貴黃高速公路沿線二疊系泥巖膨脹特性研究

符嘉望 遲 帥

1 廣東省地質局第八地質大隊 廣東 梅州 514089 2 廣東省地質局第十地質大隊 廣東 中山 528429

目前，關于膨脹巖土的定義，國內外學者尚存在不同的認識，但一致認為膨脹巖的工程特性，主要受膨脹巖土的微小粘粒影響，正是由于這些富含大量親水礦物的微小粘粒的存在，使膨脹巖土在工程實踐中，表現出顯著的變形特性[1]。

膨脹巖（土）的膨脹特性，一方面受到溫度、壓力等外部地質環境的作用，另一方面，也與其本身的礦物組成、干密度、碎屑顆粒粒徑、初始含水率等內部因素密切相關，在外部因素與內部因素共同作用下，導致膨脹巖土具有膨脹特性[2]。

1 礦物化學成分

粘土礦物和碎屑礦物是貴黃高速二疊系泥巖的主要組成成分，其中，粘土礦物主要包括蒙脫石、伊利石和高嶺石等親水性礦物；碎屑礦物主要有石英、長石和云母。經檢測，中風化泥巖中石英含量可達62.5%～70.2%。伴隨著風化程度的加深，原生礦物中的石英含量降低到48.6%～58.2%，減幅達17.1%，而粘土礦物（蒙脫石、高嶺石、伊利石）含量大幅提高，上升到35.6%～41.8%[3]，隨著泥巖的風化強度由中風化逐漸轉變為強風化，云母、褐鐵礦等次生礦物的含量也有不同程度的增加，強度高的穩定礦物（石英）含量減少，降低了巖石的力學性能和穩定性。

表1 二疊系泥巖巖礦分析結果表

2 膨脹特性試驗設計

針對泥巖的膨脹特性，本次研究設計了自由膨脹率試驗、側向約束膨脹率試驗和膨脹壓力試驗。

2.1 自由膨脹率試驗

巖石的膨脹性，可以取巖石的軸向自由膨脹率和徑向自由膨脹率，在無側向約束條件下的最大值，進行判定[4]。選取直徑為60 mm，高徑比為1:1的圓柱體泥巖巖芯，作為試驗的試件。將制備好的試件置于自由膨脹率試驗儀上，并將大小等于試樣直徑、被保鮮膜包裹的透水板，分別放置在試件上下兩側，采用橡皮筋固定。其中，試件上方的透水板頂部，再放一塊500g的金屬薄板。最后，在試件的上部和巖石側向位置各安裝一個千分表。夾放薄銅板在千分表表頭與試樣之間，減少試件與千分表表腳直接接觸，造成的試驗誤差。每隔 10min記錄千分表讀數一次，若連續3次試驗讀數不變，說明試塊已妥當安裝[4]。將蒸餾水緩慢加入至盛水容器內，試樣上部的透水板徹底被水面淹沒時，停止加水。試驗過程中，為維持容器內水位不變，應及時加入蒸餾水，并使水溫變化小于 2℃。試驗開始的1h內，每10min，記錄一次千分表的讀數；以后每隔1h，測讀一次巖石的軸向和徑向變形。直至在所有的千分表中，連續3次讀數差值不超過0.001 mm，巖石膨脹變形作用結束。試樣浸水后的試驗時間不得少于48h[5]。

2.2 側向約束膨脹率試驗

巖石的側向約束膨脹率，為在軸向被施加固定荷載(5kPa)且受到側向約束條件下，試樣浸水后試樣軸向變形與原高度的比值。

室內條件下，將保持天然含水狀態的巖芯，制備成直徑為60mm，高20mm的圓柱體。試驗前，在側向約束試驗儀器的金屬套環內側涂抹凡士林，減少巖石與金屬環相互摩擦。重復自由膨脹率試驗中，在試件上下方，放置透水板的操作。在試樣頂部安裝，能對試樣產生5kPa持續壓力的金屬荷載板，并安裝垂直千分表。夾放薄銅板在千分表表頭與試樣之間，避免試件與讀數儀器直接接觸，造成的試驗誤差。每隔10min，測讀千分表一次，若連續3次讀數穩定不變，說明試塊已妥當安裝[4]。將蒸餾水緩慢加入至盛水容器內，試樣上部的透水板徹底被水面淹沒時，停止加水。試驗過程中，為維持容器內水位不變，應及時加入蒸餾水，并使水溫變化小于2℃。后續測讀記錄過程與自由膨脹率試驗一致。試樣浸水后的試驗時間不得少于48h[5]。

