張廷雷，李蓉侖，楊 鴻，方 明

(中鐵二院成都工程檢測(cè)有限責(zé)任公司，四川 成都 610083)

1 引 言

膨脹巖是指含有較多親水性礦物的巖石，是當(dāng)含水率變化時(shí)，巖體會(huì)發(fā)生較大體積變化的一類特殊巖石。我國(guó)膨脹巖分布十分廣泛，全國(guó)有多個(gè)省、區(qū)存在膨脹巖。膨脹巖具有一些特殊的物理力學(xué)性質(zhì)，所以，膨脹巖是對(duì)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(duì)象[1,2]。膨脹巖的工程性質(zhì)明顯有別于硬質(zhì)巖體和軟弱土體，尤其是在水環(huán)境的作用下，巖體內(nèi)部的變形受到約束，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化就會(huì)產(chǎn)生膨脹應(yīng)力；當(dāng)膨脹導(dǎo)致的變形受到的約束較小或應(yīng)力足夠大時(shí)，膨脹變形便會(huì)發(fā)生，這些都會(huì)危害到工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[3,4]。

近幾年，成渝鐵路客運(yùn)專線、西成鐵路等均因巖石的膨脹性問(wèn)題導(dǎo)致圍巖發(fā)生破壞，承載力的不足引發(fā)掌子面失穩(wěn)、拱頂下沉增大現(xiàn)象，使得鐵路建設(shè)對(duì)巖石的膨脹性愈加重視，對(duì)巖石膨脹性的試驗(yàn)要求也越來(lái)越嚴(yán)格?；谶@種現(xiàn)狀，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、可靠性尤為重要。

膨脹力試驗(yàn)是測(cè)定膨脹巖在水中浸泡的情況下，產(chǎn)生膨脹應(yīng)力的試驗(yàn)方法。具體操作按《鐵路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》[5]進(jìn)行。該試驗(yàn)規(guī)程中對(duì)巖石試件尺寸的要求是：直徑宜為50mm，尺寸偏差為±0.1mm，高度應(yīng)不小于20mm，尺寸偏差為±0.2mm，且應(yīng)大于巖石最大顆粒的10倍。規(guī)程中明確了試件直徑，但對(duì)高度要求僅為下限值，無(wú)上限值，且在膨脹力計(jì)算公式中未對(duì)不同高度進(jìn)行修正，致使高度的不同引起膨脹力測(cè)試值變化。對(duì)膨脹力試驗(yàn)樣品高度的要求并不明確，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[6]。目前，試件尺寸對(duì)膨脹力試驗(yàn)結(jié)果影響的相關(guān)研究較少，對(duì)膨脹力試驗(yàn)結(jié)果影響的規(guī)律和程度不能確定，使膨脹巖的測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生偏離。

本文選取生產(chǎn)工作中具有代表性的巖石樣品60組進(jìn)行不同試件高度的巖石膨脹力試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比分析，研究巖石試件尺寸對(duì)巖石膨脹力試驗(yàn)結(jié)果影響的規(guī)律和程度，為后期巖石膨脹力試驗(yàn)及解決工程中膨脹巖帶來(lái)的問(wèn)題提供指導(dǎo)。

2 試驗(yàn)樣品、儀器設(shè)備及試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)樣品

選取生產(chǎn)工作中的部分需要進(jìn)行膨脹性判定的巖石樣品共60組，其中30組樣品制作直徑為φ50mm，高度分別為20mm、30mm、40mm、50mm的4個(gè)不同規(guī)格尺寸的試樣，開展巖石試件高度對(duì)巖石膨脹力試驗(yàn)結(jié)果影響的研究。另外30組樣品制作高度為20mm，直徑分別為φ50mm、φ60mm、φ70mm、φ80mm的4個(gè)不同規(guī)格尺寸的試樣，開展巖石試件直徑對(duì)巖石膨脹力試驗(yàn)結(jié)果影響的研究。

2.2 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[5]。

(4)游標(biāo)卡尺：分度值0.02mm。

(5)千分表：量程5mm，分度值0.001mm。

(6)鼓風(fēng)干燥箱：24h內(nèi)溫度能保持在105℃～110℃范圍。

2.3 試驗(yàn)方法

按照《鐵路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》[5]進(jìn)行飽和吸水率試驗(yàn)，按照《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》[7]進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn)。

按照《鐵路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》[5]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)試件的試驗(yàn)前含水狀態(tài)為烘干狀態(tài)。

(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(cè)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)偏心荷載。

