郭家鎮(zhèn)隧道泥巖膨脹特性試驗(yàn)研究

付志華

(中鐵十九局集團(tuán)第一工程有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111000)

寶雞至蘭州客運(yùn)專線7標(biāo)郭家鎮(zhèn)隧道穿越第三系泥巖、砂質(zhì)泥巖地層，該套地層巖體含有較多的親水礦物，具有遇水膨脹、軟化、失水崩解、開(kāi)裂的典型膨脹性特征。依據(jù)巖土試驗(yàn)成果資料，粘土巖固結(jié)成巖較差，飽和單軸抗壓強(qiáng)度2.83MPa，屬極軟巖。泥巖自由膨脹率>30%，松散狀泥(粘土)巖自由膨脹率>40%，屬弱膨脹巖。施工時(shí)可能遇到洞室變形及地基持力層遇水膨脹問(wèn)題，而且在隧道的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中由于含水量的變化導(dǎo)致圍巖應(yīng)力發(fā)生變化，進(jìn)而引發(fā)底鼓、二次襯砌變形等一系列嚴(yán)重危害列車安全運(yùn)營(yíng)的工程問(wèn)題。目前，文獻(xiàn)[1]通過(guò)泥質(zhì)巖的膨脹試驗(yàn)，分析了應(yīng)變變化對(duì)膨脹力的影響，指出泥只巖膨脹力高度依賴于試驗(yàn)期間所受的應(yīng)變；文獻(xiàn)[2]研究了不同應(yīng)力路徑條件下泥巖膨脹力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響；文獻(xiàn)[3]對(duì)南京紅山窯風(fēng)化紅砂巖進(jìn)行了膨脹變形及力學(xué)特性試驗(yàn)研究，得出了膨脹巖存在應(yīng)變軟化現(xiàn)象，且膨脹應(yīng)力、塑性流動(dòng)以及隨濕度場(chǎng)而變化的屈服準(zhǔn)則等都是相互耦合的；文獻(xiàn)[4]對(duì)南京紅山窯水利樞紐工程中的紅砂巖抗剪強(qiáng)度與含水量的關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)研究后，指出膨脹巖的抗剪強(qiáng)度與含水量密切相關(guān)，且膨脹巖的凝聚力和內(nèi)摩擦角與含水量之間具有良好的對(duì)數(shù)關(guān)系；文獻(xiàn)[5]對(duì)膨脹性泥巖的非線性強(qiáng)度變形特性進(jìn)行試驗(yàn)研究后指出，泥巖的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈應(yīng)變軟化特性，峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度比均隨圍壓的增大而增大；文獻(xiàn)[6]通過(guò)原狀膨脹巖剪切性狀的直剪試驗(yàn)研究， 與重塑樣的剪切性狀試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比， 指出膨脹巖原狀樣與重塑樣在剪切性狀上表現(xiàn)出很大的差別， 室內(nèi)重塑樣剪切試驗(yàn)很難獲得準(zhǔn)確的膨脹巖土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)， 工程上應(yīng)盡量做原狀或原位試驗(yàn)；文獻(xiàn)[7]對(duì)南水北調(diào)中線強(qiáng)膨脹巖重塑樣進(jìn)行了膨脹率試驗(yàn)，研究了廣義膨脹力的影響因素，并推導(dǎo)出廣義膨脹力經(jīng)驗(yàn)公式；文獻(xiàn)[8]對(duì)泥質(zhì)膨脹巖崩解物粒徑分布與膨脹性關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究，判定膨脹巖膨脹性的強(qiáng)弱與其崩解物的最大含量粒組顆粒粒徑、有效粒徑和耐崩解性指數(shù)呈反相關(guān)關(guān)系；文獻(xiàn)[9]針對(duì)實(shí)際工程中膨脹巖應(yīng)力狀態(tài)的變化情況，對(duì)南水北調(diào)中線膨脹巖開(kāi)展了三軸循環(huán)加卸荷試驗(yàn)以及卸荷試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，可以用一負(fù)指數(shù)函數(shù)來(lái)擬合膨脹巖應(yīng)變?cè)黾恿颗c循環(huán)次數(shù)的關(guān)系；文獻(xiàn)[10]采用正交試驗(yàn)的方法對(duì)膨脹巖的膨脹性相似材料配比進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[11]對(duì)客運(yùn)專線無(wú)碴軌道泥巖地基原位浸水膨脹變形進(jìn)行試驗(yàn)研究后指出，泥巖加荷—浸水膨脹以塑性變形為主，卸載情況下泥巖的回彈量值占總變形量的6.39%～7.00%；文獻(xiàn)[12]對(duì)不同膨脹狀態(tài)下的膨脹巖進(jìn)行無(wú)膨脹作用的剪切蠕變?cè)囼?yàn)、膨脹與蠕變完全耦合的剪切蠕變?cè)囼?yàn)、膨脹與蠕變不完全耦合的剪切蠕變?cè)囼?yàn)、膨脹與蠕變分開(kāi)耦合的剪切蠕變?cè)囼?yàn)。

