重慶地區(qū)不同地質(zhì)年代泥巖膨脹特性試驗(yàn)研究

張?jiān)平?，?成，2＊，劉小紅，徐 濤

（1．大連大學(xué) 材料破壞力學(xué)數(shù)值試驗(yàn)研究中心，遼寧 大連116622；2．安徽理工大學(xué) 地質(zhì)資源與地質(zhì)工程博士后流動站，安徽 淮南232001；3．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430015）

泥巖是在地面和地下工程中建設(shè)過程中一種很常見的巖體。因其礦物成分含有大量的高嶺石、伊利石和蒙脫石等黏土性礦物，泥巖呈現(xiàn)出比較獨(dú)特的工程特性［1］。為了在膨脹性圍巖中安全、可靠地進(jìn)行隧道開挖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工，必須對圍巖的膨脹性能進(jìn)行充分調(diào)查［2－3］。而膨脹性能試驗(yàn)是判定泥巖膨脹性強(qiáng)弱最直觀、有效的手段［4］，也是建立膨脹本構(gòu)關(guān)系以及進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的前提條件。文獻(xiàn)［5］提出了一種新穎的側(cè)限膨脹特性的試驗(yàn)方法，并研制了相應(yīng)的儀器，利用該儀器測量了重塑膨脹巖土試樣側(cè)向膨脹壓力的發(fā)展進(jìn)程及試樣的吸水全過程。文獻(xiàn)［6－7］提出了濕度應(yīng)力場的概念，并和溫度場相類比，認(rèn)為水分在膨脹巖體中的擴(kuò)散與含水率、吸水作用力、體積變形等都是耦合的。重慶地區(qū)泥巖分布面積廣，并且在中生代的不同地層都有泥巖顯現(xiàn)，然而不同層位泥巖的成分、強(qiáng)度與變形特征存在明顯的差異性。因此，本文對不同地質(zhì)年代泥巖進(jìn)行了膨脹性能試驗(yàn)研究，對該地區(qū)隧道開挖和建筑施工具有一定的指導(dǎo)意義。

1 地質(zhì)概況

1．1 重慶地區(qū)泥巖分布

據(jù)地質(zhì)資料顯示［9］，在重慶地區(qū)，奧陶系中統(tǒng)、志留系下統(tǒng)和中統(tǒng)、二疊系下統(tǒng)和上統(tǒng)、以及中生界地層和第三系地層等地層都曾出現(xiàn)過泥巖。其中，中生界地層占重慶市地域出露分布的3／5，而侏羅系紅層更是分布廣泛，與各類土木工程建設(shè)密切相關(guān)。

1．2 巖地質(zhì)年代

本文研究對象以重慶地區(qū)中生界地層為主，分別選取三類泥巖進(jìn)行了多組自由膨脹性試驗(yàn)和約束膨脹性試驗(yàn)［10］：

1）三疊系下統(tǒng)（T1）：以灰紫、紫紅、灰綠色碳酸質(zhì)泥巖﹑泥質(zhì)頁巖﹑泥質(zhì)灰?guī)r﹑生物碎屑巖﹑介質(zhì)灰?guī)r為主，厚度約為480～1 200m，與下伏二疊紀(jì)整合接觸。

2）侏羅系下統(tǒng)（J1）：以紫紅色間灰綠色泥巖夾砂巖、紅色泥頁巖為主，含薄煤層﹑砂泥巖夾赤鐵礦﹑菱鐵礦等，最大厚度320m。

3）侏羅系上統(tǒng)（J3）：鮮紫紅色泥巖夾中，薄層粉砂狀砂巖和少量細(xì)砂巖為主，并以此單一的巖性和紫紅色色調(diào)為特征，是侏羅系地層突出的標(biāo)志層，最大厚度600m。

2 巖石物理參數(shù)及膨脹性試驗(yàn)設(shè)備

2．1 巖石物理參數(shù)

使用長江科學(xué)院試驗(yàn)室的基本土工試驗(yàn)設(shè)備，測得現(xiàn)場采集到的巖樣的基本物理參數(shù)，見表1。

表1 巖樣的基本物理參數(shù)Table 1 Basic physical parameters of rock samples

從表1可以看出，重慶地區(qū)泥巖的地質(zhì)年代越早，其顆粒密度越大，然而各個(gè)巖層的密度相差并不是太大。另外，泥巖的孔隙率和飽和含水率并不是很高，且與泥巖形成地質(zhì)年代呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，泥巖地質(zhì)年代越早，其孔隙率和飽和含水率越低。

