巖土工程穩(wěn)定與加固

巖土工程穩(wěn)定與加固第一頁，共五十六頁，2022年，8月28日1984年12月，我國原煤炭工業(yè)部礦山壓力情報中心站、《煤炭學報》編輯部、中國煤炭學會巖石力學專業(yè)委員會聯(lián)合發(fā)起煤礦礦山壓力名詞討論會，這次會議集中了國內(nèi)礦山巖石力學方面的專家、學者，在昆明會議上專門討論了松軟巖層的定義。第二頁，共五十六頁，2022年，8月28日但是，在近幾年的文獻中，關于軟巖的概念仍然名目繁多、定義各異，各有其優(yōu)缺點?？偫ㄆ饋?，大體上可分為描述性定義、指標化定義和工程定義3類。

1．描述性定義

（l）長春煤炭研究所陸家梁提出，松軟巖層系指松散、軟弱的巖層，它是相對于堅硬巖層而言的。松軟巖層由于成巖的時間短、結(jié)構(gòu)疏松、膠結(jié)程度差，故自身強度很低。

第三頁，共五十六頁，2022年，8月28日

（2）東北大學鄭雨天等認為，軟巖是軟弱、破碎、松散、膨脹、流變、強風化蝕變及高應力的巖體之總稱。

（3）安徽理工大學（原淮南礦業(yè)學院）朱效嘉教授提出，松軟、破碎、膨脹及風化等巖層稱為松軟巖層，簡稱軟巖。

第四頁，共五十六頁，2022年，8月28日（4）原東蒙煤炭公司曾小泉認為，松軟巖層系松散破碎、軟弱、強風化和膨脹性巖層的總稱。（5）1984年12月，在昆明市舉行的煤礦礦山壓力名詞討論會上提出的定義是，松軟巖層是指強度低、孔隙度大、膠結(jié)程度差、受構(gòu)造面切割及風化影響顯著或含有大量膨脹性粘土礦物的松、散、軟、弱巖層。第五頁，共五十六頁，2022年，8月28日

2．指標化定義

（1）ISRM（國際巖石力學學會）定義：軟巖是指單軸抗壓強度在0.5～25MPa的一類巖石。

（2）G.Russo定義：軟巖指單軸抗壓強度小于17MPa的巖石。

（3）抗壓強度小于20MPa的巖層稱為軟巖。

（4）σc/(γH)<2的巖層稱為軟巖（式中，σc為單軸抗壓強度；γ為巖石容重；H為深度）。第六頁，共五十六頁，2022年，8月28日

3．工程定義

（1）中國礦業(yè)大學董方庭提出，松動圈厚度大于1.5m的圍巖，稱為軟巖。

（2）中國礦業(yè)大學鹿守敏指出，圍巖松動圈大于1.5m，并且用常規(guī)支護不能適應的圍巖稱為軟巖。

（3）松軟巖層是指“難支護的圍巖”，或“多次支護，需要重復翻修的圍巖”。第七頁，共五十六頁，2022年，8月28日由此可見，國內(nèi)外對于軟巖的定義尚不能統(tǒng)一，這嚴重阻礙了軟巖的學術(shù)交流和研究的深入。為了便于理論研究和工程應用，中國礦業(yè)大學何滿朝將軟巖分為地質(zhì)軟巖和工程軟巖分別予以定義。

第八頁，共五十六頁，2022年，8月28日

二、地質(zhì)軟巖與工程軟巖的概念

1．地質(zhì)軟巖目前，人們普遍采用的軟巖定義基本上可歸于地質(zhì)軟巖的范疇，按地質(zhì)學的巖性劃分，地質(zhì)軟巖是指強度低、孔隙度大、膠結(jié)程度差、受構(gòu)造面切割及風化影響顯著或含有大量膨脹性粘土礦物的松、散、軟、弱巖層，該類巖石多為泥巖、頁巖、粉砂巖和泥質(zhì)礦巖，是天然形成的復雜的地質(zhì)介質(zhì)。第九頁，共五十六頁，2022年，8月28日

