第一章 软岩的地质特征及其研究现状与发展方向 软岩，虽然这个名词在工程界已为人们所熟知，但实际上人们对软岩的概念还是模糊的，怎样才算软？软岩的定义又是什么？在本章中将尽可能给出明确的说明。 软岩在世界上分布非常广泛，泥岩与页岩就占地球表面所有岩石的50%左右。它与工程建设息息相关，特别是对大坝、遂洞、边坡的稳定性起控制作用，如丹江口、葛洲坝、铜街子、小浪底、恒仁、、上犹江、朱庄等大型水电工程坝基都存在软岩类的软弱夹层，其中葛洲坝工程是一个典型，坝基下埋藏产状近水平的软弱夹层有50多层，为探明软弱夹层成因类型和分布规律，采用小口径钻孔、大口径钻孔、平洞、探井、钻孔彩色电视与地球物理勘探以及现场地应力测量等方法；达开水库输水隧道软岩引起的坍方占坍方量的70%；四川中江县马鞍山遂洞粘土岩膨胀导致变形与垮坍；贵州各地区边坡滑动灾害中由软弱层引起约占60%。在世界沙上有关水工建筑物事故的统计中，由于软岩的存在而引发的，可以举出如下一些较突出的实例：美国圣佛兰西斯坝，因粘土胶结的沙砾岩被水浸润软化而引起滑动；美国俄亥河26号坝，沿坝基下5cm厚的页岩层发生滑动；美国奥斯丁重力圬工坝，沿石灰岩内的页岩夹层而滑动；法国布泽坝，沿坝基龟裂的红色砂岩上的粘土层发生滑动；印度的堤格拉坝，在砂页岩互层中发生滑动等等。因此，探讨软岩的成因类型与空间展布规律、物质成分与结构特征、软岩与围岩的接触形态、地质时代与强度的关系都是研究软岩特殊工程性质和优化工程治理的致关重要问题。 软岩的分类及特征是作为工程环境和对象的软岩发挥工程功能的物理基础，为此，本章将对其作较详细的叙述。

一、 软岩分类 软岩的分类是当前国际力学与基础工程界、岩石力学与工程地质界所关注的问题；许多研究者认为，软岩是介于松散介质和坚硬岩石之间的岩类。它可以来源于松散介质沉积作用，成岩作用向坚硬岩石过渡的岩类，也可以来源于坚硬岩经构造作用或风化作用向松散介质转化的岩类。例如蓄厚增提出图1-1的软岩形成基本模式。因此，广义的软岩应该包括原生软岩、风化软岩、断层破碎软岩，而膨胀是作为软岩的一个重要组成部分。 1.岩按强度分类 从力学方面考虑，软岩是具有变形大、强度低，赋予环境效应和时间效应强烈的岩体。目前，岩体分类按照建筑物的不同种类，如大坝、遂洞、边坡工程等有各种方法。岩体分类需要考虑岩体的强度、变形特征、透水性、稳定性等，但工程种类不同，考虑的因素是有区别的。这里将岩石按强度标准划分列于表1-1。此外，为了与国外的分类标准对比，在表1-2和1-3中给出了日本两个坝址软岩分级的实例。 2.软岩的成因类型 软岩从成因方面考虑可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） 岩，主要是指沉积岩。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，其工程性性质与胶结物成分及含量密切相关，如粘土岩、泥质沙砾岩、页岩、泥灰岩、疏松砂岩、云母片岩、岩盐、石膏等。在宏伟的南水北调中线总干渠穿过粘土岩与泥质沙砾岩的地层约205km，占全线的16.7%，部分建筑物的桩基也以这类岩体作为持力层。 （2） 风化软岩，岩体的风化程度随深度的增加而减弱，完整的风化剖面其风华程度划分为五带：未风化带、微风化带、中等风化带、强风化带及全风化带。对于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，如表1-4所示。对于软岩的风化程度分类可参见表1-5。 （3） 断裂破碎软岩，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。如表1-6所示。这类软岩对工程稳定影响最严重的是层间错动的软弱层。 3.软岩按时代划分 有的研究者通过实验结果表明，不同地质时期形成的软岩其经受的构造运动次数不同，成岩和压密作用不同，因而粘土矿物成分及含量也个不相同。