巖石膨脹性試驗(yàn)注意事項(xiàng)探討

劉 軍 谷 莉 郭 程 卓慧英

(河北中核巖土工程有限責(zé)任公司，河北石家莊 050021)

0 引言

膨脹巖的膨脹性特征是一復(fù)雜的問(wèn)題，影響膨脹巖膨脹性的主要因素包括環(huán)境濕度的歷史、微結(jié)構(gòu)、巖體干重度、孔隙率、黏土礦物組成和含量、粒度特征、結(jié)構(gòu)特征、應(yīng)力狀態(tài)、巖石的含水狀態(tài)等[1]。在實(shí)際的室內(nèi)試驗(yàn)過(guò)程中，主要把水作為介質(zhì)，觀測(cè)膨脹巖在水的作用下發(fā)生的各種變化，進(jìn)行相應(yīng)的膨脹性分析。在此過(guò)程中，人的各種操作對(duì)所測(cè)的結(jié)果產(chǎn)生了一定的影響。

在以往的研究或文獻(xiàn)中，很多學(xué)者對(duì)膨脹性的各種特性進(jìn)行了多方位、全面的分析探討，但是對(duì)數(shù)據(jù)的形成過(guò)程如試驗(yàn)操作、測(cè)試數(shù)據(jù)讀取中值得注意的細(xì)節(jié)、具體方式方法等論述很少。而實(shí)際試驗(yàn)中，對(duì)膨脹性試驗(yàn)過(guò)程的控制直接決定著數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性和有效性。作者以多年實(shí)際試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)就此進(jìn)行相應(yīng)論述和探討。

膨脹性試驗(yàn)主要包括五項(xiàng)試驗(yàn)[2]：軸向自由膨脹率、徑向自由膨脹率、側(cè)向約束膨脹率、膨脹力、耐崩解性。此處把耐崩解性納入膨脹巖的試驗(yàn)范疇主要在于膨脹巖的崩解性一般較強(qiáng)，其耐崩解性明顯小于其他類(lèi)巖石。

1 膨脹巖試樣制備方法

1.1 野外樣品的獲取

野外樣品有兩種獲取方式：(1)爆破開(kāi)挖類(lèi)樣品，應(yīng)注意樣品是否發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞；(2)鉆孔樣品，對(duì)于膨脹巖，鉆孔取樣以干鉆為主，避免或減少水鉆取樣。

樣品獲取后，應(yīng)立刻采取保護(hù)措施，使其保持原有物理、力學(xué)狀態(tài)，特別是既要采取保水又要采取防水措施，然后進(jìn)行蠟封。運(yùn)輸過(guò)程中，應(yīng)采取防震動(dòng)、防曬、防風(fēng)、防凍等措施，以保持樣品的原始狀態(tài)。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)樣的制取

樣品到達(dá)試驗(yàn)室，啟封后,應(yīng)立刻制取標(biāo)準(zhǔn)樣，標(biāo)準(zhǔn)樣品的尺寸標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以滿足其試驗(yàn)項(xiàng)目為準(zhǔn)。需要注意以下問(wèn)題：

(1)樣品應(yīng)以干法制樣為主，在樣品和條件允許的情況下，盡量減少樣品接觸水的機(jī)會(huì)，防止樣品提前吸水膨脹。

(2)若采取濕法制樣，應(yīng)減少或控制制樣時(shí)間，以減少水分對(duì)膨脹性試驗(yàn)的影響。條件允許時(shí)，推薦用潤(rùn)滑油替代水進(jìn)行制樣。標(biāo)準(zhǔn)樣制好后，應(yīng)及時(shí)對(duì)樣品進(jìn)行二次處理，即去水處理，可以用砂紙對(duì)其樣品表面進(jìn)行打磨，去掉樣品濕化部分，以保證樣品的濕度為原始濕度。