由于目前對(duì)巖石膨脹影響因素的研究成果主要來(lái)自重塑樣品的試驗(yàn)，重塑樣品破壞了巖石結(jié)構(gòu)，因而不能真實(shí)地反映巖石的力學(xué)特性。本文采用現(xiàn)場(chǎng)采取巖樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，得到了巖體的膨脹特性。

1 灰質(zhì)泥巖礦物化學(xué)成分分析研究

膨脹巖的主要礦物成分包括碎屑礦物和粘土礦物。碎屑礦物指的是石英石、方解石、云母以及長(zhǎng)石等。黏土礦物指的是高嶺石、伊利石和蒙脫石，這些黏土類礦物是影響膨脹巖膨脹特性的決定性因素。與此同時(shí)，巖石的顆粒大小、膠結(jié)程度也是影響其膨脹特性的重要因素。研究表明，郭家鎮(zhèn)地區(qū)的膨脹巖主要含有的礦物成分是伊利石和高嶺石，一般屬于弱膨脹巖。

礦物成分分析采用了河北師范大學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)測(cè)試部的D/Max 3B型X射線衍射儀。郭家鎮(zhèn)隧道收集的部分圍巖的測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 郭家鎮(zhèn)隧道礦物成分分析表

礦物成分中粘土礦物的百分含量對(duì)巖石的膨脹性起到?jīng)Q定性作用，郭家鎮(zhèn)膨脹巖的主要膨脹礦物為伊利石和高嶺石。高嶺石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了其水化作用較小，因而膨脹性能較弱。而蒙脫石離子交換能力較強(qiáng)，所以其親水性和膨脹性均較強(qiáng)。根據(jù)以上原理，由該膨脹巖的礦物組成分析可知，郭家鎮(zhèn)隧道的膨脹巖屬于弱膨脹巖。

2 膨脹巖膨脹特性試驗(yàn)試樣的制備

由于膨脹巖的抗擾動(dòng)能力很差，遇水后產(chǎn)生崩解。如果吸水量較小時(shí)，巖體尚未達(dá)到崩解程度，但已經(jīng)產(chǎn)生了很大的變形，應(yīng)力釋放較大，將導(dǎo)致試驗(yàn)無(wú)法得到可靠的結(jié)果。由于膨脹巖遇水軟化的特點(diǎn)，給原狀巖試樣的取芯工作帶來(lái)很大的困難。在取芯過(guò)程中，鉆頭不能通過(guò)通水來(lái)冷卻，所以要采用耐高溫的軟巖專用鉆頭，同時(shí)在取芯之前還要取部分巖石做天然含水率試驗(yàn)，若含水率過(guò)高會(huì)導(dǎo)致巖芯卡到鉆頭中無(wú)法取出。此時(shí)需對(duì)天然巖塊進(jìn)行烘干，但烘烤時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)，否則將導(dǎo)致巖石含水量過(guò)低，造成取芯過(guò)程中出現(xiàn)巖芯斷裂現(xiàn)象。由于膨脹巖的取芯難度高，所以目前國(guó)內(nèi)大部分有關(guān)膨脹巖的研究中，均采用巖石的重塑樣代替原始巖石來(lái)進(jìn)行膨脹試驗(yàn)和力學(xué)試驗(yàn)。具體做法是用較大的完整試塊制樣制作原狀巖石試樣，將其它不完整的巖石磨碎后，制作成重塑樣。在隧道現(xiàn)場(chǎng)采取巖石后，現(xiàn)場(chǎng)加工出工整試塊，使用SC-200型自動(dòng)取芯機(jī)(見(jiàn)圖1)進(jìn)行無(wú)水鉆芯，之后用砂紙打磨等手工操作把兩斷面加工成誤差不超過(guò)0.5mm的原巖試塊。以破碎巖體加工成重塑試樣。

