基本介紹
概念,內容,微結構特徵,水理性質,力學性質,
概念
軟弱岩層指強度和彈模特別低的基岩，有的岩性尚堅硬，但由於風化影響或裂隙節理密集而成為軟弱岩層，有的則由於岩性本身軟弱而成。通常，我們在選擇壩址時應儘量選擇岩性堅硬的地方，但是隨著優良壩址的不斷開發，有時我們不得不在地基條件不利的地方建壩。
內容
軟弱岩層的變形特徵與強度特徵取決於其本身的物理力學性質及應力狀態。隨著煤礦開採的發展和開採深度的增加，我國許多礦區諸如舒蘭、瀋北、龍口、平莊、淮南、徐州、開灤及兗州等，都出現了大量軟岩問題，軟岩巷道的維護也逐漸成為一個重大課題。
底鼓作為軟岩巷道變形和破壞的主要方式之一，在很大程度上取決於軟岩的性質。對於軟弱岩層，其性質對底鼓的影響尤為突出。處在這類岩層中的巷道，底鼓不僅與岩層的物理力學性質有關，而且支架與圍岩應力兩者的相互作用也決不能忽略不計。至於高地應力岩層，巷道底鼓主要是一個力學過程，應著重分析軟弱岩層的物理力學性質及其關係，為底鼓機理的研究及選擇合理的防治措施奠定基礎。
軟弱岩層的礦物成分是決定其力學特性的一個根本因素，研究軟弱岩層的物理性質必須從這方面開始。軟弱岩層中的礦物成分主要是高嶺石、伊利石、蒙脫石等黏土礦物，他們都屬於層狀或層一鏈狀矽酸鹽，有兩種結構單元類型作為礦物結晶結構的基礎：一種是矽氧四面體，另一種是矽氧八面體。隨著X一射線衍射分析、熱分析等方法的不斷發展和完善，人們已經可以較準確地確定軟弱岩層礦物成分的類型和含量。
軟弱岩層的存在對大壩安全的影響主要有以下幾方面：①由於岩層抗剪強度低，可能產生深層整體失穩；②由於岩層抗壓強度低，可能產生地基的破壞，引起壩體失事；③軟硬岩層相間時，會產生不均勻沉陷和相應的應力集中，招致壩體斷裂或地基破壞；④壩趾處基岩軟弱時，會產生不利的壩趾拉應力，使壩體傾復或滑移；5)有些軟弱岩層的滲透性很強，會產生大量滲漏和管涌破壞，有些軟弱岩層本身甚至會崩解，所以應採取適當的處理。
如果軟弱岩層僅分布在地表，則可採取挖除的辦法。如果軟弱岩層呈條帶狀分布，則可像處理斷層破碎帶那樣進行局部挖深回填以混凝土。如果軟弱岩層的抗水性很差，則應設法將其封閉。如果軟弱岩層的範圍很大很深，就須全面研究採取綜合的處理措施。總之，要求處理後的地基上的反力分布儘可能均勻，最大值在容許範圍內，且應具有足夠的整體抗滑安全度，而且儘量使局部安全度(點安全係數)均勻，最小值在容許範圍內。
微結構特徵
軟弱岩層的力學性質並不取決於礦物晶體的強度，而是在於它們之間的結構力，因為原始顆粒強度很高，使之發生破壞非常困難。只有礦物顆粒或微集聚體間的相互作用，即結構連線，才是決定軟弱岩層強度和變形的本質因素。
①磁力是由於黏土類岩石中的赤鐵礦等在顆粒表面形成薄膜產生的，這種力不大；②庫侖力是由顆粒表面所帶靜電電荷產生的，同號相斥，異號相吸；③分子力在黏土類岩石中起著很大的作用，其特點是有遠距作用。它受三種類型的相互作用所制約：極性分子之間的定向作用，雙電極分子電場中非極性分子極化產生的感應作用，在分子和電子相互作用下所產生的分散作用；④離子一靜電力。巷道底板岩層經常是含水的，礦物顆粒與交換陽離子相互作用即可獲得電荷。如果另一個顆粒接近此帶電顆粒，則陽離子同時與兩個顆粒相互作用，兩顆粒之間就會形成離子一靜電力；⑤化學力。在膠結的黏土類岩石中，由化學價鍵形成的化學結構連線占優勢地位。化學連線是由原子的外圍電子進行的，在黏土類岩石中發育著共價的和離子的化學連線。化學力是近距作用力，這種結構連線具有很高的能量，接觸強度與顆粒晶體結構的強度相似；⑥毛細管力。在三相體系的黏土類岩石中應該考慮毛細管彎液面的存在。彎液面可牽引顆粒，提高它們的連線強度。
以分子長距離的相互作用形成凝聚接觸，以離子一靜電力為基礎的接觸形成過渡接觸，靠化學鍵和離子一靜電力的相互作用形成同相接觸。凝聚接觸強度最低，同相接觸強度最高，過渡接觸強度居中。
水理性質
由於軟弱岩層的礦物成分及微結構特徵，造成了它與水的特殊關係。再則，軟弱岩層內節理裂隙發育，所以水很容易進入軟弱岩層內部，引起軟化、崩解及膨脹等現象，結果導致軟弱岩層強度急劇降低。可見，以黏土礦物為主要成分的軟弱岩層巷道底鼓與底板是否含水密切相關。而目前我國煤礦中軟弱岩層底板含水是比較普遍的現象，故研究水對軟弱岩層性質的影響是非常重要的。
