软岩大变形.docx

软岩大变形.docx

《软岩大变形.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《软岩大变形.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

软岩大变形

软岩大变形

软岩大变形

软岩大变形问题从20世纪60年代就作为世界性难题被提了出来，在地下工程的建设过程中，软岩问题一直是困扰工程建设和运营的重大难题之一。

特别是“九五”期间，我国10个能源建设基地有8个都相继出现了软岩问题，造成多对矿井的停产建设。

每年有大量的隧洞在软弱围岩中开挖，随着开挖深度的增加，软岩问题愈趋严重，直接影响着工程安全以及人身安全。

随着人类工程活动的不断增强，

软岩隧洞系指塑性大变形工程岩体有关的岩体工程，而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。

工程软岩的定义不仅重视软岩的强度特征，而且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。

1.软岩大变形破坏特征

软岩隧洞的大变形破坏特征不仅受围岩的力学性质影响，而且受隧洞所处的地应力环境和工程因素控制。

我国许多煤矿在采深不大的情况下，坑道的变形破坏并不强烈，常规支护即可维护隧洞稳定。

加大采深后，这些煤矿坑道额稳定性降低，变形破坏趋于强烈，常规支护难以维护坑道稳定，因此，软岩隧洞的变形破坏特征受多种因素控制。

一般来说，软岩隧洞的破坏具有以下特征：

（1）变形破坏方式多

除一般隧洞中常见的变形破坏方式拱顶下沉、坍塌外，还有片帮和底鼓、底围隆破，隧洞表现出强烈的整体收敛和破坏。

变形破坏表现的形式既有结构面控制，又有应力控制型，尤以应力控制型为主。

（2）变形量大

拱顶下沉大于10cm，有的高达50cm，两帮挤入在20~80cm之间，底鼓非常强烈，在常规无仰拱支护的情况下，强烈的底鼓往往将整个隧洞封闭。

（3）变形速度高

软岩隧洞初期收敛速度可以达到3cm/d，即使施作了常规锚喷支护以后，软岩隧洞的收敛速度依然很高，可达2cm/d，而且其变形收敛速度降低缓慢，因此，在不长的时间内其变形收敛就很大，多则一年，少则几个月就将隧洞封闭。

（4）持续时间长

由于软岩具有强烈的流变性和低强度，因此，软岩隧洞开挖以后，围岩的应力重分布持续时间很长，软岩隧洞变形破坏持续很长时间，往往长达1~2年。

（5）因位置而异

图1软岩隧洞研究总体思路

3.软岩分类与分级及软岩软化程度分类

（一）软岩分类与分级

进入软岩状态的隧洞，其软岩种类是不同的，其强度特性、泥质含量、结构面特点及其塑性变形特点差异很大。

根据上述特征的差异及产生大变形的机理，软岩可分为4大类，即膨胀型软岩（也称低强度软岩）、高应力型软岩、节理化型软岩和复合型软岩，见表1。

膨胀型软岩（SwellingSoftRock，简称S型），是指含有粘土高膨胀性矿物、在较低应力水平（<25MPa）条件下即发生显著大变形的低强度工程岩体。

产生大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（自由膨胀变形为10％~15％）和弱膨胀性软岩（自由膨胀变形<10％）。

根据其矿物组合特征和饱和吸水率两个指标可以分为3级。

表1软岩分类

软岩分类

泥质含量

Rc/MPa

大变形特点

膨胀型软岩

（称低强度软岩）

>25％

<25

在工程力的作用下，沿片架状硅酸盐粘土矿物产生滑移，遇水显著膨胀等

高应力型软岩

≤25％

≥25

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

节理化型软岩

低~中等

少含

沿节理面等结构面产生滑移，扩容等塑性变形

复合型软岩

低~高

含

具有上述某种组合的复合型机理

注：

Rc为岩体单轴抗压强度。

高应力软岩（HighStressedSoftRock，简称H型），是指在较高应力水平（>25MPa）条件下才发生显著大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。

他们的工程特点是，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征了。

其大变形的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。

表2高应力软岩分级

高应力软岩

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

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。

高应力软岩根据应力水平分为三级，见表2。

节理化软岩（JointedSoftRock，简称J型），是指含泥质成分很少（或几乎不含）的岩体。

这种软岩发育了多组节理，其中岩块的强度颇高，呈硬岩力学特征，但整个工程岩体在隧洞工程力的作用下则发生显著的大变形，呈现出软岩的特征，其大变形的机理是在工程力的作用下，结构面发生滑移和扩容变形。

例如，我国许多煤层坑道，煤块强度很高，节理发育良好，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的不同，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3级，见表3。

复合型软岩是指上述3种软岩类型的组合，即高应力-膨胀性复合型软岩，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。

