膨脹巖試驗設備改進與評價研究

吳會東

(中國鐵路設計集團有限公司， 天津 300251)

膨脹巖屬軟巖中的特殊類型，含有較多親水礦物，親水性異常強烈，含水率變化時體積發(fā)生較大變化，變形受約束時產(chǎn)生較大內(nèi)應力。膨脹巖復雜的工程特性，易誘發(fā)各種嚴重地質(zhì)災害的發(fā)生，使得膨脹巖問題成為工程界最為關注的問題之一。伴隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，越來越多的工程建設不可避免地穿越膨脹巖土地區(qū)，其災害防治問題日益突出。如何在勘察設計階段及時發(fā)現(xiàn)并選擇相應的試驗設備和測試方法對膨脹巖進行試驗研究，確定其主要技術指標，進而做出準確的性質(zhì)判斷和評價，為工程設計預防措施提供可靠的參數(shù)，是膨脹巖分布地區(qū)各類工程建設必須解決的主要問題。

1 國內(nèi)巖石膨脹性試驗現(xiàn)狀分析

目前，膨脹巖的判定和評價指標主要有飽和吸水率、膨脹力、膨脹率、自由膨脹率等。在國內(nèi)現(xiàn)行的巖石試驗標準、規(guī)程中，巖石飽和吸水率的試驗設備和操作比較簡單，主要采用煮沸法或真空抽氣法，強制飽和后測定即可。巖石自由膨脹率試驗通常采用自由膨脹率試驗儀(如圖1所示)，巖石側向約束膨脹率試驗通常采用側向約束膨脹率試驗儀(如圖2所示)，巖石體積不變條件下膨脹壓力試驗通常采用巖石膨脹壓力試驗儀(如圖3所示)。3個試驗項目在不同的試驗設備上完成，每臺設備都有各自要求的部件組成和試件尺寸，都配有各自的測量和試驗裝置，試驗設備投入成本高，占用空間大。同時，由于不同設備和測量裝置對試件的形狀和尺寸要求不同，使得同一巖層膨脹性試驗所需試件較多，即便是同一工程的一組試件也要分別制樣，才能滿足不同膨脹性試驗的要求，且還會因試件的差異降低試驗結果的相關性，給巖石膨脹性試驗的精度和準確性造成一定的影響。

M.金屬板；P.透水板；S.巖石試樣；G.橡膠板；W.水；D.指示表圖1 自由膨脹率試驗儀

1.盛水器；2.環(huán)力；3.傳遞活塞；4.測微表；5.表架；6-試樣；7-底座；8-底盤圖2 側向約束膨脹率試驗儀

1.螺母；2.平墊圈；3.橫梁；4.螺母和；5.擺柱；6.接頭；7.壓力傳感器；8.上壓板；9.金屬透水板；10.試件；11.套環(huán)；12.調(diào)整件；13.容器圖3 巖石膨脹壓力試驗儀

1.龍門架；2.加荷手輪；3.測力傳感器；4.加壓桿；5.垂直千分表； 6.加壓頭；7.飽和水箱；8.金屬套環(huán)；9.巖石試樣；10.水平千分表圖4 多功能巖石膨脹試驗儀

本文結合鐵路項目膨脹性巖石的判別和評價需求，介紹了一種新研制開發(fā)的集巖石自由膨脹率試驗、巖石側向約束膨脹率試驗、巖石體積不變條件下膨脹壓力試驗3項試驗功能為一體、具有自動采集處理功能，且簡單方便的多功能巖石膨脹試驗儀(如圖4所示)。采用同一臺儀器和同一套測量裝置，經(jīng)不同組合，可分別進行巖石自由膨脹率、巖石側向約束膨脹率和巖石體積不變條件下膨脹壓力3項試驗。由于試驗采用的巖石試件系列相同，且在同一臺儀器上進行試驗，不僅大大簡化了試驗儀器的配置、操作和管理，減少了設備的投入成本和占地空間，還因采用的測量裝置具有相同的精度、穩(wěn)定性和可靠性，從而最大限度地提高了試驗成果的同一性和可比性，對提高巖石膨脹性試驗的試驗可操作性、試驗質(zhì)量以及試驗精度起到了積極作用。

