软岩的工程地质特性研究

如前所述，软岩地区的工程实践，普遍遭遇到了岩性软弱强度低、开挖断面变形大、岩体遇水软化崩解等问题，给工程稳定性带来了极大挑战。为了使软岩地区的工程实践能够更为安全，实践中，首先要对软岩的工程地质特性进行辨识，特别是对软弱围岩的类别划分进行研究，并据此考虑施工中所应采用的开挖及支护型式以及其他控制围岩稳定的措施和方法。

从工程地质的角度，软岩具有跟一般硬岩明显不同的特性，传统的根据钻孔取芯所获得的信息进行岩体分类的方法虽然仍然可以使用，但，对软岩的分类，更为重要的是查明对其工程性质影响最为突出的因素，并据此按相应指标（如强度特性、泥质含量、结构面特点、塑性变形力学特点等）进行定性的分类。

已有的研究，按如强度特性、泥质含量、结构面特点、塑性变形力学特点等将软岩分为四大类 —— 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，其分类依据及具体指标见表2-1。

表2-1软岩分类及其支护对策

软岩名称 膨胀性软岩 （低强度软岩） 高应力软岩 节理化软岩 复合型软岩 泥质 含量 >25% ≤25% 低~中等 低~高 岩石单轴抗压强度?c/MPa <25 ≥25 少含 含 塑性变形特点 在工程力作用下，沿粘土矿物结构面产生滑移，遇水显著膨胀等 遇水发生少许膨胀，在高应力状态下，沿片架状粘土矿物发生滑移 支护对策技术 刚柔层技术 刚隙柔层技术 沿节理等结构面产生滑移、扩容等正交异性刚柔层技术 塑性变形 具有上述某种组合的复合型机理 特种技术 2.1.1 膨胀性软岩的分级

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，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%）。其矿物组合特征和饱和吸水率两个指标可分为三级，详见表2-2。

表2-2 膨胀性软岩分级

膨胀性软岩 弱膨胀性软岩 中膨胀性软岩 强膨胀性软岩 蒙脱石含量 % <10 10~30 >30 干燥饱和吸水率 ?0/% <10 10~50 >50 自由膨胀变形量 % >15 10~15 <10 2.1.2 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，详见表2-3。

表2-3 高应力软岩分级

高应力软岩 高应力软岩 超高应力软岩 极高应力软岩 应力水平（MPa） 25~50 50~75 >75 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（?c= 0.5~25MPa）而确定的。 2.1.3 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。详见表

2-4。

表2-4 节理化软岩的分级

节理化软岩 较破碎软岩 破碎软岩 极破碎软岩 节理组数 1~3 ?3 无序 单位面积节理数（Js），条/m2 8~15 15~30 >30 完整系数（kv） 0.55~0.35 0.35~0.15 ?0.15 2

表中 kv=（Vpm/Vpr），Vpm——节理岩体弹性波纵波速度，km/s；Vpr——完整岩块弹性波纵波速度，km/s

2.1.4 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－膨胀性复合型软岩，简称HJS型软岩。

2.1.5 软岩工程分类及分级总表 软岩的工程分类和分级见表2-5。

表2-5 软岩工程分类与分级总表

分类指标 软岩分类 抗压强度MPa 泥质结构面 含量 软岩分级 分 级 指 标 膨胀性软岩 <25 >25% 少 弱膨胀软岩 中膨胀软岩 强膨胀软岩 高应力软岩 >25 <25% 少 准高应力软岩 高应力软岩 超高应力软岩 节理化软岩 低~中等 不含 多组 较破碎软岩 破碎软岩 极破碎软岩 复合型软岩 低~高 含 少~多组 ?0 （%） <10 10~50 >50 深度比（A） 0.8~1.2 1.2~2.0 >2.0 ?c （MPa） 15~25 5~15 <5 膨胀矿物组合 S。I。 I。K。 M。M/I。 完整指数 （kv） 0.55~0.35 0.35~0.15 <0.15 节理组数 节理间距 （条/m2） （m） 1~3 ?3 无序?3 0.2~0.4 0.1~0.2 <0.1 根据具体条件进行分类和分级 注1：?0—干燥饱和吸水率；?c—单轴抗压强度，MPa；

注2：S—绿泥石；I—伊利石；K—高岭石；M—蒙脱石；M/I—伊/蒙混层物。

2.2 软岩的物理力学特性研究

软岩之所以能产生显著塑性变形的原因，是因为软岩中的泥质成分（粘土矿物）和结构面成为了决定软岩工程力学特性的主要因素。一般说来，软岩具有可塑性、膨胀性、崩解性，流变性和易扰动性。而正是这些特殊的性质，导致软岩地区修建地下工程时面临如前所述诸多工程、地质问题。

2.2.1可塑性

可塑性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。低应力软岩、高应力软岩和节理化软岩的可塑性机理不同，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，而节理化软岩是由所含的结构面扩展、扩容引起的，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。

低应力软岩一般是泥岩、泥页岩类，当和水充分作用时，可变成液态而流动。另一方面，水量逐渐减少，软岩变硬但刚开始开裂。评价低应力软岩的可塑性程度，一般用塑性指数这个术语。塑性指数是液限和塑限的含水量之差（IP=WL?WP），表示了塑性的含水量范围。节理化软岩的可塑性变形是由于软岩中的缺陷和结构面扩容引起的，与粘土矿物成分吸水软化的机制没有关系。高应力软岩的可塑性变形机制比较复杂，前述两种机制可同时存在。

2.2.2 膨胀性

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。根据产生膨胀的机理，膨胀性可分为内部膨胀性、外部膨胀性和应力扩容膨胀性三种。内部膨胀是指水分子进入晶胞层间而发生的膨胀。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。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。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，诸种机制同时存在且均起重要作用。

2.2.3 易崩解性

低应力软岩和高应力软岩、节理化软岩的崩解机理是不同的。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；高应力软岩和节理化软岩的崩解性则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引起的向临空面崩裂的现象。高应力软岩也存在着遇水崩解的现象，但不是控制性因素。

时梦熊等（1985）根据软岩崩解特征，将低应力软岩归结为四种崩解类型，如表2-6所示。