不同干密度下方解石含量對紅層泥巖膨脹性能的影響

【摘 要】基于國外研究水中鈉離子與鈣離子的濃度對巖體膨脹性有一定影響，參考其思路研究方解石含量在紅層泥巖膨脹性中造成的影響，設計了控制方解石含量的重塑土樣品進行無荷膨脹率試驗，并設計了對比試驗，結果表明方解石含量對于重塑樣的膨脹性具有明顯的抑制性，同時還發現干密度的變化也對這種抑制性存在影響。

【關鍵詞】紅層泥巖； 方解石； 膨脹性； 干密度

【中圖分類號】TU411.2【文獻標志碼】A

0 引言

在四川地區，紅層主要分布于四川盆地及其邊緣地區，由此四川盆地也被稱為“紅色盆地”，四川的紅層也是國內紅層中有代表性的一類紅色地層［1］。紅層泥巖主要由蒙脫石、伊利石、高嶺石等黏土礦物和石英、長石等碎屑礦物成份組成［2-3］， 而親水黏土礦物則是其吸水膨脹的物質基礎。因此，紅層泥巖的吸水膨脹性一直是研究熱點。

胡文靜等［4］在重慶侏羅系中統沙溪廟組進行了側限有荷、無荷膨脹試驗，并對側限、荷載、加水條件等因素對其膨脹率的影響進行了分析；胡安華等［5］ 對沿達成客運專線沿線的大量紅層泥巖進行了自由和有荷膨脹率試驗；魏永幸等［6］對四川地區的紅層泥巖進行了較為系統的膨脹性試驗研究；殷躍平和胡瑞林［2］ 對三峽水庫巴東組紅層泥巖進行了黏土礦物成分分析，并結合黏土礦物含量分析了三峽庫區巴東組紅層泥巖的膨脹性。目前各學者著重關注泥巖膨脹性及膨脹變形對工程結構造成的影響，因此在這些方面研究較多，但從這些研究成果來看大部分紅層泥巖不能滿足典型膨脹巖（土）的要求，或者只有微弱的膨脹性，前人對于紅層泥巖的弱膨脹性領域仍有所欠缺［2-3，5-6］。國外有研究表明水中鈉離子與鈣離子的濃度對巖體膨脹性有一定影響，本文在此研究背景下，采用紅層泥巖重塑樣的研究方法保持單一變量原則，控制樣品的干密度以及方解石的質量百分比，對其進行無荷載膨脹率試驗，得出礦物成分配比與無荷膨脹率的相關性，總結其規律，對紅層地區工程建設具有較大意義。

1 樣品制備與實驗方法

1.1 樣品制備

首先把取得的紅層泥巖巖樣使用礦物巖石粉碎機碾碎后，全部過2 mm細篩，然后在105～110 ℃恒溫烘箱中烘干24 h并冷卻至常溫，將土樣與80～120目的方解石粉按照設計配比后均勻混合，計算好需向土樣中加入水的質量，將干土鋪滿和土盤，用噴霧水壺將純凈的蒸餾水向土表面均勻噴灑至所需水含量，用抹子和工具鏟子等充分均勻攪拌，再將拌好的土樣置于保鮮袋內密封充分潤澤24 h。充分潤澤后將土樣加入61.8 mm×20 mm的環刀壓樣器中，環刀需提前稱量環刀質量并在內壁均勻涂抹凡士林，之后用千斤頂壓實5～10 min后將土樣與環刀一起取出，修平兩面后用保鮮膜包好便得到了設計好的干密度與含水率的重塑土樣。

1.2 實驗方法及分組設計

無荷膨脹率試驗所用儀器是wz-2土壤膨脹儀與千分表，先將制好樣品取出后稱量出質量后減去環刀質量便可以得出土樣實際質量；將烘干的透水石放入膨脹儀中，環刀刀口置于透水石上面，再將導環放在環刀上用螺絲3只輕擰壓平，將多孔蓋板放在試樣上對準中心，安裝好千分表，記錄初始讀數，向膨脹儀中注入純水，使水自下而上進入試樣并保持水面高出試樣5 mm；記錄注水開始時間 按5 min、10 min、20 min、30 min，1 h、2 h、3 h、6 h、12 h測讀千分表讀數；當6 h內變形不超過0.01 mm，視為試驗結束。

采用公式計算紅層泥巖重塑樣的無荷膨脹率見式（1）。

δt=Rt-R0h0×100（1）

式中：δt為時間t時的無荷膨脹率（%）；Rt為時間t時量表的讀數（mm）；R0為試驗開始時量表的讀數（mm）；h0為試樣初始高度（mm）。

本次試驗旨在研究干密度及方解石含量對紅層泥巖膨脹性的影響，控制方解石粉在固體質量中的占比，分別為0、5%、10%、15%以及20%；將干密度的含量分別設置在1.3～1.6 g/cm3之間，分別為1.3 g/cm3、1.4 g/cm3、1.5 g/cm3以及1.6 g/cm3。具體分組如表1所示。

試驗按照分組進行樣品制作與無荷膨脹率試驗，得出數據后根據公式進行換算得到無荷膨脹率后可以進一步繪制出圖進行研究。

2 試驗結果及分析

2.1 無荷載膨脹率與時間變化規律

每組試驗在規定時間時記錄千分表讀數后，通過式（1）換算成無荷膨脹率，完成各組試驗后，根據所得的一系列數據繪制成圖，得到某不同干密度下不同方解石含量的無荷膨脹率隨時間變化的規律曲線，如圖1～圖4所示。