2．2 試驗(yàn)設(shè)備

該膨脹性試驗(yàn)設(shè)備采用長江科學(xué)院設(shè)計(jì)制造的YZP－1巖石自由膨脹率試驗(yàn)儀和R－Ⅱ型巖石膨脹壓力試驗(yàn)儀，適用于各類巖石膨脹性能試驗(yàn)，配有透水板、千分表等試驗(yàn)裝置能夠得到較精確的試驗(yàn)數(shù)值，如圖1、圖2所示。

3 測定結(jié)果及分析

3．1 泥巖膨脹率測定

本文試驗(yàn)均在長江科學(xué)院巖基所按《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》（SL264－2001）第四章4．5節(jié)，地質(zhì)礦產(chǎn)部《巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程》（地發(fā)［1986］760號）DY－02有關(guān)條文進(jìn)行。水介質(zhì)采用蒸餾水，水介質(zhì)密度參照《公路工程石料試驗(yàn)規(guī)程》附錄蒸餾水的密度表。

3．1．1 自由膨脹性試驗(yàn)

圖1 YZP－1巖石自由膨脹率試驗(yàn)儀Fig．1 YZP－1rock free expansion tester

圖2 R－Ⅱ型巖石膨脹壓力試驗(yàn)儀Fig．2 R－ⅡRock expansion pressure tester

自由膨脹性試驗(yàn)是測定試樣在不同浸水時(shí)間下巖石側(cè)向與徑向的膨脹變形特征。試驗(yàn)過程中，巖樣始終處于充分飽和狀態(tài)，不需要考慮水的補(bǔ)給情況。試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)包括軸向自由膨脹率和徑向自由膨脹率，推導(dǎo)公式見規(guī)程（SL264－2001）。采用多組不同年代類型巖樣，得到結(jié)果經(jīng)過統(tǒng)計(jì)篩選，如表2所示。

從表2中可以看出，重慶地區(qū)泥巖的軸向自由膨脹率大約為徑向自由膨脹率的1．4～14．6倍。從泥巖地質(zhì)年代分析，三疊系泥巖的膨脹率小于侏羅系泥巖的自由膨脹率，說明巖石的地質(zhì)年代越晚，其膨脹率越小，而巖石的地質(zhì)年代越早，其膨脹率越大。原因?yàn)槟鄮r形成地質(zhì)年代越久遠(yuǎn)，泥巖中的蒙脫石含量就越低，從而泥巖的膨脹性能會大大減少。另外，紅色泥巖的軸向膨脹率為0．30%～0．37%，碳酸質(zhì)泥巖的軸向膨脹率為0．011%左右，泥質(zhì)頁巖的軸向膨脹率為0．044%左右，即不同類型泥巖的自由膨脹率不同，其中紅色泥巖要高于碳酸質(zhì)泥巖和泥質(zhì)頁巖10～20倍。另外，也可看出碳酸質(zhì)泥巖不同層理方向的膨脹率大小基本近似。

3．1．2 側(cè)向約束膨脹性試驗(yàn)

側(cè)向約束膨脹試驗(yàn)是測定原狀結(jié)構(gòu)膨脹巖在有側(cè)向約束條件下浸水后發(fā)生的單向膨脹變形。對于層理明顯的膨脹巖，一般只測定其垂直于層理的單向膨脹變形，只需要測定軸向膨脹率一個(gè)指標(biāo)。

表2 重慶地區(qū)泥巖自由膨脹性試驗(yàn)Table 2 Mudstone free expansion test in Chongqing

表3 重慶地區(qū)泥巖約束膨脹性試驗(yàn)Table 3 Mudstone constrained expansion test in Chongqing

由表3可以看出，紅色泥巖的自然樣本膨脹率1．14%遠(yuǎn)低于干燥樣本膨脹率4．34%，很好地說明含水率對泥巖膨脹性能的影響，含水率越低試樣膨脹性越高，反之，則試樣膨脹性要低很多。我們也可以從巖石的層理方向比較得出，對于層理方向不同的紅色泥巖，平行層理面的軸向膨脹率為0．63%～0．65%，而垂直層理面方向的膨脹率約為1．14%，即紅色泥巖垂直層理面方向的膨脹率約為水平層理面的1．8倍。

