软岩的力学特性及工程危害.

隧道软岩大变形的力学机制及其防治措施学院：环境与土木工程学院任课老师：邓辉姓名：邹杰学号：2012050126班级：地质三班隧道软岩大变形的力学机制及其防治措施摘要：深埋长大隧道在克服高山峡谷等地形障碍、缩短空间距离及改善陆路交通工程运行质量等方面具有不可替代的作用。

随着我国基础建设事业的高速发展和西部大开发的进一步推进，大量深埋长大山岭隧道工程纷纷上马，特别是用于公路交通的长大山岭公路隧道得到了前所未有的发展，遇到的地质条件也越来越复杂。

当隧道穿越高地应力区及软弱围岩区，常引发隧道软岩大变形等地质灾害。

深埋长大隧道投资巨大、建设周期长，一般都是整个建设项目的关键性控制工期工程，因此，研究深埋长大山岭隧道软岩大变形机理，对其进行灾害预测和治理研究有着非常重要的意义。

本文首先对软岩的类型力学性质进行了划分，找到软岩的特点。

对隧道软岩进行了分析，为隧道软岩大变形的工程危害及处理措施提供了理论基础。

介绍了区域工程地质条件，主要包括区域地质，地形地貌，地层岩性，地质构造，水文地质条件及岩体物理力学性质等。

总结了隧道围岩大变形特征，在综合考虑围岩岩性、地质情况、应力特性、变形速率与累计变形量、施工与设计理念及施工扰动等多种因素的基础上，从工程性质方面着手，将云岭隧道围岩大变形定义为：在两郧(郧西-郧县)断裂影响下，隧道正常施工开挖后，围岩变形速率或累计变形量超过警戒值，且没有缓和趋势，超过预留变形量造成侵限，或者围岩产生具有累进性和明显时间效应的塑性变形且变形得不到有效约束的现象。

关键字：隧道软岩变形工程危害一、软岩的概念软岩是软弱不良岩层的简称。

我国煤炭系统于1984年召开过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。

后认为该定义还应补充软岩的流变性及高地应力情况，综合这一定义又进行了一条列的软岩分类研究工作，例如早期提出的按单一指标分类的有：①单向抗压强度小于20入且〕a的岩层称为软岩。

②抗压强度与上覆岩层荷重(rh)之比小于或等于2的岩层为软岩；③松动圈厚度大于或等于1.sm的围岩称为软岩周等等。

但是此定义欠明确。

突出表现以下两方面：①在软弱的岩石(岩块)、岩体(小范围)、岩层和围岩中到底定义哪一个?②是依据岩层(或其它)的基本特性来定义还是依据围岩的变形和破坏情况来定义，或是依据支护的难易程度来定义?本文认为一个软岩概念难以包括以上所有内容，从较为科学的角度出发，应该用两个概念分别定义:（1）沿用岩体工程分类的思想和方法，只依据岩层的物理、力学和化学等性质来定义软岩。

不再涉及地应力、围岩变形和支护难易程度，其定义可为:“软岩是松软、破碎、风化、软弱等不良岩层的总称。

”（2）从围岩的变形和破坏或支护难易程度定义一个新概念--大变形围岩。

其实质是考虑支护与围岩组成的力学系统的稳定性。

一个力学系统的稳定性取决于四因素，即荷载、受力材料的物理力学特性，几何形状和材料的强度。

在地下工程中就是考虑地应力、岩层各方面的性质、地质影响因素和地下空间的几何形状。

当围岩应力大于其强度时，支护与围岩系统就不稳定。

大变形围岩可定义为:“大变形围岩是指地下空间开挖后会产生如流变，膨胀等显著时效变形且用常规支护困难的围岩。

”二、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）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）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。

三、软岩的分类软岩可分为四大类：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。

（见表1）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，见表2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,见表3确定的。

即能够使c>25MPa的岩石进入塑性状态的应力水平称为高应力水平。

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。

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见表4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。

软岩的物理力学特性软岩的物理力学特性软岩的物理力学特性软岩的物理力学特性（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。

物有白云母(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)次生产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。