圖1～圖4是在不同干密度下的試驗數據所繪制出的無荷膨脹率隨時間變化的關系曲線，從A組到D組無荷膨脹分布率穩定在一定區間內，依次分別為4.75%到12.72%、9.50%到18.39%、13.37%到19.45%、17.71%到21.73%，在得到后續數據繪圖后也可直觀看出其他組樣品在初始階段膨脹速率非常快，后期逐漸趨于穩定的趨勢，整個膨脹變形大概可以分為三個階段，基本的膨脹過程是非常接近的。

可以看出樣品的無荷膨脹率和膨脹速率也隨著方解石粉含量地增加而降低，樣品在初始階段膨脹速率非?？欤笃谥饾u趨于穩定。整個膨脹變形大概可以分為三個階段，快速膨脹階段（0～30 min），在這一階段水進入土體內部孔隙，與孔隙附近的黏土礦物充分結合，該階段與水反應的黏土礦物較多，膨脹量瞬間釋放；緩慢膨脹階段（30～180 min），隨著水分子滲入，孔隙不發育位置的黏土礦物陸續發生膨脹，由于水的滲透較慢，所以該階段土體的膨脹速率較慢；膨脹穩定階段（180 min以后），該階段土體內部黏土礦物基本上已膨脹完畢，所以隨時間增加土體膨脹量保持不變。

2.2 泥巖重塑樣膨脹性影響因素

為了更加直觀地看出各組試驗結果的差別，就每一組穩定后的無荷膨脹率繼續作散點圖，此后采用了線性擬合的方法來定量分析各組方解石含量與穩定時無荷膨脹率的關系，其擬合公式為y=ɑx+b，進行線性擬合后如圖5所示，擬合參數整理見表2。從四組試驗的結果來看，方解石粉含量對于土樣的膨脹性有比較明顯的抑制作用。整體的膨脹性會隨著干密度的增大而增大。

擬合結果表明：A組、C組與D組的線性擬合效果相對更好，R2在0.94以上，而C組的擬合效果相對差一些，R2僅為0.85。四組的擬合參數ɑ值都小于0，說明四組都是減函數，方解石的含量增加對于無荷膨脹率起到了抑制作用，且ɑ值在四組中的數值逐漸上升，分別為-0.39、-0.38、-0.29、-0.19，而由之前的試驗設計可知四組的干密度設計是逐漸上升的，由此可以初步得出隨著干密度上升，方解石含量對膨脹性的抑制效果降低的結論。

為了進一步分析膨脹性與干密度的關聯，就不同干密度與膨脹性的關聯整理出數據作散點圖并采用線性擬合進行定量分析，其擬合公式為y=ɑx+b，擬合參數整理見表3，進行線性擬合后的圖像如圖6所示。擬合結果表明：擬合結果表明：當方解石含量為5%、10%、15%及20%時的線性擬合效果相對更好，R2在0.9以上，而方解石含量為0的擬合效果相對差一些，R2不到0.9。由于a值始終大于0，可知無論方解石含量如何變化，干密度的增加對無荷膨脹率都起到促進作用。

將每大組試驗的1組和5組（即方解石含量為0與20%的兩組）的穩定后無荷膨脹率取出進行分析，見表4。

經分析可發現，方解石粉的含量比例對土樣的抑制性與

土樣整體的干密度也有明顯關聯，根據表4中膨脹性抑制比例來看，方解石粉的抑制性會隨干密度降低而越來越弱。

3 結論

這些試驗是為研究紅層泥巖中方解石含量對其膨脹性的影響，通過重塑土改變其中方解石粉含量的方法，側面驗證它們的關系，同時加入干密度作為變量，一方面設計更多的試驗使試驗結果更可信，一方面深入分析后，得出干密度對于方解石含量對于膨脹性的抑制效果的影響，結論：

（1）土樣在初始階段膨脹速率非?？?，后期逐漸趨于穩定，可以分為快速膨脹、緩慢膨脹、膨脹穩定三個階段，經過七大組的試驗結果分析，方解石的含量對于土樣的膨脹性是具有明顯的抑制性。

（2）土樣的膨脹性也會隨著樣品的干密度增加而增加，而干密度的增加同樣會導致到方解石的抑制性下降。

（3）方解石粉還是對土樣膨脹性起到了一定抑制作用甚至能夠抵消一部分土樣干密度上升帶來的膨脹性上升。

參考文獻

［1］ 黃紹檳，程強，胡厚田.四川紅層分布及工程環境特征研究［J］.公路，2005（5）：81-85.

［2］ 殷躍平，胡瑞林.三峽庫區巴東組（T_2b）紫紅色泥巖工程地質特征研究［J］.工程地質學報，2004（2）：124-135.

［3］ 胡文靜，丁瑜，夏振堯，等.重慶地區紅層泥巖側限膨脹性能試驗研究［J］.防災減災工程學報，2015，35（5）：607-611.

［4］ 吉隨旺， 張倬元， 鄧榮貴， 等. 川中紅色砂泥巖巖石力學特性研究［J］. 地質災害與環境保護， 2000（1）：72-74.

［5］ 胡安華，蔣關魯，王智猛，等.高速鐵路路基紅層泥巖填料力學特性試驗研究［J］.鐵道工程學報，2008（2）：21-25.

［6］ 魏永幸，張仕忠，甘鷹，等.四川盆地紅層泥巖的基本特性和膨脹性及軟化的試驗研究［J］.工程勘察，2010（S1）：61-68.

［作者簡介］馮宇?。?998—），男，碩士，從事工程地質方面的科研工作。