第1章绪论
1.1研究意义
软岩是地球表面分布*为广泛的一种岩石，其中泥岩和页岩就占地表出露岩石的50%左右。我国软岩分布范围很广，在云贵高原、湘浏盆地、四川盆地、甘肃东北部、东南沿海和东北地区都有软岩成片或零星分布，在建筑、交通、水电、矿山等工程建设中都会遇到软岩。软岩是一种在特定环境下形成的具有显著变形性质的复杂力学介质，具有可塑性、膨胀性、崩解性、流变性、大变形等特点。软岩问题在20世纪60年代就作为世界性的难题被提出来，一直是困扰生产和工程建设的重大难题之一，也是工程地质和岩体力学研究领域的重要课题之一［1］。
随着我国工程建设大规模开展，如地下空间的开发利用、大型水利水电工程的兴建、深部矿体的开采，以及核能工程的建设等，工程建设中必将遇到更多软岩问题，在工程设计和施工中只有充分考虑软岩的力学特性，才能确保工程的长期稳定和安全。因此，深入开展软岩特性的试验、理论及应用研究，变得十分重要和迫切。
宁夏固原地区（宁夏中南部）城乡饮水安全水源工程（简称“宁夏固原饮水安全水源工程”），是将宁夏固原地区南部六盘山东麓雨量较多、水量相对较丰沛的泾河流域地表水经拦截、调蓄，向北输送到固原中北部干旱缺水地区的区域性水资源优化配置工程。建设该工程，可将水质优良的泾河水资源调入宁夏中部干旱带和南部干旱山区，解决中南部地区部分城乡居民的饮用水源问题，改善当地群众的生活条件，保障城乡供水安全，提高生活水平，对促进当地经济社会进一步发展、民族团结和社会稳定、建设社会主义新农村具有重要意义［2］。
该工程输水隧洞有11座，总长达35.750km，是控制工程投资、进度和安全的关键部分。这些输水隧洞穿越地区地层主要为白垩系、第三系和第四系。其中，穿过白垩系泥岩夹泥灰岩隧洞9条，总长34.13km；第三系泥岩、砂质泥岩、泥质砂岩分布于1#隧洞前段，长度1.10km；第四系黄土洞2条，长度1.22km原工程报告中数据如此，长度有重叠。。白垩系灰质泥岩与第三系泥岩和砂质泥岩均属软岩，岩石亲水性强，具有重塑性、胀缩性、崩解性、流变性和大变形等特点，施工过程中容易引起隧洞的失稳和破坏，并可能影响隧洞的长期稳定性。为此，针对工程软岩引起的隧洞安全与稳定问题，通过试验研究和数值模拟相结合的研究方法，开展宁夏固原饮水安全工程白垩系、第三系软岩的物理力学性质试验工作，在此基础上研究软岩隧洞应力应变特征和隧道支护效果，为工程的设计施工提供依据。
在水利水电工程建设过程中，尤其是长距离调水项目，不可避免地会遇到各种各样的复杂地质体及软弱破碎岩体，本书的研究工作除用于指导工程实践外，其成果对其他类似工程也具有很好的参考借鉴价值。因此，宁夏固原饮水安全水源工程软岩特性及输水隧洞支护效果研究具有重要的工程实际价值。
1.2国内外研究现状
1.2.1软岩水理性质试验研究现状
岩石的水理性质一般是指水与岩石作用引起岩石的物理性质发生变化的一些特性，主要包括渗透性、膨胀性、耐崩解性和软化性等。这里仅介绍软岩的膨胀性和耐崩解性研究现状。
在软岩的膨胀性研究方面，Huang等［3］通过侧向约束试验，得出了*大膨胀压力与相对湿度和湿度活性指数的关系模型，并绘制了一系列湿度与膨胀压力的关系曲线，用以预测*大膨胀压力。张凤翔等［4］系统介绍了软岩膨胀应力、膨胀率试验工作原理及其测定方法，并根据实测数据研究了影响膨胀特性的各种因素。傅学敏等［5］通过大量的试验，探讨了软岩（泥岩、砂质泥岩）膨胀过程的宏观显现规律。借助扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM），分析了膨胀过程中岩石内部颗粒结构的微观变化特征，据此提出了软岩膨胀的力学模型，并阐述了软岩的膨胀机理。徐颖等［6］根据大量的软岩膨胀性试验成果，找出了软岩膨胀应力与线膨胀率、线膨胀*终饱和含水率特性曲线，给出了泥质岩干燥饱和吸水率与蒙脱石含量特性曲线的相关分析结果，采用风干或烘干的不规则试件吸水率作为对膨胀岩判别和评价的依据。