注意：國際巖石力學學會將軟巖定義為單軸抗壓強度σc＝0.5～25MPa之間的一類巖石，屬于地質(zhì)軟巖的范疇，其分類依據(jù)是巖石的強度指標。該定義用于工程實踐中會出現(xiàn)一些矛盾，如巷道所處深度淺，地應力水平足夠低，則單軸抗壓強度小于25MPa的巖石也不會產(chǎn)生軟巖的特征，采用一般支護技術(shù)即可奏效；相反，大于25MPa的巖石，如其工程部位所處的深度足夠深，地應力水平足夠高，也可以產(chǎn)生軟巖的大變形、大地壓和難支護的現(xiàn)象。因此，地質(zhì)軟巖的定義不能用于工程實踐，故提出了工程軟巖的概念。

第十頁，共五十六頁，2022年，8月28日

2．工程軟巖的概念

工程軟巖是指在工程力作用下能產(chǎn)生顯著塑性變形的工程巖體，即工程軟巖要滿足的條件是：

式中：σ為工程荷載（應力），MP；〔σ〕為工程巖體強度，MPa；U巷道變形，mm；〔U〕為巷道允許變形，mm。第十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日

（1）工程巖體：是軟巖工程研究的主要對象，是巷道開挖擾動影響范圍之內(nèi)的巖體，包含巖塊、結(jié)構(gòu)面及其空間組合特征。

（2）工程力：是指作用在工程巖體上的力的總和，它可以是重力、構(gòu)造殘余應力、水的作用力和工程擾動力以及膨脹應力等。

（3）顯著塑性變形：是指以塑性變形為主體的變形量超過了工程設計的允許變形值，并影響了工程的正常使用。顯著塑性變形包含顯著的彈塑性變形、粘彈塑性變形，連續(xù)性變形和非連續(xù)性變形等。第十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日

注意：工程軟巖的定義揭示了軟巖的相對性實質(zhì)，即取決于工程力與巖體強度的相互關系。當工程力一定時，不同巖體，強度高于工程力水平的大多表現(xiàn)為硬巖的力學特性，強度低于工程力水平的則可能表現(xiàn)為軟巖的力學特性；對同種巖石，在較低工程力的作用下，則表現(xiàn)為硬巖的小變形特性，在較高工程力的作用下則可能表現(xiàn)為軟巖的大變形特性。

第十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日

3．工程軟巖和地質(zhì)軟巖的關系（1）當工程荷載相對于地質(zhì)軟巖的強度足夠小時，地質(zhì)軟巖不產(chǎn)生軟巖顯著塑性變形，不作為工程軟巖，只有在工程力作用下發(fā)生了顯著變形的地質(zhì)軟巖，才作為工程軟巖；（2）在大深度、高應力作用下，部分地質(zhì)硬巖也呈現(xiàn)了顯著塑性變形特征，則應視其為工程軟巖。第十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日

三、軟化臨界荷載與軟化臨界深度

1．軟化臨界荷載

軟巖的蠕變試驗表明，當所施加的荷載小于某一荷載水平時，巖石處于穩(wěn)定變形狀態(tài)（穩(wěn)定蠕變類型），蠕變曲線趨于某一變形值，隨時間延伸而不再變化；當所施加的荷載大于某一荷載水平時，巖石呈現(xiàn)明顯的塑性變形加速現(xiàn)象，即產(chǎn)生不穩(wěn)定變形．這一荷載稱為軟巖的軟化臨界荷載，亦即能使巖石產(chǎn)生明顯變形的最小荷載。第十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日

注意：當巖石所受荷載水平低于軟化臨界荷載時，該巖石屬于硬巖范疇；當巖石所受的荷載水平高于該巖石的軟化臨界荷載時，則該巖石表現(xiàn)出軟巖的大變形特性，此時的巖石被視為軟巖。第十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日

2．軟化臨界深度

當巷道位置大于某一深度時，圍巖產(chǎn)生明顯的塑性大變形、大地壓和難支護現(xiàn)象；但當巷道位置較淺，即小于某一深度時，大變形、大地壓現(xiàn)象明顯消失。這一臨界深度稱為巖石的軟化臨界深度。

