[科普中国]-软弱岩层

软弱岩层指强度和弹模特别低的基岩，有的岩性尚坚硬，但由于风化影响或裂隙节理密集而成为软弱岩层，有的则由于岩性本身软弱而成。

软弱岩层中的矿物成分主要是高岭石、伊利石、蒙脱石等黏土矿物，他们都属于层状或层一链状硅酸盐，有两种结构单元类型作为矿物结晶结构的基础：一种是硅氧四面体，另一种是硅氧八面体。随着X一射线衍射分析、热分析等方法的不断发展和完善，人们已经可以较准确地确定软弱岩层矿物成分的类型和含量。

概念软弱岩层指强度和弹模特别低的基岩，有的岩性尚坚硬，但由于风化影响或裂隙节理密集而成为软弱岩层，有的则由于岩性本身软弱而成。通常，我们在选择坝址时应尽量选择岩性坚硬的地方，但是随着优良坝址的不断开发，有时我们不得不在地基条件不利的地方建坝。1

内容软弱岩层的变形特征与强度特征取决于其本身的物理力学性质及应力状态。随着煤矿开采的发展和开采深度的增加，我国许多矿区诸如舒兰、沈北、龙口、平庄、淮南、徐州、开滦及兖州等，都出现了大量软岩问题，软岩巷道的维护也逐渐成为一个重大课题。

底鼓作为软岩巷道变形和破坏的主要方式之一，在很大程度上取决于软岩的性质。对于软弱岩层，其性质对底鼓的影响尤为突出。处在这类岩层中的巷道，底鼓不仅与岩层的物理力学性质有关，而且支架与围岩应力两者的相互作用也决不能忽略不计。至于高地应力岩层，巷道底鼓主要是一个力学过程，应着重分析软弱岩层的物理力学性质及其关系，为底鼓机理的研究及选择合理的防治措施奠定基础。

软弱岩层的物理性质包括软弱岩层的重力密度、相对密度、孔隙率、矿物成分、微结构特征、结构连接及水理性质等。

软弱岩层的矿物成分是决定其力学特性的一个根本因素，研究软弱岩层的物理性质必须从这方面开始。软弱岩层中的矿物成分主要是高岭石、伊利石、蒙脱石等黏土矿物，他们都属于层状或层一链状硅酸盐，有两种结构单元类型作为矿物结晶结构的基础：一种是硅氧四面体，另一种是硅氧八面体。随着X一射线衍射分析、热分析等方法的不断发展和完善，人们已经可以较准确地确定软弱岩层矿物成分的类型和含量。2

软弱岩层的存在对大坝安全的影响主要有以下几方面：①由于岩层抗剪强度低，可能产生深层整体失稳；②由于岩层抗压强度低，可能产生地基的破坏，引起坝体失事；③软硬岩层相间时，会产生不均匀沉陷和相应的应力集中，招致坝体断裂或地基破坏；④坝趾处基岩软弱时，会产生不利的坝趾拉应力，使坝体倾复或滑移；5)有些软弱岩层的渗透性很强，会产生大量渗漏和管涌破坏，有些软弱岩层本身甚至会崩解，所以应采取适当的处理。

如果软弱岩层仅分布在地表，则可采取挖除的办法。如果软弱岩层呈条带状分布，则可像处理断层破碎带那样进行局部挖深回填以混凝土。如果软弱岩层的抗水性很差，则应设法将其封闭。如果软弱岩层的范围很大很深，就须全面研究采取综合的处理措施。总之，要求处理后的地基上的反力分布尽可能均匀，最大值在容许范围内，且应具有足够的整体抗滑安全度，而且尽量使局部安全度(点安全系数)均匀，最小值在容许范围内。1

微结构特征软弱岩层的微结构包括矿物颗粒及其集聚体的形状、大小，裂隙、孔隙的分布，以及定向程度等。它同矿物成分一样，是影响软弱岩层力学性质的重要因素。为全面了解软弱岩层的结构形状，可借助光学显微镜、扫描电镜及透射电镜等测试手段观察软弱岩层的微结构特征。

