含水率對壩基泥巖膨脹性能的影響研究

馮紅春，楊 通

(長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

泥巖的強度和變形特性是邊坡工程中關心的重要問題。不同地區泥巖的強度及變形特性表現出極大的差異性，泥巖按照工程分類的主要指標包括泥質含量、巖石單軸抗壓強度和結構面數量[1]。膨脹性巖土是指含有較多高膨脹性的黏土礦物，并在較低的應力水平條件下容易產生變形的工程巖體[2]。而膨脹性的分級指標又包括自由膨脹率、蒙脫石的含量及干燥飽和吸水率[3]。礦物成分分析、膨脹性指標和強度參數對于泥巖的力學特性研究和工程參數選取具有重要意義。

泥巖的膨脹性系巖體在水或荷載作用下可以產生體積膨脹的性質。膨脹性因膨脹機理的不同可以被分為內部膨脹、外部膨脹和擴容性膨脹[4]。內部膨脹指水分子進入巖體內部晶胞層間而發生的膨脹現象。外部膨脹指水分子進入巖土體的顆粒間的孔隙而產生的膨脹變形。擴容性膨脹也稱應力擴容膨脹，是指巖土體受力的作用，內在裂隙擴展、連通而產生的體積變形[5- 7]。在實際工程中，泥巖膨脹變形是3種膨脹變形機制的綜合反應，在低應力水平條件下，泥巖以內部膨脹和外部膨脹機制為主；高荷載作用時，泥巖的膨脹變是擴容膨脹和內部、外部膨脹多種機制共同作用的結果[8]。

對于泥巖這種特殊的低強度巖體，水的作用是其力學和變形特性發生巨大變異性的重要因素，也是工程中泥巖邊坡失穩的常見原因[9- 11]。本文設計了不同含水率紫紅色和黃褐色2種泥巖試樣的膨脹力試驗和自由膨脹率試驗，以期獲得含水率對膨脹性參數的影響規律，為邊坡的穩定性分析和滑坡防治工作提供參考。

1 試驗材料與試驗方法

本研究的泥巖試樣取自于桂林市小溶江水利樞紐工程的邊坡，取樣后用保鮮膜進行密封以保持其天然含水率，本邊坡的泥巖主要分為2種：紫紅色泥巖和黃褐色泥巖，易破碎，節理裂隙發育，呈堅硬狀，遇水易崩解泥化。分別對2種試樣進行分析研究。在試樣進行膨脹性能測試前，先對該泥巖試樣的天然含水率、干密度、比重、滲透系數、液塑限和壓縮系數等物理性質指標進行測試，得到的結果見表1。由表1可知，通過X衍射實驗得到該泥巖的主要巖石礦物由蒙脫石、伊利石、白云石、石英和長石，主要區別在于紫紅色泥巖的白云石只有0.2%，而黃褐色泥巖達到了5.1%。

表1 泥巖的基本物理性質和礦物組成

分別采用浸水飽和法和干燥法對2種泥巖進行顆分試驗。得到的2種土的顆粒分布分布曲線如圖1所示，由不同方法得到的顆分曲線有明顯差別，干燥法得2兩種泥巖最大的粒徑均大于20mm，浸水飽和后試樣吸水膨脹，粗顆粒快速崩解成細顆粒，黃褐色的泥巖試樣在0.075mm以下的顆粒占比從4.1%增大到20.8%，紫紅色的泥巖試樣0.075mm以下的細顆粒從13.0%急劇增至67.6%。

圖1 泥巖顆粒分析曲線

對泥巖進行了X射線衍射試驗和掃描電子顯微鏡試驗，獲得了該泥巖試樣的化學物質組成和微觀結構特征。天然狀態下泥巖掃描電子顯微鏡(SEM)圖片可以看出試樣內部顆粒大多呈片狀和扁平狀，部分為粒狀如圖2所示。片狀或扁平狀的結構相互堆疊，排列緊密，顆粒之間形成面-面接觸，粒間孔隙的分布比較不均勻，部分孔隙間相互連通，形成泥巖吸水膨脹的入滲通道。豐富的微裂隙有利于水分子進入泥巖內部顆粒的晶體層中，從而擴大晶層之間的間距，使礦物顆粒自產生膨脹變形[12- 13]。泥巖中礦物成分的組成和含量、粒度以及天然含水率等是決定其膨脹潛勢的重要因素[14- 15]。