(3)樣品的制取方法應(yīng)根據(jù)其硬度進(jìn)行選擇，通常為機(jī)器和人工制取方法相結(jié)合。對(duì)一般性巖石，首先用標(biāo)準(zhǔn)鉆頭鉆取樣品，鉆頭可以采用耐高溫的軟巖專(zhuān)用鉆頭，也可以對(duì)不同硬度、配比的合金和金剛石鉆頭進(jìn)行試鉆選取；鉆取時(shí)應(yīng)選擇合適的鉆速，根據(jù)硬度不同，選擇800～1600轉(zhuǎn)/min，然后再切磨，切磨時(shí)應(yīng)控制進(jìn)刀速度,以避免震裂樣品為宜。當(dāng)硬度較低，特別是對(duì)一些極軟巖和半成巖，選擇機(jī)器制樣時(shí)，應(yīng)把鉆樣轉(zhuǎn)速降到較低轉(zhuǎn)速，以避免產(chǎn)生過(guò)大的離心力，損壞樣品。部分樣品具有一定塑性，可以選擇人工制樣，優(yōu)先選擇干鋸法，其次為濕鋸法；如果樣品硬度近土，可參考土工樣品的制樣方法，但要加強(qiáng)對(duì)尺寸的精度控制。無(wú)論何種方式制取，均應(yīng)避免其原始狀態(tài)受到改變和破壞。

(4)軸向自由膨脹率、徑向自由膨脹率、側(cè)向約束膨脹率、膨脹力4種試驗(yàn)，樣品宜為圓柱體，直徑宜為48～65 mm，長(zhǎng)度宜為直徑的1.0倍，尺寸應(yīng)與所用試驗(yàn)設(shè)備相匹配，每組不少于3個(gè)。崩解試驗(yàn)的試樣應(yīng)制成質(zhì)量為40～60 g的圓形塊石，每組試樣的數(shù)量不應(yīng)少于10個(gè)。理論上試驗(yàn)用樣品越大，其越有代表性，而尺寸方面的如此規(guī)定是為了兼顧野外鉆探尺寸和更好進(jìn)行比對(duì)分析。對(duì)于部分含有大顆粒礦物的樣品，一般規(guī)范要求樣品尺寸應(yīng)大于最大礦物粒徑的10倍[3]，實(shí)際在試驗(yàn)室具體試驗(yàn)時(shí)，可以通過(guò)加做不同粒級(jí)的試驗(yàn)，對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行分析歸納，得出較為合適的膨脹性指標(biāo)。

(5)對(duì)于具有各向異性的膨脹巖，應(yīng)注意選取樣品的代表性，必要時(shí)可加做各向異性的膨脹性試驗(yàn)[4]。

試驗(yàn)樣品的平整度、精度、尺寸、數(shù)量等不應(yīng)低于規(guī)范要求，對(duì)于科研項(xiàng)目，應(yīng)高于規(guī)范要求?？傊?，樣品的制樣水平直接決定著膨脹巖試驗(yàn)的精確度。此外，樣品尺寸與試驗(yàn)設(shè)備也應(yīng)高度匹配。

2 自由膨脹率試驗(yàn)注意事項(xiàng)

巖石自由膨脹率是巖石標(biāo)準(zhǔn)樣品在浸水前后徑向和軸向變形的變化大小，以百分比表示。自由膨脹率試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。

圖1 自由膨脹率儀

本試驗(yàn)得出軸向自由膨脹率和徑向自由膨脹率兩組參數(shù)，它適用于遇水不易崩解的巖石。

試驗(yàn)過(guò)程中，注意事項(xiàng)如下：

(1)因?yàn)榕蛎浭峭ㄟ^(guò)巖石自身的失水和吸水特性表現(xiàn)出來(lái)，因此在試驗(yàn)前，應(yīng)盡量避免樣品吸水、失水，應(yīng)將其放入保濕器中，并且密封。如果吸水，自由膨脹率試驗(yàn)數(shù)值將偏小；如果失水，自由膨脹率試驗(yàn)數(shù)值將偏大。