注意：軟化臨界深度的地應力水平大致相當于軟化臨界荷載，所以二者可以互為轉(zhuǎn)換。第十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日

3．確定方法

（1）蠕變試驗法

在試驗中，通過巖石蠕變力學試驗測定出各巖石的長期強度，此值大致相當于軟化臨界荷載。

第十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日

（2）經(jīng)驗公式法

計算公式為：

σcs＝KRc式中：σcs為軟化臨界荷載，MPa；Rc為巖石單軸抗壓強度，MPa；K為經(jīng)驗系數(shù)，膨脹性軟巖K＝0.3～0.5，高應力軟巖K＝0.5～0.7，節(jié)理化軟巖K＝0.4～0.8。第十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日

（3）現(xiàn)場觀察法

在現(xiàn)場調(diào)查中，圍巖開始產(chǎn)生顯著變形的埋深即為巖石的軟化臨界深度Hcs。

第二十頁，共五十六頁，2022年，8月28日第二節(jié)

軟巖的工程分類體系一、軟巖礦井分類（見下表）

第二十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日二、軟巖分類（見下表）

第二十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日

三、軟巖分級

1．膨脹性軟巖的分級膨脹性軟巖（SwellingSoftRock，簡稱S型），系指含有粘土高膨脹性礦物、在較低應力水平（＜25MPa）條件下即發(fā)生顯著變形的低強度工程巖體。膨脹性軟巖的分級見下表。第二十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日

2．高應力軟巖的分級高應力軟巖（HighStressedSoftRock，簡稱H型），是指在較高應力水平（＞25MPa）條件下才發(fā)生顯著變形的中高強度的工程巖體。

其工程特點是：在深度不大時，表現(xiàn)為硬巖的變形特征；當深度加大至一定深度以下，就表現(xiàn)為軟巖的變形特性了。其塑性變形機理是處于高應力水平時，巖石骨架中的基質(zhì)（粘土礦物）發(fā)生滑移和擴容，此后再接著發(fā)生缺陷或裂紋的擴容和滑移塑性變形。

第二十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日高應力軟巖的分級見下表。第二十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日

3．節(jié)理化軟巖的分級節(jié)理化軟巖（JointedSoftRock，簡稱J型），系指含泥質(zhì)成分很少（或幾乎不含），但發(fā)育了多組節(jié)理，其中巖塊的強度頗高，呈硬巖力學特性，但整個工程巖體在工程力的作用下則發(fā)生顯著的變形，呈現(xiàn)出軟巖的特性。其塑性變形機理是在工程力作用下，結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移和擴容變形。第二十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日節(jié)理化軟巖的分級見下表。第二十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日

4．復合型軟巖復合型軟巖是指上述3種軟巖類型的組合，即（1）

高應力-膨脹性復合型軟巖，簡稱HS型軟巖；（2）

高應力-節(jié)理化復合型軟巖，簡稱HJ型軟巖；（3）高應力-節(jié)理化-膨脹性復合型軟巖，簡稱HJS型軟巖。第二十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日

四、軟巖軟化程度分類

1．軟化指數(shù)概念

軟巖的軟化臨界荷載與工程巖體中的最大應力的比值，即

fs＝σcs/σmax式中：fs為軟化指數(shù)；σcs為軟化臨界荷載，MPa；

σmax為工程巖體中最大應力，MPa。第二十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日

2．軟巖軟化程度分類（見下表）第三十頁，共五十六頁，2022年，8月28日

注意：我國膨脹軟巖的分布十分廣泛，東起渤海之濱的山東龍口礦區(qū)，西到新疆六道灣煤礦；南起廣東茂名礦務局石鼓煤礦，北到黑龍江省雞西礦務局的穆棱煤礦。從膨脹軟巖形成地質(zhì)時代區(qū)分，早自上二疊統(tǒng)，晚到上第三系甚至早更新統(tǒng)都有。從我國膨脹軟巖的成因類型區(qū)分，幾乎包括國外膨脹軟巖所有類型。因此，我國膨脹軟巖的工程性質(zhì)是十分復雜的。

