張廷雷 李蓉侖 楊 鴻 方 明 李 玲

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

膨脹巖指含有較多親水性礦物的巖石，當(dāng)含水率發(fā)生變化時(shí)，巖體會發(fā)生較大體積變化的一類特殊巖石。我國膨脹巖的分布十分廣泛，全國有多個(gè)省、區(qū)存在膨脹巖。從膨脹巖形成的地質(zhì)年代劃分，早自上二疊統(tǒng)，晚到上第三系都有。膨脹巖是對工程危害較大的一類軟巖，是巖土工程領(lǐng)域中的一個(gè)重點(diǎn)研究對象[1]。膨脹巖的工程性質(zhì)明顯區(qū)別于硬質(zhì)巖體和軟弱土體，尤其是在水環(huán)境的作用下，巖體內(nèi)部變形受到約束，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化就會產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，當(dāng)膨脹導(dǎo)致的變形受到約束較小或應(yīng)力足夠大時(shí)，膨脹變形便會發(fā)生[2]。近幾年，成渝客運(yùn)專線、西成鐵路等均出現(xiàn)了巖石膨脹性導(dǎo)致圍巖遭到破壞，承載力不足，產(chǎn)生掌子面失穩(wěn)，拱頂下沉增大的現(xiàn)象，使得鐵路建設(shè)對巖石的膨脹性愈加重視，對巖石膨脹性試驗(yàn)的要求也越來越嚴(yán)格。這使得確保巖石膨脹性試驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)性、一致性和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性顯得尤為重要。

膨脹力試驗(yàn)是測定膨脹巖在水中浸泡情況下產(chǎn)生膨脹應(yīng)力的試驗(yàn)方法。膨脹巖是在水環(huán)境的作用下發(fā)生膨脹的，試驗(yàn)前，其含水狀態(tài)的不同對巖石膨脹力試驗(yàn)結(jié)果影響顯著。然而，相關(guān)巖石試驗(yàn)規(guī)程規(guī)范[3-5]對膨脹力試驗(yàn)樣品含水狀態(tài)的要求并不明確，試驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)性、一致性較差，導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性差，進(jìn)而影響膨脹巖判定及膨脹巖工程的安全。目前，巖石含水狀態(tài)對膨脹力試驗(yàn)結(jié)果影響的相關(guān)研究較少，對膨脹力試驗(yàn)結(jié)果影響的規(guī)律和程度不能確定，是否會嚴(yán)重影響到巖石膨脹性判定，甚至危害到工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等問題需進(jìn)一步研究。

本文選取具有代表性的巖石樣品57組進(jìn)行不同含水狀態(tài)的膨脹力試驗(yàn)，同時(shí)測試飽和吸水率、自由膨脹率、含水率等參數(shù)。通過對比分析，研究含水狀態(tài)對巖石膨脹力試驗(yàn)結(jié)果的影響程度，以期為巖石膨脹力試驗(yàn)及解決工程中膨脹巖帶來的問題提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)樣品、儀器設(shè)備及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)樣品

選取部分需要進(jìn)行膨脹性判定的巖石樣品共57組，以巖石試樣開展含水狀態(tài)對巖石膨脹力試驗(yàn)結(jié)果影響的研究。其中，硬質(zhì)巖(包括板巖、花崗巖、灰?guī)r、石英巖、玄武巖)12組，砂巖12組，泥質(zhì)砂巖12組，泥巖21組。對巖石樣品進(jìn)行天然、風(fēng)干、烘干、飽和4種含水狀態(tài)的膨脹力試驗(yàn)，試件尺寸為φ50 mm×20 mm。風(fēng)干時(shí)，將巖石試件放于(40±5) ℃的鼓風(fēng)干燥箱中7 d。烘干、飽和按照TB 10115-2014《鐵路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》方法進(jìn)行，飽和采用真空抽氣法。

