巖石自由膨脹率試驗(yàn)分析

邱良軍 李慧芝

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

巖石的膨脹性試驗(yàn)包括自由膨脹率、側(cè)向約束膨脹率、飽和吸水率和膨脹壓力試驗(yàn)。其中巖石的自由膨脹率相對(duì)容易檢測(cè)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)也相對(duì)準(zhǔn)確。試驗(yàn)方法是，將試件放入膨脹測(cè)定儀內(nèi)，上下放置透水板，上部和四側(cè)對(duì)稱安裝千分表，記錄初讀數(shù)，加入潔凈水至淹沒(méi)上透水板，并在48 h內(nèi)按規(guī)定的讀數(shù)時(shí)間讀取變形表讀數(shù)。由測(cè)得的膨脹值和試件原始尺寸分別計(jì)算軸向和徑向自由膨脹率。巖石的自由膨脹率適用于浸水不崩解的巖石。

1 工作中的難點(diǎn)和問(wèn)題

1.1 現(xiàn)場(chǎng)取樣時(shí)保證巖石的天然狀態(tài)

按規(guī)范要求，巖石在工地取樣時(shí)就應(yīng)保持天然狀態(tài)，然后密封送實(shí)驗(yàn)室。而一般工地現(xiàn)場(chǎng)取樣都是用鉆機(jī)鉆取巖芯。如果干鉆，一方面容易卡鉆，另一方面鉆進(jìn)時(shí)產(chǎn)生熱量也會(huì)使巖樣中的水分散失;如果水鉆，巖樣遇水產(chǎn)生膨脹，不能保證巖樣的天然狀態(tài)。

1.2 室內(nèi)加工試件時(shí)保證巖石的天然狀態(tài)

巖石芯樣送到實(shí)驗(yàn)室后，要加工成規(guī)范要求的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，怎樣加工才能保證巖石的天然狀態(tài)是一個(gè)難題。按規(guī)范要求應(yīng)干鉆或干鋸，干鉆時(shí)，由于做膨脹試驗(yàn)的巖芯大部分為泥巖或砂巖，強(qiáng)度較小，芯樣鉆好后經(jīng)?？ㄣ@，敲出來(lái)后就會(huì)破碎;另外，由于干鉆、干鋸產(chǎn)生熱量，也會(huì)使巖樣失水;如果濕鉆、濕鋸，又會(huì)破壞巖石的天然含水狀態(tài)。

1.3 千分表讀數(shù)的問(wèn)題

在實(shí)驗(yàn)室采用的是量程1 mm的千分表，試驗(yàn)過(guò)程中，有時(shí)白天讀完數(shù)，第二天早上來(lái)一看經(jīng)常會(huì)有超過(guò)千分表量程的試件，造成讀數(shù)不準(zhǔn)確，無(wú)法繼續(xù)試驗(yàn)。

2 問(wèn)題的解決

2.1 現(xiàn)場(chǎng)取樣

嚴(yán)禁用爆破法取巖塊和用濕鉆法取巖芯。巖樣應(yīng)有良好的包裝和密封，保證結(jié)構(gòu)不受損壞，天然濕度不發(fā)生變化?，F(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)人員應(yīng)嚴(yán)格要求，規(guī)范取樣，保證巖石的天然狀態(tài)。有條件時(shí)不要鉆芯取樣，應(yīng)采用人工開挖法，取樣后立即密封。

2.2 室內(nèi)制件

干法鉆取制件加工起來(lái)成功率極低，鉆取芯樣時(shí)80%以上的會(huì)卡鉆，或由于干鉆震動(dòng)、失水，試件也會(huì)開裂;干鋸芯樣，由于芯樣的強(qiáng)度很小，干鋸阻力又大，也會(huì)造成試件開裂和失水。

通過(guò)大量的試驗(yàn)摸索出一些經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于非泥巖(如泥質(zhì)砂巖等)，中等強(qiáng)度(10 MPa左右)、不易破碎、含水量也較小(＜1%)的巖石用快速濕鋸來(lái)加工試件。做膨脹試驗(yàn)的巖石一般較軟，在鋸的過(guò)程中可適當(dāng)調(diào)快鋸的前進(jìn)速度，使試件接觸水時(shí)間較短，以減少水對(duì)試件的浸泡。在濕鋸的過(guò)程中，有的巖石會(huì)開裂崩解，巖石自由膨脹率只適用于不崩解的巖石，這樣也可初步判定巖石是否崩解，是否能進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn)，崩解的巖石則改做石粉的自由膨脹率Fs。濕鋸后巖石含水率與天然狀態(tài)相比發(fā)生了變化，可將試件先風(fēng)干3～5 d，再進(jìn)行試驗(yàn)。因?yàn)閹r石本身含水量較小，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的取樣再送到試驗(yàn)室也基本上為風(fēng)干狀態(tài)。另一方面，巖石風(fēng)干后再做自由膨脹率得到的結(jié)果應(yīng)該是最大的，更能反映巖石的膨脹特性。