圖2 泥巖的SEM圖像

2 泥巖膨脹試驗

2.1 試樣制備

進行膨脹試驗的試樣選用直徑61.8mm、高度20mm的壓實試樣。制樣步驟為：先將取回的試樣進行風干，并碾碎過2mm的標準篩，過篩的土樣取回備用；測得2種泥巖風干后的含水率約為8.5%，試驗中設計4種含水率(12.0%、16.0%、20.0%、24.0%)，根據預定的含水率在風干樣中加入相應質量的蒸餾水，拌合均勻之后用保鮮膜密封并靜置48h，使土樣中的水分均勻分布。然后保持試樣的干密度不變的前提下，稱取適當質量的土，并倒入模具，用千斤頂施加荷載壓制成相應規格的環刀樣。

2.2 膨脹試驗的方法

2.2.1自由膨脹率試驗

巖石的自由膨脹率測試是巖試在無側限壓力狀態下，測量其軸向和橫向自由膨脹率的試驗。采用XOP- 1自由膨脹儀開展試驗。試驗方法為：先將制備好的試樣放置在自由膨脹儀的有機玻璃容器中央；再將1個千分表裝置在巖樣軸向的端部，另外4個千分表對稱裝在巖樣側面；最后在樣盒中加水至試樣被水蓋過，按照每15、30、60min的間隔讀取千分表的讀數，直到24h后讀數基本穩定。

試驗中按式(1)計算巖石的軸向和橫向自由膨脹率:

(1)

(2)

式中，vH—巖石的軸向自由膨脹率，%;vD—巖石的徑向自由膨脹率，%;ΔH—軸向變形值，mm;H—試樣的高度，mm;ΔD—試樣的平均徑向變形值，mm;D—試樣直徑，mm。

2.2.2膨脹力試驗

巖石膨脹力的試驗在YRP- 2型壓力膨脹儀上開展。試驗中，先將試樣安裝在儀器上，安裝完成后歸零千分表，并加水至蓋過試樣，保持千分表讀數穩定后讀取試樣膨脹力的大小，巖石的膨脹力計算公式為式(3):

(3)

式中，Ps—巖石膨脹力，MPa；F—軸向荷載大小，N;A—試樣的截面積，mm2。

2.3 膨脹試驗結果

按照上述試驗方法和過程對紫紅色和黃褐色泥巖各4組含水率的試樣進行膨脹力和自由膨脹率試驗，每種試驗對3個試樣開展試樣，得到結果見表2。由表2可以看出紫紅泥巖膨脹力范圍在13.181～33.812kP之間，均值為24.5kPa;黃褐色泥巖膨脹力范圍是7.807～18.912kP，均值為14.15kPa，軸向自由膨脹率范圍是1.374%～2.079%，均值為1.6%，軸向自由膨脹率范圍為0.795%～0.98%，平均值為0.89%;黃褐色泥巖膨脹力范圍在8.807～18.912kP之間，均值為14.5kPa;軸向自由膨脹率范圍是0.795%～0.980%，均值為0.86%，徑向自由膨脹率范圍為0.083%～0.201%之間，均值為0.153%。已知該巖樣的單軸抗壓強度小于25MPa，黏土礦物含量在21%～28%且自由膨脹率均小于10%。綜合以上試驗結果判斷2種顏色的泥巖均屬弱膨脹性軟巖。不同含水率試樣的組別膨脹特征參數的直方圖如圖3所示，其中1、2、3、4表示含水率為12%、16%、20%、24%的試樣，從圖中可以看出膨脹力和自由膨脹率隨含水率有一定變化規律：含水率越大，膨脹力與軸向自由膨脹率越小。從2種顏色泥巖的試驗結果直方圖還可以看出紫紅色泥巖的膨脹性質指標明顯高于黃褐色泥巖，體現了不同泥巖膨脹性質的差異性，也從側面反映了外觀顏色是泥巖內部物理性質的外在表現。