1.2 主要儀器設(shè)備

(1)鉆石機(jī)、切石機(jī)、磨石機(jī)等試件加工設(shè)備。

(2)直角尺、放大鏡等試件檢查設(shè)備。

(3)巖石膨脹壓力試驗(yàn)儀[6]。

(4)游標(biāo)卡尺：分度值0.02 mm。

(5)千分表：量程5 mm，分度值0.001 mm。

(6)鼓風(fēng)干燥箱：24 h內(nèi)溫度能保持在105 ℃～110 ℃范圍和7 d內(nèi)溫度能保持在(40±5) ℃范圍。

(7)真空飽水儀。

1.3 試驗(yàn)方法

按照TB 10115-2014《鐵路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行飽和吸水率試驗(yàn)和含水率試驗(yàn)，按照TB 10102-2010《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn)。

按照TB 10115-2014《鐵路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》第9.3款進(jìn)行巖石膨脹力試驗(yàn)，并應(yīng)符合以下要求：

(1)膨脹力試驗(yàn)前，應(yīng)測試巖石樣品的含水率。

(2)將試件裝入內(nèi)壁涂有凡士林的金屬套環(huán)內(nèi)，并在試件上下端分別放置一張薄型濾紙和金屬透水板。

(3)安裝加壓系統(tǒng)和測量試件變形的千分表，應(yīng)使儀器各部位和試件在同一軸線上，不得出現(xiàn)偏心。

(4)對試件施加產(chǎn)生0.01 MPa壓力的荷載，測記千分表讀數(shù)，每隔10 min測讀1次，直至連續(xù)3次讀數(shù)不變。

(5)向容器內(nèi)緩緩地注入蒸餾水，直至淹沒上部透水板。立即清零壓力值，觀測千分表和壓力指示器讀數(shù)的變化，保持試件高度在整個(gè)試驗(yàn)過程中始終不變。

(6)開始時(shí)每10 min讀數(shù)1次，連續(xù)30 min讀數(shù)不變時(shí)，每小時(shí)讀數(shù)1次，連續(xù)3 h讀數(shù)不變或持續(xù)下降時(shí)，則認(rèn)為穩(wěn)定并記錄試驗(yàn)壓力。浸水后總試驗(yàn)時(shí)間不得少于48 h。

(7)試驗(yàn)過程中，應(yīng)保持水位不變，水溫變化不得大于2 ℃。

(8)結(jié)束后，應(yīng)描述試件表面的泥化和軟化現(xiàn)象。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 含水狀態(tài)對巖石膨脹力測試值的影響分析

選取57組巖石樣品，進(jìn)行天然、風(fēng)干、烘干、飽和4種含水狀態(tài)的膨脹力試驗(yàn)、飽和吸水率試驗(yàn)和自由膨脹率試驗(yàn)，按巖石硬度由硬到軟(硬質(zhì)巖-砂巖-泥質(zhì)砂巖-泥巖)的順序，繪制4種含水狀態(tài)的膨脹力曲線(如圖1所示)和含水率曲線(如圖2所示)。各含水狀態(tài)下，57組巖石膨脹力平均值從小到大的變化趨勢如圖3所示。57組巖石樣品在不同含水狀態(tài)下，出現(xiàn)膨脹力最大值的含水狀態(tài)的占比如圖4所示。

圖1 不同含水狀態(tài)巖石膨脹力試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

從圖1可以看出，各巖性飽和狀態(tài)巖石樣品的膨脹力很小，基本趨近于0。硬質(zhì)巖石在任何含水狀態(tài)下均沒有膨脹力，為非膨脹巖。含水狀態(tài)對膨脹力測試值的影響顯著，烘干狀態(tài)和風(fēng)干狀態(tài)的膨脹力測試值明顯高于飽和狀態(tài)的膨脹力測試值。不同巖性巖石烘干狀態(tài)下的膨脹力值大于飽和狀態(tài)下的膨脹力值的程度不盡相同，砂巖和泥巖更顯著，這說明砂巖和泥巖的吸水膨脹性更顯著。

