膨脹巖擊實(shí)樣脹縮特性試驗(yàn)研究

何曉民，黃 斌，饒錫保，聶 瓊，羅 菊

（1．長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010；2．中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）研究生院，武漢 430074）

1 概 述

膨脹巖屬于軟巖中的特殊類型，它的性狀具有似巖非巖、似土非土的特點(diǎn)，而且與水的關(guān)系極其密切，親水性異常強(qiáng)烈。由于其含有大量親水礦物，濕度變化時有較大體積變化，變形受約束時產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力，所以稱為膨脹巖。膨脹巖與膨脹土相似，也具有吸水膨脹軟化和失水收縮干裂的特性。膨脹巖的脹縮性直接影響著擬建建筑物的安全，可造成地基破壞，引起建筑物的開裂和上抬，路基、渠道的破壞，壩基產(chǎn)生裂縫、滑移，邊坡產(chǎn)生滑坡失穩(wěn)等不良現(xiàn)象。影響膨脹巖變形的因素有很多，主要與膨脹巖的起始狀態(tài)有關(guān)。許多學(xué)者對膨脹土脹縮規(guī)律進(jìn)行了大量研究工作，其中文獻(xiàn)［1］、［2］對膨脹特性的各影響因素進(jìn)行了定量研究；在膨脹巖脹縮特性方面，目前國內(nèi)研究成果較少，文獻(xiàn)［3］采用常規(guī)三聯(lián)固結(jié)儀，研究了膨脹巖原狀樣膨脹性與起始含水率、初始干容重的關(guān)系。

對于膨脹巖這類特殊的黏土質(zhì)軟巖，如采取常規(guī)的脹縮試驗(yàn)儀其尺寸效應(yīng)影響較大，為解決這一問題，筆者研制了大尺寸的脹縮試驗(yàn)儀，選取南水北調(diào)中線工程新鄉(xiāng)段泥灰?guī)r和黏土巖2種代表性的膨脹巖，通過大尺寸的脹縮特性試驗(yàn)，研究了膨脹巖擊實(shí)樣的脹縮特性與起始含水率、壓實(shí)度的關(guān)系。

2 膨脹巖原狀樣基本性質(zhì)

對新鄉(xiāng)泥灰?guī)r和黏土巖原狀樣進(jìn)行了基本物理性質(zhì)和脹縮特性的試驗(yàn)，物理性質(zhì)成果見表1，脹縮特性成果見表2。可知：黏土巖原狀樣的液限、塑限、黏粒及膠粒含量均高于泥灰?guī)r原狀樣，泥灰?guī)r與黏土巖均屬于弱膨脹，且黏土巖的脹縮特性較泥灰?guī)r要強(qiáng)。

3 膨脹巖擊實(shí)試驗(yàn)

新鄉(xiāng)泥灰?guī)r與黏土巖為典型的含礫黏土質(zhì)軟巖，成巖差、性質(zhì)類似土，尤其是泥灰?guī)r開挖后呈顆粒狀。針對新鄉(xiāng)泥灰?guī)r和新鄉(xiāng)黏土巖擾動樣，分別進(jìn)行輕型、重型擊實(shí)試驗(yàn)，擊實(shí)筒的尺寸為Φ152 mm×116 mm。擊實(shí)試驗(yàn)成果見表3?？芍?/p>

（1）泥灰?guī)r輕型擊實(shí)的最大干密度為1．86 g／cm3，接 近 于 原 狀 泥 灰 巖 的 天 然 干 密 度 1．89 g／cm3，而重型擊實(shí)的最大干密度1．97 g／cm3，較天然干密度大很多。

表1 膨脹巖原狀樣物理性質(zhì)成果表Table 1 The results of physical properties of undisturbed sample of expansive rocks

表2 膨脹巖原狀樣脹縮特性成果表Table 2 The results of swellingshrinking characteristics of undisturbed sample of expansive rocks

表3 膨脹巖擊實(shí)試驗(yàn)成果Table 3 The compaction properties of expansive rocks

（2）黏土巖輕型擊實(shí)的最大干密度為1．57 g／cm3，較原狀黏土巖的天然干密度1．74 g／cm3低，而重型擊實(shí)的最大干密度1．78 g／cm3與天然干密度較接近。

（3）泥灰?guī)r重型擊實(shí)比輕型擊實(shí)的最優(yōu)含水率低2．0%（差值），但最大干密度卻大5．8%（比值）。

（4）黏土巖重型擊實(shí)比輕型擊實(shí)的最優(yōu)含水率低7．1%（差值），但最大干密度卻大13．2%（比值）。

圖1 泥灰?guī)r不同含水率下無荷膨脹率與壓實(shí)度關(guān)系曲線Fig．1 The relation curves of nonloading expansion ratio and compactness ofmarl with differentwater contents

圖2 泥灰?guī)r不同壓實(shí)度下的無荷膨脹率與含水率關(guān)系曲線Fig．2 The relation curves of nonloading expansion ratio and water content ofmarlwith different compactnesses

