西寧盆地新近系膨脹泥巖膨脹特性研究

黃如玉， 孫靖杰， 李 先

(西南交通大學地球科學與環境工程學院, 四川成都 611756)

膨脹泥巖是指含有大量親水礦物，且與水發生接觸時會引起體積變化的一類巖石。大多數浸水容易崩解且易于膨脹，產生裂紋，強度很低，容易引發工程事故，給人民帶來損失和不便。我國正處于高速發展鐵路行業的時期，對高鐵路基設計提出了更高標準和要求，重中之重就是要確保鐵路泥巖路基的膨脹變形量，基于此，勢必需要投入大量的研究以保證對其膨脹性能的掌握。

從Holz、Gibbs[1]最早開始研究膨脹土的脹縮效應以來，國內外開展較多的一方面是泥巖遇水作用的研究工作。水-巖作用研究[2-4]主要是研究泥巖基于吸水試驗導致微觀結構變化的研究，水溶液離子濃度及成分的改變對泥質巖膨脹性能的影響，泥質巖遇水之后引起巖石的抗壓抗剪強度以及摩擦角變化的一系列過程。另一方面對泥巖膨脹性能影響因素做了大量研究[5-11]。但是綜合四個要素對膨脹泥巖膨脹性能影響評價研究相對較少。本文主要是以西寧盆地膨脹泥巖為研究對象，綜合四個因素，指定一個要素，控制其他要素，系統地分析黏土礦物含量、初始干密度、初始含水率、碎屑礦物粒徑四個內在影響因素指標綜合影響下對膨脹泥巖的膨脹特性影響關系，并且結合重塑試樣試驗研究，得出膨脹泥巖膨脹性與影響因素的成因規律。

本文對膨脹泥巖的原狀巖樣進行細致的描述，開展室內試驗研究，利用皮爾森指數客觀解釋膨脹泥巖膨脹性能影響因素的關系。進一步結合重塑樣試驗的數據結果，得到影響膨脹泥巖膨脹性能的主要影響因素。

1 泥巖的基本調查情況

對研究區內的5組巖樣主要物理參數進行試驗分析，原狀巖樣的基本情況見表1所示，據分析結果可知：(1)新近系膨脹泥巖初始含水率主要在2 %～8 %之間，依次為：N-3>N-4>N-5>N-1>N-2；(2)巖石初始干密度偏小，多居于1.8～2.1 g/cm3，黏土礦物含量成分占比偏高，都在40 %以上。

由XRD分析結果可以看出泥巖礦物成分基本相同，以伊利石為主，含少量的綠泥石和高嶺石，含量卻差別較大，部分巖石的黏土礦物含量占比超過了60 %(表2)。碎屑礦物以石英為主。

表1 原狀巖樣的基本情況

從掃描電鏡圖片可以看出，黏土礦物多是顆粒狀或者片狀的形態。研究區泥巖以平片狀的基本單元體疊聚而成。根據XRD分析的結果可知，這些平片狀物質可能為伊利石礦物，形成了大量的自相集聚的以伊利石-蒙脫石為主的黏土基質，從而會使得巖石表現出較強的膨脹潛勢[13]。

5個原狀巖樣的顆分曲線也不盡相同(圖1)。據圖可知，分為三類，N-1、N-3分選較好，碎屑礦物粒徑較細。N-2、N-5分選較差，碎屑礦物粒徑較粗。N-4介于二者之間。

對泥巖的基本物理性質摸底后，進行膨脹特性試驗，泥巖膨脹率試驗結果及分析見表3所示。

結果表明：結合野外調查，西寧盆地新近系膨脹泥巖普遍具有膨脹性，膨脹率的范圍在1.026 %～12.539 %，依次為N-1>N-3>N-2>N-5>N-4，可以看出N-1和N-4的膨脹率相差很大。

表2 新近系膨脹泥巖XRD礦物成分[12]

圖1 原狀巖樣顆粒級配曲線

巖樣N-1N-2N-3N-4N-5膨脹率/%12.5394.4275.4651.0263.468

結合SPSS軟件，對研究區膨脹泥巖影響參數進行相關性分析，其結果見表4所示。結果表明膨脹泥巖的膨脹率與黏土礦物含量，初始干密度呈正的顯著性相關性(R=0.870，0.792)，與碎屑礦物粒徑呈負的顯著性相關性(R=-0.738)。

表4 研究區膨脹泥巖影響成分Pearson相關系數

2 重塑樣試驗分析

對于原狀巖樣總結出的單一指標對膨脹特性的影響的相關性，這其實是不準確的，每一個原狀巖樣都很難去遵循控制變量法，為了驗證膨脹特性是否與這四個要素緊密相關，需要設置重塑樣平行試驗。

因為土的初始干密度在1.5～1.8 g/cm3之間，所以試樣初始干密度范圍應為1.5 g/cm3、1.6 g/cm3、1.7 g/cm3、1.8 g/cm3；原狀巖樣的初始含水率在2 %～8 %之間，在重塑試樣參數選擇上，為了使分析結果更具有區分度，初始含水率為8 %～20 %；碎屑礦物粒徑有0.5～5 mm；黏土礦物含量為20 %～65 %的重塑試樣，共計192個試樣。制樣是在蒸餾水飽和環境下進行實驗，試驗的初始含水率的控制主要是通過噴壺均勻的撒在土樣上，調勻，接著密封24 h。對測試結果進行擬合，以初始干密度在其他三種因素作用下對膨脹率的影響分析(圖2)為例，進行重點解析。