第三十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日第三節(jié)

軟巖的力學特性

一、軟巖的單軸抗壓特性1．完整巖樣的單軸抗壓特性下表是峰峰礦務局通二煤礦-550水平各種軟巖的單軸抗壓試驗結(jié)果。第三十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日說明：泥頁巖強度的軟化效應極強烈，軟化系數(shù)變化于0.39～0.43。砂巖的軟化情況差異較大，泥質(zhì)粉砂巖的軟化系數(shù)為0.54，而粉砂巖和細砂巖的軟化系數(shù)都高達0.87～0.90。顯然，軟巖的強度受水的影響較大。

第三十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日下圖是各類軟巖在天然狀態(tài)下和炮和狀態(tài)下的應力-應變曲線，具有壓密階段、線性變形階段、塑性變形階段和應變軟化階段，且應力應變關系是非線性的。

第三十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日

2．裂隙巖樣的單軸抗壓特性下圖是粉砂巖的力學指標隨壓應力方向與結(jié)構(gòu)面方向夾角的變化趨勢圖。

說明：（1）作用力與結(jié)構(gòu)面的相對方向?qū)r體的強度和彈性模量的影響是顯著的；（2）由于不連續(xù)結(jié)構(gòu)面的存在，巖體的抗壓強度會大大惡化。

第三十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日二、軟巖的抗拉強度特性1．完整巖樣的單軸抗拉特性下表為不同巖石完整巖樣的抗拉強度試驗結(jié)果。說明：（1）軟化效應明顯，軟巖的抗拉強度受水的影響較大；（2）軟巖的抗拉強度明顯低于抗壓強度，巖體“怕拉”。

第三十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日

2．裂隙巖樣的單軸抗拉特性

下表是砂質(zhì)頁巖抗拉強度試驗結(jié)果。

說明：（1）在拉應力作用下，巖體仍表現(xiàn)出各向異性；

（2）裂隙巖體的抗拉強度明顯低于完整巖樣的抗拉強度。

第三十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日

三、軟巖的三軸抗壓力學特性

1．泥巖全應力應變曲線如下圖所示。第三十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日

2．砂質(zhì)頁巖全應力應變曲線如下圖所示。說明：（1）隨著圍壓的提高，三軸抗壓強度明顯提高；

（2）在復雜應力狀態(tài)下，巖石表現(xiàn)出塑性破壞特征，且隨著圍壓的提高，破壞時的塑性變形量也顯著增加。第三十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日

四、軟巖的工程力學特性

（一）可塑性

1．定義：是指軟巖在工程力的作用下產(chǎn)生變形，去掉工程力之后這種變形不能恢復的性質(zhì)。

2．可塑性機理（1）低應力軟巖的可塑性是由軟巖中泥質(zhì)成分的親水性所引起的；（2）節(jié)理化軟巖是由所含的結(jié)構(gòu)面擴展、擴容引起的；（3）高應力軟巖是泥質(zhì)成分的親水性和結(jié)構(gòu)面擴容共同引起的。

第四十頁，共五十六頁，2022年，8月28日

（二）膨脹性

1．定義：軟巖在力的作用下或在水的作用下體積增大的現(xiàn)象，稱為軟巖的膨脹性。

2．分類

（1）內(nèi)部膨脹：是指水分子進入晶胞層間而發(fā)生的膨脹。

（2）外部膨脹性：是極化的水分子進入顆粒與顆粒之間而產(chǎn)生的膨脹性。

（3）擴容膨脹性：是軟巖受力后其中的微裂隙擴展、貫通而產(chǎn)生的體積膨脹現(xiàn)象，故亦稱應力擴容膨脹性。第四十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日