圖2 不同含水狀態(tài)巖石膨脹力試驗(yàn)前含水率圖

從圖2可以看出，硬質(zhì)巖石在任何含水狀態(tài)下的含水率均較小，這是因?yàn)橛操|(zhì)巖石的結(jié)構(gòu)密實(shí)，孔隙率小。烘干狀態(tài)和風(fēng)干狀態(tài)下，巖石樣品的含水率很小，理論上接近0，此時(shí)巖石的膨脹力測試值較其他狀態(tài)更大。飽和狀態(tài)和天然狀態(tài)下，巖石樣品的含水率波動較大，其中泥巖的飽和含水率最大，飽和狀態(tài)與烘干或風(fēng)干狀態(tài)的膨脹力差值也較大，其膨脹力受吸水膨脹的影響程度較大。圖1和圖2中，A處、B處飽和狀態(tài)的含水率較小，飽和狀態(tài)與烘干狀態(tài)含水率的差值相對較小，說明巖石樣品結(jié)構(gòu)較密實(shí)，各含水狀態(tài)下吸水率均較小，膨脹力值也較小。

圖3 不同含水狀態(tài)下膨脹力平均值的變化趨勢圖

從圖3可以看出，在飽和狀態(tài)、天然狀態(tài)、烘干狀態(tài)、風(fēng)干狀態(tài)下，膨脹力平均值依次增大。飽和狀態(tài)下的膨脹力平均值最小，為0.77 kPa，風(fēng)干狀態(tài)下的膨脹力平均值最大，為63.94 kPa，為飽和狀態(tài)的83.0倍。烘干狀態(tài)比風(fēng)干狀態(tài)膨脹力平均值略低，為59.77 kPa，為飽和狀態(tài)的77.6倍。

圖4 不同含水狀態(tài)下膨脹力最大值占比圖

從圖4可以看出，膨脹力最大值出現(xiàn)在風(fēng)干狀態(tài)的占比為42%，出現(xiàn)在烘干狀態(tài)的占比為37%，出現(xiàn)在天然狀態(tài)和飽和狀態(tài)的占比均為0。總體表現(xiàn)為巖石樣品含水率越小，其膨脹力越大，可見，含水狀態(tài)對膨脹力測試值的影響非常顯著，飽和狀態(tài)與烘干狀態(tài)和風(fēng)干狀態(tài)的差異非常大。這主要是因?yàn)轱柡蜖顟B(tài)和烘干狀態(tài)是巖石含水狀態(tài)的兩個(gè)極端狀態(tài)。理論上，飽和狀態(tài)巖石中的所有孔隙均被水填充，巖石無法再吸水；烘干狀態(tài)巖石中的所有水分均被烘出，巖石內(nèi)部所有孔隙均暴露在空氣中，當(dāng)再次遇水時(shí)，會出現(xiàn)持續(xù)的吸水膨脹趨勢，產(chǎn)生膨脹壓力。

受樣品干縮濕脹的特性的影響，具有膨脹性的巖石在烘干狀態(tài)、風(fēng)干狀態(tài)至再次浸水的過程中，會出現(xiàn)持續(xù)膨脹的趨勢，故烘干狀態(tài)和風(fēng)干狀態(tài)時(shí)的膨脹力較大。同時(shí)，巖石膨脹力在風(fēng)干狀態(tài)下出現(xiàn)最大值的概率高于在烘干狀態(tài)下，風(fēng)干狀態(tài)下巖石膨脹力的平均值也大于烘干狀態(tài)下的膨脹力平均值?？梢姡L時(shí)間的干燥環(huán)境致使巖石的自然風(fēng)干會導(dǎo)致巖石內(nèi)部毛細(xì)水更充分排除[7]，當(dāng)巖石再次吸水，水分再次進(jìn)入巖石內(nèi)部的毛細(xì)孔隙時(shí)，便產(chǎn)生更大的應(yīng)力，膨脹力測試值也更大。