按生成时代和粘土矿物特征可将软岩分为三种类型： （1） 古生代软岩，主要包括中上石炭系及二叠系软岩，其主要的粘土矿物为高岭石，其次为伊利石和伊蒙混层矿物，基本上不含蒙脱石。 （2） 中生代软岩，主要包括侏罗、白垩系及部分三叠系软岩，主要粘土矿物为伊蒙混层，其次为高岭石、伊利石，蒙脱石含量一般低于10%。 （3） 新生代软岩，主要是第三系软岩，粘土矿物以蒙脱石为主，其次是伊蒙混层和高岭石。 分类是一种晰化的手段，软岩的分类实质上是籍助于某种标准使表征软岩特性的一些潜信息显现，它有助于软岩工程设计中的初步分析，但绝不能代替实验和测定。此外，国际上存在着多种软岩分类方法和分级方式，有兴趣的读者可以参阅文献[1.15]等。

四、软岩结构特征 软岩结构主要是指沉积岩中的泥质岩以及岩体中各种特定形态的地质界面。它包括沉积层面、软弱夹层、节理层、不连续裂隙面、颗粒与粒团的排列与接触方式，微空隙与微裂隙等。这些结构特征有着自身的独特形成过程和客观的发展历史。它是地质历史发展的产物，反映了成岩地址环境和原始应力条件以及各种外力的改造作用。不同时代类型的软岩，具有不同的结构、构造特征，古生代和部分中生代软岩由于长期上覆岩体的压实作用及经常性的构造运动影响，使矿物颗粒在接触处产生重结晶而使颗粒间形成胶结连结。同时由于成岩时间长，构造变动频繁，使矿物定向排列形成密实有序的长带状和链状微结构，岩块吸水率较低，一般小于10%，单轴抗压强度相对较高，多数为20-30Mpa。新生代和部分中生代软岩，由于成岩时间较短，颗粒间密实性差，颗粒间常以各自的水化膜相互重叠而形成水胶连结，其微结构以无序的蜂窝状结构为特征从胶结程度来看，以中等胶结和弱胶结为主，因而结构较疏松，2吸水率为10%-70%，单轴抗压强度一般为5~20Mpa，如南水北调中线工程邯郸地区的上第三系相沉积的泥岩，其岩性在水平方向和垂直方向常不稳定，它与砂岩互层或呈透镜状夹层分布，有些泥岩碎硝颗粒与泥质物混杂堆积，成岩程度低，岩石中常有较多的粒间孔隙，碎硝颗粒间蒙脱石与蒙脱石、伊利石混层矿物密集分布，造成其结构强度的不稳定，尤其是干湿交替条件下发生膨胀崩解破坏。岩块吸水率达69%~78%，抗压强度均小于5Mpa。 岩体的结构面可分为五类了：沉积结构面，如面层、层理、沉积简断面、沉积软弱夹层等，其中一些结构面由于后期构造与风化作用形成低强软弱夹层；火成结构面，如原生节理、流纹面，与围岩接触面、凝灰岩夹层等，其中围岩接触破碎带或蚀变带，凝灰岩夹层等均属于火成软弱夹层；变质结构面，如片麻、片理、板理等都是变质作用过程中矿物定向排列形成的结构面，其云母片岩、绿泥石片岩、滑石片岩等片理发育，易风化成软弱层；构造结构面，如断层面（带）、劈理、节理、层间错动面等，其中断层破碎带，层间错动破碎均易软化、风化形成构造软弱带；次生结构面，如风化裂隙、卸荷裂隙、夹泥层等，其中泥岩、页岩、凝灰岩等在地下水作用下易形成泥化夹层。由于结构面的存在，使软岩产生了一系列独特的力学特性，而这些特征与结构面的成因类型，结构面的形状及其组合形式有关，也与结构面的充填物及其充填程度有关。 葛洲坝工白垩系红色碎屑岩系和风滩工程前震旦系板溪群砂页岩互层间错动软弱层的结构分带往往具有如图1-2的特征。即有较明显的分带性，在较厚的软岩中发育有泥化带、劈理带和节理带。由于受力条件不同，不同夹层或同一夹层不同部位各带发育程度不同，组成物质及定向程度也不相同。 （1） 化带是构造错动和长期地下物理化学作用的产物。在这两种因素作用下，粘土岩类软弱夹层原理有的结构遭到彻底破坏，形成了新的结构，如葛洲坝工程泥化带错动面的颗粒和粒团沿着错动方向呈面~面接触，高度定向排列，有些剪切面的颗粒定向程度接近残余强度状态。错动定向区内的颗粒和粒团磨碎，不仅分散度增大，而且包裹在颗粒和粒团表面的胶结物质薄膜破裂，以及地下水使胶结物质碳酸钙溶蚀和游离氧化物胶溶，导致裸露于表面的活性吸附点增多，电荷密度增大，与地下水相互作用在颗粒和粒团表面形成较“厚”的溶剂化层。