2 巖石膨脹性試驗設備的對比分析

2.1 標準、規(guī)程推薦的膨脹性試驗設備

目前,現(xiàn)行的國家標準GB/T 50266-2013《工程巖體試驗方法標準》[1]和行業(yè)標準TB 10115-2014《鐵路工程巖石試驗規(guī)程》[2]、JTGE 41-2005《公路工程巖石試驗規(guī)程》[3]、DL/T 5368-2007《水電水利工程巖石試驗規(guī)程》[4]等對巖石膨脹性試驗的試驗項目和試驗設備都有明確規(guī)定。各標準、規(guī)程推薦的膨脹性試驗設備的組成都大同小異，試驗方法、條件和技術要求也基本相同，但對試件尺寸的要求略有不同。現(xiàn)行標準、規(guī)程巖石膨脹性試驗試件尺寸如表1所示。

表1 現(xiàn)行標準、規(guī)程巖石膨脹性試驗試件尺寸表

2.2 多功能巖石膨脹試驗儀

根據(jù)國家和行業(yè)現(xiàn)行巖石試驗標準和規(guī)程的技術要求，對目前市場在售的巖石自由膨脹率試驗儀、巖石側向約束膨脹率試驗儀和巖石膨脹壓力試驗儀進行集成和改進，開發(fā)研制了一種多功能巖石膨脹試驗儀。該多功能巖石膨脹試驗儀可在同一儀器設備完成不同膨脹性試驗項目，且實現(xiàn)了試驗數(shù)據(jù)的自動采集處理，提高了試驗效率。

該套儀器主要由垂直測力與加荷裝置、垂直反力龍門架、垂直變形測量裝置、多用途儲水箱與水平變形測量裝置、豎向預置壓力加荷組件和由對開模與開口環(huán)刀組成的金屬套環(huán)共6部分組成。其中，水平變形測量裝置、豎向預置壓力加荷組件和組合式金屬套環(huán)經(jīng)簡單的組合搭配，即可適用于常見的φ50 mm、φ74 mm和φ93 mm 3個鉆探巖芯直徑系列，每個直徑系列由級差為1.0 mm的多個不同直徑試件進行自由膨脹率試驗、側向約束膨脹率試驗和體積不變條件下膨脹壓力試驗，擴展了單臺試驗儀器的使用功能，擴大了巖石膨脹性試驗的試件直徑范圍。多功能巖石膨脹試驗儀試件尺寸如表2所示。

表2 多功能巖石膨脹試驗儀試件尺寸表

2.3 巖石膨脹性試驗儀優(yōu)缺點分析[5]

2.3.1市場在售巖石膨脹性試驗儀

目前，市場在售的巖石膨脹性試驗儀器有固定型號和成型的部件，可隨時購買使用，節(jié)約儀器購置時間。但也存在以下不足：

(1)巖石自由膨脹率試驗、巖石側向約束膨脹率試驗和巖石體積不變條件下膨脹壓力試驗需由3種不同的儀器來完成，所需試驗儀器數(shù)量多，儀器購置投入成本大，占用空間大。

(2)野外采取的巖石樣品一般為鉆探巖芯，個別為塊狀，不滿足試驗所需試件的要求，需在室內(nèi)使用鉆石機、鋸石機、磨石機進行二次加工，增加了試驗工作量和試驗難度。

(3)市場在售的巖石側向約束膨脹率試驗儀和巖石體積不變條件下膨脹壓力試驗儀提供的金屬套環(huán)尺寸固定，內(nèi)徑一般為50 mm，而野外和室內(nèi)加工的試件一般采用φ50 mm鉆頭鉆取，巖芯直徑范圍為49.3～50 mm，且受巖石軟硬程度、鉆石機轉速、壓力大小等因素的影響，試件與金屬套環(huán)內(nèi)壁有較大空隙。試驗過程中很難達到無側向膨脹和體積不變的要求，從而影響到試驗結果的準確性和精度。若為減小試件與金屬套環(huán)之間的空隙添加普通金屬片，當巖石膨脹后，空隙中的水被擠出，則影響試件與水的直接接觸，從而影響到試件充分吸水膨脹的效果。