對(duì)于純泥質(zhì)巖石，還是用干鋸法。對(duì)于這種巖石(強(qiáng)度在1～3 MPa左右，天然含水量＞10%，有的天然含水量能達(dá)到30%以上，類似于硬泥，天然狀態(tài)下浸水也不崩解)，遇水后強(qiáng)度變得更低，用濕鋸容易破碎，而鋸后如果風(fēng)干后再浸水極易開裂，所以必須采用干鋸法加工試件，且加工好試件后立即試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)過(guò)程和千分表的調(diào)整

將試件放入自由膨脹率儀內(nèi)，在試件上下各放置一塊透水板。在試件上部和標(biāo)志的四側(cè)直角對(duì)稱的中心部位分別安裝好量表，四側(cè)量表與試件接觸處應(yīng)墊上一塊厚約0.2 mm的薄銅片。量表測(cè)桿浸水部分應(yīng)涂有防水材料。測(cè)量表讀數(shù)，精確至0.001 mm。開始時(shí)每10 min測(cè)記一次，3次讀數(shù)不變后，緩緩的向儀器內(nèi)注水，直至淹沒(méi)上透水板。之后在開始的第1 h內(nèi)，每隔10 min測(cè)量表變形一次(膨脹量小的可延長(zhǎng)一些，膨脹量大的要勤讀一些)，以后每隔1 h測(cè)一次，直至3次讀數(shù)差不大于0.001 mm為止，浸水后試驗(yàn)時(shí)間不得少于48 h。

圖1

最好采用量程較大的千分表進(jìn)行試驗(yàn)。一般來(lái)說(shuō)膨脹量超過(guò)1 mm的巖樣較少，大部分膨脹量大的巖樣都是崩解的或開裂的。做巖石自由膨脹率試驗(yàn)一般應(yīng)選在早晨剛上班時(shí)開始裝樣試驗(yàn)，對(duì)一些膨脹量大的試件應(yīng)勤讀數(shù)，當(dāng)即將超過(guò)千分表量程時(shí)，讀數(shù)后立即重新調(diào)整千分表，讀取新讀數(shù)，以新讀數(shù)為起點(diǎn)再繼續(xù)讀數(shù)。開始裝樣時(shí)，千分表也要盡量調(diào)整到較小的刻度，以滿足大量程的需要。一天工作結(jié)束時(shí)應(yīng)觀察千分表的狀態(tài)，如接近最大量程，應(yīng)重新將千分表調(diào)零，以免造成第二天膨脹超出量程。

3 結(jié)束語(yǔ)

巖石的自由膨脹率試驗(yàn)是測(cè)定巖石膨脹性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，試驗(yàn)過(guò)程中的主要問(wèn)題是保證巖樣試驗(yàn)前的天然狀態(tài)，取樣和制件是最關(guān)鍵、也是最難達(dá)到規(guī)范要求的環(huán)節(jié)。一般來(lái)說(shuō)，膨脹性大的巖石(標(biāo)準(zhǔn)試件膨脹量超過(guò)1 mm)大部分都會(huì)崩解或者開裂，而不崩解、開裂的巖石其膨脹性一般較小。經(jīng)過(guò)一些對(duì)比，對(duì)于一些不易崩解、開裂的巖石(泥質(zhì)砂巖等)做自由膨脹率試驗(yàn)后烘干，再做1～2次自由膨脹率試驗(yàn)，經(jīng)對(duì)比其膨脹數(shù)據(jù)無(wú)太大變化。作者認(rèn)為，巖芯加工的過(guò)程中為了增加試件加工的成功率，可用濕鋸法進(jìn)行加工。干鋸雖然符合規(guī)范要求，但存在很多缺點(diǎn)，其一，試件容易開裂，制件成功率低;其二、鋸的磨擦生熱會(huì)使巖樣中的水分散失;其三、加工過(guò)程中粉塵很大。

對(duì)于一些天然含水量較大、天然狀態(tài)浸水不易崩解、有些強(qiáng)度(1－3MPa)的純泥巖則必須使用干鋸法，因?yàn)槠滹L(fēng)干后再浸水極易崩解，不能進(jìn)行試驗(yàn)。

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