滇中紅層泥巖與其重塑土的膨脹力研究

賴遠(yuǎn)超，鄧 輝，蘇 航，王紅娟

(成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059)

滇中紅層泥巖具有工程力學(xué)性質(zhì)差，遇水易崩解膨脹的特點(diǎn)。膨脹性的泥巖，其主要礦物為蒙脫石、伊利石、綠泥石及高嶺石，其中含蒙脫石類的泥巖膨脹性較不含蒙脫石類泥巖強(qiáng)[1]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同角度對(duì)泥巖的膨脹性做了一定的研究，何沛田[2]等研究了四川省中江縣馬鞍山引水隧道的黏土巖在水的長(zhǎng)期滲透作用下,巖體產(chǎn)生膨脹變形。蘇航[3]等通過膨脹試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)紅層軟巖巖樣在浸水初期膨脹力急速增長(zhǎng)，之后逐漸降低并趨于穩(wěn)定狀態(tài)。劉曉麗[4]等通過試驗(yàn)研究，得到修正的膨脹巖一維膨脹本構(gòu)模型。張?jiān)平艿萚5]采用膨脹儀研究了重慶地區(qū)的泥巖膨脹特性，研究結(jié)果表明：泥巖的膨脹率主要受其地質(zhì)年代、礦物組成、及含水率的影響。蘇永華等[6]利用分形理論分析崩解機(jī)制研究軟巖膨脹崩解力學(xué)機(jī)制，認(rèn)為軟巖的吸水膨脹崩解是軟巖屬于多重分形。刁心宏等[7]研究不同溫濕度條件下，泥巖吸水特性及膨脹特性的規(guī)律，得出在不同溫濕環(huán)境下吸水曲線可分為劇烈吸水、減速吸水以及吸水平衡3個(gè)階段。馬麗娜等[8]對(duì)重塑土的不同含水率及干密度條件下的膨脹力進(jìn)行研究，得出重塑土與實(shí)測(cè)原狀泥巖對(duì)比誤差在5%左右，可用于預(yù)估不同含水率的原狀泥巖所具有的膨脹力大小。

本文通過分別測(cè)定滇中紅層泥巖與其磨碎做成的重塑土的膨脹應(yīng)力，再結(jié)合泥巖的密度、孔隙率等因素來分析泥巖的膨脹應(yīng)力，進(jìn)而為滇中應(yīng)水工程隧洞的開挖提供參考意見。

1 泥巖膨脹力的測(cè)定

本文的巖樣取自螺蜂山隧洞，是泥質(zhì)含量較高的粉砂質(zhì)泥巖。用蠟封法處理巖芯，帶回實(shí)驗(yàn)室制成50mm×50mm的試樣5個(gè)，試樣編號(hào)分別為J2Z-2-1、J2Z-2-2、J2Z-2-3、J2Z-2-4、J2Z-2-5，試樣測(cè)定尺寸、質(zhì)量見表1。通過YYP-50型巖石膨脹壓力試驗(yàn)儀(圖1)來測(cè)定泥巖的膨脹應(yīng)力，進(jìn)而得出泥巖時(shí)間～膨脹應(yīng)力關(guān)系(圖2)。

表1 試樣尺寸、質(zhì)量

由于在試驗(yàn)過程中J2-2-4樣品破損嚴(yán)重，故而未得它的時(shí)間～膨脹應(yīng)力圖，總結(jié)試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)

從圖2和表2綜合分析可知，滇中紅層泥巖在前0.5 h內(nèi)快速吸水，且產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力約為最終膨脹應(yīng)力的95%。J2Z-2-2試樣的時(shí)間～膨脹應(yīng)力曲線分為快速膨脹、減速膨脹與平衡膨脹3個(gè)階段，而J2Z-2-1、J2Z-2-3與J2Z-2-5試樣只經(jīng)歷快速膨脹與平衡膨脹2個(gè)階段，分析可能是后3個(gè)試樣的孔隙貫通率優(yōu)于前一個(gè)試樣。而試樣的最大膨脹應(yīng)力與最小膨脹應(yīng)力相差1 348.35 kPa，推測(cè)為J2Z-2-3試樣中的蒙脫石、高嶺石等親水物質(zhì)的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于其他試樣，屬于偶然情況，也說明螺蜂山隧洞地區(qū)局部存在高膨脹應(yīng)力。剔除J2Z-2-3試樣，可得試樣的平均膨脹應(yīng)力為424.74 kPa。

