貴黃高速公路沿線二疊系泥巖膨脹特性研究

符嘉望 遲 帥

1 廣東省地質(zhì)局第八地質(zhì)大隊(duì) 廣東 梅州 514089 2 廣東省地質(zhì)局第十地質(zhì)大隊(duì) 廣東 中山 528429

目前，關(guān)于膨脹巖土的定義，國(guó)內(nèi)外學(xué)者尚存在不同的認(rèn)識(shí)，但一致認(rèn)為膨脹巖的工程特性，主要受膨脹巖土的微小粘粒影響，正是由于這些富含大量親水礦物的微小粘粒的存在，使膨脹巖土在工程實(shí)踐中，表現(xiàn)出顯著的變形特性[1]。

膨脹巖（土）的膨脹特性，一方面受到溫度、壓力等外部地質(zhì)環(huán)境的作用，另一方面，也與其本身的礦物組成、干密度、碎屑顆粒粒徑、初始含水率等內(nèi)部因素密切相關(guān)，在外部因素與內(nèi)部因素共同作用下，導(dǎo)致膨脹巖土具有膨脹特性[2]。

1 礦物化學(xué)成分

粘土礦物和碎屑礦物是貴黃高速二疊系泥巖的主要組成成分，其中，粘土礦物主要包括蒙脫石、伊利石和高嶺石等親水性礦物；碎屑礦物主要有石英、長(zhǎng)石和云母。經(jīng)檢測(cè)，中風(fēng)化泥巖中石英含量可達(dá)62.5%～70.2%。伴隨著風(fēng)化程度的加深，原生礦物中的石英含量降低到48.6%～58.2%，減幅達(dá)17.1%，而粘土礦物（蒙脫石、高嶺石、伊利石）含量大幅提高，上升到35.6%～41.8%[3]，隨著泥巖的風(fēng)化強(qiáng)度由中風(fēng)化逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)風(fēng)化，云母、褐鐵礦等次生礦物的含量也有不同程度的增加，強(qiáng)度高的穩(wěn)定礦物（石英）含量減少，降低了巖石的力學(xué)性能和穩(wěn)定性。

表1 二疊系泥巖巖礦分析結(jié)果表

2 膨脹特性試驗(yàn)設(shè)計(jì)

針對(duì)泥巖的膨脹特性，本次研究設(shè)計(jì)了自由膨脹率試驗(yàn)、側(cè)向約束膨脹率試驗(yàn)和膨脹壓力試驗(yàn)。

2.1 自由膨脹率試驗(yàn)

巖石的膨脹性，可以取巖石的軸向自由膨脹率和徑向自由膨脹率，在無側(cè)向約束條件下的最大值，進(jìn)行判定[4]。選取直徑為60 mm，高徑比為1:1的圓柱體泥巖巖芯，作為試驗(yàn)的試件。將制備好的試件置于自由膨脹率試驗(yàn)儀上，并將大小等于試樣直徑、被保鮮膜包裹的透水板，分別放置在試件上下兩側(cè)，采用橡皮筋固定。其中，試件上方的透水板頂部，再放一塊500g的金屬薄板。最后，在試件的上部和巖石側(cè)向位置各安裝一個(gè)千分表。夾放薄銅板在千分表表頭與試樣之間，減少試件與千分表表腳直接接觸，造成的試驗(yàn)誤差。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，說明試塊已妥當(dāng)安裝[4]。將蒸餾水緩慢加入至盛水容器內(nèi)，試樣上部的透水板徹底被水面淹沒時(shí)，停止加水。試驗(yàn)過程中，為維持容器內(nèi)水位不變，應(yīng)及時(shí)加入蒸餾水，并使水溫變化小于 2℃。試驗(yàn)開始的1h內(nèi)，每10min，記錄一次千分表的讀數(shù)；以后每隔1h，測(cè)讀一次巖石的軸向和徑向變形。直至在所有的千分表中，連續(xù)3次讀數(shù)差值不超過0.001 mm，巖石膨脹變形作用結(jié)束。試樣浸水后的試驗(yàn)時(shí)間不得少于48h[5]。

2.2 側(cè)向約束膨脹率試驗(yàn)

巖石的側(cè)向約束膨脹率，為在軸向被施加固定荷載(5kPa)且受到側(cè)向約束條件下，試樣浸水后試樣軸向變形與原高度的比值。

室內(nèi)條件下，將保持天然含水狀態(tài)的巖芯，制備成直徑為60mm，高20mm的圓柱體。試驗(yàn)前，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，減少巖石與金屬環(huán)相互摩擦。重復(fù)自由膨脹率試驗(yàn)中，在試件上下方，放置透水板的操作。在試樣頂部安裝，能對(duì)試樣產(chǎn)生5kPa持續(xù)壓力的金屬荷載板，并安裝垂直千分表。夾放薄銅板在千分表表頭與試樣之間，避免試件與讀數(shù)儀器直接接觸，造成的試驗(yàn)誤差。每隔10min，測(cè)讀千分表一次，若連續(xù)3次讀數(shù)穩(wěn)定不變，說明試塊已妥當(dāng)安裝[4]。將蒸餾水緩慢加入至盛水容器內(nèi)，試樣上部的透水板徹底被水面淹沒時(shí)，停止加水。試驗(yàn)過程中，為維持容器內(nèi)水位不變，應(yīng)及時(shí)加入蒸餾水，并使水溫變化小于2℃。后續(xù)測(cè)讀記錄過程與自由膨脹率試驗(yàn)一致。試樣浸水后的試驗(yàn)時(shí)間不得少于48h[5]。

