盧氏膨脹巖膨脹力特性試驗研究

錢苗苗 冷先倫 張善凱 翟順 張占榮

摘要：通過對盧氏膨脹巖試樣開展物理成分、微觀結構和膨脹率等試驗，研究了巖樣泡水后膨脹力的特性及其變化的微觀機理。通過X射線衍射試驗發(fā)現(xiàn)盧氏膨脹巖的礦物成分中黏土含量約占49.1%，其中伊利石、蒙脫石的相對含量近90%，使其表現(xiàn)為較強的親水性。基于加壓膨脹法，設計了4種不同的初始含水率和4種不同干密度，共16組96個試樣的膨脹力測試方案，探究了初始含水率和干密度對盧氏膨脹巖膨脹力的影響規(guī)律。通過多因素耦合分析方法，采用冪函數(shù)擬合初始含水率，指數(shù)函數(shù)擬合干密度，并給出了雙因素膨脹力的擬合公式。通過電鏡試驗研究了初始含水率對膨脹力影響的微觀機理，結果表明：當初始含水率較低時，黏土顆粒遇水膨脹后出現(xiàn)微小裂隙，導致膨脹力急劇增加;隨著初始含水率增加，黏土顆粒的粒徑由大變小，粗顆粒崩解，細粒含量增加，出現(xiàn)泥化現(xiàn)象，膨脹力緩慢減小。

關 鍵 詞：膨脹力; 初始含水率; 干密度; 加壓膨脹法; 微觀結構; 盧氏膨脹巖

中圖法分類號： TU443 ? 文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.031

0 引 言

膨脹巖是一種吸水膨脹變形的特殊軟巖，由強親水性黏土礦物組成，當膨脹巖的吸水變形受到限制時則會產生膨脹力[1]。新建蒙華鐵路運煤專線穿越盧氏盆地，在多處以挖方形式通過，這就形成了大量的膨脹巖路塹邊坡。當膨脹巖遇水膨脹后產生膨脹壓力易導致工程建筑物發(fā)生破壞，如路塹邊坡巖體失穩(wěn)、建筑地基因吸水體脹而發(fā)生破壞、巷道圍巖變形破壞等，這些災害均與膨脹巖吸水膨脹特性密切相關[2-5]，因此研究膨脹巖的膨脹力規(guī)律顯得尤為重要。

針對膨脹巖的膨脹力特性，眾多學者在影響因素和變化規(guī)律等方面開展了諸多研究。在影響因素方面：劉泉聲[6]、溫春蓮[7]、譚羅榮[8-9]等認為干密度、飽和度及蒙脫石礦物含量等是影響膨脹力的主要因素;董柏林[10]、朱珍德[11]等認為初始含水率對膨脹力的影響較為顯著;丁振洲等[12]通過吸濕試驗認為初始含水率和干密度對膨脹力影響顯著;謝云[13]、劉靜德[14]、蔡耀軍[15-16]等通過試驗均認為在干密度不變的條件下，膨脹力隨著初始含水率增大呈減小的趨勢，在初始含水率不變的條件下，膨脹力與干密度呈減小的趨勢。

在膨脹力變化規(guī)律研究方面：池澤成等[17]擬合了豎向膨脹力與干密度的關系;歐孝奪等[18]通過研究提出微小變形和零變形下膨脹力的變化特征，提出膨脹力與初始含水率和干密度存在線性和冪函數(shù)的關系，并采用MATLAB數(shù)據(jù)工具對這兩個因素對膨脹力的影響規(guī)律進行了公式擬合。此外，在膨脹巖微觀結構方面，李學等[19]研究了微觀結構在整體與局部的影響關系，舒志樂[20]、張善凱[21-22]等研究了干濕循環(huán)效應對膨脹巖膨脹特性的影響，并從微觀上闡釋了膨脹機制和變化規(guī)律。