比較表2和表3，不同膨脹力試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對于紅色泥巖，在有約束的條件下，泥巖的軸向膨脹率為0．63%～0．65%，而無約束條件的軸向膨脹率為0．30%～0．38%，即約束使軸向膨脹率增加一倍左右。這主要是因?yàn)閭?cè)向約束使蒙脫石的體積膨脹方向發(fā)生了變化，導(dǎo)致軸向膨脹率變大。

3．2 泥巖軸向膨脹率與時(shí)間的關(guān)系

我們進(jìn)行了多組泥巖約束膨脹性試驗(yàn)，圖3中可以看到，侏羅系泥巖的自然樣本軸向膨脹率在0～400min內(nèi)迅速增大，之后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值；而干燥樣本的軸向膨脹率在0～200min內(nèi)迅速增大，直到穩(wěn)定。這說明由于泥巖的含水率不同，泥巖干燥樣本的軸向膨脹率變化更快。

圖3 含水率不同泥巖的軸向膨脹率—時(shí)間曲線Fig．3 Mudstone axial expansion ratio－time curves of different moisture content

圖4 三疊系泥巖的軸向膨脹率—時(shí)間曲線Fig．4 Mudstone axial expansion ratio－time curves in era of Triassic

圖4中可以看到，三疊系泥巖穩(wěn)定時(shí)間相對更長，大約568～2 020min。因此，可以認(rèn)為，無論是侏羅系泥巖還是三疊系泥巖，它們的軸向膨脹率隨時(shí)間逐漸增加，在最初一段時(shí)間變化很快，最后逐漸趨向于一個(gè)穩(wěn)定的最大值。但是，也可以看到，對于三疊系碳酸質(zhì)泥巖來說，其軸向膨脹率隨時(shí)間增長繼而趨于穩(wěn)定，速度更為緩慢，時(shí)間更長。

3．3 泥巖膨脹壓力與應(yīng)變的關(guān)系

3．3．1 體積不變條件下膨脹壓力試驗(yàn)

通過對體積不變條件下泥巖的膨脹壓力進(jìn)行測量，可得到泥巖在不同的泡水狀態(tài)下膨脹壓力的變化特征。表4為不同年代巖樣的基本數(shù)據(jù)。圖5為膨脹壓力隨時(shí)間的變化情況。

從上述結(jié)果可以看出，對于紅色泥巖，平行層理面的膨脹壓力為0．17～0．26MPa，而垂直層理面的膨脹壓力為0．11～0．37MPa；同泥巖膨脹率隨時(shí)間變化規(guī)律類似，在試驗(yàn)初期，膨脹壓力增長較快，經(jīng)過一段時(shí)間之后，膨脹壓力增大為一個(gè)穩(wěn)定值。另外，在體積不變的情況下，不同年代泥巖的膨脹壓力和膨脹應(yīng)變具有線性關(guān)系，見圖6所示，線性擬合公式如下：1）侏羅系紅色泥巖y＝2．699x－0．024；2）三疊系碳酸質(zhì)泥巖y＝2．718x－0．024

表4 體積不變下泥巖膨脹壓力試驗(yàn)Table 4 Mudstone expansion pressure test at constant volume

圖5 泥巖膨脹壓力—時(shí)間關(guān)系曲線Fig．5 Mudstone expansion pressure－time curve

圖6 泥巖膨脹壓力—應(yīng)變線性關(guān)系Fig．6 Mudstone expansion pressure－strain curve

4 結(jié)論

1）不同地質(zhì)年代的泥巖膨脹性也不同，泥巖形成的地質(zhì)年代越早，其膨脹性能也越大；泥巖類型不同，其徑向自由膨脹率也存在明顯差異，紅色泥巖膨脹率約為碳酸質(zhì)泥巖和泥質(zhì)頁巖的10～20倍；

2）含水率對泥巖膨脹率及膨脹力有明顯的影響，含水率越高，泥巖膨脹性能越差；

3）對于具有層理構(gòu)造的紅色泥巖，垂直層理方向的膨脹率高于平行層理方向的膨脹率；

4）不同類型的泥巖沿試樣軸向的膨脹率和膨脹壓力均隨時(shí)間延長而增大，初始階段變化較快，最后逐漸趨向于一個(gè)最大值；

5）在體積保持一定的情況下，不同年代泥巖的膨脹壓力和膨脹應(yīng)變是線性關(guān)系。總之，同種類型不同地質(zhì)年代形成的泥巖以及不同類型泥巖具有不同的膨脹性，不能一概而論，在工程建設(shè)中要引起注意。

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