表2 膨脹特性試驗結果

圖3 膨脹力和自由膨脹率的實驗結果

另外，在泥巖試樣膨脹力試驗前后還分別記錄觀察了試樣的外觀特征。從中發現：當膨脹力小于15kPa時，在試驗結束后泥巖有泥化現象且有新裂隙產生，總體上試樣得破壞程度相對較輕；當泥巖的膨脹力大于15kPa后，試樣在試驗結束后出現崩解趨勢，破壞比較明顯；尤其當膨脹力大于30kPa時，崩解破碎得現象非常明顯。通過對實驗前后形態特點進行觀測不難發現試樣受到的膨脹力越大，對泥巖的破壞程度就越高。

3 膨脹試驗結果的分析

3.1 軸向膨脹率與膨脹力的關系

從上面的試驗研究知道該巖樣屬于弱膨脹性的軟巖，膨脹力和自由膨脹率之間具有一定的數學關系，也存在一定離散性，總體上，該泥巖試樣的膨脹力隨自由膨脹率增加而提高，如圖4所示，膨脹力與軸向膨脹率之間的線性關系比較明顯。從圖4不難看出泥巖膨脹力PS隨著軸向自由膨脹率的增大而增加，屬于正線性相關。經過線性擬合，得到了如下的線性數學方程：

Ps=a+b·vH

(4)

式中，a、b—方程的擬合參數，由試驗數據擬合得到泥巖的a=18.17，b=3.66。

由線性擬合得到的相關系數為0.953，說明膨脹力Ps和軸向膨脹力vH之間存在較好的線性關系。

圖4 軸向膨脹率與膨脹力的關系

3.2 膨脹力與初始含水量之間的關系

如圖5所示，試樣膨脹力隨初始含水率w的增大而減小，與含水率存在線性反比例關系，通過最小二乘法的數據線性回歸可得到膨脹力PS與初始含水率w存在如下近似方程:

Ps=c-d·w

(5)

式中，c、d—方程的擬合參數，由試驗數據擬合得到紫紅色泥巖的c=53.4，d=1.62；黃褐色泥巖的c=28.7，d=0.82。

圖5 含水率與膨脹力的關系

由線性擬合得到的相關系數為0.962和0.982，表示膨脹力Ps和含水率之間存在較好的線性關系。

膨脹力Ps和初始含水率w存在負線性關系，這是因為泥巖的膨脹勢與孔隙結構隨初始含水率增加而表現出來的宏觀效果。當初始含水率w較低時，巖樣在壓制過程中的阻力較大，而樣品中大孔隙的比例較高，平均孔隙直徑較大。當試樣吸水膨脹時，由于外界壓力限制作用使得內部孔隙為黏土顆粒吸水膨脹提供了入滲通道，黏土顆粒的分布在吸水膨脹后重新排列，顆粒間距減小從而減小內部的孔隙尺寸。在宏觀上表現為膨脹潛勢部分消失，這種現象可以被看作黏土顆粒在吸水膨脹后引起大孔隙的塑性變形。初始含水率增加導致內部孔隙趨于均勻，平均孔徑減小，顆粒吸水膨脹的空間隨之減小，使得泥巖內部的顆粒膨脹潛勢減小。當初始含水率較小時，黏土顆粒結合水膜較薄，分子結合水能力較強，即使泥巖內部的膨脹潛勢更大，但總體上地含水率的試樣膨脹力更大。

4 總結

為了進一步了解水利工程邊坡泥巖膨脹性的特點，設計了不同含水率泥巖試樣的軸向和徑向自由膨脹性試驗和膨脹力試驗，對試驗數據進行分析得到了如下結論:

(1)根據泥巖膨脹特性的試驗結果發現紫紅色泥巖的膨脹力和自由膨脹率均大于黃褐色泥巖。由物性試驗和膨脹試樣的結果結合工程軟巖的定義，判斷該地區2種泥巖均為弱膨脹性軟巖。

(2)從膨脹力試驗的過程中發現當泥巖受到的膨脹力越大，泥巖受荷破壞的程度越高，且發現膨脹力和軸向自由膨脹率之間有明顯的正線性關系。

(3)通過試驗發現2種泥巖的膨脹力和初始含水率存在明顯的負線性關系，試樣的初始含水率越低，其吸水能力越強，盡管低含水率試樣的顆粒膨脹潛勢損失較大，但由于結合水能力強，總體上表現為膨脹力較大。