為了防止試件內(nèi)天然水分的喪失，試樣加工完成后應(yīng)立即用保鮮膜，錫箔包裹，再用石蠟封嚴(yán)，在陰涼干燥處進(jìn)行保存。

3 膨脹巖的膨脹率測(cè)定

3.1 自由膨脹率測(cè)定

進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn)的目的是測(cè)量無(wú)側(cè)向約束條件下， 巖石的軸向自由膨脹率和徑向自由膨脹率。 試塊采用直徑為50mm的圓柱體， 高徑比為1∶1。由于膨脹巖具有遇水崩解的特性，而自由膨脹率試驗(yàn)適用于遇水不易崩解的巖石，需要對(duì)已加工試塊的形狀進(jìn)行預(yù)加固的同時(shí)，又不能影響巖石在水中的膨脹性。所以用保鮮膜(表面具有透水孔)對(duì)巖石進(jìn)行了包裹，以達(dá)到防止膨脹巖在水中崩解的目的。將試件放入YZP-1型自由膨脹率試驗(yàn)儀(見(jiàn)圖2)中，在試塊上、下斷面放置等于試塊直徑的透水板，透水板通過(guò)皮筋綁定保鮮膜。在頂部放置一塊500g的金屬薄板。然后在試塊的上部和巖石側(cè)向?qū)?yīng)位置安裝千分表，千分表表頭與試塊的接觸面間夾有薄銅板。同時(shí)防止千分表表腳陷入試塊中影響試驗(yàn)精度。每隔10min記錄千分表讀數(shù)一次，若連續(xù)3次試驗(yàn)讀數(shù)不變則表明試塊安裝妥當(dāng)，可以進(jìn)行注水。加水時(shí)一次性將水加到透水石以上，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中要保持水位處于試塊上方，溫度變化不得超過(guò)2℃，在試驗(yàn)開(kāi)始的10min內(nèi)每隔2min讀數(shù)一次，之后每隔10min讀數(shù)一次，1h后每隔30min讀數(shù)一次，直到相鄰3次讀數(shù)差值不大于0.001mm即認(rèn)為穩(wěn)定，總的浸水時(shí)間不小于48 h。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)臺(tái)不得發(fā)生震動(dòng)，并及時(shí)加入蒸餾水保證水位不變。泥巖自由膨脹率的試驗(yàn)記錄如表2所示。

圖1 SC-200型自動(dòng)取芯機(jī)

圖2 YZP-1型自由膨脹率試驗(yàn)儀

無(wú)側(cè)向約束自由膨脹率的計(jì)算公式為

(1)

(2)

式中：Vd為徑向自由膨脹率，%；H為試件高度，mm；D為試件直徑或邊長(zhǎng)，mm；Uh為試件軸向變形量，mm；Ud為試件徑向變形量，mm。

表2 泥巖自由膨脹率試驗(yàn)記錄

試驗(yàn)前含水率為2.33%，試驗(yàn)后含水率為26.4%，經(jīng)測(cè)算，含水率增大24.07%。根據(jù)三組平行試驗(yàn)，求出膨脹量的算術(shù)平均值，平均軸向自由膨脹率為5.4%，平均徑向自由膨脹率為2.3%，膨脹率較大。泥巖軸向膨脹率隨時(shí)間變化關(guān)系曲線如圖3所示，徑向膨脹率隨時(shí)間變化關(guān)系曲線如圖4所示。

圖3 泥巖軸向膨脹率隨時(shí)間變化關(guān)系曲線

圖4 泥巖徑向膨脹率隨時(shí)間變化關(guān)系曲線

由圖3～4可知，從巖石測(cè)定的膨脹率與時(shí)間的關(guān)系來(lái)看，在無(wú)約束的條件下，試驗(yàn)開(kāi)始的前3h內(nèi)，膨脹率急劇增加，4h后徑向膨脹曲線增長(zhǎng)緩慢并且逐漸趨于常量，膨脹巖軸向膨脹率在前3h內(nèi)增長(zhǎng)較大，之后經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的緩慢增長(zhǎng)，到15h后基本趨于穩(wěn)定。

