軟弱岩石形成原因、定義與特性

Barton(1993)提出砂岩的形成為經過齡化作用、緩和之成岩作 用、長久之固結作用三大階段，而膠結不良砂岩則是由於經歷固結作 用階段時間短而不能完全發揮顆粒膠結與互鎖完好之成岩作用。

Dobereiner 等人(1986)則認為軟弱岩石的成因來自土壤岩化作用或是 變質岩及火成岩經風化作用而來，如圖 2. 1。因此推測年輕地層之膠 結不良砂岩是由於疏鬆的沉積物經壓密作用、填充作用與膠結作用等 成岩作用而形成，未經過熱與壓力才能引發的岩化作用，故無法形成

堅硬的岩石。

圖 2. 1 軟弱岩石成因示意圖(改繪自 Dobereiner et al., 1986)

國際岩石力學學會(ISRM)依據完整岩石的單軸抗壓強度(qu)將大 地材料加以分類，如圖 2. 2。單壓強度分佈在 0.5MPa 至 25MPa 之間 可歸類為軟弱岩石。ISRM 定義之軟弱岩石單壓強度範圍涵蓋了堅硬 黏土(Hard Clay)、極軟弱岩石(Extremely Weak)、非常軟弱岩石(Very Weak)以及軟弱岩石(Weak)等部分。

Bieniawski(1984)建議軟弱岩石的單壓強度介於 1 至 25MPa 之 間。圖 2. 3 為 Bieniawski(1984)整理各文獻對軟弱岩石的分類定義，

從圖中可看出各家之軟弱岩石分類標準有些許出入。國際土壤力學及

基礎工程協會(ISSMFE)技術報告中，亦將軟弱岩石定義為單軸抗壓 強度介於 0.5MPa 至 25MPa 的大地材料。下限為 0.5MPa 的理由，是 一般黏土的單壓強度通常都低於 0.5MPa；而上限的決定則沒有較明 確的依據，但考量材料工程行為以及綜合其他各家的分類方式，

25MPa 是一般所認同之合理單壓上限強度值。

圖 2. 2 ISRM 建議之大地材料單壓強度分類分級圖(Johnston, 1993)

圖 2. 3 岩石材料依單壓強度之分級圖(Bieniawski, 1984)

由國內外文獻針對軟弱岩石之特性，整理說明如下：

1. 軟弱岩石性質介於土壤與岩石之間：Johnston (1993)認為此材料宜 同時兼用土壤力學與岩石力學的觀點來考慮。因此，膠結不良砂 岩相較於土壤而言，是較硬、較脆、較具膨脹性且為不連續的材 料；相較於岩石而言是強度較低、較具延展性、較具壓縮性且較 易受孔隙水所影響。Dobereiner et al.(1986)亦認為此材料力學特性 介於土壤及岩石之間。赤井浩一(1993)也發表相似之結論。

2. 膠結不良：赤井浩一(1993)認為軟弱岩石顆粒間的膠結易受環境的 影響而劣化，而 Oliveira(1993)指出軟弱岩石容易因乾濕循環而產

生消散現象(slaking)，此現象與礦物組構的排列有關。岩石的強 度、硬度與膠結物的種類及含量有很大的關係。

3. 高孔隙率：Oliveira(1993)指出軟弱岩石具有高孔隙率，其孔隙可 能來自於因淋濾作用(leaching)，造成材料組成礦物流失，而產生 孔隙(void)或者是因風化作用而發生材料衰退劣質化現象所造成 的裂縫(fissures)。因孔隙率高，吸水能力也相對較高，吸水率在 10%至 20%之間(赤井浩一, 1993)。

4. 孔隙水之影響：Bell (1993)針對膠結不良砂岩做研究，發現飽和時 的膠結不良砂岩之力學性質，與乾燥時的膠結不良砂岩有相當明 顯的差異。以單壓強度而言，飽和過的膠結不良砂岩之單壓強度 會比乾燥的膠結不良砂岩之單壓強度減少約 35%(如圖 2. 4 所示)，