圖3 黏土巖不同含水率下無荷膨脹率與壓實(shí)度關(guān)系曲線Fig．3 The relation curves of nonloading expansion ratio and compactness of clayrock with differentwater contents

4 膨脹巖擊實(shí)樣無荷膨脹率試驗(yàn)

進(jìn)行了Φ152 mm×50 mm的大尺寸無荷膨脹率試驗(yàn)，泥灰?guī)r擊實(shí)樣分別按3個含水率、5個壓實(shí)度進(jìn)行制備，黏土巖擊實(shí)樣分別按3個含水率、4個壓實(shí)度進(jìn)行制備，均采取輕型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。膨脹巖不同含水率下，無荷膨脹率與壓實(shí)度關(guān)系曲線見圖1、圖3；膨脹巖不同壓實(shí)度下的無荷膨脹率與起始含水率關(guān)系曲線見圖2、圖4所示；膨脹巖無荷膨脹率統(tǒng)計(jì)成果如表4所示。由圖表可知：

（1）壓實(shí)度越大，無荷膨脹率越大，說明加大壓實(shí)程度反而會加大膨脹量或存儲更多的膨脹潛勢，并且隨起始含水率的減小，壓實(shí)度對膨脹率的影響呈增強(qiáng)的趨勢。

（2）在相同壓實(shí)度條件下，隨起始含水率增大，無荷膨脹率呈較好的線性遞減關(guān)系。

圖4 黏土巖不同壓實(shí)度下無荷膨脹率與含水率關(guān)系曲線Fig．4 The relation curves of nonloading expansion ratio and water content of clay rock with different compactnesses

表4 膨脹巖無荷膨脹率統(tǒng)計(jì)成果Table 4 The nonloading expansion ratio statistics of expansive rocks %

（3）泥灰?guī)r的壓實(shí)度從89%至96%，其無荷膨脹率變化最大為7．1%；泥灰?guī)r的起始含水率從11．3%至16．3%，其無荷膨脹率變化最大為11．8%；黏土巖的壓實(shí)度從90%至100%，其無荷膨脹率變化最大為10．5%；黏土巖的起始含水率從18．4%至23．3%，其無荷膨脹率變化最大為25．7%。相對而言，無荷膨脹率受壓實(shí)度的影響較小，主要隨起始含水率的變化而變化。

（4）泥灰?guī)r原狀樣的無荷膨脹率均值為4．28%，黏土巖原狀樣的無荷膨脹率均值為4．64%，2種膨脹巖原狀樣的無荷膨脹率較相近。泥灰?guī)r擊實(shí)樣的無荷膨脹率均值為11．0%，黏土巖擊實(shí)樣的無荷膨脹率均值為27．4%，黏土巖擊實(shí)樣的膨脹性明顯較大。泥灰?guī)r擊實(shí)樣的無荷膨脹率約為原狀樣的2．6倍，黏土巖擊實(shí)樣的無荷膨脹率約為原狀樣的6倍，膨脹巖擊實(shí)樣中原巖結(jié)構(gòu)已發(fā)生破壞，故其膨脹性能都比原狀樣要大得多，尤其對黏土巖更是如此。

5 膨脹巖擊實(shí)樣收縮試驗(yàn)

針對新鄉(xiāng)膨脹巖進(jìn)行了Φ101．8 mm×43 mm的大尺寸收縮試驗(yàn)，泥灰?guī)r分別按5個含水率、4個壓實(shí)度進(jìn)行制備，黏土巖分別按2個含水率、4個壓實(shí)度進(jìn)行制備，均采取輕型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。泥灰?guī)r不同壓實(shí)度下收縮特性與含水率關(guān)系曲線如圖5至圖7，泥灰?guī)r不同起始含水率下收縮特性與壓實(shí)度關(guān)系曲線見圖8至圖10，泥灰?guī)r含水率與時間典型關(guān)系曲線見圖11，黏土巖收縮特性成果見表5，收縮特性統(tǒng)計(jì)成果見表6?？芍?/p>

（1）在相同壓實(shí)度下，起始含水率低于塑限值時，起始含水率變化對線縮率的影響都很小，隨起始含水率增大，線縮率開始呈較平緩的線性增大；當(dāng)起始含水率達(dá)到塑限值附近后，起始含水率變化對線縮率的影響開始顯著增強(qiáng)；收縮系數(shù)規(guī)律與線縮率規(guī)律基本一致，而體縮率隨起始含水率的增加呈較好的線性增長關(guān)系。

圖5 泥灰?guī)r不同壓實(shí)度下線縮率與含水率關(guān)系曲線Fig．5 The relation curve of linear contraction ratio and water content ofmarlwith different compactnesses

圖6 泥灰?guī)r不同壓實(shí)度下收縮系數(shù)與含水率關(guān)系曲線Fig．6 The relation curve of contraction coefficient and water content ofmarlwith different compactnesses

圖7 泥灰?guī)r不同壓實(shí)度下體縮率與含水率關(guān)系曲線Fig．7 The relation curve between volumecontraction ratio and water content ofmarlwith different compactnesses

圖8 泥灰?guī)r不同含水率下線縮率與壓實(shí)度關(guān)系曲線Fig．8 The relation curves of linear contraction ratio and compactness ofmarlwith differentwater contents