3.2 側(cè)向約束膨脹率測(cè)定

巖石側(cè)向約束膨脹率指的是，試樣受側(cè)向約束，且軸向施加固定荷載(5kPa)條件下，浸水后試樣軸向變形與原高度的比值。

試塊為現(xiàn)場(chǎng)采取，并保持天然含水狀態(tài)。采取的試樣為直徑50mm，高度20mm的圓柱體試塊。首先在側(cè)向約束試驗(yàn)儀器的金屬套環(huán)內(nèi)側(cè)涂抹凡士林(防止巖石與金屬環(huán)發(fā)生摩擦影響試驗(yàn)結(jié)果)，試樣上下放置濾紙和金屬透水板，頂部安裝金屬荷載板與千分表。金屬荷載板對(duì)試塊產(chǎn)生5kPa的壓力，即金屬荷載板的質(zhì)量為1kg。然后在金屬荷載板上安裝千分表，千分表表頭與試塊的接觸面間夾有薄銅板。同時(shí)防止千分表表腳陷入試塊當(dāng)中影響試驗(yàn)精度，每隔10min記錄千分表讀數(shù)一次，若連續(xù)3次試驗(yàn)讀數(shù)不變則表明試塊安裝妥當(dāng)，可以進(jìn)行注水。加水時(shí)將水一次性加到透水石以上，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中保持水位始終處于在試塊上方，溫度變化不超過(guò)2℃，在試驗(yàn)開(kāi)始的10min內(nèi)每隔2min讀數(shù)一次，之后每隔10min讀數(shù)一次，1h后每隔30min讀數(shù)一次，直到相鄰3次讀數(shù)差值不大于0.001mm即認(rèn)為穩(wěn)定，總浸水時(shí)間不得小于48 h。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)臺(tái)不得發(fā)生震動(dòng)，并及時(shí)加入蒸餾水保證水位不變。

側(cè)向約束條件下膨脹率的計(jì)算公式為

(3)

式中：Vhp為徑向自由膨脹率，%；H為試件高度，mm；Uhp為試件直徑或邊長(zhǎng)，mm。

試驗(yàn)前含水率為4.72%，試驗(yàn)后含水率為23.5%，經(jīng)測(cè)算，含水率增大了18.78%。試驗(yàn)進(jìn)行了三組平行試驗(yàn)，試驗(yàn)記錄如表3所示，試驗(yàn)前巖石堅(jiān)硬，試驗(yàn)后顏色加深且土質(zhì)松軟。

表3 膨脹巖側(cè)向約束膨脹率試驗(yàn)記錄表

由表3求出三組平行試驗(yàn)膨脹量的算術(shù)平均值，膨脹率V為4.5%，其膨脹率較小。軸向膨脹率隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖5所示。

圖5 軸向膨脹率隨時(shí)間的變化關(guān)系

由圖5可知，從巖石測(cè)定的膨脹率與時(shí)間的關(guān)系來(lái)看，在有側(cè)向約束的條件下，在開(kāi)始的1h內(nèi)，膨脹率急劇增加，4h后，膨脹曲線增長(zhǎng)緩慢并且逐漸趨于常量，側(cè)向約束情況下巖石的最大軸向膨脹率為4.5%。

4 膨脹力測(cè)定

膨脹巖的膨脹力是導(dǎo)致西部地區(qū)隧道發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的主要原因，是巖土界到目前為止尚未解決的世界性技術(shù)難題。膨脹力的準(zhǔn)確測(cè)定對(duì)研究膨脹巖的力學(xué)性質(zhì)、膨脹機(jī)理有重要意義。

巖石膨脹壓力按下式計(jì)算

(4)

式中：Ps為膨脹壓力，MPa；P為軸向荷載，N；A為試件截面積，mm2。

繪制膨脹壓力Ps與時(shí)間t的關(guān)系曲線，確定最大膨脹壓力。膨脹壓力試驗(yàn)的記錄如表4所示。

本次試驗(yàn)采用了15組試樣進(jìn)行膨脹力試驗(yàn)，分別設(shè)定其初始含水率為1%、5%、10%、15%、20%。通過(guò)測(cè)定膨脹力和膨脹率，得到結(jié)果如表4所示。

表4 泥巖膨脹壓力試驗(yàn)成果表

由表4可知，巖石膨脹力隨初始含水率的不同而不同。天然含水率巖石最大膨脹力大小范圍為 45.56～56.23kPa，平均值為 50.60kPa；屬于弱膨脹巖最大膨脹力范圍之內(nèi)。