圖2 初始干密度在其他三種因素作用下對膨脹率的影響分析

對初始干密度在其他三種因素作用下對膨脹率的影響進行分析，得出y=ax+b的擬合公式，擬合參數a0.6>a1>a2.5>a4>0，a12%>a8%>a16%>a20%>0，a50%>a65%>a35%>a20%，a均大于0，說明為一增函數，初始干密度的增大對膨脹率始終是促進作用。即無論在何種條件下，初始干密度的增大會使膨脹率變大。

對黏土礦物含量在其他三種因素作用下對膨脹率的影響進行分析，得出y=ax+b的擬合公式，擬合參數a值均是大于0，說明為一增函數，即無論在何種條件下，黏土礦物含量的增加對膨脹率都起到促進作用。并且初始干密度增大會使得a值增大，碎屑礦物粒徑減小也會使得a值增大，初始含水率在12 %時，曲線坡度最陡。說明了初始干密度增大，碎屑礦物減小，會加劇膨脹率隨黏土礦物含量增大的趨勢，初始含水率在12 %時，加劇的趨勢最為明顯[12]。

對初始含水率在其他三種因素作用下對膨脹率的影響進行分析，得出初始含水率均在12 %時取得最大膨脹率，說明初始含水率的增大對膨脹率并不是單純的促進或者抑制的作用。從折線上來看，本身并沒有存在很好的相關性，因此沒有對其圖像進行擬合。越過12 %這個點之后，很明顯的規律是初始含水率的增大對膨脹率起到抑制的作用。初始含水率為12 %是個極其重要拐點，初始含水率在拐點前起到促進作用，在這之后則是抑制作用。

對碎屑礦物粒徑在其他三種因素作用下對膨脹率的影響進行分析，得出y=ax+b的擬合公式，a值均小于0，為一減函數，說明無論何種情形下，碎屑礦物粒徑的增大對膨脹率起到的均是抑制作用。當黏土礦物含量為50 %時，對膨脹率隨碎屑粒徑下降的趨勢減弱最明顯。

3 討論與分析

結果討論：初始含水率對膨脹特性的影響存在一個臨界值，在臨界值之前，黏土礦物在低初始含水率的情況下黏土礦物膨脹勢能釋放的少，膨脹潛勢較大。而隨著初始含水率的增大到臨界值，黏土礦物和碎屑礦物的膨脹勢能逐漸被平衡。越過這個臨界值后，初始含水率對膨脹率的影響恢復正常，隨著初始含水率的增大，黏土礦物勢能釋放的越多，膨脹率越小，起到抑制作用。而本研究初始含水率為12 %時，剛好達到了黏土礦物勢能和碎屑礦物勢能的平衡點。

初始干密度的增大始終對膨脹率起到促進作用，相同體積下，干密度越大，意味著黏土礦物越多，對膨脹率起到促進作用，因此初始干密度對膨脹率的促進作用，本質上還是黏土礦物含量起到的作用。

碎屑礦物粒徑的增大始終對膨脹率有抑制作用，碎屑礦物的粒徑越小，膨脹率越大，雖然碎屑礦物粒徑不會改變黏土礦物的膨脹勢能，但是碎屑礦物越小，黏土礦物與碎屑礦物相互依存，起到膠結作用越良好，接觸更加緊密并且均勻。而碎屑礦物粒徑越大，黏土礦物跟碎屑礦物接觸不好，當侵入水分時，黏土礦物隨水流帶走，碎屑礦物失去膠結、塌軟，向底部沉積，喪失骨架，從而導致膨脹率的增長趨勢沒有碎屑礦物粒徑小的試樣的膨脹率大。

4 結 論

(1)試驗結果發現，膨脹泥巖的膨脹率與黏土礦物含量、初始干密度的關系呈現顯著的正相關關系，而與顆粒粒徑呈顯著的負相關關系，并且是良好的線性相關。

(2)影響西寧盆地膨脹泥巖膨脹率的根本因素是黏土礦物含量，黏土礦物含量的增大始終對膨脹泥巖膨脹率起到促進作用，原因在于黏土礦物含量越高，泥巖具有的膨脹勢能越大。初始干密度的增大始終對膨脹泥巖膨脹率起到促進作用，影響機制本質上和黏土礦物含量影響機制相同。

(3)初始含水率及碎屑礦物粒徑對膨脹泥巖膨脹率影響機制不同，初始含水率的增大會釋放掉部分黏土礦物的膨脹勢能從而影響膨脹率的變化趨勢，而碎屑粒徑的增大是從結構上影響黏土礦物膨脹勢能，進而影響膨脹率的變化趨勢。

(4)本文還未對溫度壓強作用對黏土礦物膨脹勢能的影響進行分析，接下來還應做進一步研究。