注意：①內(nèi)部膨脹是指晶胞層間膨脹、外部膨脹是指粒間膨脹，而擴容膨脹是集合體間隙或更大的微裂隙的受力擴容；②內(nèi)部膨脹和外部膨脹的間隙是原生的，而擴容膨脹的間隙是次生的；③內(nèi)部膨脹和外部膨脹的膨脹機理是一種與水作用的物理化學機制，而擴容膨脹則屬于力學機制，即應力擴容機制。

④實際工程中，軟巖的膨脹是綜合機制。但對低應力軟巖來講，以內(nèi)部膨脹和外部膨脹機制為主；對節(jié)理化軟巖來講，則以擴容機制為主；對高應力軟巖來講，可能諸種機制同時存在且均起重要作用。

第四十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日（三）崩解性

1．定義：軟巖在水、工程力等作用下發(fā)生的崩解、片幫等現(xiàn)象，稱為崩解性。

2．崩解機理（1）低應力軟巖的崩解性是軟巖中的粘土礦物集合體，在與水作用時膨脹應力不均勻分布造成崩裂現(xiàn)象；（2）高應力軟巖和節(jié)理化軟巖的崩解性，主要表現(xiàn)為在巷道工程力的作用下，由于裂隙發(fā)育的不均勻造成局部張應力集中而引起的向空間崩裂、片幫的現(xiàn)象。當然，高應力軟巖也存在著遇水崩解的現(xiàn)象，但不是控制性因素。第四十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日3．低應力軟巖崩解模式

第四十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日

（四）流變性

軟巖是一種流變材料，具有明顯的流變特性。加強流變學研究，對軟巖工程問題非常重要。一方面是由于軟巖工程巖體本身的結(jié)構(gòu)和組成反映出明顯的流變性質(zhì)；另一方面也是由于受力條件（長期受力，三向應力狀態(tài)）使流變性質(zhì)更為突出。在地下工程中表現(xiàn)出來的力學現(xiàn)象，包括地壓、變形、破壞等幾乎都與時間有關。

軟巖的流變性主要表現(xiàn)在軟巖的蠕變性、松弛性和流動極限的衰減性質(zhì)。第四十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日

（五）軟巖的易擾動性

由于軟巖軟弱、裂隙發(fā)育、吸水膨脹等特性，導致軟巖抗外界環(huán)境擾動的能力極差，對卸荷松動、施工振動、鄰近巷道施工擾動極為敏感，而且具有吸濕膨脹軟化、暴露風化等特點。第四十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日第四節(jié)

軟巖工程穩(wěn)定性控制關鍵技術(shù)

一、概述軟巖工程穩(wěn)定性控制問題一直是困擾我國煤礦生產(chǎn)和建設的重大問題之一，隨著開采深度的增加和地質(zhì)條件漸趨復雜，軟巖巷道支護問題愈趨嚴重。國內(nèi)外學者對這一問題一直非常關注，形成了一些各具特色的理論與方法。但是，長期以來，軟巖巷道支護研究一直沒能改變傳統(tǒng)的從支護形式入手的思路。軟巖巷道支護研究應從工程地質(zhì)分析和軟巖的概念及其分類入手，弄清其變形力學機制及非線性變形規(guī)律，抓住支護關鍵技術(shù)，實施有效的轉(zhuǎn)化及巷道設計優(yōu)化，才能取得成功的支護效果。第四十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日

二、軟巖變形力學機制

（一）物化膨脹型變形力學機制

1．分子吸水膨脹機制

含有蒙脫石和伊／蒙混層礦物的泥質(zhì)巖類的膨脹性頗為顯著，這種膨脹性與蒙脫石的分子結(jié)構(gòu)特征關系十分密切，親水能力強，使體積大大膨脹。因此，也可將這種膨脹機制稱為蒙脫石型膨脹機制。

第四十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日

2．膠體膨脹機制

在煤礦軟巖中，有些軟巖并不含蒙脫石、伊/蒙混層礦物和伊利石，也具有膨脹性。軟巖一般是泥質(zhì)巖類，基本上是粘粒的集合體。遇水時，在電分子引力作用下，粘粒周圍結(jié)合水膜增厚，使體積增大。第四十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日