滇中红层软岩工程地质特性研究
（1中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明 650000；2云南华昆国电工程勘察有限公司，云南昆明 650000）
作者简介：何盛 （1983—），毕业于中南大学，硕士，高级工程师，主要从事水利水电工程地质与水文地质勘察工作。
摘要：滇中红层软岩分布广泛，在红层地区开展深埋长隧洞工程常常遇到由于软岩其特殊的工程地质特性而导致的各种工程地质问题。因此，对滇中红层软岩的工程地质特性进行系统、全面的研究显得尤为重要。本文对滇中红层软岩的地质特征、物质组成、物理力学特征、水理特性及变形特征等进行深入研究，得出红层软岩抗压强度低，随着黏土矿物及泥质含量的增加，物理力学性质逐渐降低，滇中红层软岩以弱膨胀—中等膨胀为主，局部具有强膨胀性。通过在不同荷载下进行的流变试验，建立了红层软岩在非变加速、变加速时期压缩蠕变位移量与时间的关系式，试验表明红层软岩蠕变效应明显，各项物理力学指标明显降低。根据以上一系列的试验分析研究，从整体上把握了滇中红层软岩的工程地质特性，为开展深埋长隧洞等地下工程的设计、施工及运营提供理论依据。
关键词：软岩 工程地质特性 流变 滇中
1 引言
滇中红层是指主要分布在云南楚雄、玉溪和大理祥云等地区，形成于晚三叠世至古新世，通常由一套砂岩、粉砂岩、泥岩等组成，夹有泥灰岩和砾岩，外观以红色为主色调的陆相碎屑沉积地层。红层中广泛分布的泥质岩类具有透水性弱、亲水性强，遇水易软化（或膨胀），失水易崩解 （或收缩），强度低 （岩块单轴饱和抗压强度小于30MPa）的特点。该类红层软岩在空间形态和工程性质往往控制整个岩体的变形破坏特征，在滇中地区开展工程建设，常常会遇到隧洞围岩塑性变形问题、渠系工程地基稳定问题、公路边坡稳定问题以及因软岩的溶解、膨胀、崩解和软化引起的各种工程地质问题。国内外对滇中红层工程地质特性均有大量的研究成果，多为边坡、路基及坝基等浅表红层的岩体结构特性、岩体风化特性、物理力学性质及水岩作用等特性进行研究。但对于埋深大、地应力高且长期饱水的滇中红层软岩工程地质特性研究甚少，滇中引水工程以隧洞形式穿越红层地区，洞室埋深多在100～400m，由红层软岩岩体构成的围岩，在高地应力 （或相对高地应力）、地下水或自身膨胀性能的作用下，其自承能力丧失或部分丧失，可能产生洞顶坍塌、剥离、边墙内鼓、底板隆起或产生具有累进性和明显时间效应的塑性变形且变形得不到有效约束的现象尤为突出。因此本文依托滇中引水工程前期勘察的研究成果，针对滇中红层软岩的工程地质特性，进行了物理力学性质试验和水理性质试验及流变试验，为设计提供科学、合理的依据，为确保滇中红层地区隧洞工程的施工及运行提供重要的理论指导和技术支撑。
2 红层软岩地质特征
2.1 红层软岩岩相岩性特征
滇中红层为碎屑岩建造，河湖相沉积，岩性主要由泥岩、粉砂岩、砂岩等交替组成。红层软岩岩性组合最为显著的特点是不同力学性质的岩层互层组合，即砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩等互层组合，单一的岩性组合基本不存在。按照岩性组合特点，滇中红层软岩主要可以归纳为以下两种岩体结构类型。
2.1.1 软质泥质岩为主的层状结构
这类岩体结构地层在滇中地区分布最为广泛，地层岩性以泥岩、粉砂质泥岩、泥灰岩、泥质粉砂岩、粉砂岩等软质岩为主，其间也夹有长石石英砂岩、钙质砂岩、细砂岩等硬质岩。岩体结构从薄层到厚层均有分布，其中中厚层状结构和厚层状结构居多。
