沉积结构面对岩体力学性质的影响

沉积结构面对岩体力学性质的影响结构面是决定岩体力学性质的重要因素。岩体的力学性质一方面受岩石材料性质的影响，另一方面受结构特征(结构面方向、性质、密度(间距)和组合方式等)和赋存条件(地应力、地下水和温度等)的控制。在探索影响岩体力学性质各因素力学效应方面，前人对构造结构面做了大量的观测和模拟试验研究，取得了不少成果。沉积结构面是在沉积作用过程中形成的，其与成岩后所形成的构造结构面是有区别的，对岩体力学性质的影响也各不相同。沉积结构面分布广，延展好，通常是具有高度贯通性的结构面，岩体强度相对较低。沉积结构面的存在削弱了岩体的力学强度，控制着岩体的变形和破坏规律。布克林斯基用衰减函数描述了岩体内部移动等值线。当考虑岩体分层性时，计算出的移动等值线不是平滑的，而是出现折线形状，线的转折发生在两个岩性不同的接触面处应用一种实验模型计算了组合层状岩体的强度。GerrardC.M.(1982)给出了以复合材料为基础的混合层数学模型。潭学术(1994)探讨了层状复合岩体的宏观强度及其当量物理力学性质，对不同岩石组成的层状岩体，在假设层内均质条件下，给出了三维应力状态最大应力理论的强度条件表达式邓喀中(1993)在现场实测、相似模拟试验和计算机模拟基础上，获得了层面滑移规律，分析了层面对岩层及地表移动的影响。过去，在分析岩体工程地质问题时往往忽视了原始沉积作用这个主要因素，使对解决问题的认识受到局限。到目前为止，对沉积结构面的几何形态和力学性质的描述依然十分粗糙，沉积结构面对岩体力学性质影响尚缺乏可靠的实验依据。因此，有必要从沉积结构面的成因类型入手，研究沉积结构面对岩体力学性质的影响，获取符合实际的工程岩体力学参数，建立可靠的沉积岩体结构力学理论和方法，已成为当前沉积岩体力学研究的重要课题，这将使得复杂的地下工程设计与施工决策更趋于合理与可靠。一、沉积结构面的成因类型沉积结构面是在沉积建造阶段，即在沉积过程中、成岩作用结束之前所形成的构造。沉积结构面按其成因与特征可分为以下几种类型1.层理层理是沉积岩区别于岩浆岩、变质岩的最主要的客观标志，是最重要的原生构造。沉积岩的层理是由其成分、结构、颜色以及结核、包体等在垂向上的变化所表现出来的成层现象。层理的出现说明沉积条件的变化，沉积岩体因层理的存在而显出非均一性。层理可进一步划分为细层、层系和层系组。层理面是指层系的上、下界面，层系上下之间的距离为层系厚度。根据层理面上的强度特征可将层理分为弱面型与非弱面型。非弱面型层理是在水动力较强，且变化不大，或者说是在持续较强的水动力条件下形成的，并保存在砂岩和粉砂岩中的沉积构造，如一些交错层理。岩体受力变形过程中一般不会沿这些层理面破坏，这表明此类层理的细层之间粘结坚硬致密。因此这种类型的层理对岩石(体)力学性质影响不大，如研究区内分流河道砂岩和一些决口扇砂岩常见此型层理发育。弱面型层理是在水动力强弱交替的条件下形成的。当水动力弱时形成泥质、云母片、植物碎屑和碳质等定向排列而呈现层理。这类层理的细层之间粘结较弱，形成沉积弱面，如交错层理、砂纹层理、潮汐层理、互层层理和水平层理等。岩体受力变形过程中，岩体易产生垂直于沉积结构面的张性破坏或沿沉积弱面的剪切破坏。层系或层系组界面和岩层面以及不整合面也均为沉积构造弱面，对岩石(体)力学性质具有重要影响。如老顶砂体对直接顶及煤层冲刷形成的界面，由于砂岩与泥岩力学性质差异较大，岩性交界面粘聚力差，砂体下直接顶泥岩层往往易离层破坏。因此，在成岩作用过程中，其接触面附近常发育有较多的垂直于接触面的原生裂隙，进一步造成岩体的不连续性，对顶板稳定性产生重要影响。2.岩层面岩层(Strata)是指那些顶面和底面由两个沉积不连续面所限定的沉积物层，或者指那些由连续沉积作用形成的层理面所限定的沉积物层，或者那些由一个沉积不连续面与一个沉积连续面所限定的沉积物层。因此，岩层面为岩层的顶界面和底界面。层面可能是由于程度不等的长期沉积作用中断所引起，也可能由于沉积物岩性及岩石学特征的相继迅速递变所引起。3.不整合面为较大的不连续面，上下地质时代不连续，存在明显的沉积间断和地层缺失。根据形态特征及成因，不整合面可分为平行不整合、角度不整合和冲刷不整合。在煤层顶板岩体中，常常存在河流冲刷作用(包括河流同生冲蚀和后生冲蚀)，冲蚀接触面凹凸不平，犬牙交错，冲蚀带边界断裂发育。