膨脹性泥巖膨脹性試驗(yàn)研究

王 晨， 郭小龍

(石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)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(zhì)時(shí)代區(qū)分，早自上二疊統(tǒng)，晚到上第三系甚至早更新統(tǒng)都有，因此，膨脹巖的工程性質(zhì)非常復(fù)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(huì)產(chǎn)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(xiàn)為圍巖向洞內(nèi)發(fā)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(duì)泥巖的崩解特性，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)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(guān)，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(jī)理完全不同，高嶺石、伊利石等為主的泥巖崩解是由于結(jié)構(gòu)缺陷中空氣被水?dāng)D壓產(chǎn)生應(yīng)力使結(jié)構(gòu)缺陷擴(kuò)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(huán)境對(duì)泥巖崩解特性也具有重要影響，如梁冰[2]通過試驗(yàn)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(duì)于膨脹性泥巖工程特性的研究，主要采用試驗(yàn)方法對(duì)泥巖的崩解特性、膨脹特性及力學(xué)特性進(jìn)行研究[3]，而膨脹巖的工程特性影響因素復(fù)雜，其中礦物成分及黏土礦物種類、干濕循環(huán)、水環(huán)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(jié)合實(shí)際工程對(duì)其開展系統(tǒng)研究，為膨脹性泥巖隧道變形破壞機(jī)理和變形控制技術(shù)研究提供基礎(chǔ)。

1 原材料分析

1.1 泥巖原材料

試驗(yàn)所用泥巖試樣取自隧道施工現(xiàn)場(chǎng)，白堊系泥巖采樣點(diǎn)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(diǎn)位于寧夏中衛(wèi)香山隧道進(jìn)口附近處山體。由于室內(nèi)試驗(yàn)內(nèi)容較多，周期較長(zhǎng)，為防止塊體內(nèi)水量的散發(fā)，繼而保持巖塊內(nèi)部的天然狀態(tài)，故采用封蠟法對(duì)巖塊進(jìn)行密封保存，以便試驗(yàn)時(shí)達(dá)到應(yīng)有的試驗(yàn)精度和準(zhǔn)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(yàn)結(jié)果如表1所示。從試驗(yàn)結(jié)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(shí)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(yàn)

2.1 試樣的制備

試驗(yàn)前，采用巖石切割機(jī)、SC-200型自動(dòng)取芯機(jī)等設(shè)備進(jìn)行巖石的試件制備。由于巖樣的含水率高低對(duì)膨脹性試驗(yàn)的結(jié)果影響較大，故要求對(duì)巖樣進(jìn)行干法加工[4]。而在實(shí)際的取芯過程中，由于關(guān)閉了水閥進(jìn)行干鉆取芯，經(jīng)常出現(xiàn)取芯機(jī)卡鉆、巖樣擾動(dòng)破壞等情況的發(fā)生，從而導(dǎo)致巖石試件尺寸不符合規(guī)范要求，巖塊利用率低。針對(duì)這種現(xiàn)象，對(duì)取芯機(jī)進(jìn)行改造加工，連接高壓氣泵(見圖1)，采用通高壓風(fēng)代替通水的方法對(duì)取芯過程進(jìn)行冷卻，這樣不但對(duì)巖石含水率不會(huì)產(chǎn)生影響，而且避免了因?yàn)檫^熱而導(dǎo)致的卡鉆、巖樣破裂現(xiàn)象的發(fā)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(jì)劃測(cè)試共3個(gè)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(zhì)量百分比 %

圖1 高壓氣泵 圖2自動(dòng)取芯機(jī)取樣

2.2 自由膨脹率試驗(yàn)

依據(jù)《鐵路工程土木試驗(yàn)規(guī)程》,試驗(yàn)采用自由膨脹率儀。

(1)將試樣放入試驗(yàn)裝置內(nèi)，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(duì)稱的中心部位安裝千分表，測(cè)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(shù)，當(dāng)千分表讀數(shù)連續(xù)3次不變時(shí)，試驗(yàn)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由試驗(yàn)結(jié)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(cè)向約束膨脹性試驗(yàn)