(4)對(duì)試件施加產(chǎn)生0.01MPa壓力的荷載，測(cè)記千分表讀數(shù)，每隔10min測(cè)讀一次，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(méi)上部透水板，立即清零壓力值，觀測(cè)千分表和壓力指示器讀數(shù)的變化，試件高度在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中始終不變。

(6)開始時(shí)每10min讀數(shù)一次，連續(xù)30min讀數(shù)不變時(shí)改為隔1h讀數(shù)一次，直至連續(xù)3h讀數(shù)不變或持續(xù)下降，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48h。

(7)試驗(yàn)過(guò)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。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試件高度對(duì)巖石膨脹力測(cè)試值的影響

膨脹力的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：PP為巖石膨脹力，kPa；F為軸向壓力值，N；A為試件截面積，mm2。

由式(1)可知，巖石膨脹力通過(guò)試驗(yàn)的軸向壓力值除以試件的截面積得來(lái)，公式中不包含對(duì)高度的修正信息。對(duì)于同一巖石樣品，當(dāng)試件高度變化時(shí)，巖石的膨脹力測(cè)試值也隨之發(fā)生變化。巖石膨脹力應(yīng)作為巖石的特性指標(biāo)使用，測(cè)試值隨高度變化而改變不符合使用要求。因此，選取具有代表性的巖石樣品30組制作直徑φ50mm，高度分別為20mm、30mm、40mm、50mm的4個(gè)不同規(guī)格尺寸的試樣，開展巖石試件高度對(duì)巖石膨脹力試驗(yàn)結(jié)果影響的研究。30組試件的膨脹力平均值與試件高度關(guān)系如圖1所示。

圖1 膨脹力平均值與試件高度相關(guān)關(guān)系

根據(jù)圖1，運(yùn)用最小二乘法擬合膨脹力平均值與試件高度相關(guān)關(guān)系曲線及關(guān)系方程[8，9]，可以發(fā)現(xiàn)，膨脹力隨著試件高度的增大而增大，并呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2為0.9864。膨脹力與試件高度并不呈等比例增加，高度為50mm試件的膨脹力平均值為408.7kPa，是高度為20mm試件膨脹力72.0kPa的5.68倍?？梢?jiàn)，試件尺寸對(duì)膨脹力試驗(yàn)結(jié)果的影響顯著，試件高度的不同將導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在較大差異，無(wú)可比性，影響對(duì)巖石膨脹性的判定。因此，有必要在試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程規(guī)范中明確試件的高度范圍，或通過(guò)研究給出試件高度的修正值。

圖2為泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂巖3種不同巖性膨脹力平均值與試件高度的關(guān)系曲線?？梢钥闯?，泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂巖的膨脹力值受試件高度變化的影響程度不同。通過(guò)擬合關(guān)系曲線可知，泥巖的斜率最大，為15.283，泥質(zhì)砂巖次之，為10.731，砂巖最小，為5.8172。泥巖的膨脹力值隨試件高度的增加而增加的速度最快，即試件高度變化對(duì)泥巖膨脹力試驗(yàn)影響更顯著，泥質(zhì)砂巖次之，砂巖的影響最小。這表明，高度對(duì)膨脹力測(cè)試值的影響與各巖石本身的特性有關(guān)。

圖2 不同巖性膨脹力平均值與試件高度相關(guān)關(guān)系

圖3為不同巖性飽和吸水率對(duì)比，泥巖的飽和吸水率最大，砂巖的飽和吸水率最小。由此可見(jiàn)，飽和吸水率越大，巖石孔隙率越大，結(jié)構(gòu)的密實(shí)程度越差，巖石試件的膨脹力受試件尺寸變化的影響更顯著。

圖3 不同巖性飽和吸水率對(duì)比

為了分析飽和吸水率，即巖石的密實(shí)程度對(duì)膨脹力與試件高度相關(guān)關(guān)系的影響，對(duì)泥巖的膨脹力試驗(yàn)數(shù)據(jù)按飽和吸水率大小分成4組，分別是>15%、10%～15%、5%～10%、<5%。每組內(nèi)不同試件高度的膨脹力取平均值，繪制4組數(shù)據(jù)的巖石膨脹力與試件高度相關(guān)關(guān)系曲線，如圖4所示。圖4表明，飽和吸水率越大的巖石試樣，高度變化對(duì)膨脹力試驗(yàn)結(jié)果的影響越顯著，與上文中分析結(jié)論一致。

