膨脹性泥巖膨脹性試驗研究

王 晨， 郭小龍

(石家莊鐵道大學土木工程學院，河北 石家莊 050043)

我國是世界上膨脹巖分布最廣的國家之一，按照地質時代區分，早自上二疊統，晚到上第三系甚至早更新統都有，因此，膨脹巖的工程性質非常復雜。膨脹性泥巖是一種常見的軟巖，其因成分中多含有親水礦物，遇水后會產生較大的體積變化，造成泥巖崩解。在隧道施工中，膨脹性圍巖造成的隧道問題主要表現為圍巖向洞內發生大變形，使拱架變形，造成拱頂坍塌、二次襯砌開裂、仰拱隆起等問題。針對泥巖的崩解特性，國內外學者進行了大量研究：泥巖的崩解特性與泥巖的黏土礦物成分以及黏土礦物種類有關，柴肇云[1]通過泥巖崩解特性與黏土礦物種類的研究表明含蒙脫石和不含蒙脫石的泥巖崩解機理完全不同，高嶺石、伊利石等為主的泥巖崩解是由于結構缺陷中空氣被水擠壓產生應力使結構缺陷擴容引起，蒙脫石為主的泥巖崩解是由于蒙脫石遇水膨脹造成巖體差異膨脹引起。此外，外部環境對泥巖崩解特性也具有重要影響，如梁冰[2]通過試驗研究表明泥巖在酸性溶液中崩解最劇烈，其次是堿性溶液，中性溶液中崩解最為緩和。對于膨脹性泥巖工程特性的研究，主要采用試驗方法對泥巖的崩解特性、膨脹特性及力學特性進行研究[3]，而膨脹巖的工程特性影響因素復雜，其中礦物成分及黏土礦物種類、干濕循環、水環境等影響顯著。我國膨脹巖分布廣泛，礦物成分種類及含量差異性大。因此，有必要結合實際工程對其開展系統研究，為膨脹性泥巖隧道變形破壞機理和變形控制技術研究提供基礎。

1 原材料分析

1.1 泥巖原材料

試驗所用泥巖試樣取自隧道施工現場，白堊系泥巖采樣點位于甘肅白銀剪金山隧道出口附近處山體，第三系泥巖采樣點位于寧夏中衛香山隧道進口附近處山體。由于室內試驗內容較多，周期較長，為防止塊體內水量的散發，繼而保持巖塊內部的天然狀態，故采用封蠟法對巖塊進行密封保存，以便試驗時達到應有的試驗精度和準確性。

1.2 泥巖樣品的礦物分析

采用X射線(XRD)衍射分析來確定巖石的礦物組成，試驗結果如表1所示。從試驗結果來看，白堊系泥巖和第三系泥巖的各礦物成分種類基本一樣，從礦物成分含量上，兩者除石英、方解石、伊利石和坡縷石含量相差較大以外，其余主要礦物成分含量相差不大，同時兩種巖石均不含有蒙脫石，僅含有一定量的伊利石，這就可從微觀的角度上說明二者膨脹性和吸水性差別不大。

2 泥巖膨脹性試驗

2.1 試樣的制備

試驗前，采用巖石切割機、SC-200型自動取芯機等設備進行巖石的試件制備。由于巖樣的含水率高低對膨脹性試驗的結果影響較大，故要求對巖樣進行干法加工[4]。而在實際的取芯過程中，由于關閉了水閥進行干鉆取芯，經常出現取芯機卡鉆、巖樣擾動破壞等情況的發生，從而導致巖石試件尺寸不符合規范要求，巖塊利用率低。針對這種現象，對取芯機進行改造加工，連接高壓氣泵(見圖1)，采用通高壓風代替通水的方法對取芯過程進行冷卻，這樣不但對巖石含水率不會產生影響，而且避免了因為過熱而導致的卡鉆、巖樣破裂現象的發生。巖石試件采用尺寸為直徑50 mm、高20 mm的圓柱體試樣，每種巖石計劃測試共3個試樣。試樣采用干法加工，保持試樣兩端面平行。制備好的巖樣如圖2所示。

表1 各礦物成分名稱及所占質量百分比 %

圖1 高壓氣泵 圖2自動取芯機取樣

2.2 自由膨脹率試驗

依據《鐵路工程土木試驗規程》,試驗采用自由膨脹率儀。

(1)將試樣放入試驗裝置內，并在試樣上下端分別放置薄型濾紙和透水板。

(2)在試樣上部及四軸對稱的中心部位安裝千分表，測試試樣的軸向變形和徑向變形，每隔10 min記錄千分表的讀數，當千分表讀數連續3次不變時，試驗達到穩定狀態。試驗結果如表2所示。