这类结构的岩体中泥质岩类占绝对优势，岩质软弱，虽然其中也夹有砂岩、砾岩等硬岩，局部可能有一定的厚度，但以软岩为主，并对岩体的变形破坏起控制作用。
2.1.2 软硬相间的砂泥岩互层结构
这类岩性组合形式在滇中红层中较为普遍，地层岩性以石英砂岩、砂岩和泥岩、粉砂质泥岩呈不等厚互层结构为主，软质岩和硬质岩相间出现。在上述第一类结构地层中，局部也存在此类软硬相间砂泥岩互层的结构。软硬互层的结构在地质构造过程中容易产生层间错动，形成软弱夹层。此外，软硬互层结构中的硬岩张开构造节理发育，透水性强，常成为地表水和地下水的渗透通道，而软岩为相对不透水层，容易形成承压水。
在这类软硬相间的岩体结构类型中，砂岩、砾岩等硬岩虽然占有一定的比例，但对岩体的变形破坏却不能起到等比例影响作用，对其起控制作用的也往往是其中的泥质岩等软岩。
2.2 红层软岩物质成分特征
软岩物质组成主要包括粒度成分、化学成分和黏土矿物等。而黏粒含量、化学成分的类型及含量，黏土矿物的类型及含量对软岩的物理性质、水理性质起控制作用。分析其物质组成，对于揭示软岩的物理、水理性质有重要的意义。
2.2.1 矿物组成
滇中地区中生代红层包括中生代的砾岩、砂岩及泥岩等，其矿物组成主要为石英、长石、方解石和黏土矿物，各矿物含量多大于5%，其次是燧石和云母，含量小于5%，滇中红层矿物组成详见表1。
从表1可见，随着碎屑岩颗粒变细，岩石中的黏土矿物呈现逐渐升高的趋势。石英及长石的含量在砂岩、砾岩中高于在泥岩、泥质粉砂岩中。此外，岩石中方解石含量较高，且常常以胶结矿物形式存在。这说明研究区内碎屑岩多以钙质胶结为主，其强度较硅质、铁质胶结的差。而砾岩中方解石和碳酸盐岩成分较高，其中钙质为胶结物，而部分则以灰岩质砾石的形式存在于红层中，因此，砾石的强度和抗溶蚀能力较差。
表1 滇中红层岩石矿物组成统计表
石膏、芒硝、钙芒硝、盐矿及其他岩类矿物也常出现在红层中，含盐层主要分布于粉砂岩、泥砾岩层。与非含盐地层相比，含盐地层往往可溶盐成分含量较高，更易形成溶隙、溶孔，不经增强红层渗透性，还降低了红层强度，对工程均有不利影响。
2.2.2 化学成分组成
针对滇中软岩的弱工程特性，对其化学成分也做了研究，中生代红层化学成分主要是硅、铝、钙、镁、钾、铁的氧化物，其中SiO2含量最高，约占一半以上，它以复杂黏土矿物、原生硅酸盐矿物和游离氧化硅等形态而存在。其次是Al2O3和CaO，分别占15%和10%左右，滇中红层化学成分组成见表2。
表2 滇中红层化学成分组成统计表
Al2O3是黏土矿物复杂体的基本组分和原生硅酸盐的组分，CaO主要是以碳酸盐形式存在。再者是Fe2O3和K2O，Fe2O3是影响泥（页）岩颜色的主要成分，K2O是以钾离子形态为黏土矿物所吸附，是水云母和黏土云母的组成部分。
3 红层软岩物理力学特性研究
3.1 红层软岩物理性质
滇中红层软岩主要为泥质岩类，强度低、空隙度大、胶结程度差、受构造切割及风化影响显著，或含有膨胀性黏土矿物，岩体的环境效应和时间效应明显，具有较低的承载能力和较大的变形。试验研究成果表明：滇中红层天然含水率、孔隙率均较低，密度在2.6～2.7g/cm3，物理性质随岩性不同而变化，各项物理性试验统计平均值详见表3。
表3 滇中红层软岩物理性试验统计表
3.2 红层软岩力学性质
3.2.1 单轴抗压强度