2.3 膨脹壓力試驗(yàn)

試驗(yàn)前，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，減少巖石與金屬環(huán)相互摩擦，將制備好的試件置于自由膨脹率試驗(yàn)儀上，并將大小等于試樣直徑、被保鮮膜包裹的透水板，分別放置在試件上下兩側(cè)，采用橡皮筋固定。將加壓系統(tǒng)和測(cè)量試件變形的千分表加裝在膨脹力試驗(yàn)儀上，使儀器各部位和試件保持在同一軸線上，減少偏心載荷的出現(xiàn)。記錄施加10kPa的載荷壓力時(shí)，千分表和測(cè)力計(jì)的讀數(shù)，每10min測(cè)讀1次，直至連續(xù)3次讀數(shù)保持不變。夾放薄銅板在千分表表頭與試樣之間，避免試件與讀數(shù)儀器直接接觸，造成的試驗(yàn)誤差。每隔 10min，測(cè)讀千分表一次，若連續(xù)3次讀數(shù)穩(wěn)定不變，說明試塊已妥當(dāng)安裝[5]。將蒸餾水緩慢加入至盛水容器內(nèi)，試樣上部的透水板徹底被水面淹沒時(shí)，停止加水。試驗(yàn)開始時(shí)，每10min測(cè)讀一次千分表，連續(xù)3次讀數(shù)差值小于0.001mm時(shí)，改為每1小時(shí)測(cè)讀一次數(shù)；當(dāng)連續(xù)3小時(shí)，千分表讀數(shù)差值小于0.001mm時(shí)，記錄載荷值。相鄰3次讀數(shù)差值不大0.001mm，即認(rèn)為巖石膨脹變形作用結(jié)束。試樣浸水后的試驗(yàn)時(shí)間不得少于48h[5]。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 自由膨脹率

巖石自由膨脹率的計(jì)算公式為：

式中：Vh為軸向自由膨脹率(%)；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)；ΔH為試件軸向變形量（mm）；ΔD為試件徑向變形量(mm)。

由表2可知，強(qiáng)風(fēng)化泥巖的軸向自由膨脹率為35.2%~39.2%，徑向自由膨脹率為14.3%~15.8%；中風(fēng)化泥巖的軸向自由膨脹率為17.3%~19.2%，徑向自由膨脹率為7.2%~10.3%[3]。

表2 泥巖自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果表

由試驗(yàn)結(jié)果可知，兩類泥巖的Vh均遠(yuǎn)大于Vd，貴黃高速沿線二疊系泥巖為層狀構(gòu)造，且含大量的黏土礦物。進(jìn)到孔隙中的水，在豎直方向向運(yùn)移的速度大于，其在水平方向運(yùn)移的速度，即在同樣的時(shí)間內(nèi)，軸向膨脹量大于徑向膨脹量[6]。

3.2 側(cè)向約束膨脹率

巖石側(cè)向約束膨脹率的計(jì)算公式：

式中，Vhp為巖石側(cè)向約束膨脹率(%)，ΔH1為有側(cè)向約束試件的軸向變形量(mm)，H為試件高度(mm)。

由表3可知，強(qiáng)風(fēng)化泥巖側(cè)向約束膨脹率為33.5%~38.0%，算術(shù)平均值為36.4%；中風(fēng)化泥巖的側(cè)向約束膨脹率為14.3%~18.7%，算術(shù)平均值為16.5%，膨脹率較小[3]。

表3 側(cè)向約束膨脹率試驗(yàn)結(jié)果

圖1 泥巖軸向自由膨脹率隨時(shí)間變化關(guān)系圖

圖2 泥巖側(cè)向約束膨脹率隨時(shí)間變化關(guān)系圖

3.3 膨脹力

由圖3可知，前2h內(nèi)，兩類巖石的膨脹壓力急劇上升，其后，緩慢增長(zhǎng)，在27h左右，達(dá)到極限值。其中，強(qiáng)風(fēng)化泥巖的極限膨脹壓力為167.2kPa，中風(fēng)化泥巖的極限膨脹壓力為93.8kPa[3]。

圖3 泥巖膨脹力隨時(shí)間變化關(guān)系圖

自由膨脹率曲線、側(cè)向約束膨脹率曲線、膨脹力曲線均可以分為三個(gè)階段：(1) 膨脹急劇階段，此階段各膨脹變形參數(shù)接近呈指數(shù)、直線型增長(zhǎng)，膨脹劇烈。試樣被水浸潤(rùn)后，水分經(jīng)巖石上表面的微孔隙，在巖石內(nèi)部迅速移動(dòng)，增大了巖水接觸的面積。巖石與水相互作用，持續(xù)擴(kuò)大微孔隙的體積，試樣急劇膨脹，變形較為顯著，這段時(shí)期內(nèi)，巖石的膨脹變形量約占總變形量的80%；(2) 膨脹緩慢階段，此階段變形曲線多呈外凸弧線，膨脹減速[7]。容器內(nèi)的水持續(xù)地浸入泥巖內(nèi)部，巖石中的微孔隙逐漸被水充填飽和，泥巖內(nèi)的可溶性物質(zhì)溶水后，轉(zhuǎn)化為離子被帶走；(3) 膨脹穩(wěn)定階段，巖樣微孔隙內(nèi)被水完全充填，達(dá)到飽和狀態(tài)，變形曲線不再發(fā)生變化，呈一條平行于橫坐標(biāo)軸的直線，巖石停止膨脹變形，該階段持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。