根據(jù)《鐵路工程土木試驗(yàn)規(guī)程》,試驗(yàn)采用側(cè)向約束膨脹率儀。試驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)算試件含水率等參數(shù)。

(1)將試件放入內(nèi)壁涂有凡士林的金屬套環(huán)內(nèi)，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(yàn)結(jié)果

表，千分表用來測(cè)試試件的軸向變形。金屬載荷塊的質(zhì)量應(yīng)能對(duì)試件產(chǎn)生5 kPa的持續(xù)壓力。

(3)每隔10 min記錄千分表的讀數(shù)，當(dāng)千分表讀數(shù)連續(xù)3次讀數(shù)不變時(shí)，試驗(yàn)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 側(cè)向約束膨脹率試驗(yàn)結(jié)果

(4)試驗(yàn)結(jié)束后，試件的泥化和軟化現(xiàn)象如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)后巖樣

從試驗(yàn)結(jié)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(shù)據(jù)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(yàn)完畢后，白堊系泥巖和第三系泥巖巖樣顏色變深，表面出現(xiàn)橫縱交錯(cuò)的細(xì)小裂縫，高度方向出現(xiàn)縱向的貫通裂縫，整個(gè)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(xiàn)明顯的成泥現(xiàn)象。

2.4 體積不變條件下的膨脹壓力試驗(yàn)

試驗(yàn)采用膨脹壓力試驗(yàn)儀，試驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)算試件含水率等參數(shù)。

(1)將試件放入內(nèi)壁涂有凡士林的金屬套環(huán)內(nèi)，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(tǒng)和量測(cè)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(yīng)出現(xiàn)偏心載荷，對(duì)試件施加10 kPa壓力的載荷，記錄千分表和測(cè)力計(jì)讀數(shù)，每隔10 min測(cè)讀1次，直到3次讀數(shù)不變。

(3)讀數(shù)不變后，緩慢地向盛水容器內(nèi)注入蒸餾水，直至高出試樣5 mm，觀測(cè)千分表的變化。當(dāng)變形量大小0.001 mm時(shí)，應(yīng)調(diào)節(jié)所施加的載荷，使試件膨脹變形或試件厚度在整個(gè)試驗(yàn)過程中始終保持不變，并記錄測(cè)力計(jì)讀數(shù)。

(4)開始時(shí)每隔10 min讀數(shù)一次，連續(xù)3次讀數(shù)差小于0.001 mm時(shí)，應(yīng)改為每1 h讀數(shù)一次；當(dāng)每1 h讀數(shù)連續(xù)3次讀數(shù)差小于0.001 mm時(shí)，認(rèn)為穩(wěn)定并應(yīng)記錄試驗(yàn)載荷。

(5)試驗(yàn)結(jié)束后描述試件的泥化和軟化現(xiàn)象。

泥巖膨脹力與時(shí)間關(guān)系曲線如圖4所示，兩種泥巖的變化規(guī)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(zhǎng)，100 min時(shí)即達(dá)到總膨脹力的95%以上，此后膨脹力減速增長(zhǎng)，400 min以后達(dá)到穩(wěn)定。試驗(yàn)結(jié)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(duì)較小，但其膨脹力平均值達(dá)231.6 kPa、250.8 kPa，在隧道設(shè)計(jì)時(shí)其膨脹力荷載不能忽略。

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

3 結(jié)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(shí)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(shí)間有關(guān)系曲線

表4 體積不變的膨脹壓力試驗(yàn)結(jié)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(zhǎng)，兩者膨脹變形量相對(duì)較小，但其膨脹力平均值達(dá)231.6 kPa、250.8 kPa，在隧道設(shè)計(jì)時(shí)其膨脹力荷載不能忽略。