影响是显著的；（2）由于不连续结构面的存在，岩体的抗压强度会大大恶化。

二、软岩的抗拉强度特性1．完整岩样的单轴抗拉特性下表为不同岩石完整岩样的抗拉强度试验结果。说明：（1）软化效应明显，软岩的抗拉强度受水的影响较大；（2）软岩的抗拉强度明显低于抗压强度，岩体“怕拉”。

2．裂隙岩样的单轴抗拉特性

下表是砂质页岩抗拉强度试验结果。

说明：（1）在拉应力作用下，岩体仍表现出各向异性；

（2）裂隙岩体的抗拉强度明显低于完整岩样的抗拉强度。

三、软岩的三轴抗压力学特性

1．泥岩全应力应变曲线如下图所示。

2．砂质页岩全应力应变曲线如下图所示。说明：（1）随着围压的提高，三轴抗压强度明显提高；

（2）在复杂应力状态下，岩石表现出塑性破坏特征，且随着围压的提高，破坏时的塑性变形量也显著增加。

四、软岩的工程力学特性

（一）可塑性

1．定义：是指软岩在工程力的作用下产生变形，去掉工程力之后这种变形不能恢复的性质。

2．可塑性机理（1）低应力软岩的可塑性是由软岩中泥质成分的亲水性所引起的；（2）节理化软岩是由所含的结构面扩展、扩容引起的；（3）高应力软岩是泥质成分的亲水性和结构面扩容共同引起的。

（二）膨胀性

1．定义：软岩在力的作用下或在水的作用下体积增大的现象，称为软岩的膨胀性。

2．分类

（1）内部膨胀：是指水分子进入晶胞层间而发生的膨胀。

（2）外部膨胀性：是极化的水分子进入颗粒与颗粒之间而产生的膨胀性。

（3）扩容膨胀性：是软岩受力后其中的微裂隙扩展、贯通而产生的体积膨胀现象，故亦称应力扩容膨胀性。

注意：①内部膨胀是指晶胞层间膨胀、外部膨胀是指粒间膨胀，而扩容膨胀是集合体间隙或更大的微裂隙的受力扩容；②内部膨胀和外部膨胀的间隙是原生的，而扩容膨胀的间隙是次生的；③内部膨胀和外部膨胀的膨胀机理是一种与水作用的物理化学机制，而扩容膨胀则属于力学机制，即应力扩容机制。

④实际工程中，软岩的膨胀是综合机制。但对低应力软岩来讲，以内部膨胀和外部膨胀机制为主；对节理化软岩来讲，则以扩容机制为主；对高应力软岩来讲，可能诸种机制同时存在且均起重要作用。

（三）崩解性

1．定义：软岩在水、工程力等作用下发生的崩解、片帮等现象，称为崩解性。

2．崩解机理（1）低应力软岩的崩解性是软岩中的粘土矿物集合体，在与水作用时膨胀应力不均匀分布造成崩裂现象；（2）高应力软岩和节理化软岩的崩解性，主要表现为在巷道工程力的作用下，由于裂隙发育的不均匀造成局部张应力集中而引起的向空间崩裂、片帮的现象。当然，高应力软岩也存在着遇水崩解的现象，但不是控制性因素。3．低应力软岩崩解模式

（四）流变性

软岩是一种流变材料，具有明显的流变特性。加强流变学研究，对软岩工程问题非常重要。一方面是由于软岩工程岩体本身的结构和组成反映出明显的流变性质；另一方面也是由于受力条件（长期受力，三向应力状态）使流变性质更为突出。在地下工程中表现出来的力学现象，包括地压、变形、破坏等几乎都与时间有关。

软岩的流变性主要表现在软岩的蠕变性、松弛性和流动极限的衰减性质。

（五）软岩的易扰动性

由于软岩软弱、裂隙发育、吸水膨胀等特性，导致软岩抗外界环境扰动的能力极差，对卸荷松动、施工振动、邻近巷道施工扰动极为敏感，而且具有吸湿膨胀软化、暴露风化等特点。第四节

软岩工程稳定性控制关键技术

一、概述软岩工程稳定性控制问题一直是困扰我国煤矿生产和建设的重大问题之一，随着开采深度的增加和地质条件渐趋复杂，软岩巷道支护问题愈趋严重。国内外学者对这一问题一直非常关注，形成了一些各具特色的理论与方法。但是，长期以来，软岩巷道支护研究一直没能改变传统的从支护形式入手的思路。软岩巷道支护研究应从工程地质分析和软岩的概念及其分类入手，弄清其变形力学机制及非线性变形规律，抓住支护关键技术，实施有效的转化及巷道设计优化，才能取得成功的支护效果。

二、软岩变形力学机制

（一）物化膨胀型变形力学机制

1．分子吸水膨胀机制

含有蒙脱石和伊／蒙混层矿物的泥质岩类的膨胀性颇为显著，这种膨胀性与蒙脱石的分子结构特征关系十分密切，亲水能力强，使体积大大膨胀。因此，也可将这种膨胀机制称为蒙脱石型膨胀机制。

2．胶体膨胀机制

在煤矿软岩中，有些软岩并不含蒙脱石、伊/蒙混层矿物和伊利石，也具有膨胀性。软岩一般是泥质岩类，基本上是粘粒的集合体。遇水时，在电分子引力作用下，粘粒周围结合水膜增厚，使体积增大。

3．微裂隙膨胀机制

软岩的微裂隙比较发育，在水等因素作用下，微裂隙膨胀，使体积增大。

（二）应力扩容型变形力学机制1．构造应力机制（以水平应力为主）2．重力机制（自重应力引起，以垂直应力为主）3．水力机制（静水压力和动水压力）4．工程偏应力机制应力张量可分解为球应力张量和偏应力张量。球应力张量不引起形变，偏应力张量引起巷道围岩的变形破坏。因此，工程开挖引起的偏应力局部集中是软岩巷道变形破坏的重要原因之一。

（三）结构变形型变形力学机制当不同巷道通过同一岩层时，顺层的巷道破坏甚为严重，穿层的巷道破坏比较轻微，其原因是变形受结构面的影响而呈现各向异性特征，当岩层中发育软弱夹层时尤其如此。根据岩层层理或节理的形态的不同，其变形力学机制又可分为：1．断层型；2．软弱夹层型；3．层理型；4．优势节理型；5．随机节理型。综上所述，可将软岩的变形力学机制归纳为3大类，13个亚类，如下图所示。

三、软岩变形力学机制的确定

1．I型：主要依据其特征矿物和微裂隙发育情况进行确定；

2．Ⅱ型：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；