2 重塑土膨脹性研究

重塑土的試驗(yàn)樣品是將從螺蜂山隧洞取的粉砂質(zhì)泥巖搗碎成粒徑小于0.25 mm的碎粒，加入蒸餾水將其碎土粒配制成含水率為8%、9%、10%以及15%的原狀土若干，根據(jù)配制的試樣密度的不同，分別制成尺寸為30 cm2×2 cm的重塑土。重塑土的材料是由原狀粉砂質(zhì)泥巖搗碎而成，故而，重塑土的最大值近似于泥巖中所有親水物質(zhì)產(chǎn)生的膨脹總應(yīng)力。

本試驗(yàn)采用的儀器是GDG系列型高壓固結(jié)儀(圖3)，通過繪制試驗(yàn)中的土樣膨脹率(縱坐標(biāo))與壓應(yīng)力(橫坐標(biāo))的關(guān)系曲線圖可找出重塑土樣的膨脹應(yīng)力，即曲線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)處數(shù)值。重塑膨脹土的膨脹率與壓應(yīng)力的關(guān)系圖為對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系圖，函數(shù)關(guān)系式為：

y=Aln(x)+B

(1)

式中x——壓應(yīng)力；y——膨脹率；A、B——試驗(yàn)參數(shù)。

其中密度為2.2 g/cm3、含水率為10.16%的膨脹率與壓應(yīng)力關(guān)系曲線可見圖4，其余密度、含水率條件下的相關(guān)數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同密度、含水率條件下的膨脹力數(shù)據(jù)

通過對(duì)不同密度、含水率與膨脹應(yīng)力的數(shù)據(jù)分析，由1stOpt擬合得出膨脹應(yīng)力與對(duì)應(yīng)的密度和含水率的關(guān)系式為：

P=32.34+2314.48·(100·ω)-10.36·

(100·ω)·(100·ω)-518.52·ρ

(2)

式中P——重塑土膨脹應(yīng)力;ω——重塑土的含水率；ρ——重塑土的密度。

3 泥巖與重塑土膨脹力關(guān)系研究

通過對(duì)比分析泥巖與其重塑土的膨脹力可知，泥巖的平均膨脹力為424.74 kPa，而重塑土的膨脹力在90～250 kPa范圍內(nèi)，泥巖的平均膨脹力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其重塑土的膨脹力，說明泥巖的膨脹力的大小不僅取決于泥巖內(nèi)親水礦物質(zhì)的多少，還受到物質(zhì)結(jié)構(gòu)、密度、含水率以及與水接觸的接觸面大小的影響。

由表1中5個(gè)試樣的試樣面積可計(jì)算得出試樣底面和頂面接觸水的平均接觸面面積為4 199.84 mm2，而重塑土的底面與頂面接觸水的接觸面積為6 000 mm2，定義接觸面關(guān)系的表達(dá)式為：

(3)

式中α——泥巖與其膨脹土與水接觸面面積的比例系數(shù);S1——泥巖試樣與水平均接觸面面積；S2——泥巖重塑土與水接觸面面積。由式(3)可計(jì)算得出滇中紅層泥巖與其重塑土與水接觸面面積比例系數(shù)為0.69。

由表1中5個(gè)試樣的試樣面積與試樣高度可計(jì)算得出試樣的平均體積為98.125 cm3，而重塑土的體積為60 cm3，定義體積的關(guān)系表達(dá)式為：

(4)

式中β——泥巖與其膨脹土的體積比例系數(shù)；V1——泥巖試樣的平均體積；V2——重塑土的體積。由式(4)可計(jì)算得出泥巖與其膨脹土的體積比例系數(shù)為1.64。