不同初始含水量試樣的膨脹壓力隨時(shí)間變化關(guān)系曲線如圖6所示。由圖6可知，根據(jù)膨脹力隨時(shí)間變化關(guān)系，試樣在前期較短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生了較大的膨脹力，到接近極限膨脹力后，變化非常緩慢。說(shuō)明，膨脹巖隧道遇水造成危害的特點(diǎn)是迅速，且危害大。

圖6 不同初始含水量試樣的膨脹壓力隨時(shí)間變化關(guān)系曲線

試樣最大膨脹力與初始含水量關(guān)系曲線如圖7所示。

圖7 試樣最大膨脹力與初始含水量關(guān)系曲線

由圖7可知，膨脹力Ps與初始含水率W成反比例關(guān)系，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，得到兩者之間存在如下方程

Ps=aw2+bw+c

(5)

式中：a、b、c為試驗(yàn)參數(shù)，a=0.282 7，b=-10.019，c=99.479。其相關(guān)系數(shù)為 0.982 8，具有較好的相關(guān)性。

由式(5)可得

F(Ps,W%)=Ps-0.282 7w2+10.019W-

99.479=0

(6)

5 結(jié)論

(1)巖石膨脹力為10.30～95.61kPa，小于100kPa；徑向自由膨脹率大小范圍為 0.8%～1.0%，軸向自由膨脹率大小范圍為 4.8%～6.8%，兩者均小于 10%。根據(jù)軟巖的定義，巖石試樣單軸抗壓強(qiáng)度小于 25MPa，粘土顆粒含量大于25%，自由膨脹率約為5%，得出該泥巖屬于弱膨脹性軟巖。

(2)軸向膨脹率隨著膨脹力的增加而增大；膨脹力越大試樣破壞程度越高；膨脹力與初始含水率成線性的反比例關(guān)系；由最大膨脹力得出郭家鎮(zhèn)隧道膨脹巖屬于弱膨脹巖。

參考文獻(xiàn)：

[1] PEJON O J. Effects of strain on the swelling pressure of mudrocks[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2006，43(5)：817-825.

[2] MARCO BARLA.Numerical simulation of the swelling behaviour around tunnels based on special triaxial tests[J]. Tunnelling and Underground Space Technology，2008，23(5)：508-521.

[3] 朱珍德，張愛(ài)軍，邢福東. 紅山窯膨脹巖的膨脹和軟化特性及模型研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(3)：389-393.

[4] 王軍，何淼，汪中衛(wèi). 膨脹砂巖的抗剪強(qiáng)度與含水量的關(guān)系[J]. 土木工程學(xué)報(bào)， 2006，39(1)： 98-102.

[5] 李杭州，廖紅建. 膨脹性泥巖的非線性強(qiáng)度變形特性試驗(yàn)研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào)， 2007，3(1)： 19-22.

[6] 臧德記，劉斯宏，汪濱. 原狀膨脹巖剪切性狀的直剪試驗(yàn)研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào)， 2009，5(5)： 915-919.

[7] 劉靜德，李青云，龔壁衛(wèi). 南水北調(diào)中線膨脹巖膨脹特性研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2011，33(5)： 826-830.

[8] 張巍，尚彥軍，曲永新，等. 泥質(zhì)膨脹巖崩解物粒徑分布與膨脹性關(guān)系試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué)，2013，34(1)：66-79.

[9] 趙二平，李建林，王瑞紅. 不同應(yīng)力路徑下膨脹巖力學(xué)特性試驗(yàn)研究[J]. 人民長(zhǎng)江，2014，45(3)： 83-86.

[10] 趙二平，李建林，王瑞紅. 基于正交設(shè)計(jì)的膨脹巖相似材料試驗(yàn)研究[J]. 蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，40(4)：131-135.

[11] 馬麗娜，嚴(yán)松宏，王起才，等. 客運(yùn)專線無(wú)碴軌道泥巖地基原位浸水膨脹變形試驗(yàn)[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2015，34(8)：1 684-1 691.

[12] 范秋雁，張波，李先. 不同膨脹狀態(tài)下膨脹巖剪切蠕變?cè)囼?yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2016，35(S2)：3 734-3 746.