根据各试样的破坏形态，将滇中红层软岩的破坏形式大致分为三类：片状剥落型，一般发生这种破坏形式，强度都不高，在初期应力较小的阶段就开始出现零星的片状脱落，到其破坏时，试样中部出现大量的片状碎岩石，并且有明显的体积膨胀；剪切破坏型，红层泥岩在加载过程中因斜截面抗剪强度达到峰值而出现一个甚至多个剪切面；压致拉裂型，这种破坏形式的试样通常抗压强度相对其他红层软岩较高，岩体较为完整，微裂隙少，粉砂质成分含量较高，其峰值抗压强度通常在35～50MPa，试验结果详见表4、图1。
表4 滇中红层软岩单轴抗压强度试验统计表
3.2.2 三轴抗压强度
从某种意义上讲，软岩在三轴应力状态下所表现出的强度与变形特征才是软岩力学属性的真实反映，因此研究软岩的三轴力学特性对滇中红层软岩来说具有十分重要的意义。利用MTS815岩石力学试验系统对滇中红层软岩进行了不用围压条件下三轴抗压强度及变形测试。试验得到各组软岩在三轴应力作用下的应力—应变全曲线，如图2所示。
对比单轴抗压强度试验，泥岩的抗压强度明显降低，在6.89～7.44MPa，黏聚力受胶结物质的不同差异较大，介于3.27～13.93MPa；粉砂质泥岩及泥灰岩抗压强度相差不大，试验结果详见表5。
图1 部分软岩单轴抗压试验结果
图2 各地层三轴抗压试验应力—应变曲线
表5 滇中红层软岩三轴抗压强度试验成果表
4 红层软岩水理特性研究
4.1 软化性
红层软岩的黏土矿物含量高，且含可溶物质，黏土矿物具有表面积大、亲水性强、离子交换容量大等特点，因此水对软岩的强度削弱作用相对较大。对红层软岩取样进行了室内软化试验，在水中浸泡48h以上再测定其饱和抗压强度，试验结果见表6。
试验可见，滇中红层软岩在经过自由浸水48h后，其单轴抗压强度缩小，软化系数为0.34～0.66，遇水软化效应明显。
4.2 膨胀性
滇中红层软岩富含以石英、云母为主的碎屑矿物和以伊利石、高岭石为主的黏土矿物，这些矿物颗粒细小，亲水性比较强，当水渗入岩石的孔隙中时，细小颗粒的吸附水膜便会增厚，引起软岩的体积膨胀。在滇中红层软岩中起膨胀作用的黏土矿物主要为蒙脱石和伊利石，这些黏土矿物存在于紫红色泥岩及砂砾岩胶结物中。岩石的膨胀还与胶结物成分及含量、胶结程度有关，钙质含量高则岩石具有相当的稳定性，沿线部分钙质胶结的地层，膨胀性不是很明显。另外，红层软岩的膨胀力因其风化程度和含水量不同而有较大的差别，全风化泥岩的膨胀力较弱风化泥岩膨胀力大，资料表明前者较后者大1～4倍，微风化红层的结构基本未遭受破坏，其膨胀性受到约束而难以发挥。
表6 滇中红层软岩软化性试验统计表
4.2.1 自由膨胀率
对泥岩、粉砂质泥岩、泥灰岩取样进行自由膨胀率试验，试验成果见表7。
表7 自由膨胀率试验结果统计表
由试验结果可见，各软岩地层均具有一定膨胀性，是因为软岩中含有一定量的亲水性矿物，对水较为敏感，在蒸馏水中浸泡均会产生一定的膨胀变形。但由于岩性较软，自由膨胀速率并不是呈线性变化，自由膨胀率随时间先增大后减小，这是由于试样长时间浸泡，表面发生崩解，产生负变形造成的。
4.2.2 膨胀压力
针对不同地层中的泥质岩共采集了20组岩样进行了膨胀压力试验，试验成果见表8。由表可见，泥质岩膨胀压力总体均不大，正常值均不大于760kPa，白垩系地层中的泥质岩膨胀压力一般小于300kPa，侏罗系地层中的泥质岩膨胀压力部分大于500kPa。异常值主要原因是所取样品裂隙较多，试样破碎，导致膨胀压力较大。
表8 滇中红层软岩膨胀压力试验结果统计表
续表
4.2.3 膨胀性分级评价
