膨脹巖試驗(yàn)設(shè)備改進(jìn)與評(píng)價(jià)研究

吳會(huì)東

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司， 天津 300251)

膨脹巖屬軟巖中的特殊類型，含有較多親水礦物，親水性異常強(qiáng)烈，含水率變化時(shí)體積發(fā)生較大變化，變形受約束時(shí)產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力。膨脹巖復(fù)雜的工程特性，易誘發(fā)各種嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，使得膨脹巖問題成為工程界最為關(guān)注的問題之一。伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，越來越多的工程建設(shè)不可避免地穿越膨脹巖土地區(qū)，其災(zāi)害防治問題日益突出。如何在勘察設(shè)計(jì)階段及時(shí)發(fā)現(xiàn)并選擇相應(yīng)的試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試方法對(duì)膨脹巖進(jìn)行試驗(yàn)研究，確定其主要技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)而做出準(zhǔn)確的性質(zhì)判斷和評(píng)價(jià)，為工程設(shè)計(jì)預(yù)防措施提供可靠的參數(shù)，是膨脹巖分布地區(qū)各類工程建設(shè)必須解決的主要問題。

1 國內(nèi)巖石膨脹性試驗(yàn)現(xiàn)狀分析

目前，膨脹巖的判定和評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有飽和吸水率、膨脹力、膨脹率、自由膨脹率等。在國內(nèi)現(xiàn)行的巖石試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程中，巖石飽和吸水率的試驗(yàn)設(shè)備和操作比較簡單，主要采用煮沸法或真空抽氣法，強(qiáng)制飽和后測(cè)定即可。巖石自由膨脹率試驗(yàn)通常采用自由膨脹率試驗(yàn)儀(如圖1所示)，巖石側(cè)向約束膨脹率試驗(yàn)通常采用側(cè)向約束膨脹率試驗(yàn)儀(如圖2所示)，巖石體積不變條件下膨脹壓力試驗(yàn)通常采用巖石膨脹壓力試驗(yàn)儀(如圖3所示)。3個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目在不同的試驗(yàn)設(shè)備上完成，每臺(tái)設(shè)備都有各自要求的部件組成和試件尺寸，都配有各自的測(cè)量和試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)設(shè)備投入成本高，占用空間大。同時(shí)，由于不同設(shè)備和測(cè)量裝置對(duì)試件的形狀和尺寸要求不同，使得同一巖層膨脹性試驗(yàn)所需試件較多，即便是同一工程的一組試件也要分別制樣，才能滿足不同膨脹性試驗(yàn)的要求，且還會(huì)因試件的差異降低試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性，給巖石膨脹性試驗(yàn)的精度和準(zhǔn)確性造成一定的影響。

M.金屬板；P.透水板；S.巖石試樣；G.橡膠板；W.水；D.指示表圖1 自由膨脹率試驗(yàn)儀

1.盛水器；2.環(huán)力；3.傳遞活塞；4.測(cè)微表；5.表架；6-試樣；7-底座；8-底盤圖2 側(cè)向約束膨脹率試驗(yàn)儀

1.螺母；2.平墊圈；3.橫梁；4.螺母和；5.擺柱；6.接頭；7.壓力傳感器；8.上壓板；9.金屬透水板；10.試件；11.套環(huán)；12.調(diào)整件；13.容器圖3 巖石膨脹壓力試驗(yàn)儀

1.龍門架；2.加荷手輪；3.測(cè)力傳感器；4.加壓桿；5.垂直千分表； 6.加壓頭；7.飽和水箱；8.金屬套環(huán)；9.巖石試樣；10.水平千分表圖4 多功能巖石膨脹試驗(yàn)儀

本文結(jié)合鐵路項(xiàng)目膨脹性巖石的判別和評(píng)價(jià)需求，介紹了一種新研制開發(fā)的集巖石自由膨脹率試驗(yàn)、巖石側(cè)向約束膨脹率試驗(yàn)、巖石體積不變條件下膨脹壓力試驗(yàn)3項(xiàng)試驗(yàn)功能為一體、具有自動(dòng)采集處理功能，且簡單方便的多功能巖石膨脹試驗(yàn)儀(如圖4所示)。采用同一臺(tái)儀器和同一套測(cè)量裝置，經(jīng)不同組合，可分別進(jìn)行巖石自由膨脹率、巖石側(cè)向約束膨脹率和巖石體積不變條件下膨脹壓力3項(xiàng)試驗(yàn)。由于試驗(yàn)采用的巖石試件系列相同，且在同一臺(tái)儀器上進(jìn)行試驗(yàn)，不僅大大簡化了試驗(yàn)儀器的配置、操作和管理，減少了設(shè)備的投入成本和占地空間，還因采用的測(cè)量裝置具有相同的精度、穩(wěn)定性和可靠性，從而最大限度地提高了試驗(yàn)成果的同一性和可比性，對(duì)提高巖石膨脹性試驗(yàn)的試驗(yàn)可操作性、試驗(yàn)質(zhì)量以及試驗(yàn)精度起到了積極作用。