2.3 膨脹壓力試驗

試驗前，在側向約束試驗儀器的金屬套環內側涂抹凡士林，減少巖石與金屬環相互摩擦，將制備好的試件置于自由膨脹率試驗儀上，并將大小等于試樣直徑、被保鮮膜包裹的透水板，分別放置在試件上下兩側，采用橡皮筋固定。將加壓系統和測量試件變形的千分表加裝在膨脹力試驗儀上，使儀器各部位和試件保持在同一軸線上，減少偏心載荷的出現。記錄施加10kPa的載荷壓力時，千分表和測力計的讀數，每10min測讀1次，直至連續3次讀數保持不變。夾放薄銅板在千分表表頭與試樣之間，避免試件與讀數儀器直接接觸，造成的試驗誤差。每隔 10min，測讀千分表一次，若連續3次讀數穩定不變，說明試塊已妥當安裝[5]。將蒸餾水緩慢加入至盛水容器內，試樣上部的透水板徹底被水面淹沒時，停止加水。試驗開始時，每10min測讀一次千分表，連續3次讀數差值小于0.001mm時，改為每1小時測讀一次數；當連續3小時，千分表讀數差值小于0.001mm時，記錄載荷值。相鄰3次讀數差值不大0.001mm，即認為巖石膨脹變形作用結束。試樣浸水后的試驗時間不得少于48h[5]。

3 試驗結果分析

3.1 自由膨脹率

巖石自由膨脹率的計算公式為：

式中：Vh為軸向自由膨脹率(%)；Vd為徑向自由膨脹率(%)；H為試件高度(mm)；D為試件直徑或邊長(mm)；ΔH為試件軸向變形量（mm）；ΔD為試件徑向變形量(mm)。

由表2可知，強風化泥巖的軸向自由膨脹率為35.2%~39.2%，徑向自由膨脹率為14.3%~15.8%；中風化泥巖的軸向自由膨脹率為17.3%~19.2%，徑向自由膨脹率為7.2%~10.3%[3]。

表2 泥巖自由膨脹率試驗結果表

由試驗結果可知，兩類泥巖的Vh均遠大于Vd，貴黃高速沿線二疊系泥巖為層狀構造，且含大量的黏土礦物。進到孔隙中的水，在豎直方向向運移的速度大于，其在水平方向運移的速度，即在同樣的時間內，軸向膨脹量大于徑向膨脹量[6]。

3.2 側向約束膨脹率

巖石側向約束膨脹率的計算公式：

式中，Vhp為巖石側向約束膨脹率(%)，ΔH1為有側向約束試件的軸向變形量(mm)，H為試件高度(mm)。

由表3可知，強風化泥巖側向約束膨脹率為33.5%~38.0%，算術平均值為36.4%；中風化泥巖的側向約束膨脹率為14.3%~18.7%，算術平均值為16.5%，膨脹率較小[3]。

表3 側向約束膨脹率試驗結果

圖1 泥巖軸向自由膨脹率隨時間變化關系圖

圖2 泥巖側向約束膨脹率隨時間變化關系圖

3.3 膨脹力

由圖3可知，前2h內，兩類巖石的膨脹壓力急劇上升，其后，緩慢增長，在27h左右，達到極限值。其中，強風化泥巖的極限膨脹壓力為167.2kPa，中風化泥巖的極限膨脹壓力為93.8kPa[3]。

圖3 泥巖膨脹力隨時間變化關系圖

自由膨脹率曲線、側向約束膨脹率曲線、膨脹力曲線均可以分為三個階段：(1) 膨脹急劇階段，此階段各膨脹變形參數接近呈指數、直線型增長，膨脹劇烈。試樣被水浸潤后，水分經巖石上表面的微孔隙，在巖石內部迅速移動，增大了巖水接觸的面積。巖石與水相互作用，持續擴大微孔隙的體積，試樣急劇膨脹，變形較為顯著，這段時期內，巖石的膨脹變形量約占總變形量的80%；(2) 膨脹緩慢階段，此階段變形曲線多呈外凸弧線，膨脹減速[7]。容器內的水持續地浸入泥巖內部，巖石中的微孔隙逐漸被水充填飽和，泥巖內的可溶性物質溶水后，轉化為離子被帶走；(3) 膨脹穩定階段，巖樣微孔隙內被水完全充填，達到飽和狀態，變形曲線不再發生變化，呈一條平行于橫坐標軸的直線，巖石停止膨脹變形，該階段持續時間較長。