因此，巖石的膨脹力值除受巖石本身的膨脹特性及結(jié)構(gòu)特性的影響外，試驗(yàn)前的含水狀態(tài)對膨脹力值的影響也十分顯著。烘干或風(fēng)干狀態(tài)的巖石再次遇水后，會出現(xiàn)持續(xù)膨脹的趨勢，與天然狀態(tài)相比膨脹力顯著增大。鑒于含水狀態(tài)對巖石膨脹力的試驗(yàn)結(jié)果影響較大，試驗(yàn)過程中應(yīng)對試驗(yàn)前巖石的含水狀態(tài)進(jìn)行規(guī)定或通過研究確定各含水狀態(tài)的換算關(guān)系，以免含水狀態(tài)的不同對巖石膨脹力試驗(yàn)結(jié)果及巖石膨脹性判定產(chǎn)生影響。在實(shí)際工程中，若巖石因氣候條件變得干燥，含水率變小，當(dāng)再次大量吸水后，將產(chǎn)生巨大的膨脹力，對實(shí)體工程造成損害。

2.2 巖石膨脹力與含水比的相關(guān)關(guān)系分析

天然狀態(tài)的巖石因所含水分填充巖石自身孔隙的程度不同，膨脹力測試值也存在較大差異。含水率與飽和吸水率的比值稱為含水比，表征著巖石含水狀態(tài)接近飽和的程度，即水分填充巖石自身孔隙的程度。含水比為0%時(shí)，巖石內(nèi)部沒有水分，孔隙全部暴露在空氣中，這便是烘干狀態(tài)。隨著含水比的增大，巖石內(nèi)部孔隙逐漸被水分填充，直至含水比達(dá)到100%，巖石內(nèi)部孔隙全部被水填充，這便是飽和狀態(tài)。

含水狀態(tài)對巖石膨脹力值的影響顯著，對不同巖性的巖石膨脹特性的影響一致，即風(fēng)干狀態(tài)和烘干狀態(tài)的膨脹力值>天然狀態(tài)的膨脹力值>飽和狀態(tài)的膨脹力值。天然含水狀態(tài)因含水比的不同，巖石膨脹性不同，膨脹力測試值也不同。含水比主要由含水率和飽和吸水率決定。57組巖石試樣刪除飽和吸水率小于4的，剩余38組巖石試樣在天然狀態(tài)下的膨脹力與含水比通過最小二乘法擬合所得的關(guān)系曲線[8-9]，如圖5所示。曲線明顯呈現(xiàn)出膨脹力隨著含水比的增大而減小的趨勢。因試驗(yàn)數(shù)據(jù)巖性較多，性質(zhì)不穩(wěn)定，固相關(guān)系數(shù)R2僅為 0.460 2，相關(guān)性差。

圖5 天然狀態(tài)下巖石膨脹力與含水比相關(guān)關(guān)系曲線圖

為了研究巖石膨脹力測試值與含水比的相關(guān)關(guān)系，選取材質(zhì)較為均勻，一致性較好的2組泥巖(編號為45號和46號)分別進(jìn)行6種含水率下的膨脹力試驗(yàn)。依次對試件采取烘干、40 ℃烘箱烘干24 h、自然風(fēng)干24 h、天然、自由浸水24 h、抽真空飽和等處理過程，使巖石具有不同的含水率，并對巖石試驗(yàn)前的實(shí)際含水率進(jìn)行測試，然后對不同含水率的巖石試樣進(jìn)行膨脹力測試。通過最小二乘法對膨脹力與含水比關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，如圖6所示。