(4)目前，巖石側向約束膨脹率試驗和巖石體積不變條件下膨脹壓力試驗所使用的金屬套環(huán)為封閉型的，試驗結束后，巖石膨脹會造成試件與套環(huán)抱裹緊固，無法及時拆卸，影響下一次試驗的使用。

(5)膨脹壓力試驗采用螺桿式加壓模式，絲扣與螺桿之間存在間隙，因巖石膨脹量較小，在試驗過程中，這種間隙常常會在加壓環(huán)節(jié)造成試驗失敗或使同一組試件的試驗結果離散性較大，直接影響對巖石膨脹性的評價。

2.3.2多功能巖石膨脹試驗儀

本文介紹的新研制開發(fā)的多功能巖石膨脹試驗儀具有以下優(yōu)點：

(1)一臺試驗儀可分別完成巖石自由膨脹率試驗、巖石側向約束膨脹率試驗和巖石體積不變條件下膨脹壓力試驗，儀器購置投入成本和占用空間都較小。

(2)研制的由對開模和開口環(huán)刀組成的金屬套環(huán)，滿足現(xiàn)行巖石試驗標準、規(guī)程對試件側向約束和體積不變的技術要求。對開模和開口環(huán)刀均采用專利技術，既能滿足巖石側向約束膨脹率試驗和巖石體積不變條件下膨脹壓力試驗對試件施加無窮大側向約束力的要求，又能使試驗過程中試件與水直接接觸，達到試件充分吸水膨脹的效果，提高試驗結果的準確性和可靠性。

(3)通過對開模和開口環(huán)刀進行不同組合，多功能巖石膨脹試驗儀可適用于直徑為φ50 mm、φ74 mm和φ93 mm 3個鉆探巖芯直徑系列，每個系列又可分為多個不同直徑的試件。因此，野外鉆探中取得的巖芯，直接進行橫向切磨后，即可作為多功能巖石膨脹試驗儀的試驗試件，減少了二次加工的工作量和加工難度，提高了試驗效率。

(4)膨脹性試驗完成后，由對開模和開口環(huán)刀組成的金屬套環(huán)可輕松打開，拆卸試件，隨時進行下一次試驗。

多功能巖石膨脹試驗儀目前尚未形成批量生產(chǎn)，雖可根據(jù)客戶要求定制，但儀器制造需要一段時間，無法滿足急需客戶的需求。且多功能巖石膨脹試驗儀仍采用螺桿式加壓模式，需進一步研究改進其加壓模式，以提高試驗的成功率，減少試驗結果的離散性。

3 結論

本文通過對改進后的多功能巖石膨脹試驗儀和試驗標準、規(guī)程推薦的膨脹巖測試設備進行對比分析，得出以下主要研究結論：

(1)多功能巖石膨脹試驗儀改變了現(xiàn)行試驗標準、規(guī)程中分別使用三種儀器進行巖石自由膨脹率試驗、巖石側向約束膨脹率試驗和巖石體積不變條件下膨脹壓力試驗的現(xiàn)狀，實現(xiàn)了1臺儀器可完成3項膨脹性試驗項目的功能，做到了多功能集成化，方便了操作，減少了設備的投入成本和占用空間，提高了試驗的精度、穩(wěn)定性和設備的使用效率。

(2)多功能巖石膨脹試驗儀擴大了試件直徑的適用范圍，且可直接利用地質(zhì)鉆探采取的巖芯，僅對鉆探巖芯進行橫向切磨，即可滿足膨脹性試驗的技術要求，減少了試件的二次加工環(huán)節(jié)和工作量，提高了試驗效率。

(3)多功能巖石膨脹試驗儀使用組合式金屬套環(huán)，滿足各直徑巖石試件進行側向約束膨脹率試驗和體積不變條件下膨脹壓力試驗時，施加無窮大側向約束力的技術要求，解決了完成膨脹性試驗后，因巖石試件膨脹造成的與整體試模抱緊而難于拆卸的難題。

(4)需進一步研究改進多功能巖石膨脹試驗儀的加壓模式，提高試驗的成功率，減小試驗結果的離散性，為準確評價巖石膨脹性提供更可靠的依據(jù)。