已有的研究成果表明：影響膨脹力的主要因素為干密度、初始含水率和黏土礦物含量，膨脹力與影響因素滿足一定的函數(shù)關系。基于此，本文將針對盧氏膨脹巖的膨脹力特性開展物理特性、加壓膨脹法和微觀結構等試驗，研究盧氏膨脹巖的成分與微觀結構、初始含水率和干密度對膨脹力的影響規(guī)律及其與微觀結構的作用機制，并通過關系擬合給出影響盧氏膨脹巖膨脹力變化特征的雙因素關系表達式，為研究膨脹力對工程災害的影響提供依據(jù)。

1 試驗方法與方案

為了研究膨脹巖的膨脹力特性及其影響因素以及膨脹力變化的微觀機理，設計了X射線衍射試驗、加壓膨脹法試驗和掃描電鏡試驗。首先通過X射線衍射和基本物理特性試驗測得膨脹巖的基本參數(shù)，然后再研究不同初始含水率、不同干密度等條件下膨脹巖的膨脹力演化規(guī)律，最后通過電鏡掃描從微觀結構揭示膨脹力的變化規(guī)律和微觀機理。

1.1 基本物理特性指標

膨脹巖試樣取至蒙西鐵路三門峽市盧氏縣境內。將膨脹巖長時間泡水泥化，重塑制樣后，測得其基本物理參數(shù)以及礦物成分含量（見表1）。

礦物成分試驗采用D8Advance X射線衍射儀測定膨脹巖的礦物含量。試驗取樣按照實驗室要求，將風化膨脹巖經過粉碎過篩得到膨脹巖粉末。

盧氏膨脹巖巖樣粉晶X射線衍射分析結果表明[23]：試樣中黏土礦物的含量占49.1%，主要黏土礦物成分的相對含量分別為伊利石72.93%、綠泥石16.30%和蒙脫石10.77%。較高的伊利石和蒙脫石含量導致盧氏膨脹巖具有較高的膨脹性，這些黏土礦物顆粒小且親水性強，與水接觸后水分子極易進入黏土礦物顆粒之間，在顆粒與顆粒之間形成極化的水分子層，引起黏土礦物的膨脹。

1.2 側限膨脹率試驗方案

側限膨脹率試驗采用加壓膨脹法[24]，試驗設備見圖1。制樣時為減小試樣的差異性，在同一種初始含水率和干密度的條件下同一批次試樣使用同一次的混合物攪拌壓制成樣，壓制完畢后取出部分進行干密度和初始含水率的測定，不符合條件的試樣重新制作。

具體制樣流程：按照試驗要求，先將強風化的膨脹巖通過粉碎、過篩得到直徑小于2 mm的膨脹巖粉末，再按照計算好的比例加入水得到均勻的混合物，之后在圓柱形模具中壓制成直徑為61.8 mm，高度為20.0 mm的重塑樣品。

試驗設計了4種不同的初始含水率（即7%，9%，11%，13%）和4種不同干密度（即1.55，1.65，1.75，1.85 g/cm3），共16組試驗方案，每組6個試樣樣本，共計96個，具體試驗方案如表2所列。

試驗在固結儀上完成，將初始條件相同的6個試樣裝入固結儀中，在試樣的上端和下端分別放入濾紙和透水石以保證水分的順利貫通，然后分別在 0，12.5，25，50，100，200 kPa的上覆荷載下壓縮穩(wěn)定，再向容器內加入蒸餾水。間隔2 h后百分表讀數(shù)不再變化后，表明該試樣在相應荷載作用下已達到穩(wěn)定，即可得到試樣的有荷膨脹率。重復上述操作，將96個試樣分為16組完成。E5411BA3-6736-4231-8262-B0A17A3C61C0

2 試驗結果分析

2.1 有荷膨脹率試驗結果分析

根據(jù)GBJ 112-87《膨脹土地區(qū)建筑技術規(guī)范》[25]對有荷膨脹率試驗的規(guī)定，整理數(shù)據(jù)得到不同初始條件下試樣的膨脹率-荷載關系曲線，并按公式A×ln（1+P）+B對離散點進行曲線擬合，以含水率7%為例擬合曲線如圖2所示。

