滇中紅層泥巖與其重塑土的膨脹力研究

賴遠超，鄧 輝，蘇 航，王紅娟

(成都理工大學環境與土木工程學院，四川 成都 610059)

滇中紅層泥巖具有工程力學性質差，遇水易崩解膨脹的特點。膨脹性的泥巖，其主要礦物為蒙脫石、伊利石、綠泥石及高嶺石，其中含蒙脫石類的泥巖膨脹性較不含蒙脫石類泥巖強[1]。國內外學者從不同角度對泥巖的膨脹性做了一定的研究，何沛田[2]等研究了四川省中江縣馬鞍山引水隧道的黏土巖在水的長期滲透作用下,巖體產生膨脹變形。蘇航[3]等通過膨脹試驗，發現紅層軟巖巖樣在浸水初期膨脹力急速增長，之后逐漸降低并趨于穩定狀態。劉曉麗[4]等通過試驗研究，得到修正的膨脹巖一維膨脹本構模型。張云杰等[5]采用膨脹儀研究了重慶地區的泥巖膨脹特性，研究結果表明：泥巖的膨脹率主要受其地質年代、礦物組成、及含水率的影響。蘇永華等[6]利用分形理論分析崩解機制研究軟巖膨脹崩解力學機制，認為軟巖的吸水膨脹崩解是軟巖屬于多重分形。刁心宏等[7]研究不同溫濕度條件下，泥巖吸水特性及膨脹特性的規律，得出在不同溫濕環境下吸水曲線可分為劇烈吸水、減速吸水以及吸水平衡3個階段。馬麗娜等[8]對重塑土的不同含水率及干密度條件下的膨脹力進行研究，得出重塑土與實測原狀泥巖對比誤差在5%左右，可用于預估不同含水率的原狀泥巖所具有的膨脹力大小。

本文通過分別測定滇中紅層泥巖與其磨碎做成的重塑土的膨脹應力，再結合泥巖的密度、孔隙率等因素來分析泥巖的膨脹應力，進而為滇中應水工程隧洞的開挖提供參考意見。

1 泥巖膨脹力的測定

本文的巖樣取自螺蜂山隧洞，是泥質含量較高的粉砂質泥巖。用蠟封法處理巖芯，帶回實驗室制成50mm×50mm的試樣5個，試樣編號分別為J2Z-2-1、J2Z-2-2、J2Z-2-3、J2Z-2-4、J2Z-2-5，試樣測定尺寸、質量見表1。通過YYP-50型巖石膨脹壓力試驗儀(圖1)來測定泥巖的膨脹應力，進而得出泥巖時間～膨脹應力關系(圖2)。

表1 試樣尺寸、質量

由于在試驗過程中J2-2-4樣品破損嚴重，故而未得它的時間～膨脹應力圖，總結試驗結果見表2。

表2 試驗結果數據

從圖2和表2綜合分析可知，滇中紅層泥巖在前0.5 h內快速吸水，且產生的膨脹應力約為最終膨脹應力的95%。J2Z-2-2試樣的時間～膨脹應力曲線分為快速膨脹、減速膨脹與平衡膨脹3個階段，而J2Z-2-1、J2Z-2-3與J2Z-2-5試樣只經歷快速膨脹與平衡膨脹2個階段，分析可能是后3個試樣的孔隙貫通率優于前一個試樣。而試樣的最大膨脹應力與最小膨脹應力相差1 348.35 kPa，推測為J2Z-2-3試樣中的蒙脫石、高嶺石等親水物質的數量遠遠多于其他試樣，屬于偶然情況，也說明螺蜂山隧洞地區局部存在高膨脹應力。剔除J2Z-2-3試樣，可得試樣的平均膨脹應力為424.74 kPa。

2 重塑土膨脹性研究

重塑土的試驗樣品是將從螺蜂山隧洞取的粉砂質泥巖搗碎成粒徑小于0.25 mm的碎粒，加入蒸餾水將其碎土粒配制成含水率為8%、9%、10%以及15%的原狀土若干，根據配制的試樣密度的不同，分別制成尺寸為30 cm2×2 cm的重塑土。重塑土的材料是由原狀粉砂質泥巖搗碎而成，故而，重塑土的最大值近似于泥巖中所有親水物質產生的膨脹總應力。

本試驗采用的儀器是GDG系列型高壓固結儀(圖3)，通過繪制試驗中的土樣膨脹率(縱坐標)與壓應力(橫坐標)的關系曲線圖可找出重塑土樣的膨脹應力，即曲線與橫坐標的交點處數值。重塑膨脹土的膨脹率與壓應力的關系圖為對數函數關系圖，函數關系式為：

y=Aln(x)+B

(1)