圖4 泥巖飽和吸水率對(duì)膨脹力與試件高度相關(guān)關(guān)系的影響

可見(jiàn)，試件高度對(duì)巖石膨脹力試驗(yàn)結(jié)果的影響顯著，試件高度越大，巖石膨脹力試驗(yàn)值越大。試件高度的不同將導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在較大差異，無(wú)可比性，影響對(duì)巖石膨脹性的判定。因此，有必要在試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程規(guī)范中明確試件的高度范圍，或通過(guò)研究給出試件高度的修正值。同時(shí)，試件高度對(duì)巖石膨脹力試驗(yàn)結(jié)果的影響與巖石的結(jié)構(gòu)特征有關(guān)，巖石的飽和吸水率越大，巖石的孔隙率越大，密實(shí)程度越差，則試件高度對(duì)巖石膨脹力試驗(yàn)結(jié)果的影響越顯著。

3.2 試件直徑對(duì)巖石膨脹力測(cè)試值的影響

選取具有代表性的巖石樣品30組制作高度為20mm，直徑分別為φ50mm、φ60mm、φ70mm、φ80mm的4個(gè)不同規(guī)格尺寸的試樣，開展巖石試件直徑對(duì)巖石膨脹力試驗(yàn)結(jié)果影響的研究。30組試件的膨脹力平均值與試件直徑相關(guān)關(guān)系如圖5所示。

圖5 膨脹力平均值與試件直徑的相關(guān)關(guān)系

圖5表明，在試件高度維持20mm不變的情況下，巖石膨脹力測(cè)試值隨試件直徑增加的變化規(guī)律不一，變化幅度很小，總的變化趨勢(shì)是隨試件直徑的增大而減小。這說(shuō)明，試件直徑對(duì)巖石膨脹力試驗(yàn)結(jié)果的影響不明顯。

3.3 試件高徑比對(duì)巖石膨脹力測(cè)試值的影響

巖石單軸抗壓強(qiáng)度、壓縮變形等參數(shù)均與試件的高徑比存在較好的相關(guān)關(guān)系，然而，膨脹力與試件的高徑比相關(guān)性并不好。膨脹力平均值與試件高徑比的相關(guān)關(guān)系如圖6所示，圖中前4點(diǎn)為高度20mm，直徑分別為φ50mm、φ60mm、φ70mm、φ80mm的4個(gè)不同規(guī)格尺寸的試樣，高度相同，直徑發(fā)生變化，膨脹力平均值基本無(wú)變化；后3點(diǎn)為直徑為φ50mm，高度分別為30mm、40mm、50mm的3個(gè)不同規(guī)格尺寸的試樣，直徑不變，高度發(fā)生變化，膨脹力值發(fā)生明顯的變化。

圖6 膨脹力平均值與試件高徑比的相關(guān)關(guān)系

經(jīng)綜合分析可知，巖石膨脹力值隨著試件高度的增大而增加，并呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系；膨脹力值隨著直徑的增大略有降低，但趨勢(shì)不明顯，相關(guān)性差；膨脹力與高徑比幾乎無(wú)相關(guān)性。

4 結(jié) 論

通過(guò)巖石試件尺寸對(duì)巖石膨脹力試驗(yàn)結(jié)果的影響研究，得出如下結(jié)論：

(1)試件高度對(duì)巖石膨脹力試驗(yàn)結(jié)果的影響顯著，巖石膨脹力測(cè)試值隨著巖石試件高度的增大而增大，并呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。

(2)試件高度對(duì)巖石膨脹力試驗(yàn)結(jié)果的影響與巖石的結(jié)構(gòu)特征有關(guān)，巖石的飽和吸水率越大，巖石的孔隙率越大，密實(shí)程度越差，則試件高度對(duì)巖石膨脹力試驗(yàn)結(jié)果的影響越顯著。

(3)巖石膨脹力測(cè)試值隨試件直徑增加的變化規(guī)律不一，變化幅度很小，總的變化趨勢(shì)是隨著試件直徑的增大而減小，這說(shuō)明試件直徑對(duì)巖石膨脹力試驗(yàn)結(jié)果的影響不明顯。

(4)試件高徑比與膨脹力測(cè)試值的相關(guān)性較差。

(5)試件尺寸對(duì)巖石膨脹力測(cè)試值的影響，將導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)可比性，影響對(duì)巖石膨脹性的判定。因此，有必要在試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程規(guī)范中明確試件的高度范圍，或通過(guò)研究給出試件高度的修正公式。