由圖2可知：隨著上覆荷載的逐級增加，有荷膨脹率先快速下降而后逐漸穩(wěn)定。這是由于上覆荷載增大導致黏土顆粒吸水膨脹過程中遇到的阻力變大而吸附的水分子能力減小所致;初始含水率對有荷膨脹率影響明顯，在相同上覆荷載的情況下，有荷膨脹率具有隨初始含水率的增大而減小的規(guī)律。當膨脹率為0時，回歸曲線上對應的上覆荷載即為該初始含水率下的膨脹力，本次試驗得到的膨脹力結果如表3所列。

3 膨脹力變化規(guī)律的微觀機理

膨脹力的變化規(guī)律與其微觀結構有內在的聯(lián)系。為進一步揭示不同初始狀態(tài)下膨脹巖膨脹力變化規(guī)律的微觀機理，對吸水前后的膨脹巖進行了電鏡掃描試驗。

對初始含水率條件下的試樣在進行膨脹力試驗前進行電鏡掃描試驗，吸水后的試樣是使用做完膨脹力試驗的試樣進行電鏡掃描。電鏡試驗試樣制作方法相同。具體步驟如下：① 制樣。從原樣上直接敲下或鋸下小塊樣，注意標記掃描面，磨平底部。② 標記。做好各種標記，分組裝好試樣。③ 將試樣進行洗油和噴金。④ 測試。

圖6和圖7分別給出了膨脹巖在吸水前和吸水后的微觀結構的變化對比圖。圖6和圖7均為放大800倍電子顯微鏡掃描圖像。

泡水前膨脹巖結構致密，膨脹巖黏土顆粒之間的聚集形式以面-面和邊-面相疊為主;顆粒邊界、孔隙特征不明顯，微裂隙基本不可見。由于圖6（a）的干密度大于圖6（b），微觀結構更為致密，水分不易進入，當吸水后由于內部結構的致密孔隙少，膨脹巖膨脹時內部消耗膨脹少，表現(xiàn)為膨脹力變大。

吸水后巖樣可以發(fā)現(xiàn)裂縫發(fā)育明顯，微裂隙增加顯著，這為水的進入提供了良好的通道;微裂隙的發(fā)育也使得水分更易與巖樣中的膨脹性黏土顆粒接觸[26]。圖7中紅線為較大的裂隙，黃色區(qū)域為較大的泥化溶孔。當初始含水率較低時，試樣由于水的作用發(fā)生較為明顯的膨脹變形，隨著含水率的增加，試樣中裂隙越來越多，黏土顆粒粒徑由大變小，粗顆粒崩解，細粒含量增加，出現(xiàn)泥化現(xiàn)象，此時膨脹力增長緩慢，導致初始含水率越高的試樣其膨脹力越小。

4 結 論

通過對盧氏膨脹巖開展X射線衍射試驗、加壓膨脹法試驗和掃描電鏡試驗，從物理成分、微觀結構研究了膨脹巖巖樣的膨脹力特性及其變化規(guī)律，得到如下結論：

（1） 盧氏膨脹巖的礦物成分分析中，黏土礦物含量占49.1%，其中伊利石和蒙脫石的相對含量近90%，是盧氏膨脹巖具有較強的親水性和吸水性的主要原因。

（2） 盧氏膨脹巖膨脹力的主要影響因素為干密度和初始含水率，膨脹力的大小與初始含水率呈冪函數(shù)關系，與干密度呈指數(shù)函數(shù)關系，經過數(shù)據(jù)擬合給出了考慮雙因素的膨脹力計算公式。

（3） 初始含水率在低值變化時（初始含水率7%增至9%時），膨脹力急劇減小，約減小了50%，在較高值變化時（初始含水率從9%增至13%），膨脹力變化幅度較小，約減小了5%～10%;膨脹力隨干密度的增加呈現(xiàn)指數(shù)增長的趨勢。

（4） 當初始含水率較低時，試樣泡水后出現(xiàn)微小裂隙，膨脹變形較為顯著。隨著含水率增加，黏土顆粒粒徑由大變小，粗顆粒崩解，細粒含量增加，出現(xiàn)泥化現(xiàn)象，膨脹力緩慢減小，導致巖樣的初始含水率越高其膨脹力越小。

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（編輯：鄭 毅）E5411BA3-6736-4231-8262-B0A17A3C61C0