软岩在世界上分布非常广泛。泥岩与页岩占地球表面所有岩石的50%左右。它与工程建设息息相关。如丹江口、葛洲坝、铜街子、小浪底、桓仁、上犹江、朱庄等大型水利水电工程的坝基都存在软岩类的软弱夹层,而且在这些软岩中几乎都进行了不同类型的工程灌浆。从其力学性质分析,软岩是具有变形大、强度低、赋存环境效应和时间效应强烈的岩体。对其岩体分类时需要考虑岩体的强度、变形特性、透水性、稳定性。从软岩的单轴干抗压强度来看,可将其分为较软岩,抗压强度为15~30MPa;软岩,抗压强度为5~15MPa;极软岩,抗压强度小于5MPa。
1.软岩的成因分类
从成因方面考虑,可将软岩分为原生类型和次生类型,后者还可划分为风化软岩与断裂破碎软岩。
(1)原生软岩。主要指沉积层。它是由松散堆积物在温度不高和压力不大的条件下形成的,是地壳表面分布最广的一种层状岩石,粘土基质含量高,胶结程度差,吸水时往往具有膨胀性与易溶性,其工程性质与胶结物成分及含量密切相关,如粘土岩、泥质砂砾岩、页岩、泥灰岩、疏松砂岩、云母片岩、岩盐、石膏等。
(2)风化软岩。岩石的风化程度随深度增加而减弱。完整的风化剖面,其风化程度可划分为5带:未风化带、微风化带、中等弱风化带、强风化带及全风化带。对硬质岩石风化成的软岩,主要是全风化带与强风化带及少数中等风化带,如表17-1所示,对于软岩的风化程度分类,可参见表17-2。
表17-2 按风化程度分类的软岩
注 1.波速比(Kv)为风化岩石与鲜岩石压缩波速度之比。
2.风化程度系数(KR)为风化岩石与新鲜岩石饱和单轴抗压强度之比。
(3)断裂破碎软岩。这是由构造应力作用形成的软岩,主要包括断裂带中的软弱糜棱岩、火成岩侵入过程中的接触变质破碎软岩、层间错动的软弱层,见表17-3。
表17-3 断层破碎软岩分类
从表17-1所列的点荷载抗拉强度风化降低率来计算,如花岗岩的抗拉强度5MPa时,全风化的花岗岩,其抗拉强度可降低到0.75MPa。
从表17-2所列的按风化程度分类的软岩地基承载力,中等风化、强风化和全风化的软岩,它们的承载力,几乎都低于1MPa,其抗拉强度当然都低于1MPa。
从表17-3所列的断层破碎软岩分类的力学指标和变形指标中可以看出,它们的指标大都与各类泥化夹层的指标相近,实属浆力易劈裂软岩。
2.泥化夹层的母岩分类
从泥化夹层的形成条件及地质作用特征考虑,可将其分为以下5种。
(1)沉积岩中的软岩层。河湖相碎屑岩、潮汐相碎屑岩、海相碳酸盐岩夹碎屑岩等不同的岩相建造所形成的软岩层。
(2)火山喷发的玄武岩(安山岩)沉积间歇期沉积的软岩以及陆相火山碎屑岩沉积的凝灰岩软岩。
(3)变质的碎屑沉积的软岩和岩脉侵入围岩接触变质的软岩。
(4)各类岩体的风化溶蚀作用形成的夹层状风化或脉岩蚀变风化软岩。
(5)由于地下水的携带、搬运作用,使细颗粒物质在断裂带、裂隙、溶蚀中沉积充填的软岩。
上述5种软岩,特别是前3种软岩,在区域构造应力作用下(水平挤压或扭动构造应力),岩层发生褶皱变形,在向斜的两翼单斜构造区,软硬相间的层状岩层处于力偶扭动的应力场中,层间发生剪切错动;或在主干断裂派生的局部构造应力场作用产生的低序次平缓断裂和裂隙,形成了以泥为主的全泥型夹层,含泥的碎屑夹层以及碎屑夹层等。
3.软岩(泥化夹层)的抗拉强度
软岩(泥化夹层)都固有自己的临界抗拉强度。以前由于工程建设中很少对各类岩石提出了解抗拉强度的要求,所以对各类岩石的抗拉强度研究并不像对各类岩石的抗压强度研究得那么多。因此当研究各类软岩(泥化夹层)的抗拉强度时,就显得可供讨论的材料特别少。因此著者把从国内外收集来的各类岩体的浆力劈裂压力(由于劈裂压力对劈裂岩体来说酷似一对拉应力)拿来权作抗拉力来进行分析(17-4)。(www.xing528.com)
表17-4 软弱结构面的抗拉强度(劈裂力)表
从表17-4所列资料可以看出,表列的9种含软弱结构面的软岩,其软弱结构面的抗劈裂强度,最小值都在0.7MPa以下。如若消除围压的影响,这些软弱结构面的抗拉强度有可能都比0.7MPa还小。
(1)软岩(泥化夹层)的抗拉强度。由于软岩极易风化卸荷,因此岩块的抗拉强度是指特定试样和测试条件下的特征值。不同时代、不同类型与不同方向测得的软岩抗拉强度有很大差异。从表17-5 所列的四川泥岩的抗拉强可以看出,同一侏罗系地层的不同岩组,其强度是不一样的。
表17-5 不同岩组泥岩抗拉强度
不同类型与不同方向测得的抗拉强度也有较大的区别(表17-6)。从表中可以看出金沙江构皮滩灰绿色粘土岩平行层面的抗拉强度σt =0.49MPa,是平行层面单轴饱和抗压强度的1/37;垂直层面单轴饱和抗压强度的1/27,垂直层面的抗拉强度只有平行层面抗拉强度的57%。
表17-6 不同类型软岩的抗拉强度
(2)围压对软岩抗拉强度的影响。在围压作用下的软岩,其抗拉强度要比单轴抗拉强度高。从前述可知,粘土岩的抗拉强度是它的抗压强度的1/27~1/37。如果围压增高了,当然其抗拉强度也会增高(表17-7)。
表17-7 隧洞围岩的强度及软化特征
在现场三轴试验时,用库伦-莫尔理论方程求得软岩的抗压强度:
式中 σ1——最大主应力;
σ3——最小主应力;
F——σ1 与σ3 关系直线斜率;
R——σ1与σ3关系直线在σ1轴上的截距,即岩体单轴抗压强度。
构皮滩紫红色粘土岩和灰绿色粘土岩的三轴压缩强度均随侧压(σ3 ≤5MPa)增大而提高,可用下述直线方程描述:
紫红色粘土岩:σ1=6.96σ3+14.78(MPa);
灰绿色粘土岩:σ1=4.05σ3+6.94(MPa)。
盘石水库坝基紫红色页岩三轴压缩强度与围压之间的关系如下:
σ1=8.79σ3+37.20(MPa)(0 ≤σ3 ≤7)。
从上述分析可知,围压对软岩的抗拉强度有增强影响,一般可以提高抗拉强度1倍左右甚至还要高些。
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