軟弱岩層遇水後通常有兩種破壞方式：一是軟化、碎裂、崩解，但體積基本不增加。二是體積發生膨脹，最終導致軟化、鬆散。這裡從微觀與巨觀兩方面出發，探討水與軟弱岩層的作用機理及其影響因素。基於水理性質實驗，建立軟弱岩層膨脹參數與含水率及乾質量密度等參數的關係。
⑴軟弱岩層遇水軟化、崩解
遇水軟化、崩解的軟弱岩層其礦物成分以高嶺石、伊利石為主。由於這兩種黏土礦物受水作用後體積增加很小，所以只能導致軟弱岩層節理裂隙中充水，削弱軟弱岩層顆粒之間的連線力，致使顆粒間發生破壞，產生軟化、崩解。另外，此類軟弱岩層遇水再乾燥以後，強度比原試件低。這是由於經過反覆乾濕以後，軟弱岩層內部會出現小裂紋的緣故。
⑵軟弱岩層遇水膨脹
遇水膨脹的軟弱岩層其特點是含有較多的蒙脫石礦物。另外軟弱岩層遇水膨脹與其微結構也有關係。
①軟弱岩層的膨脹機理
關於軟弱岩層遇水膨脹的機理有多種理論，眾說不一，不過最普遍的有兩種：晶格擴張理論，雙電層理論。
已有的研究成果表明，黏土礦物中結合水膜的厚度，特別是弱結合水膜的厚度主要取決於雙電層中擴散層厚度。總之，軟弱岩層的礦物成分和微結構是其膨脹的內在原因。一般情況下膨脹岩具有以下特點：
a．黏土礦物成分主要由蒙脫石組成。
b．含有大量細小黏土顆粒。
c．微結構的基本要素是以片狀顆粒相互疊聚形成的集聚體。
d．具有發育的微孔隙一裂隙結構，為膨脹提供了吸水通道。
②影響軟弱岩層膨脹的因素
除上述分析的軟弱岩層礦物成分，微結構特徵及陽離子交換量和類型是影響軟弱岩層膨脹的重要因素外，還有其他因素與軟弱岩層的膨脹性有關。
a．初始含水率：實驗結果表明，當有充分水源時，軟弱岩層的初始含水率越小，其膨脹性越大。
b．乾重力密度：軟弱岩層的乾重力密度越大，其膨脹性越強。
c．粘粒含量：軟弱岩層的膨脹性隨著粘粒含量的增加而加大。這主要是由於粘粒含量越多，軟弱岩層的比表面積越大，從而礦物顆粒與水的接觸面積越大，軟弱岩層的親水性越強。
d．含水率：軟弱岩層含水是其膨脹的先決條件。對於同一種軟弱岩層，其膨脹性隨含水率的增大而增大。
力學性質
⑴軟弱岩層的變形與強度
①軟弱岩層的單軸壓縮
軟弱岩層單軸壓縮變形與強度特徵，是由壓密階段過渡到彈性階段的，最後由於裂紋數目及尺寸的增加使得軟弱岩層發生破壞。
②軟弱岩層的抗剪性
一般來說，隨著結構在剪下面上定向程度的增大，軟弱岩層的內摩擦角增大，而凝聚力降低，所以顆粒定向程度高的軟弱岩層雖然結構均一，但其層理結構連線強度卻很低。隨著顆粒沿剪下應力方向重新定向，軟弱岩層的抗剪強度會不斷降低。此外，軟弱岩層的抗剪強度與其結構連線有很大關係。對於結構疏鬆、孔隙率大的凝聚接觸型軟弱岩層，其抗剪強度很低，它僅有很小的彈性變形階段，之後是塑性流動。對於過渡接觸型軟弱岩層，其彈性階段較長，峰值強度與殘餘強度相差較小。而對於強度較高的同相接觸型岩石，幾乎到抗剪極限都是彈性變形，殘餘強度比峰值強度小得多。由於軟弱岩層結構連線形式的不同，不僅軟弱岩層的抗剪強度有顯著差異，而且其變形過程也表現出不同的特性。
⑵軟弱岩層的流變性
流變性是指材料應力應變關係與時間因素有關的性質。軟弱岩層是一種非線性的彈塑粘性介質，它的永久變形不一定要載荷達到一定數值才發生，只要作用時間長，即使軟弱岩層所受的載荷很小，它也會發生永久變形。流變有兩種客觀的表現形式，即蠕變和鬆弛。
為了反映岩石的流變特性，人們採用了各種元件組成的模型來描述應力應變與時間的關係。這些反映岩石流變的模型主要有三個基本元件，即彈簧、阻尼筒及摩擦片。通過三種元件的不同組合，可構成一系列線性和非線性模型，用以描述岩石的流變特性。
⑶軟弱岩層的長期強度
流變性導致了軟弱岩層強度隨著時間的加長而降低，因此在研究軟弱岩層巷道變形和破壞時必須考慮時間因素。
在恆定載荷長期作用下，軟弱岩層會在比瞬時作用載荷小得多的情況下破壞。實驗表明，黏土質頁岩的長期強度僅為瞬時強度的一半。
當採用庫侖準則作為軟弱岩層的屈服條件時，如果不考慮時間因素，則軟弱岩層的強度包絡線是不變的。但對長期受載的軟弱岩層而言，不同的時間將有不同的強度包絡線。軟弱岩層長期強度包絡線是其中最低的一條。軟弱岩層抗剪強度、凝聚力及內摩擦角隨著時間的加長而降低。
