软岩的物理力学特性

3软岩的物理力学特性

3.1软岩的成分

软岩一般是由固体相、液体相、气体相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，称为“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。颗粒、水溶液和气体这3个基本组成部分不是彼此孤立地、机械地混在一起，而是经过了漫长的地质过程的建造和改造作用使其相互联系、相互作用，共同形成软岩的物质基础，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、矿物成分、化学成分3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。将溶液作为纯水研究时，基于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也有很大的影响。

3．1．1软岩粒组及粒度成分

软岩的粒度成分是指软岩中各种大小颗粒的相对含量。粒组是将粒径的大小分为若干组。粒组划分的原则是，首先考虑在一定的粒径变化范围内，其工程地质性质是相似的，若超过了这个变化幅度就要引起质的变化。而粒组界限的确定，则视其主导作用的特性而定。其次要考虑与目前粒度成分的测定技术相适应。

目前我国广泛应用的粒组划分是：

(1)卵石组(d>2mm)。多为岩石碎块。这种粒组形成的软岩，孔隙粗大，透水性极强，毛细水上升高度极小，无论在潮湿或干燥状态下，均没有连结，可塑性、膨胀性、压缩性均极小，强度较高。

(2)砂粒组(d=2～0．05mm)。主要为原生矿物，大多是石英、长石、云母等。这种粒组软岩孔隙较大，透水性强，毛细水上升高度很小，可塑性和膨胀性较小，压缩性极弱，强度较高。

(3)粉粒组(d=0．05—0。005mm)。是原生矿物与次生矿物的混合体，它的性质介于砂粒与黏粒之间。由该粒组形成的软岩，因孔隙小而透水性弱，毛细水可上升到一定高度，有一定的压缩性，强度较低。

(4)黏粒组(d<0．005mm)。主要由次生矿物组成。由该粒组形成的软岩，其孔隙很小，透水性极弱，毛细水上升高度较高，有可塑性、膨胀性，强度较低。

3．1．2软岩中矿物成分的类型

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(KAlSi308)和钙长石(CaM208)，它们不太稳定，受风化作用易形成次生矿物。常见的云母类矿物有白云母[KAl2(AlSi3 010)(OH，F)2]和黑云母[K(Mg，Fe，Mn)3 AlSi3 O10

(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，A1)(si，A1)206]和普通角闪石[ca2Na(Mg，Fe)4(Al，Fe3+)(Si，X1)4011(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，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”。

可溶性次生矿物的形成主要是由于各种矿物中含有化学性质活泼的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，则呈离子状态存在于软岩的孔隙溶液中，这种溶液与黏粒相互作用，影响着软岩的工程地质性质。不可溶性的次生矿物有次生二氧化硅、氧化物、黏土矿物。

次生二氧化硅是由原生矿物硅酸盐经化学风化后，原有的矿物结构被破坏，游离出结晶格架的细小碎片，由Si02组成，氧化物多由Fe3+、A13+和02。、OH一、H20等组成的矿物，如磁铁矿等。

黏土矿物是原生矿物长石及云母等硅酸盐类矿物经化学风化而成，主要有高岭石、水云母(伊利石)、蒙脱石等。黏土矿物是软岩的重要组成部分。

3．1．3矿物成分与粒相的关系

软岩是岩石经受复杂的地质作用(风化作用、搬运作用、沉积作用)和自然因素影响而形成的。一定的地质因素必然形成一定类型的软岩，使它具有某种粒度成分和矿物成分。

卵石组一般由物理风化形成的岩石碎块组成。卵石组由于颗粒粗大，所以一般都保留着母岩的原有矿物成分、结构和构造。一般来说，母岩的强度影响卵石组软岩的工程地质性质。比如未风化的花岗岩强度较高，由它形成的颗粒组成的软岩，其强度也较高；反之，泥岩、页岩易风化、强度低，由它形成的软岩强度也就较低。

砂粒组的矿物成分主要是原生矿物，在较细粒中也有次生矿物。砂粒中常见的矿物有石英、长石、云母及其他黑色矿物等主要造岩矿物。砂粒的矿物成分对其形成的软岩工程地质性质有一定的影响。上述几种矿物力学强度的次序是石英>长石、云母>方解石、白云石。石英硬度大，抗风化能力强。长石、云母都经受了不同程度的化学风化作用，且硬度小于石英；而云母本身有韧性，较柔软，所以强度低。方解石、白云石硬度更低，还有溶蚀性，所以强度更低。由上述矿物各自组成的软岩，应该反映矿物本身的强度特征。

粉粒组往往由抗风化能力较强的矿物组成，如石英等。长石、云母及其他黑色矿物抵抗风化能力弱，尤其是当它们粒径很小时更易变成次生矿物，所以在粉粒中较少见，而次生矿物如高岭石反而易见。

黏粒组的矿物成分几乎都是由次生矿物与腐殖质组成的。而次生矿物中以不可溶性的次生二氧化硅、黏土矿物和氧化物为主，但也有可溶性的次生矿物。

黏土矿物是组成黏粒的主要矿物成分，由于其结晶格架构造不同，对形成软岩工程地质性质的影响也不相同。

黏粒组中的可溶性次生矿物以碳酸盐类为主。由于遇水后易溶解，从而使软岩的孔隙