由表1中5個(gè)試樣的試樣空隙度可計(jì)算得出試樣的平均空隙度為11.85%，而重塑土的空隙度可由式(5)計(jì)算。

(5)

式中e——重塑土的孔隙度；ds——土粒相對(duì)密度(此處取2.65)；ω——含水率；ρω——水的密度；ρ——土的密度。由式(4)可計(jì)算出膨脹土的平均空隙度為46.41%，定義孔隙度的比例系數(shù)為：

(6)

式中γ——孔隙度比例系數(shù)；e1——泥巖的平均孔隙度；e2——重塑土的平均孔隙度。進(jìn)而由式(6)可計(jì)算得空隙比例系數(shù)γ為4.18。

試樣孔隙度大小和與水接觸面面積大小，都會(huì)促進(jìn)試樣吸水的進(jìn)程，可知試樣接觸面面積、孔隙度與試樣含水率相關(guān)，而試樣的體積大小同樣也影響著試樣的密度。則可將泥巖的含水率與密度通過系數(shù)轉(zhuǎn)換為重塑土的含水率與密度，進(jìn)而可計(jì)算出泥巖的近似膨脹力的大小，可得泥巖膨脹力的表達(dá)式為：

(7)

式中P——泥巖膨脹應(yīng)力；γ——孔隙度比例系數(shù)；ω——泥巖天然含水率；α——接觸面面積比例系數(shù)；β——體積比例系數(shù)；ρ——泥巖天然密度。

對(duì)式(7)進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算，結(jié)果見表4。

表4 計(jì)算數(shù)據(jù)

由表4可知，擬合的泥巖膨脹力表達(dá)式計(jì)算出來的數(shù)據(jù)可信率在92.9%以上，可見此擬合表達(dá)式貼合實(shí)際情況，具有較高的工程參考價(jià)值。

4 結(jié)論

本文通過試驗(yàn)來研究滇中紅層的膨脹應(yīng)力，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析可得以下結(jié)論。

a) 滇中紅層泥巖試樣的時(shí)間～膨脹應(yīng)力曲線一般分為快速膨脹、減速膨脹與平衡膨脹3個(gè)階段或者快速膨脹與平衡膨脹2個(gè)階段，由于隧洞內(nèi)親水物質(zhì)分布的集中偶然性，可能會(huì)出現(xiàn)部分試樣的膨脹應(yīng)力過大，可達(dá)1 600 kPa，而大部分試驗(yàn)樣品平均膨脹應(yīng)力約為424.74 kPa。

b) 紅層泥巖搗碎制成的重塑土的壓應(yīng)力與膨脹率呈對(duì)數(shù)關(guān)系，測(cè)出重塑土的膨脹應(yīng)力范圍為91.84～234.38 kPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于泥巖的膨脹力，分析是重塑土的體積、密度、含水率以及與水的接觸面積和泥巖的不同所導(dǎo)致。

c) 通過對(duì)膨脹土的含水率、密度與膨脹應(yīng)力的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可知含水率與密度是耦合的，并不是單一的決定膨脹應(yīng)力的大小。通過1stOpt擬合出重塑土的膨脹應(yīng)力與含水率、密度的函數(shù)關(guān)系式。

d) 在重塑土的膨脹應(yīng)力與含水率、密度的函數(shù)關(guān)系式基礎(chǔ)上，通過考慮泥巖與其重塑土之間的與水接觸面積比例系數(shù)、體積比例系數(shù)以及孔隙度比例系數(shù)，進(jìn)而將重塑土的膨脹應(yīng)力與含水率、密度的函數(shù)關(guān)系式推廣到泥巖的膨脹應(yīng)力與含水率、密度的函數(shù)關(guān)系式。通過計(jì)算可知，計(jì)算值的可信度在92.9%以上。

本文進(jìn)行的試樣樣品數(shù)量較少，得出的結(jié)論僅適用于本文，如若不適合求取其他泥巖的膨脹應(yīng)力，則需要讀者進(jìn)行具體分析。