(2)在試驗(yàn)前，應(yīng)對(duì)樣品進(jìn)行除塵處理，否則灰塵或塵土將影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)；特別是對(duì)一些膨脹參數(shù)較小的巖類(lèi)，尤應(yīng)注意。

(3)在試驗(yàn)中，千分表與試樣接觸應(yīng)良好，所有接觸點(diǎn)或面一定要進(jìn)行預(yù)壓，否則對(duì)于膨脹指標(biāo)較小的巖石，試驗(yàn)結(jié)果會(huì)造成較大的相對(duì)誤差。

(4)試驗(yàn)環(huán)境一定要避免振動(dòng)，同時(shí)應(yīng)避免風(fēng)和光影響，特別對(duì)泥質(zhì)含量較高的巖石，易造成樣品膨脹開(kāi)裂，影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

(5)由于試驗(yàn)的時(shí)間效應(yīng)，不同的樣品試驗(yàn)完成的時(shí)間可能有較大差異，應(yīng)對(duì)試驗(yàn)前期尤其是24 h之內(nèi)的數(shù)據(jù)予以詳細(xì)記錄，后期的數(shù)據(jù)根據(jù)樣品的吸水特性進(jìn)行記錄。晚上數(shù)據(jù)的記錄，應(yīng)合理安排人員進(jìn)行值守。樣品的試驗(yàn)時(shí)間應(yīng)充足，讓樣品充分吸水，達(dá)到樣品的最大吸水率狀態(tài)，從而提供安全的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

此外，當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行膨脹性試驗(yàn)時(shí)，要及時(shí)對(duì)試驗(yàn)容器進(jìn)行補(bǔ)水，特別是在炎熱的夏天，補(bǔ)水時(shí)不要碰觸設(shè)備，以免引起樣品的震動(dòng)和千分表的變化。

(6)有別于其他物理力學(xué)參數(shù)，對(duì)于膨脹性試驗(yàn)，應(yīng)詳細(xì)描述試件的破壞形式，如崩解、落塊、開(kāi)裂、泥化、軟化等。依此輔助分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)的合理性，對(duì)最終數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和取舍。

自由膨脹率的測(cè)試方法簡(jiǎn)單易行, 是膨脹巖的綜合判定指標(biāo), 但它不能反映原狀巖的圍壓，從而無(wú)法真實(shí)體現(xiàn)原狀巖的膨脹變形。從數(shù)值上說(shuō)，依據(jù)試驗(yàn)室做出的自由膨脹率數(shù)據(jù)進(jìn)行膨脹巖判定是保守和安全的。

3 側(cè)向約束膨脹率試驗(yàn)注意事項(xiàng)

巖石側(cè)向約束膨脹率是巖石標(biāo)準(zhǔn)樣品在有側(cè)限條件下，浸水前后產(chǎn)生的軸向變形的變化大小，以百分比表示。側(cè)向約束膨脹率試驗(yàn)設(shè)備如圖2所示。

圖2 側(cè)向約束膨脹率試驗(yàn)儀

側(cè)向約束膨脹率試驗(yàn)適用于遇水不易崩解的巖石。

試驗(yàn)過(guò)程中，注意事項(xiàng)如下：

(1)自由膨脹率試驗(yàn)注意事項(xiàng)中的(1)—(6)條。

(2)若試驗(yàn)所選設(shè)備為杠桿固結(jié)儀，除卻有關(guān)固結(jié)儀的注意事項(xiàng)外，應(yīng)注意調(diào)平，以免產(chǎn)生附加力，具體可以通過(guò)多次預(yù)壓—回彈—預(yù)壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(3)加水后1 h內(nèi)，要時(shí)刻觀察膨脹情況，因可能由于接觸不良發(fā)生先縮后漲的情形，應(yīng)予以消除，否則會(huì)引起試驗(yàn)員的誤判，造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏小。