而楊氏模數也是氣乾後之膠結不良砂岩明顯比飽和膠結不良砂岩 大的多。另外，柏松比則是飽和試體較大於乾燥試體，飽和試體 的破壞應變，亦明顯大於氣乾試體。此外，相較於一般岩石，膠 結不良砂岩則較具壓縮性，容易產生較高的孔隙水壓，且因為膠 結不良砂岩本身強度較弱，更凸顯孔隙水壓對膠結不良砂岩的影 響性(Johnston, 1993)。Johnston and Choi(1986)以人造膠結不良岩石 (synthetic soft rock)進行單壓與張力試驗，飽和含水量越高，則單 壓與張力強度愈越低。Lin and Hung(1982)指出，膠結不良岩石浸

水弱化的主因，乃由於：(1)水分對岩石內部黏土礦物產生潤滑作 用；(2)岩石內部膠結物質因浸水而崩解(dissolution)。

圖 2. 4 乾燥(實線)與飽和(虛線)之膠結不良砂岩單壓試驗結果(Bell, 1993)

5. 高變形性：Oliveria(1993)認為軟弱岩石在應力狀態或含水量改變 時，所產生的變形量較一般岩石為大，而高孔隙率亦是造成此材 料變形性大的原因；若軟弱岩石含有較多的黏土膠結成分，則易 造成遇水膨脹或產生解壓回脹的行為。他認為軟弱岩石變形模數 在 500-5000MPa 之間，若在此岩層上構築大型建築物，因變形模 數範圍甚大，所以也會對建築物之基礎設計造成頗大的影響。

6. 小應變之線性應力-應變行為：一般建築物構築於軟弱岩石地層上 所造成之地盤變形並不大，因此由小應變量測得到之變形模數來

預測地表的變形或是建築物的位移較為適宜。而軟弱岩石在微小 應變 0.001%以下的應力-應變呈線性關係(Tatsuoka and Kohata, 1995)。一般未使用小應變量測所求得之軟弱岩石勁度較小。Kim 等人於 1994 年指出軟弱岩石小應變之楊氏係數(Emax) 和現地剪力 波速所得之

E

f非常一致，表示彈性模數可利用室內的靜態試驗求 得，而室內具圍壓下之超音波試驗得到的彈性模數(Ed)則略大於

E

max和

E

f。在小應變下排水或不排水試驗得之

E

max是相似的。無 圍壓(Ed值)比有圍壓(Ed值)小，此種差別對風化度大的砂質泥岩比 泥岩試體大，結果顯示試體會受取樣形成的裂縫影響，若要用室 內試驗結果推估現地行為，回復現地應力狀態相當重要，而無圍 壓壓縮試驗大大低估了現地小應變時的勁度。在應變達 0.1%即一 般在軟弱岩石地層工作載重造成的最大應變或應力達尖峰強度的 一半時，Esec仍大約是

E

max的一半。Emax對壓縮強度的比值大約是

400 到 1000 之間。Hight(1995)指出細微裂縫及其對圍壓的反應在 軟弱岩石應力應變特性上有支配性的影響，由圖 2. 5(a)可看出裂縫 會降低勁度，特別在小應變範圍，且加大非線性段。圍壓的增加 可使微裂隙閉合而讓小應變範圍之勁度增加，直到微裂隙全部閉 合為止，如圖 2. 5(b)。另外，非線性段對取樣造成的擾動非常敏 感，所以進行室內試驗時必須回復現地應力。綜上所述，軟弱岩

石之小應變行為對於一般工程的應用較具意義，因此，對於小應 變行為之研究也就更顯重要。

圖 2. 5 微裂縫及圍壓對軟弱岩石應力應變特性影響(Hight, 1995)

在文檔中 膠結不良砂岩的淺基礎承載力 (頁 34-41)