陈平货等［7］针对南水北调中线工程总干渠Ⅱ渠段上第三系软岩分布的渠段，取代表性岩样试验，对上第三系软岩工程地质特性进行分析，论述了岩石的膨胀性对工程的危害。刘信勇等［8］对玛柯河为南水北调西线一期工程坝址段岩体蓄水后的膨胀性做出预测，并对影响膨胀指标间的因素做总结分析，根据软岩膨胀分级标准判断试验板岩属于非膨胀性岩石。汪亦显等［9］对膨胀性软岩双扭试件进行相同pH溶液（pH=7.7）、不同浸泡时间的亚临界裂纹扩展和膨胀特性进行试验研究，分别得到膨胀性软岩亚临界裂纹扩展速度v与应力强度因子KI之间的关系、膨胀性软岩的断裂韧度KIC，以及不同浸泡时间下的岩石试样吸水膨胀的变化。于春江等［10］系统分析了膨胀性和非膨胀性泥岩物质组成和结构、物理性质、强度特性等物理力学特性，通过自由膨胀率试验，研究了不同风化程度和种类的泥岩膨胀特性，试验结果表明，马巢高速公路沿线泥岩大都属于非膨胀性土，且随着泥岩风化程度的减弱，泥岩自由膨胀率呈现递减规律，但数值差别很小，故泥岩可作为路基填料。明建［11］针对鲁中矿业有限公司张家洼铁矿的矽卡岩和红板岩这两类软岩，采用同等条件下干湿交替的循环试验方法，进行了膨胀变形特性和释放规律的试验研究。柴肇云等［12］采用自主开发研制的软岩膨胀试验装置，对新生代煤系地层中泥质岩进行膨胀试验研究，分析了泥质岩膨胀各向异性以及循环胀缩特性，并结合SEM试验结果，探讨了膨胀各向异性和循环胀缩特性的形成机制。
在软岩的耐崩解性研究方面，Lin［13］、Qi等［14］通过X射线荧光光谱仪（X-ray fluorescence spectrometer， XRFS）、扫描电子显微镜、X射线衍射仪（X-ray diffractometer，XRD）和能量色散X射线分析技术（energy dispersive X-ray analysis technique，EDXAT），从元素、晶体结构和颗粒形态等角度分析了泥岩遇水时的水化崩解特性及原因。苏永华等［15］在室内崩解试验和大气条件模拟的渐进崩解试验中，通过跟踪崩解过程碎屑物的颗粒级别变化发现，软岩膨胀崩解过程是一个多重分形过程。颜文等［16］通过对软质岩所含黏土矿物成分类型及含量、崩解和软化特性的试验研究，分析了水对软质岩填筑路基稳定性的影响程度，研究结果对类似软岩填筑路基的适用性具有重要的参考价值。曹运江等［17］研究了岷江上游某水电站工程边坡F3断层和L9、L10、Lc、L11等软弱带内所发育的几种典型软岩岩组的崩解特性，获知该类软岩极易吸水，遇水后发生泥化、软化和崩解；并通过循环崩解试验，发现工程区内软岩的崩解度与泥质含量和崩解次数具有很好的相关性。康天合等［18］通过对黏土矿物成分以高岭石和蒙脱石为主的两种软岩崩解特性的对比试验，运用分形几何理论分析了不同初始块度和循环崩解次数的两种软岩崩解颗粒的粒径分布特性，并就这两种软岩的崩解特性差异进行了探讨。吴道祥等［19］针对红层软岩遇水易软化、崩解的特点，以铜陵—黄山高速公路汤口—屯溪段沿线的红层软岩为例，选取该路段沿线具有代表性的两类岩样（砂岩和泥岩）进行室内浸水崩解试验，分析软岩崩解过程的颗粒级配变化情况，并对比分析其崩解性能，将崩解性由强至弱划分为强崩解、中崩解、弱崩解和不崩解四个等级。钱自卫等［20］对巨野煤田深部煤系软岩遇水崩解的宏观特征及微观机理进行了分析研究。研究发现，软岩水稳性较差，在浸水后30min内即开始崩解；岩样黏土矿物以高岭石及蒙伊混层为主，结构上表现为明显的疏松性及定向排列性。王金安等［21］为研究内蒙古上海庙矿区煤系地层水岩作用特性，进行了软化、崩解试验，分析岩石遇水后强度变化特点，了解质量与崩解次数的曲线特征关系，研究结果对矿井建设及软岩巷道支护设计具有参考价值。邹浩等［22］以金沙江中游某坝基软岩为例，选取右岸坝基具有代表性的8块泥质粉砂岩岩样，分别进行干燥单轴抗压强度试验、室内干湿循环崩解和室外自然条件崩解试验。