(4)試驗(yàn)儀中的金屬套環(huán)高度必須大于試件和透水板高度[5]，以免由于套環(huán)高度不夠，使試件浸水后發(fā)生三向變形。同時(shí)要注意，試樣的直徑最好與儀器金屬套管的直徑相同，誤差不得大于0.1 mm，以減少試驗(yàn)過(guò)程中的徑向變形，進(jìn)而減少試驗(yàn)誤差。

這里需要說(shuō)明一點(diǎn)，側(cè)向約束膨脹率儀非常簡(jiǎn)單，無(wú)論是使用專(zhuān)門(mén)側(cè)向約束膨脹率儀，還是用固結(jié)儀代替，或者自制側(cè)向約束膨脹率儀均可，只要滿足試驗(yàn)要求并檢定校準(zhǔn)合格即可。本文是以固結(jié)儀為論述對(duì)象，但其注意事項(xiàng)均適用于上述三種設(shè)備。

一項(xiàng)新研究表明，飲食干預(yù)可以幫助殺死癌細(xì)胞。小鼠模型研究顯示，患白血病的肥胖小鼠在化療前將食物由高脂飲食改為低脂飲食后，其預(yù)后明顯改善，存活率也顯著提高。

4 膨脹力試驗(yàn)注意事項(xiàng)

巖石膨脹力是巖石標(biāo)準(zhǔn)樣品在浸水后保持原形或體積不變所需要的應(yīng)力。膨脹力試驗(yàn)設(shè)備如圖3所示。

圖3 膨脹力儀

膨脹力試驗(yàn)適用于遇水不易崩解的巖石。

試驗(yàn)過(guò)程中，注意事項(xiàng)如下：

(1)自由膨脹率試驗(yàn)注意事項(xiàng)中的(1)—(6)條。

(2)及時(shí)記錄數(shù)據(jù)采集器的底數(shù)，底數(shù)有時(shí)不為零，計(jì)算時(shí)應(yīng)予以消除；應(yīng)及時(shí)觀察千分表的讀數(shù)以調(diào)整壓力，如果千分表讀數(shù)較大時(shí)或試驗(yàn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)才調(diào)整壓力，有可能產(chǎn)生較大的設(shè)備誤差和樣品變形誤差。

(3)施加預(yù)荷載時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況即不同巖樣膨脹力來(lái)定，一般規(guī)范要求10 kPa。但是對(duì)低膨脹力巖石，過(guò)大的預(yù)荷載會(huì)影響平衡力，可酌情減少預(yù)荷載。此外，施加平衡荷載時(shí)要慢和穩(wěn)，不應(yīng)施加沖擊力[6]，不要過(guò)載，過(guò)載會(huì)破壞巖石結(jié)構(gòu)。

(4)對(duì)膨脹力儀，應(yīng)進(jìn)行不同壓力的儀器變形校正，此項(xiàng)經(jīng)常被忽略，應(yīng)引起重視。試驗(yàn)過(guò)程中，觀測(cè)記錄時(shí)應(yīng)扣除儀器變形[7]。