圖6 膨脹力與含水比相關(guān)關(guān)系曲線圖

從圖6可以看出，泥巖樣品的膨脹力值與試驗(yàn)前含水比存在較好的線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)R2均大于0.98。當(dāng)試驗(yàn)前試樣含水率為0時(shí)，膨脹力達(dá)到最大值，隨著含水比的增大，膨脹力值減小，當(dāng)試驗(yàn)前含水比達(dá)到100%，即試件含水達(dá)到飽和時(shí)，膨脹力值最小，接近0。這說明天然含水狀態(tài)巖石試樣的含水飽和程度，即含水比的大小對巖石膨脹力試驗(yàn)結(jié)果的影響顯著。試驗(yàn)過程中應(yīng)對試驗(yàn)前巖石的含水狀態(tài)進(jìn)行規(guī)定，或要求試驗(yàn)報(bào)告除給出膨脹力值外，還應(yīng)給出飽和吸水率和含水率值。實(shí)際應(yīng)用過程中，應(yīng)綜合考慮含水比對膨脹性判定的影響。

2.3 膨脹力、飽和吸水率、自由膨脹率相關(guān)關(guān)系分析

飽和吸水率試驗(yàn)和自由膨脹率試驗(yàn)同步于膨脹力試驗(yàn)進(jìn)行，共進(jìn)行了57組試驗(yàn)。飽和吸水率和自由膨脹率均為巖石烘干狀態(tài)下的試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)前巖石的含水狀態(tài)為烘干狀態(tài)，巖石本身的含水狀態(tài)對這兩個(gè)參數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果沒有影響。然而，當(dāng)飽和吸水率和自由膨脹率與膨脹力同時(shí)作為巖石膨脹性的判定指標(biāo)時(shí)，其必然存在相關(guān)性。

巖石飽和吸水率與烘干狀態(tài)和風(fēng)干狀態(tài)下膨脹力值的相關(guān)關(guān)系曲線如圖7所示。從圖7可以看出，烘干狀態(tài)和風(fēng)干狀態(tài)下，巖石膨脹力值與巖石的飽和吸水率存在遞增關(guān)系，烘干狀態(tài)下的相關(guān)系數(shù)R2為 0.735 7，風(fēng)干狀態(tài)下的相關(guān)系數(shù)R2為 0.565 8，即隨著巖石飽和吸水率的增大，巖石的膨脹力值增大。

圖7 巖石飽和吸水率與膨脹力的相關(guān)關(guān)系圖

巖石自由膨脹率與飽和吸水率的相關(guān)關(guān)系曲線如圖8所示。從圖8可以看出，巖石自由膨脹率與巖石的飽和吸水率存在線性遞增關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2為 0.735 7，即隨著巖石飽和吸水率的增大，巖石的自由膨脹率增大。這與巖石膨脹力與飽和吸水率的相關(guān)關(guān)系一致，其原因在于飽和吸水率直接反應(yīng)了巖石的密實(shí)程度和孔隙率情況，飽和吸水率越大，巖石孔隙率越大，烘干狀態(tài)下，巖石內(nèi)部孔隙中水分全部排出，吸水量越大，產(chǎn)生的吸水膨脹越顯著。

圖8 巖石自由膨脹率與飽和吸水率的相關(guān)關(guān)系圖

2.4 膨脹力與空孔率的相關(guān)關(guān)系分析

膨脹力與飽和吸水率的相關(guān)關(guān)系、自由膨脹率與飽和吸水率的相關(guān)關(guān)系、膨脹力與含水比的相關(guān)關(guān)系等分析結(jié)論均表明：膨脹力試驗(yàn)前巖石樣品內(nèi)部空孔率越大，巖石的膨脹力越大。利用全部泥巖試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算巖石膨脹力試驗(yàn)前空孔率(即沒有被水分填充的孔隙可填充水的質(zhì)量占巖石質(zhì)量的百分比)，計(jì)算方法如公式(1)所示。

n=ωsa-ω

(1)

式中：n——空孔率(%)；

ωsa——飽和吸水率(%)；

ω——含水率(%)。

繪制膨脹力與空孔率關(guān)系曲線，如圖9所示。從圖9可以看出，巖石的膨脹力隨著空孔率的增大而增大，但相關(guān)性較差，相關(guān)系R2僅為0.344。