软弱岩层的力学性质并不取决于矿物晶体的强度，而是在于它们之间的结构力，因为原始颗粒强度很高，使之发生破坏非常困难。只有矿物颗粒或微集聚体间的相互作用，即结构连接，才是决定软弱岩层强度和变形的本质因素。

根据分散体系物理、化学、力学的研究成果可知，对黏土类岩石结构连接有重要影响的有磁力、库仑力、分子力、离子一静电力、化学力和毛细管力。

①磁力是由于黏土类岩石中的赤铁矿等在颗粒表面形成薄膜产生的，这种力不大；②库仑力是由颗粒表面所带静电电荷产生的，同号相斥，异号相吸；③分子力在黏土类岩石中起着很大的作用，其特点是有远距作用。它受三种类型的相互作用所制约：极性分子之间的定向作用，双电极分子电场中非极性分子极化产生的感应作用，在分子和电子相互作用下所产生的分散作用；④离子一静电力。巷道底板岩层经常是含水的，矿物颗粒与交换阳离子相互作用即可获得电荷。如果另一个颗粒接近此带电颗粒，则阳离子同时与两个颗粒相互作用，两颗粒之间就会形成离子一静电力；⑤化学力。在胶结的黏土类岩石中，由化学价键形成的化学结构连接占优势地位。化学连接是由原子的外围电子进行的，在黏土类岩石中发育着共价的和离子的化学连接。化学力是近距作用力，这种结构连接具有很高的能量，接触强度与颗粒晶体结构的强度相似；⑥毛细管力。在三相体系的黏土类岩石中应该考虑毛细管弯液面的存在。弯液面可牵引颗粒，提高它们的连接强度。

以分子长距离的相互作用形成凝聚接触，以离子一静电力为基础的接触形成过渡接触，靠化学键和离子一静电力的相互作用形成同相接触。凝聚接触强度最低，同相接触强度最高，过渡接触强度居中。2

水理性质由于软弱岩层的矿物成分及微结构特征，造成了它与水的特殊关系。再则，软弱岩层内节理裂隙发育，所以水很容易进入软弱岩层内部，引起软化、崩解及膨胀等现象，结果导致软弱岩层强度急剧降低。可见，以黏土矿物为主要成分的软弱岩层巷道底鼓与底板是否含水密切相关。而目前我国煤矿中软弱岩层底板含水是比较普遍的现象，故研究水对软弱岩层性质的影响是非常重要的。

软弱岩层遇水后通常有两种破坏方式：一是软化、碎裂、崩解，但体积基本不增加。二是体积发生膨胀，最终导致软化、松散。这里从微观与宏观两方面出发，探讨水与软弱岩层的作用机理及其影响因素。基于水理性质实验，建立软弱岩层膨胀参数与含水率及干质量密度等参数的关系。2

⑴软弱岩层遇水软化、崩解

遇水软化、崩解的软弱岩层其矿物成分以高岭石、伊利石为主。由于这两种黏土矿物受水作用后体积增加很小，所以只能导致软弱岩层节理裂隙中充水，削弱软弱岩层颗粒之间的连接力，致使颗粒间发生破坏，产生软化、崩解。另外，此类软弱岩层遇水再干燥以后，强度比原试件低。这是由于经过反复干湿以后，软弱岩层内部会出现小裂纹的缘故。

⑵软弱岩层遇水膨胀

遇水膨胀的软弱岩层其特点是含有较多的蒙脱石矿物。另外软弱岩层遇水膨胀与其微结构也有关系。

①软弱岩层的膨胀机理

关于软弱岩层遇水膨胀的机理有多种理论，众说不一，不过最普遍的有两种：晶格扩张理论，双电层理论。

已有的研究成果表明，黏土矿物中结合水膜的厚度，特别是弱结合水膜的厚度主要取决于双电层中扩散层厚度。总之，软弱岩层的矿物成分和微结构是其膨胀的内在原因。一般情况下膨胀岩具有以下特点：