(6)膨脹力的測(cè)定方法較多,第一種試驗(yàn)方法是被大家廣泛認(rèn)可的加荷平衡法,即在保持巖土體體積不變的條件下測(cè)得的膨脹力；第二種試驗(yàn)方法，即《巖石力學(xué)試驗(yàn)建議方法》中提到的脹壓法[8]，脹壓法試樣在膨脹過(guò)程中,孔隙被水充滿,接近飽和,因而產(chǎn)生了殘余孔隙水壓，并被計(jì)入了膨脹力量值內(nèi),產(chǎn)生誤差，而第一種方法平衡法則不存在這個(gè)問(wèn)題;第三種方法圖解法[9]，其中又包括壓縮膨脹法、自由膨脹法等[10]，較切合實(shí)際，但操作繁瑣，需要試件較多，影響因素也多，實(shí)際試驗(yàn)時(shí)較少利用。三種膨脹力試驗(yàn)方法，圖解法不具工程性?xún)r(jià)比，一般用于專(zhuān)項(xiàng)研究；脹壓法所測(cè)膨脹力較大, 反映了原巖膨脹變形產(chǎn)生的最大膨脹力；加荷平衡法反映了原巖瞬時(shí)膨脹變形,其受到壓力的抑制，所測(cè)膨脹力小于脹壓法所測(cè)膨脹力[11]。工程設(shè)計(jì)時(shí)采用加荷平衡法的指標(biāo)較準(zhǔn)確，采用脹壓法的指標(biāo)則更安全、保守。

(7)加荷平衡法主要包括膨脹力儀法和固結(jié)儀法兩種，筆者主要使用膨脹力儀法，少部分使用固結(jié)儀法。經(jīng)比對(duì)，兩者數(shù)據(jù)基本一致。在條件允許的情況下，建議使用膨脹力儀，其較固結(jié)儀更方便、快捷、直觀。而實(shí)際一般試驗(yàn)室固結(jié)儀較多，量大的時(shí)候可以兼用固結(jié)儀。因此，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程可以根據(jù)試驗(yàn)樣品數(shù)量和要求時(shí)間靈活選用。

5 耐崩解試驗(yàn)注意事項(xiàng)

巖石的耐崩解性是巖石在經(jīng)過(guò)干燥和浸水標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)后，標(biāo)準(zhǔn)樣品的剩余質(zhì)量與原質(zhì)量之比，以百分?jǐn)?shù)表示。耐崩解試驗(yàn)設(shè)備如圖4所示。

圖4 耐崩解試驗(yàn)儀

巖石的崩解性是巖石與水相互作用時(shí)失去黏結(jié)性，喪失強(qiáng)度的性質(zhì)，它是由于水化作用減弱了巖石內(nèi)部的聯(lián)結(jié)力，進(jìn)而產(chǎn)生崩解，在可溶鹽和黏土質(zhì)膠結(jié)的沉積巖地層中較為常見(jiàn)。耐崩解試驗(yàn)多適用于質(zhì)地疏松、易風(fēng)化、易水解的黏土巖類(lèi)巖石。對(duì)于堅(jiān)硬、完整巖石一般不需要進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn)。

試驗(yàn)過(guò)程中，注意事項(xiàng)如下：

(1)耐崩解試驗(yàn)最基本的要求是控制每塊標(biāo)準(zhǔn)樣品即渾圓狀巖塊的質(zhì)量和磨圓度，有時(shí)，打磨渾圓狀巖塊較為困難，易被試驗(yàn)員忽視。在制作渾圓狀巖塊后，試驗(yàn)前，必須擦凈其附著的巖石碎屑，再稱(chēng)取質(zhì)量。

(2)稱(chēng)量時(shí)，如果去篩筒稱(chēng)量，細(xì)小顆粒不要漏掉。冷卻時(shí)一定要放入干燥器以免吸水。

(3)巖石耐崩解性還與試驗(yàn)所用水有關(guān)，所用水應(yīng)為20℃±2℃的潔凈水，若為其他水質(zhì)，可能會(huì)對(duì)崩解性產(chǎn)生影響，應(yīng)加以說(shuō)明。

(4)試件耐崩解次數(shù)，主要根據(jù)巖性來(lái)考慮。對(duì)于一般膨脹巖，一般測(cè)定2次循環(huán)的耐崩解指數(shù)即可滿足要求；而對(duì)于重要工程、特殊工程及有特定需求時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行5次或5次以上循環(huán)。

(5)在耐崩解性試驗(yàn)中，還可采用崩解時(shí)間、崩解特征、崩解速度[12]三個(gè)參數(shù)進(jìn)行輔助分析，以期達(dá)到更準(zhǔn)確的試驗(yàn)效果。