式中x——壓應力；y——膨脹率；A、B——試驗參數。

其中密度為2.2 g/cm3、含水率為10.16%的膨脹率與壓應力關系曲線可見圖4，其余密度、含水率條件下的相關數據見表3。

表3 不同密度、含水率條件下的膨脹力數據

通過對不同密度、含水率與膨脹應力的數據分析，由1stOpt擬合得出膨脹應力與對應的密度和含水率的關系式為：

P=32.34+2314.48·(100·ω)-10.36·

(100·ω)·(100·ω)-518.52·ρ

(2)

式中P——重塑土膨脹應力;ω——重塑土的含水率；ρ——重塑土的密度。

3 泥巖與重塑土膨脹力關系研究

通過對比分析泥巖與其重塑土的膨脹力可知，泥巖的平均膨脹力為424.74 kPa，而重塑土的膨脹力在90～250 kPa范圍內，泥巖的平均膨脹力遠遠大于其重塑土的膨脹力，說明泥巖的膨脹力的大小不僅取決于泥巖內親水礦物質的多少，還受到物質結構、密度、含水率以及與水接觸的接觸面大小的影響。

由表1中5個試樣的試樣面積可計算得出試樣底面和頂面接觸水的平均接觸面面積為4 199.84 mm2，而重塑土的底面與頂面接觸水的接觸面積為6 000 mm2，定義接觸面關系的表達式為：

(3)

式中α——泥巖與其膨脹土與水接觸面面積的比例系數;S1——泥巖試樣與水平均接觸面面積；S2——泥巖重塑土與水接觸面面積。由式(3)可計算得出滇中紅層泥巖與其重塑土與水接觸面面積比例系數為0.69。

由表1中5個試樣的試樣面積與試樣高度可計算得出試樣的平均體積為98.125 cm3，而重塑土的體積為60 cm3，定義體積的關系表達式為：

(4)

式中β——泥巖與其膨脹土的體積比例系數；V1——泥巖試樣的平均體積；V2——重塑土的體積。由式(4)可計算得出泥巖與其膨脹土的體積比例系數為1.64。

由表1中5個試樣的試樣空隙度可計算得出試樣的平均空隙度為11.85%，而重塑土的空隙度可由式(5)計算。

(5)

式中e——重塑土的孔隙度；ds——土粒相對密度(此處取2.65)；ω——含水率；ρω——水的密度；ρ——土的密度。由式(4)可計算出膨脹土的平均空隙度為46.41%，定義孔隙度的比例系數為：

(6)

式中γ——孔隙度比例系數；e1——泥巖的平均孔隙度；e2——重塑土的平均孔隙度。進而由式(6)可計算得空隙比例系數γ為4.18。

試樣孔隙度大小和與水接觸面面積大小，都會促進試樣吸水的進程，可知試樣接觸面面積、孔隙度與試樣含水率相關，而試樣的體積大小同樣也影響著試樣的密度。則可將泥巖的含水率與密度通過系數轉換為重塑土的含水率與密度，進而可計算出泥巖的近似膨脹力的大小，可得泥巖膨脹力的表達式為：

(7)

式中P——泥巖膨脹應力；γ——孔隙度比例系數；ω——泥巖天然含水率；α——接觸面面積比例系數；β——體積比例系數；ρ——泥巖天然密度。

對式(7)進行驗證計算，結果見表4。

表4 計算數據

由表4可知，擬合的泥巖膨脹力表達式計算出來的數據可信率在92.9%以上，可見此擬合表達式貼合實際情況，具有較高的工程參考價值。

4 結論

本文通過試驗來研究滇中紅層的膨脹應力，進行數據分析可得以下結論。

a) 滇中紅層泥巖試樣的時間～膨脹應力曲線一般分為快速膨脹、減速膨脹與平衡膨脹3個階段或者快速膨脹與平衡膨脹2個階段，由于隧洞內親水物質分布的集中偶然性，可能會出現部分試樣的膨脹應力過大，可達1 600 kPa，而大部分試驗樣品平均膨脹應力約為424.74 kPa。

b) 紅層泥巖搗碎制成的重塑土的壓應力與膨脹率呈對數關系，測出重塑土的膨脹應力范圍為91.84～234.38 kPa，遠遠小于泥巖的膨脹力，分析是重塑土的體積、密度、含水率以及與水的接觸面積和泥巖的不同所導致。

c) 通過對膨脹土的含水率、密度與膨脹應力的數據進行分析，可知含水率與密度是耦合的，并不是單一的決定膨脹應力的大小。通過1stOpt擬合出重塑土的膨脹應力與含水率、密度的函數關系式。

d) 在重塑土的膨脹應力與含水率、密度的函數關系式基礎上，通過考慮泥巖與其重塑土之間的與水接觸面積比例系數、體積比例系數以及孔隙度比例系數，進而將重塑土的膨脹應力與含水率、密度的函數關系式推廣到泥巖的膨脹應力與含水率、密度的函數關系式。通過計算可知，計算值的可信度在92.9%以上。

本文進行的試樣樣品數量較少，得出的結論僅適用于本文，如若不適合求取其他泥巖的膨脹應力，則需要讀者進行具體分析。