综合国内外膨胀岩分级方法，如文江泉、韩会增提出的膨胀性软岩分级方法，孙晓明提出的强膨胀性软岩分级方法，提出滇中红层膨胀性软岩分级标准，详见表9。按照此标准，结合试验成果进行软岩膨胀性分级判别，结果见表10。
可见，滇中红层软岩以弱膨胀—中等膨胀为主，局部具有强膨胀性；中等膨胀（局部强膨胀）软岩均位于侏罗系地层，白垩系地层中均为弱膨胀。
表9 滇中红层膨胀性软岩分级标准表
续表
表10 滇中红层软岩膨胀性分级判别统计表
4.3 崩解性
岩石的崩解受黏土矿物含量及类型、胶结物类型及固结程度等因素的综合影响。一般膨胀矿物高的岩石浸水后岩石结构易遭受破坏产生崩解，钙质胶结的岩石具有一定的稳定性，崩解性弱，胶结程度越差，则越易崩解。沿线软岩以钙质胶结为主，耐崩解性较好，部分地层以泥质胶结为主，崩解明显。另外，软岩崩解性与微裂隙发育有关，对于微裂隙发育的岩块，崩解明显。
从试验成果可见，耐崩解性差异较大，部分试样第2次循环即已完全崩解，发生完全崩解的试样占试验总数的1/3，结果见表11。
表11 滇中红层软岩耐崩解性试验成果表
续表
5 红层软岩变形特性研究
5.1 压缩流变特性
通过以上的单轴流变试验方案，目前可得出滇中红层泥岩的压缩蠕变量—时间关系曲线（图3）、压缩蠕变位移—时间关系曲线（图4）。
图3 压缩蠕变量—时间关系曲线
图4 压缩蠕变位移—时间关系曲线
通过压缩蠕变位移—时间关系曲线的每个突增点曲线（图4）进行拟合分析，得出在非变加速时期压缩蠕变位移量（ε）与时间的关系式（t）为：
式(1)中参数取值见表12。
表12 式（1）中参数取值表
得出在变加速时期压缩蠕变位移量（ε）与时间的关系式（t）为：
式(2)中参数取值见表13。
表13 式（2）中参数取值表
5.2 剪切流变特性
图6为利用 Boltzmann 线性叠加原理处理后的分别加载剪切蠕变曲线，图7为等时应力—应变曲线，图8为剪切蠕变速率与时间关系曲线。
图5 压缩蠕变位移—时间关系模拟曲线
图6 分级加载剪切蠕变图
通过剪切流变成果图分析，可以得出以下结论。①如图6所示，加载荷载从第一级到最后一级，剪切蠕变变化量在加载初期突增，在加载中后期依次出现平缓、微微上翘和陡升三种现象；还可以看出随着正应力的增大，剪切强度的级数增多，剪切强度增大。②如图6所示，位移—剪切强度曲线为非直线，说明饱水泥岩剪切流变是非线性的。③如图6所示，随着剪切蠕变位移增长，剪切强度速率先增大后减小，则从速率变化的临界点找出饱水泥岩的长期强度分别为180kPa与480kPa，由此可以看出，饱水泥岩的强度非常低，界于非泥岩流变长期强度与泥土长期强度之间。④如图7所示，随着时间的增大，位移—剪切强度曲线后期越来越靠近水平线，说明饱水泥岩的非线性是随着时间变强的。⑤如图8所示，时间—速率图近似为 “桶”状，左侧曲线表明，剪切蠕变前期剪切蠕变量陡增；中间曲线平缓，表明剪切蠕变中间蠕变量不变或缓慢变化；右侧曲线表明，剪切蠕变后期蠕变量陡增，直至试样破坏。
图7 等时应力应变曲线
图8 剪切蠕变速率与时间关系曲线
自然状态下的泥岩三轴实验得出的剪切强度明显大于饱水状态下的泥岩流变试验得出的剪切强度，说明在水的作用下，泥岩的剪切强度大幅度降低；由竖直强度与剪切强度的关系式可知，在水的作用下，泥岩的黏聚力和摩擦力大幅度降低，推测泥岩剪切面富含亲水胶结物，并且与水反应强烈。
6 红层软岩隧洞存在的工程地质问题
6.1 软岩大变形问题