由試驗結果可得出，白堊系泥巖和第三系泥巖的自由膨脹率約為1.5%～3.0%、1.0%～2.0%。

2.3 側向約束膨脹性試驗

根據《鐵路工程土木試驗規程》,試驗采用側向約束膨脹率儀。試驗結束后，測算試件含水率等參數。

(1)將試件放入內壁涂有凡士林的金屬套環內，在試件上、下端分別放置薄型濾紙和透水板。

(2)頂部放上固定金屬載荷塊并安裝垂直千分

表2 自由膨脹率試驗結果

表，千分表用來測試試件的軸向變形。金屬載荷塊的質量應能對試件產生5 kPa的持續壓力。

(3)每隔10 min記錄千分表的讀數，當千分表讀數連續3次讀數不變時，試驗達到穩定狀態。試驗結果如表3所示。

表3 側向約束膨脹率試驗結果

(4)試驗結束后，試件的泥化和軟化現象如圖3所示。

圖3 試驗后巖樣

從試驗結果表3中可以知道，白堊系泥巖三組巖樣平均軸向膨脹量為0.279 mm，平均軸向膨脹率為1.40%，平均飽和含水率為14.32%；第三系泥巖三組巖樣平均軸向膨脹量為0.201 mm，平均軸向膨脹率為1.01%，平均飽和含水率為8.41%。從數據上看，白堊系泥巖和第三系泥巖軸向變形量相差不大且均比較小，白堊系泥巖吸水性較第三系泥巖高，整體來講兩種巖石膨脹性較低，吸水性較弱。

從圖3中可以看出，在浸泡48 h以上、試驗完畢后，白堊系泥巖和第三系泥巖巖樣顏色變深，表面出現橫縱交錯的細小裂縫，高度方向出現縱向的貫通裂縫，整個巖樣部分位置有少量的掉塊，但外觀整體性較好，軸向變形量不大，未出現明顯的成泥現象。

2.4 體積不變條件下的膨脹壓力試驗

試驗采用膨脹壓力試驗儀，試驗結束后，測算試件含水率等參數。

(1)將試件放入內壁涂有凡士林的金屬套環內，在試件上、下端分別放置薄型濾紙和金屬透水板。

(2)安裝加壓系統和量測試件變形的千分表，使儀器各部位和試件在同一軸線上，不應出現偏心載荷，對試件施加10 kPa壓力的載荷，記錄千分表和測力計讀數，每隔10 min測讀1次，直到3次讀數不變。

(3)讀數不變后，緩慢地向盛水容器內注入蒸餾水，直至高出試樣5 mm，觀測千分表的變化。當變形量大小0.001 mm時，應調節所施加的載荷，使試件膨脹變形或試件厚度在整個試驗過程中始終保持不變，并記錄測力計讀數。

(4)開始時每隔10 min讀數一次，連續3次讀數差小于0.001 mm時，應改為每1 h讀數一次；當每1 h讀數連續3次讀數差小于0.001 mm時，認為穩定并應記錄試驗載荷。

(5)試驗結束后描述試件的泥化和軟化現象。

泥巖膨脹力與時間關系曲線如圖4所示，兩種泥巖的變化規律較為相似，由圖可知，與泥巖膨脹變形相似，泥巖膨脹力在浸水前期快速增長，100 min時即達到總膨脹力的95%以上，此后膨脹力減速增長，400 min以后達到穩定。試驗結果如表4所示。

雖然白堊巖和第三系泥巖兩種泥巖膨脹變形量相對較小，但其膨脹力平均值達231.6 kPa、250.8 kPa，在隧道設計時其膨脹力荷載不能忽略。

在浸泡48 h以上、試驗完畢后，白堊系泥巖和第三系泥巖巖樣顏色變深，表面出現橫縱交錯的裂縫，高度方向出現縱向的貫通裂縫，整個巖樣部分位置部分掉塊，但外觀整體性較好，未出現明顯的成泥現象。

3 結論

(1)在礦物成分含量上，白堊系泥巖和第三系泥巖的各礦物成分種類基本一樣，兩者除石英、方解石、伊利石和坡縷石含量相差較大以外，其余主要礦物成分含量相差不大，同時兩種巖石均不含有蒙脫石，僅含有一定量的伊利石，從微觀的角度上說明二者膨脹性和吸水性還是有一定的差別。

圖4 泥巖膨脹力與時間有關系曲線

表4 體積不變的膨脹壓力試驗結果

(2)白堊系泥巖和第三系泥巖的自由膨脹率約為1.5%～3.0%、1.0%～2.0%，平均軸向膨脹力為1.40%、1.01%，軸向變形量相差不大且均比較小，白堊系泥巖較第三系泥巖吸水性高，整體來講兩種巖石膨脹性較低，吸水性較弱。

(3)白堊系泥巖和第三系泥巖兩種泥巖膨脹力在浸水前期快速增長，兩者膨脹變形量相對較小，但其膨脹力平均值達231.6 kPa、250.8 kPa，在隧道設計時其膨脹力荷載不能忽略。