6 膨脹性試驗(yàn)的時(shí)間特征

膨脹巖的前四種試驗(yàn)指標(biāo)即軸向自由膨脹率、徑向自由膨脹率、側(cè)向約束膨脹率和膨脹壓力的數(shù)值均隨時(shí)間延長(zhǎng)而增大，初始階段變化均較快，最后逐漸趨向于一個(gè)穩(wěn)定值；膨脹巖的耐崩解試驗(yàn)，初始階段質(zhì)量變化也較快，隨著循環(huán)次數(shù)增加，變化也逐漸減小，直至穩(wěn)定。

所以我們?cè)谥匾曊麄€(gè)試驗(yàn)過(guò)程的時(shí)候，應(yīng)注意對(duì)前期試驗(yàn)過(guò)程的控制。同時(shí)，對(duì)部分強(qiáng)膨脹性巖石，其膨脹性指標(biāo)的測(cè)定，時(shí)間跨度可達(dá)一周甚至半個(gè)月以上，其后期的膨脹性表現(xiàn)也不容忽視。

7 試驗(yàn)的改進(jìn)

膨脹性試驗(yàn)所用巖石均為現(xiàn)場(chǎng)獲取，無(wú)論是塊狀還是柱狀，其在獲取過(guò)程中，受采樣條件限制，含水率很容易發(fā)生變化。因此，實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，誤差很難避免。倘若沒(méi)有了含水率的影響，把所有的標(biāo)準(zhǔn)樣均先進(jìn)行烘干，然后在不同含水率狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)，給出含水率與膨脹性指標(biāo)的關(guān)系曲線，這樣就可以根據(jù)曲線選擇更符合現(xiàn)場(chǎng)情況的指標(biāo)。但試驗(yàn)工作量會(huì)大量增加，這有待進(jìn)一步的探討。

此外，如果把巖石的應(yīng)力狀態(tài)恢復(fù)到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)是否更合理更適用，這同樣值得思考。

8 結(jié)論

(1)在膨脹性試驗(yàn)中，首先要控制好采樣、運(yùn)輸、制樣環(huán)節(jié)。應(yīng)盡量保持原巖的原始狀態(tài)，特別是樣品的原有內(nèi)在應(yīng)力和含水率，同時(shí)要選取有代表性樣品，并且保證樣品的數(shù)量。

(2)其次要控制好試驗(yàn)環(huán)節(jié)。要認(rèn)真謹(jǐn)慎，把握試驗(yàn)的關(guān)鍵步驟，嚴(yán)格對(duì)待上述的注意事項(xiàng)。巖石的膨脹機(jī)理表明，巖石遇水發(fā)生膨脹的有效時(shí)間，主要集中在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的前期，對(duì)此應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。對(duì)強(qiáng)膨脹巖石，試驗(yàn)后期的膨脹性也應(yīng)加以關(guān)注。此外，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理選用試驗(yàn)方法。

(3)最后在分析處理數(shù)據(jù)環(huán)節(jié)，應(yīng)通過(guò)人員試驗(yàn)水平、樣品特性、試驗(yàn)方法等多方面判定數(shù)據(jù)的合理性。巖石膨脹性參數(shù)的離散性相對(duì)其他物理、力學(xué)參數(shù)較大，因此，條件允許的情況下，應(yīng)多取樣測(cè)試；同時(shí)，膨脹參數(shù)之間以及和其他物理力學(xué)參數(shù)之間存在著規(guī)律性，可以綜合分析判定。

總之，試驗(yàn)人員應(yīng)嚴(yán)格按照試驗(yàn)要求，努力克服人為影響因素，獲得安全、可靠的巖石膨脹性指標(biāo)，從而更好地為工程勘察設(shè)計(jì)施工服務(wù)。