2 巖石膨脹性試驗(yàn)設(shè)備的對(duì)比分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程推薦的膨脹性試驗(yàn)設(shè)備

目前,現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50266-2013《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[1]和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB 10115-2014《鐵路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》[2]、JTGE 41-2005《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》[3]、DL/T 5368-2007《水電水利工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》[4]等對(duì)巖石膨脹性試驗(yàn)的試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)設(shè)備都有明確規(guī)定。各標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程推薦的膨脹性試驗(yàn)設(shè)備的組成都大同小異，試驗(yàn)方法、條件和技術(shù)要求也基本相同，但對(duì)試件尺寸的要求略有不同。現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程巖石膨脹性試驗(yàn)試件尺寸如表1所示。

表1 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程巖石膨脹性試驗(yàn)試件尺寸表

2.2 多功能巖石膨脹試驗(yàn)儀

根據(jù)國家和行業(yè)現(xiàn)行巖石試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程的技術(shù)要求，對(duì)目前市場在售的巖石自由膨脹率試驗(yàn)儀、巖石側(cè)向約束膨脹率試驗(yàn)儀和巖石膨脹壓力試驗(yàn)儀進(jìn)行集成和改進(jìn)，開發(fā)研制了一種多功能巖石膨脹試驗(yàn)儀。該多功能巖石膨脹試驗(yàn)儀可在同一儀器設(shè)備完成不同膨脹性試驗(yàn)項(xiàng)目，且實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集處理，提高了試驗(yàn)效率。

該套儀器主要由垂直測(cè)力與加荷裝置、垂直反力龍門架、垂直變形測(cè)量裝置、多用途儲(chǔ)水箱與水平變形測(cè)量裝置、豎向預(yù)置壓力加荷組件和由對(duì)開模與開口環(huán)刀組成的金屬套環(huán)共6部分組成。其中，水平變形測(cè)量裝置、豎向預(yù)置壓力加荷組件和組合式金屬套環(huán)經(jīng)簡單的組合搭配，即可適用于常見的φ50 mm、φ74 mm和φ93 mm 3個(gè)鉆探巖芯直徑系列，每個(gè)直徑系列由級(jí)差為1.0 mm的多個(gè)不同直徑試件進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn)、側(cè)向約束膨脹率試驗(yàn)和體積不變條件下膨脹壓力試驗(yàn)，擴(kuò)展了單臺(tái)試驗(yàn)儀器的使用功能，擴(kuò)大了巖石膨脹性試驗(yàn)的試件直徑范圍。多功能巖石膨脹試驗(yàn)儀試件尺寸如表2所示。

表2 多功能巖石膨脹試驗(yàn)儀試件尺寸表

2.3 巖石膨脹性試驗(yàn)儀優(yōu)缺點(diǎn)分析[5]

2.3.1市場在售巖石膨脹性試驗(yàn)儀

目前，市場在售的巖石膨脹性試驗(yàn)儀器有固定型號(hào)和成型的部件，可隨時(shí)購買使用，節(jié)約儀器購置時(shí)間。但也存在以下不足：

(1)巖石自由膨脹率試驗(yàn)、巖石側(cè)向約束膨脹率試驗(yàn)和巖石體積不變條件下膨脹壓力試驗(yàn)需由3種不同的儀器來完成，所需試驗(yàn)儀器數(shù)量多，儀器購置投入成本大，占用空間大。

(2)野外采取的巖石樣品一般為鉆探巖芯，個(gè)別為塊狀，不滿足試驗(yàn)所需試件的要求，需在室內(nèi)使用鉆石機(jī)、鋸石機(jī)、磨石機(jī)進(jìn)行二次加工，增加了試驗(yàn)工作量和試驗(yàn)難度。

(3)市場在售的巖石側(cè)向約束膨脹率試驗(yàn)儀和巖石體積不變條件下膨脹壓力試驗(yàn)儀提供的金屬套環(huán)尺寸固定，內(nèi)徑一般為50 mm，而野外和室內(nèi)加工的試件一般采用φ50 mm鉆頭鉆取，巖芯直徑范圍為49.3～50 mm，且受巖石軟硬程度、鉆石機(jī)轉(zhuǎn)速、壓力大小等因素的影響，試件與金屬套環(huán)內(nèi)壁有較大空隙。試驗(yàn)過程中很難達(dá)到無側(cè)向膨脹和體積不變的要求，從而影響到試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和精度。若為減小試件與金屬套環(huán)之間的空隙添加普通金屬片，當(dāng)巖石膨脹后，空隙中的水被擠出，則影響試件與水的直接接觸，從而影響到試件充分吸水膨脹的效果。