试验结果表明，干湿循环条件下岩样的崩解要比自然条件下彻底；所取岩样的初崩时间顺序、*终崩解情况与干燥单轴抗压强度、黏粒含量存在较好的相关性。黄杨胜［23］通过耐崩解试验与室内静态崩解试验对石林隧道软岩的崩解特性与机理进行了分析，研究得出石林隧道软岩崩解的机理为黏土矿物的膨胀、表面吸附的楔裂以及矿物胶结的弱化。刘鹤等［24］针对软岩遇水易崩解的特点，选取3组代表性岩样开展了不同浸水时间及多次干湿循环室内崩解试验，分析崩解过程的颗粒级配变化情况，研究耐崩解性指数变化规律；对比分析3组软岩崩解性强度，并结合岩矿鉴定结果，探讨软岩崩解强度与矿物组成的关系。潘艺等［25］根据室内软岩静态崩解和软岩碎片浸水试验以及不同浸泡阶段的软岩的成分组构扫描电镜观察试验，揭示了水-软岩界面的细观演化规律：软岩碎片间泥质填充区中水-软岩界面上的黏土颗粒在水作用下发生水化、扩散和流失，致使泥质胶结带缩减，从而引起碎片间凝聚力下降。梁冰等［26］以阜新市海州露天矿粗砾砂岩、泥岩等4种弱崩解性软岩为研究对象，进行干湿循环崩解试验，结合试样的SEM照片、矿物成分和物理指标研究崩解作用下4种软岩的形态、静态崩解指数和崩解比的变化规律。
1.2.2软岩常规力学性质研究现状
常规力学试验一直是认识软岩在复杂环境（如地下水丰富和地应力高）下力学性能的主要手段。常规力学试验主要包括单轴、三轴、剪切等试验，下面就这三方面试验研究进展进行简要论述。
在软岩单轴力学性能研究方面，Rutter［27］和Glover等［28］开展了不同含水状态下岩石的单轴压缩试验，结果表明岩石的各项力学性能指标都随含水率的增加而降低。梁卫国等［29］针对岩盐这一特殊性质的岩石，进行了基本的力学特性试验，包括单轴压缩等试验。通过试验发现，无水芒硝岩盐是一种软岩，强度较低，变形较大，在单轴压缩变形破坏过程中，具有与普通岩石试件不同的四阶段性特征。周翠英等［30］对华南地区广为分布的红色砂岩、泥岩及黑色炭质泥岩等几种不同类型的典型软岩进行了不同饱水状态的力学性质测试，重点探讨了软岩软化的力学规律。试验对各类软岩的天然状态以及饱水1个月、3个月、6个月、12个月等的状态进行采样，测定不同饱水时间点的单轴抗压强度等并分析其随饱水时间的变化规律。彭柏兴等［31］建立了湘浏盆地红层软岩单轴天然抗压强度R0与天然密度ρ0、弹性模量、旁压特征参数Pf和EM，以及弹性纵波速度vp之间的相关方程。王立平等［32］通过对兰州地区部分桥梁工程第三系软岩的单轴抗压强度试验统计分析，总结出第三系软岩的性质及变化规律。李尤嘉等［33］利用新型岩石细观力学试验系统，对石家庄—太原铁路专线太行山隧道工程6#斜井的膏溶角砾岩在单轴压缩荷载作用下的岩石细观变化过程进行了实时观测，得到不同含水状态下岩石初始损伤微裂纹的萌生、扩展、连接、贯通直至宏观破裂的数字显微和全场实时图像。闫小波等［34］以泥质粉砂岩和褐红色泥岩为对象，研究单轴压缩条件下软岩干燥和饱和状态时的各向异性力学特征，包括变形各向异性特征和强度各向异性特征。Erguler等［35］对黏土岩展开研究得出，黏土岩的弹性模量、抗拉强度和单轴抗压强度随含水率降低的衰减程度分别高达93%、90%、90%。路新景等［36］对中硬岩石和软岩/硬土进行不同尺寸试件的单轴抗压强度试验研究，结果表明，中硬岩石破坏呈典型脆性劈裂破坏特征，软岩/硬土呈现剪切破坏和部分碎裂破坏形式；无论硬岩还是软岩/硬土，单轴抗压强度的离散性与岩性和试件尺寸密切相关。刘新荣等［37］为了解芒硝的力学特性，在MTS815岩石伺服试验机上对其进行了单轴压缩试验等力学试验，并对其强度和变形特征进行了分析。分析表明，芒硝在单轴压缩下表现应变软化特性，且强度很低，属于软岩的范畴。南水北调中线工程安阳渠段在施工过程中露出大量第三系软岩硬土，在开挖工程中对岩土界限，尤其是软岩和硬岩界限
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