a．黏土矿物成分主要由蒙脱石组成。

b．含有大量细小黏土颗粒。

c．微结构的基本要素是以片状颗粒相互叠聚形成的集聚体。

d．具有发育的微孔隙一裂隙结构，为膨胀提供了吸水通道。

②影响软弱岩层膨胀的因素

除上述分析的软弱岩层矿物成分，微结构特征及阳离子交换量和类型是影响软弱岩层膨胀的重要因素外，还有其他因素与软弱岩层的膨胀性有关。

a．初始含水率：实验结果表明，当有充分水源时，软弱岩层的初始含水率越小，其膨胀性越大。

b．干重力密度：软弱岩层的干重力密度越大，其膨胀性越强。

c．粘粒含量：软弱岩层的膨胀性随着粘粒含量的增加而加大。这主要是由于粘粒含量越多，软弱岩层的比表面积越大，从而矿物颗粒与水的接触面积越大，软弱岩层的亲水性越强。

d．含水率：软弱岩层含水是其膨胀的先决条件。对于同一种软弱岩层，其膨胀性随含水率的增大而增大。2

力学性质软弱岩层的力学性质是指其受力后表现出的各种强度及变形特征，诸如软弱岩层的抗压强度、抗拉强度及抗剪强度，软弱岩层的弹塑性、扩容性及流变性等。

⑴软弱岩层的变形与强度

①软弱岩层的单轴压缩

软弱岩层单轴压缩变形与强度特征，是由压密阶段过渡到弹性阶段的，最后由于裂纹数目及尺寸的增加使得软弱岩层发生破坏。

②软弱岩层的抗剪性

一般来说，随着结构在剪切面上定向程度的增大，软弱岩层的内摩擦角增大，而凝聚力降低，所以颗粒定向程度高的软弱岩层虽然结构均一，但其层理结构连接强度却很低。随着颗粒沿剪切应力方向重新定向，软弱岩层的抗剪强度会不断降低。此外，软弱岩层的抗剪强度与其结构连接有很大关系。对于结构疏松、孔隙率大的凝聚接触型软弱岩层，其抗剪强度很低，它仅有很小的弹性变形阶段，之后是塑性流动。对于过渡接触型软弱岩层，其弹性阶段较长，峰值强度与残余强度相差较小。而对于强度较高的同相接触型岩石，几乎到抗剪极限都是弹性变形，残余强度比峰值强度小得多。由于软弱岩层结构连接形式的不同，不仅软弱岩层的抗剪强度有显著差异，而且其变形过程也表现出不同的特性。

⑵软弱岩层的流变性

流变性是指材料应力应变关系与时间因素有关的性质。软弱岩层是一种非线性的弹塑粘性介质，它的永久变形不一定要载荷达到一定数值才发生，只要作用时间长，即使软弱岩层所受的载荷很小，它也会发生永久变形。流变有两种客观的表现形式，即蠕变和松弛。

为了反映岩石的流变特性，人们采用了各种元件组成的模型来描述应力应变与时间的关系。这些反映岩石流变的模型主要有三个基本元件，即弹簧、阻尼筒及摩擦片。通过三种元件的不同组合，可构成一系列线性和非线性模型，用以描述岩石的流变特性。

⑶软弱岩层的长期强度

流变性导致了软弱岩层强度随着时间的加长而降低，因此在研究软弱岩层巷道变形和破坏时必须考虑时间因素。

在恒定载荷长期作用下，软弱岩层会在比瞬时作用载荷小得多的情况下破坏。实验表明，黏土质页岩的长期强度仅为瞬时强度的一半。

当采用库仑准则作为软弱岩层的屈服条件时，如果不考虑时间因素，则软弱岩层的强度包络线是不变的。但对长期受载的软弱岩层而言，不同的时间将有不同的强度包络线。软弱岩层长期强度包络线是其中最低的一条。软弱岩层抗剪强度、凝聚力及内摩擦角随着时间的加长而降低。2

本词条内容贡献者为:

林国庆 - 副教授 - 中国海洋大学