红层软岩隧洞围岩岩体破碎、节理裂隙发育，强度低，属软岩；围岩膨胀性不大，但崩解性高，部分区段富含地下水，主要为基岩裂隙水和孔隙水，岩体遇水极易软化，呈现出强烈的崩解性；围岩的可塑性高，岩体在高地应力的作用下会发生不可逆的变形:岩体的流变性显著，岩石的本构关系时间效应明显。软岩大变形一般埋深效应明显，变形量大，变形持续时间长，径向变形特征明显，主要表现为拱顶下沉、边墙内挤、洞底隆起，对隧洞结构稳定影响较大。隧洞开挖后应力重分布，红层软岩因其岩体强度低围岩受拉或受压易产生塑性区，导致围岩和支护结构发生变形，随着塑性区扩大，围岩变形加剧，侵入隧洞净空，不得不进行二次扩挖；甚或变形太大使支护失去效用，形成塌方等地质灾害。
6.2 围岩稳定问题
滇中红层软岩是一种特殊的岩类，从岩石固有的特性来说，它具有软的形态，而从工程应用的观点来看，它又是“弱”的，它具有较低的承载能力和较大的变形性，在工程力的作用下，具有明显的塑性变形或黏塑性变形特征。“软”体现了岩体的内在特性，即岩石的硬度欠缺;“弱”体现了软岩在应用方面的能力，即对于承受外载荷，它的承载能力和抗变形能力都较差。因此，可将软岩分为地质软岩和工程软岩。在工程实践中，我们着重研究的是工程意义上的软岩。
由于软岩中泥质矿物成分和结构面决定了软岩的力学特性，显示出可塑性、膨胀性、崩解性、流变性和易扰动性的特点，从而导致软岩隧洞围岩的破坏形式主要有:塑性挤压流动破坏、剪切流动破坏、块体滑动和塌落、层状岩体的弯曲折断、碎裂岩体的松动解脱、剪切破坏及塑性变形、潮解膨胀破坏等。
6.3 处理措施建议
隧洞断面形状要尽量与围岩压力分布适应，宜采用圆形、椭圆形或马蹄形等曲线形断面。在不使围岩发生有害松散变形的前提下，容许围岩发生较大的变形，以充分发挥围岩的自承作用，减少支护抗力，使喷锚支护达到经济合理，安全可靠。因此，设计断面尺寸必须在开挖净空轮廓的基础上，预留围岩周边相对位移变形量。支护设计要遵循重视监控量测、分期支护、先柔后刚的指导思想。初期支护应采用既具有一定柔性又能快速实施的喷锚支护，包括可缩式钢拱架，使围岩塑性区得到一定的发展，以完成适度的岩体应力释放和卸压作用，二次支护的作用是承受长期蠕变阶段的围岩压力，以保证洞室围岩的长期稳定，可采用网喷、钢拱架喷混凝土或现浇、预制块钢筋混凝土复合结构。
7 结语
滇中红层以河、湖相沉积为主，喜山运动强烈褶皱造山后，则以湖泊、沼泽相为主，含煤、石膏和盐岩等。红层软岩岩相组合以软硬相间为主，泥质岩类对岩体结构起控制作用。矿物组成主要为石英、长石、方解石和黏土矿物（绿泥石、高岭石为主），黏土矿物含量一般为5%～50%，最高可达 53%，石膏、芒硝、钙芒硝、盐矿及其他岩类矿物也常出现。滇中红层软岩通常具有以下特性：①抗剪、抗压强度低，抗滑和承载能力差，泥岩湿抗压强度平均值为9～11MPa，部分为5MPa左右；②变形模量小，易产生较大的变形，湿弹性模量E50平均值10GPa左右；③透水性弱、亲水性强，遇水易软化，失水易崩解，软化系数一般为0.4～0.7，以弱膨胀—中等膨胀为主，局部具有强膨胀性；④流变效应明显，长期强度一般为单轴抗压强度的70%。
在红层软岩中开展深埋长隧洞工程势必会遇到各种复杂的工程地质问题，较为突出的工程地质问题主要表现为围岩稳定问题和软岩大变形问题，在设计及施工过程中应结合滇中红层软岩其特殊的工程地质特性，提出科学、合理的工程处理措施及建议，为确保滇中引水工程经济安全地施工及运行提供重要的理论指导和技术支撑。
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