圖9 泥灰?guī)r不同含水率下收縮系數(shù)與壓實(shí)度關(guān)系曲線Fig．9 The relation curves of contraction coefficient and compactness ofmarlwith differentwater contents

圖10 泥灰?guī)r不同含水率下體縮率與壓實(shí)度關(guān)系曲線Fig．10 The relation curves of volume－contraction ratio and compactness ofmarlwith differentwater contents

圖11 泥灰?guī)r起始含水率16．3%時含水率與時間關(guān)系曲線Fig．11 The relation curves of water content and time of marlwith an initialwater content of 16．3%

表5 黏土巖重塑樣收縮成果表Table 5 The results of contraction test of reconstituted sample of clayrock

表6 膨脹巖收縮特性統(tǒng)計(jì)表Table 6 The statistics of contraction characteristics of expansive rocks

（2）在相同起始含水率下，起始含水率低于塑限值時，壓實(shí)度對線縮率的影響很小，隨壓實(shí)度增大，線縮率呈較好的線性遞減關(guān)系；當(dāng)起始含水率達(dá)到塑限值附近后，壓實(shí)度對線縮率的影響略微增強(qiáng)；收縮系數(shù)、體縮率規(guī)律與線縮率規(guī)律基本一致。

（3）泥灰?guī)r的壓實(shí)度從89%至96%，其線縮率變化最大為2．95%；泥灰?guī)r的起始含水率從11．3%至19．5%，其線縮率變化最大為0．59%。

相對而言，線縮率隨壓實(shí)度變化的幅度很小，而線縮率隨起始含水率變化的幅度較大，可認(rèn)為線縮率主要受起始含水率的影響；收縮系數(shù)、體縮率規(guī)律與線縮率規(guī)律基本一致。

（4）試樣含水率隨時間而減小，其水分散失速度與壓實(shí)度關(guān)系不大，表明室內(nèi)試驗(yàn)條件下壓實(shí)程度大小對試體與大氣之間的水氣交換影響不大。

（5）泥灰?guī)r原狀樣的線縮率均值為0．55%，黏土巖原狀樣的線縮率均值為1．41%；泥灰?guī)r擊實(shí)樣的線縮率均值為1．30%，黏土巖擊實(shí)樣的線縮率均值為2．57%；黏土巖原狀樣與擊實(shí)樣的收縮特性分別較泥灰?guī)r強(qiáng)，且擊實(shí)樣的收縮性能較原狀樣大。

（6）結(jié)合膨脹特性成果對比可知，膨脹巖原狀樣的無荷膨脹率數(shù)值略大于其線收縮率數(shù)值（數(shù)值相差2．87%～4．09%），膨脹巖擊實(shí)樣的的無荷膨脹率數(shù)值明顯大于其線收縮率數(shù)值（泥灰?guī)r相差9．70%，黏土巖相差24．8%），因此在填土工程中應(yīng)用膨脹巖作回填料時，其膨脹特性需重點(diǎn)予以關(guān)注，尤其是黏土巖。

6 結(jié) 語

本文通過對膨脹巖擊實(shí)樣的脹縮特性試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

（1）壓實(shí)度越大，無荷膨脹率越大，并且隨起始含水率的減小，壓實(shí)度對膨脹率的影響呈增強(qiáng)的趨勢。

（2）在相同壓實(shí)度條件下，隨起始含水率增大，無荷膨脹率呈較好的線性遞減。

（3）無荷膨脹率受壓實(shí)度的影響相對較小，主要隨起始含水率的變化而變化。

（4）在相同壓實(shí)度下，起始含水率低于塑限值時，起始含水率變化對線縮率的影響很小，隨起始含水率增大，線縮率開始呈較平緩的線性增大；當(dāng)起始含水率達(dá)到塑限值附近后，起始含水率變化對線縮率的影響開始顯著增強(qiáng)。

（5）在相同起始含水率下，起始含水率低于塑限值時，壓實(shí)度對線縮率的影響都很小，隨壓實(shí)度增大，線縮率呈較好的線性遞減關(guān)系；當(dāng)起始含水率達(dá)到塑限值附近后，壓實(shí)度對線縮率的影響略微增強(qiáng)。

（6）相對而言，線縮率隨壓實(shí)度變化的幅度很小，而隨起始含水率變化的幅度較大，可認(rèn)為線縮率主要受起始含水率的影響。

（7）對于膨脹巖擊實(shí)樣，原巖的結(jié)構(gòu)性發(fā)生破壞，其脹縮性能都比原狀樣要大得多，且黏土巖的結(jié)構(gòu)性較泥灰?guī)r強(qiáng)。

（8）膨脹巖原狀樣的無荷膨脹率數(shù)值略大于其線收縮率數(shù)值，膨脹巖擊實(shí)樣的無荷膨脹率數(shù)值明顯大于其線收縮率數(shù)值，因此在填土工程中應(yīng)用膨脹巖作回填料時其膨脹性能需重點(diǎn)改良處理，尤其是黏土巖。

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