表3节理化软岩的分级

节理化软岩

节理组数

单位面积节理数Js/（条/m2）

完整系数kv

较破碎软岩

1~3

8~15

0.55~0.35

破碎软岩

≥3

15~30

0.35~0.15

极破碎软岩

无序≥3

>30

<0.15

（二）软岩软化程度分类

衡量软岩软化的程度是判别支护难易程度的关键。

根据近期研究成果，利用软化指数的概念可以科学合理地进行软岩软化程度分类。

软化指数（fs）定义为软岩的临界荷载（）与工程中的最大应力（）的比值，即：

（1）

软化程度分类见表4。

表4软化程度分类

软岩类型

工程力学状态

隧洞支护建议

非软岩

≥1

弹性

顶帮局部锚喷

软岩

准软岩

1~0.8

局部弹性

顶帮两角锚喷

一般软岩

0.8~0.5

全断面弹性

全断面锚网喷

超软岩

0.5~0.3

扩容、膨胀为主的塑性

全断面锚网喷＋关键点锚杆

极软岩

<0.3

扩容、膨胀和高应力挤出为主的塑性

全断面锚网喷＋关键点锚杆

4.软岩的力学特征

（一）基本力学特征

软岩有两个基本力学特征：

软化临界荷载和软化临界深度。

他们揭示了软岩的相对性本质。

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。

着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。

当岩石种类一定时，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。

与软化临界荷载相对应，存在着软化临界深度。

对特定地质条件，软化临界深度也是一个客观量。

当隧洞位置大于某一开挖深度时，围岩产生明显的塑性大变形、大地压和难支护现象；但当隧洞位置较浅，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。

软化临界深度的地应力水平大致相当于软化临界荷载。

软化临界荷载和软化临界深度可以相互推求，只要确定了一个，即可求出另一个，确定的方法有：

①蠕变实验法；②经验公式法；③现场观测法。

（二）工程力学特征

软岩之所以能产生显著大变形的原因，是因为特征。

一般来说，软岩中的泥质成分（粘土矿物）和结构面控制了软岩的工程力学软岩具有可塑性、膨胀性、崩解性、分散性、流变性、触变性和离子交换性。

（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。

节理化软岩的可塑性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。

（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，成为软岩的膨胀性。

根据产生膨胀的机理，膨胀性可以分为内部膨胀性、外部膨胀性和应力扩容膨胀性三种。

内部膨胀性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，故亦称为应力扩容膨胀性。

如果说内部膨胀性是指层间膨胀、外部膨胀是指颗粒间膨胀的话，扩容膨胀则是集合体间隙或更大的微裂隙的受力扩容，前两者的间隙是原生的，后者主要是次生的；前两者的膨胀机理是一种与水作用的物理化学机制，而后者则属于力学机制，即应力扩容机制。

实际工程中，软岩的膨胀是综合机制。

但对于低应力软岩来说，以内部膨胀和外部膨胀机制为主；对节理化软岩来说，则以扩容机制为主；对高应力软岩来说，可能诸种机制同时存在且均起重要作用。

（3）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。

低应力应力软岩的崩解性是软岩中的粘性矿物集合体在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隧洞工程力的作用下，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，但不是控制因素。

（4）流变性

软岩是一种流变材料，具有流变特性的材料的力学性状和行为是流变学的研究范畴。

流变性又称粘性，是指物体受力变形过程与时间有关的变形性质。

软岩的流变性包括弹性后效、流动、结构面的闭合和滑移变形，流动又可分为粘性流动和塑性流动。

弹性后效是一种延迟发生的弹性变形和弹性恢复，外力卸除后最终不留下永久变形；流动是一种随时间延续而发生的塑性变形（永久变形），其中粘性流动是指在微笑外力作用下发生的塑性变形（永久变形），塑性流动是指外力达到极限值后才开始发生的塑性变形；闭合和滑移是岩体中结构面的压缩变形和结构面间的错动，也属塑性变形。

软岩的流变性主要体现在软岩的蠕变性、松弛性和流动极限的衰减性质。

蠕变性是指在恒定荷载作用下发生的流变性质，用蠕变方程和蠕变曲线来表示。

在较高的应力水平下，蠕变曲线一般可分为三个阶段：

①衰减阶段，应变速率由大逐渐减小，蠕变曲线上凸；②等速蠕变，应变速率近似为常数或为0，蠕变曲线近似为直线；③加速蠕变，应变速率逐渐增加，蠕变曲线下凹。

并不是任何材料在任何应力水平上都存在蠕变三阶段。

同一材料，在不同应力水平上的蠕变阶段表现不同。

松弛性是指在恒定变形条件下，应力随时间延续而逐渐减小的性质，用松弛方程和松弛曲线表示。

松弛特性划分为3种类型：

①立即松弛；②完全松弛；③不完全松弛。

（5）软岩的易扰动性

软岩的易扰动性是指由于软岩软弱、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、施工震动、临近隧洞施工扰动极为敏感，而且具有吸湿膨胀软化、暴露风化的特点。

5.软岩变形力学机制及判别

（一）变形力学机制

软岩隧洞变形、破坏和失稳是多方面的，但其根本原因是其复