因此，颗粒或粒团之间通过较“厚”的表面溶剂化层而间接接触，结构连结较弱。 由于软岩破坏程度不同，泥化带可见如下微结构： a：蜂窝状结构，主要发育粘土岩泥化带，从整体上看，偏平状和片状颗粒无明显定向优势，但是，在结构中常见一条不宽的高度定向排列带，带中团聚体被拉长压扁； b：弥散状结构，砂粒、粉粒级颗粒呈弥散状在于粘粒级基质中，粗颗粒之间无接触，剪切面附近也有一定程度的定向； c：镶嵌状结构，常见于粘土质粉砂岩泥化带，粗颗粒含量较高，粗颗粒为粘粒级细粒或粘土矿物单片所包围，呈致密状分布相互嵌合。 （2） 劈理带裂隙极为密集，呈极薄的鳞片状，是有粘土片连结成的定向片状集合体。劈理面为光滑的镜面，鳞片集合体呈光滑面接触，相互水化薄膜连结。 （3） 节理带裂隙发育，颗粒排列定向性减弱，结构单元体逐渐转为面——边或边——边等多种接触形式，其岩性与特征仍部分保留原岩状态，但是地下水活动畅通条件较好。 不同成因类型的软岩具有不同的结构组合，例如铜街子工程C5软弱层的结构特征如下： （1） 断层泥，可分两种情况：一是颗粒比较致密，微团聚体籍助面——面结合方式相互作用，结构单元无定向性；二是颗粒较为疏松，边——边连接颗粒团聚体大都呈扁平状，表面集聚着较多的粘粒物质，孔隙较多，似蜂窝型结构。 （2） 糜棱——角砾岩，微观结构形态有两种：一是骨架型微观结构，疏松的均匀多孔骨架，粘粒不均匀地分布于颗粒表面，结构单元缺泛定向性；二是颗粒之间按面——面和边——边等方式连接，结构不紧密，结构单元无定向。 （3） 糜棱——角砾岩，微结构较疏松，以边——面接触方式相连接，吸附的粘粒物质很少，结构单元无定向性。 实验研究表明，软岩结构面的力学成因不同（如压性断裂面，张性断裂面与层间错动等），其结构特征，充填物性质，颗粒组合形式与排列定向度等也不一。不同结构的软岩表现出不同的力学特征，如具蜂窝状结构的软弱夹层，其粗颗粒分散在粘粒级基质中，颗粒间无接触，所以粗颗粒也没有直接接触，但由于粗粒含量高（50%-60%），粗颗粒以包膜为介质嵌合紧密，夹层传力特性主要受粗颗粒影响，所以抗剪强度相对较高。从而可知，研究软岩的结构性是很有实用意义的，是当前人们感兴趣的课题。 下面举几个工程实例说明： 石鼓煤矿个类泥岩由于组构单元排列定向度的不同，其膨胀也有很大的差异，如表1-13所示，颗粒中等定向的泥岩膨胀力Pe为500Kpa，随机排列泥岩Pe仅233Kpa。 葛洲坝工程泥化错动带动与粘土岩，其矿物组成相同，即以蒙脱石为主，含有水云母，绿泥石和石英，但由于结构特征不同，即泥化错动带颗粒具高度定向排列，而粘土岩定向度低，因此，其强度相差很大，前者c=13Kpa，φ=24.60。 软岩结构的另一个重要特征是微结构与各向异性，特别是一些特殊的软岩，例如膨胀岩等，它们的微结构特征不同于一般岩石，对工程结构及环境的影响却十分复杂和重要。另一方面，还应该指出，关于软岩的结构特征对岩体处于加载情况时的力学效应，国外进行了较多研究，但对岩体处于卸荷时结构特征的反应却研究得较少，哈秋铃等提出了“卸荷岩石学理论“，对岩体处于卸荷非线形力学进行了分析研究，是这方面的创新和尝试，可惜该文献对软岩微结构在卸荷时的作用和反应很少涉及。 关于软岩的微结构与各向异性效应问题，现时的文献中报道得也很少，但这却是软岩工程理论中很重要的一部分内容，这里仅就作者所掌握的资料作一些介绍。 软岩的微结构构造与岩体的各向异性是密切相关的，特别是微结构的成因导致岩体各向构造和成分的不同，而在软岩受荷压密实过程中又出现微结构的再造。结构再造提高了结构要素在垂直于荷载平面的定向程度，减小了孔隙的大小和降低了总孔隙度，也增加了软岩的各向异性程度。 罗鸿嬉等[1.17]对岩体的各向异性效应从现象学研究和理论分析的角度作了较为系统的叙述，兹将其有关软岩的部分转述如下：