(4)目前，巖石側(cè)向約束膨脹率試驗(yàn)和巖石體積不變條件下膨脹壓力試驗(yàn)所使用的金屬套環(huán)為封閉型的，試驗(yàn)結(jié)束后，巖石膨脹會(huì)造成試件與套環(huán)抱裹緊固，無法及時(shí)拆卸，影響下一次試驗(yàn)的使用。

(5)膨脹壓力試驗(yàn)采用螺桿式加壓模式，絲扣與螺桿之間存在間隙，因巖石膨脹量較小，在試驗(yàn)過程中，這種間隙常常會(huì)在加壓環(huán)節(jié)造成試驗(yàn)失敗或使同一組試件的試驗(yàn)結(jié)果離散性較大，直接影響對(duì)巖石膨脹性的評(píng)價(jià)。

2.3.2多功能巖石膨脹試驗(yàn)儀

本文介紹的新研制開發(fā)的多功能巖石膨脹試驗(yàn)儀具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)一臺(tái)試驗(yàn)儀可分別完成巖石自由膨脹率試驗(yàn)、巖石側(cè)向約束膨脹率試驗(yàn)和巖石體積不變條件下膨脹壓力試驗(yàn)，儀器購置投入成本和占用空間都較小。

(2)研制的由對(duì)開模和開口環(huán)刀組成的金屬套環(huán)，滿足現(xiàn)行巖石試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程對(duì)試件側(cè)向約束和體積不變的技術(shù)要求。對(duì)開模和開口環(huán)刀均采用專利技術(shù)，既能滿足巖石側(cè)向約束膨脹率試驗(yàn)和巖石體積不變條件下膨脹壓力試驗(yàn)對(duì)試件施加無窮大側(cè)向約束力的要求，又能使試驗(yàn)過程中試件與水直接接觸，達(dá)到試件充分吸水膨脹的效果，提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

(3)通過對(duì)開模和開口環(huán)刀進(jìn)行不同組合，多功能巖石膨脹試驗(yàn)儀可適用于直徑為φ50 mm、φ74 mm和φ93 mm 3個(gè)鉆探巖芯直徑系列，每個(gè)系列又可分為多個(gè)不同直徑的試件。因此，野外鉆探中取得的巖芯，直接進(jìn)行橫向切磨后，即可作為多功能巖石膨脹試驗(yàn)儀的試驗(yàn)試件，減少了二次加工的工作量和加工難度，提高了試驗(yàn)效率。

(4)膨脹性試驗(yàn)完成后，由對(duì)開模和開口環(huán)刀組成的金屬套環(huán)可輕松打開，拆卸試件，隨時(shí)進(jìn)行下一次試驗(yàn)。

多功能巖石膨脹試驗(yàn)儀目前尚未形成批量生產(chǎn)，雖可根據(jù)客戶要求定制，但儀器制造需要一段時(shí)間，無法滿足急需客戶的需求。且多功能巖石膨脹試驗(yàn)儀仍采用螺桿式加壓模式，需進(jìn)一步研究改進(jìn)其加壓模式，以提高試驗(yàn)的成功率，減少試驗(yàn)結(jié)果的離散性。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)改進(jìn)后的多功能巖石膨脹試驗(yàn)儀和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程推薦的膨脹巖測(cè)試設(shè)備進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下主要研究結(jié)論：

(1)多功能巖石膨脹試驗(yàn)儀改變了現(xiàn)行試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程中分別使用三種儀器進(jìn)行巖石自由膨脹率試驗(yàn)、巖石側(cè)向約束膨脹率試驗(yàn)和巖石體積不變條件下膨脹壓力試驗(yàn)的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)了1臺(tái)儀器可完成3項(xiàng)膨脹性試驗(yàn)項(xiàng)目的功能，做到了多功能集成化，方便了操作，減少了設(shè)備的投入成本和占用空間，提高了試驗(yàn)的精度、穩(wěn)定性和設(shè)備的使用效率。

(2)多功能巖石膨脹試驗(yàn)儀擴(kuò)大了試件直徑的適用范圍，且可直接利用地質(zhì)鉆探采取的巖芯，僅對(duì)鉆探巖芯進(jìn)行橫向切磨，即可滿足膨脹性試驗(yàn)的技術(shù)要求，減少了試件的二次加工環(huán)節(jié)和工作量，提高了試驗(yàn)效率。

(3)多功能巖石膨脹試驗(yàn)儀使用組合式金屬套環(huán)，滿足各直徑巖石試件進(jìn)行側(cè)向約束膨脹率試驗(yàn)和體積不變條件下膨脹壓力試驗(yàn)時(shí)，施加無窮大側(cè)向約束力的技術(shù)要求，解決了完成膨脹性試驗(yàn)后，因巖石試件膨脹造成的與整體試模抱緊而難于拆卸的難題。

(4)需進(jìn)一步研究改進(jìn)多功能巖石膨脹試驗(yàn)儀的加壓模式，提高試驗(yàn)的成功率，減小試驗(yàn)結(jié)果的離散性，為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)巖石膨脹性提供更可靠的依據(jù)。