圖9 巖石膨脹力與空孔率的相關(guān)關(guān)系圖

利用巖石膨脹力與含水比的相關(guān)關(guān)系分析的試驗(yàn)(45號、46號泥巖在6種含水率下的膨脹力試驗(yàn))數(shù)據(jù)進(jìn)行巖石膨脹力與巖石空孔率的相關(guān)關(guān)系擬合，結(jié)果如圖10所示。

圖10 單組巖石膨脹力與空孔率的相關(guān)關(guān)系圖

從圖10可以看出，對于材質(zhì)較為均勻，一致性較好的巖石，膨脹力與空孔率的相關(guān)關(guān)系較好，相關(guān)系數(shù)R2為0.98以上。在實(shí)際應(yīng)用中，如能對材質(zhì)較為均勻，一致性較好的一類巖石建立膨脹力與空孔率的相關(guān)關(guān)系方程，則可通過關(guān)系方程獲得任何含水狀態(tài)的膨脹力值。

由此可見，巖石的密實(shí)程度或巖石的空孔率是影響巖石膨脹性的決定性因素。飽和吸水率是巖石密實(shí)程度及孔隙率的表征，含水率是巖石內(nèi)部孔隙被填充程度的表征?？湛茁适秋柡臀逝c含水率之差，空孔率越大，則巖石內(nèi)部孔隙越多，密實(shí)程度越差，膨脹力測試值越大，對工程穩(wěn)定性越不利。

3 結(jié)論

本文通過巖石含水狀態(tài)對巖石膨脹力試驗(yàn)結(jié)果的影響研究，得出以下主要結(jié)論：

(1)硬質(zhì)巖(如板巖、花崗巖、灰?guī)r、石英巖、玄武巖等)在任何含水狀態(tài)下均沒有膨脹力，為非膨脹巖。

(2) 巖石樣品的含水狀態(tài)對膨脹力測試值的影響顯著，烘干狀態(tài)和風(fēng)干狀態(tài)的膨脹力測試值明顯高于飽和狀態(tài)的膨脹力測試值。烘干或風(fēng)干狀態(tài)的巖石因內(nèi)部水分排盡，再次遇水后，會出現(xiàn)持續(xù)膨脹的趨勢，風(fēng)干狀態(tài)下的膨脹力平均值是飽和狀態(tài)的83.0倍，烘干狀態(tài)下的膨脹力平均值是飽和狀態(tài)的77.6倍。鑒于含水狀態(tài)對巖石膨脹力試驗(yàn)結(jié)果影響較大，試驗(yàn)過程中應(yīng)對試驗(yàn)前巖石的含水狀態(tài)進(jìn)行規(guī)定，或得出不同含水狀態(tài)下膨脹力測試值的變化規(guī)律，以免含水狀態(tài)對試驗(yàn)結(jié)果及膨脹性判定產(chǎn)生影響。

(3)長時(shí)間的干燥環(huán)境致使巖石的自然風(fēng)干會導(dǎo)致巖石內(nèi)部毛細(xì)水更充分地排出，當(dāng)巖石再次吸水時(shí)，毛細(xì)水的吸入使膨脹力更大，其危害性較烘干狀態(tài)更大。

(4) 巖石的含水率與飽和吸水率的比值表征著巖石含水狀態(tài)的飽和程度。天然狀態(tài)巖石的含水情況不盡相同，膨脹力測試值隨著試件初始含水比的增大而減小。

(5) 飽和吸水率直接反應(yīng)了巖石的密實(shí)程度和孔隙率情況，飽和吸水率越大，巖石孔隙率越大。烘干狀態(tài)下，巖石內(nèi)部孔隙中水分全部排出，吸水量越大，產(chǎn)生的吸水膨脹越顯著。

(6) 巖石的密實(shí)程度或巖石的空孔率是影響巖石膨脹性的決定性因素?？湛茁试酱?，巖石膨脹力測試值越大，對工程穩(wěn)定性越不利。