这些将对岩石(体)力学性质产生重要影响。4.软弱夹层沉积岩体中软弱夹层实质上是具有一定厚度的岩体软弱结构面。它与围岩相比，具有显著低的强度和显著高的压缩性，其抗压、抗剪和抗拉强度均低于围岩。在采动影响下，软弱夹层易于沿层面脱落。原生软弱夹层是岩体中最薄弱的部位，也是后期改造中性能最易恶化的部位，对岩体稳定性起着极为重要的控制作用。二、沉积结构面对岩体力学性质的影响力学强度理论指明，应力集中在键、槽等连接处。在构造应力作用下，在岩性—岩相变化处(如层理面和相变带)岩体产生大量的裂隙—从微观裂隙到区域构造断裂。1.由沉积结构面导致的各向异性层理构造是沉积岩的最基本特征。沉积岩体中的层理面在地质上代表的是一种沉积环境向另一种沉积环境过渡的转换面，代表一个沉积间断面，其形态具有多样性。层理面上常可见大量植物碎屑和云母片等软弱成分的定向排列，在力学上属于一种软弱结构面。当顶板悬空时，沿层理面易出现离层而发生顶板冒落。在室内对层状岩石进行了试验研究，结果表明，加载方向不同，岩石表现出不同的力学性质，如图1—图3以及表1所示。由这些图表可归纳出如下规律：（1）无论在垂直层面方向，还是平行层面方向，碎屑岩单轴抗压强度和弹性模量值均随Ф值增大而降低，当Ф值增大到5Ф时(相当于细粉砂岩)，直至达到一个稳定的较小强度和刚度值。且服从指数函数关系：S=a𝑒𝑏∅式中：S为垂直层面方向或平行层面方向上碎屑岩单轴抗压强度值(MPa)或弹性模量值(GPa)；Ф值为碎屑颗粒粒径。（2）垂直层面方向加载时的弹性模量比平行层面方向加载时的弹性模量低(图1)。这是因为层面间结合力较差，甚至有空隙。因此，垂直层面方向易被压缩，应变量大。岩石的抗压强度表现为：平行层面方向加载时的抗拉强度大于垂直层面方向的抗拉强度(表2)；而平行层面方向加载时的抗压强度与凝聚力小于垂直层面方向的抗压强度与凝聚力。纵波速度和动弹模亦表现出垂直于层面方向比平行于层面方向低的特征，且各向异性指数表现出顶底板泥岩层明显大于老顶砂岩。这是由于顶底板泥岩层面富集植物碎屑和碎片以及水平层理发育所致。由此可知，由于沉积岩体中层面和层理的存在，沉积岩体的力学性质明显地表现为各向异性或横观同性特征。在煤炭开采过程中，随着工作面的推进，顶板沉积岩层经历了一个在煤壁前方支承压力作用下的压缩(密)变形和沿层面方向的剪切滑移变形，最后在采空空间易于沿层面产生拉张离层破坏的过程。2.沉积结构面对岩体中应力分布的影响沉积岩体变形与破坏是受岩体的力学强度和岩体中应力分布所决定的。对于沉积岩体，由于沉积结构面的存在不但对岩体的力学强度产生影响，而且对岩体中应力分布产生重要影响。原苏联学者E.G.Gaziev和S.A.Enlikhman(1971)采用石膏一硅藻土矩形棱柱体组成两组结构面正交的结构体模型，模拟了沉积岩体中应力分布随结构面产状而变化的情况。其中一部分应力直接沿贯穿性结构面限定的岩块内传播，一部分垂直于贯穿性结构面方向传播，这样出现了应力分叉现象。三、结论1.沉积结构面为沉积岩体所具有的特征。层系或层系组界面和岩层面以及不整合面也均为沉积构造弱面，它们对岩石(体)力学性质具有重要影响，使岩体力学性质呈各向异性。2.垂直层面方向的纵波速度和弹性模量要比平行层面方向低；平行层面方向的抗拉强度要大于垂直层面方向；而平行层面方向的抗压强度与凝聚力小于垂直层面方向,这使沉积岩体力学性质具有明显的各向异性。沉积结构面凝聚力低，切向刚度远远小于法向刚度系数，沉积岩体易于产生垂直于结构面方向的张性破坏和沿结构面方向的剪切破坏。3.对于沉积岩体，沉积结构面的存在不但对岩体的力学强度产生影响，而且对岩体中应力分布产生重要影响。这表现为：在相同应力作用下，当地层倾角小于45°时，应力在岩层中的传播表现为垂直层面的传播深度大于平行层面方向；当地层倾角大于45°时，则相反。当地层倾角为45°时，应力在岩层中的传播表现为垂直层面的传播深度与平行层面方向相同。4.在煤炭开采过程中，层面及其倾角大小将控制着回采工作面底板岩层的变形与破坏深度；随着工作面的推进，煤层及其顶底板岩层经历了一个在煤壁前方支承压力作用下的压缩(密)变形和沿层面方向的剪切滑移变形，最后在采空空间沿层面产生拉张离层破坏的过程。