岩石自由膨胀率试验分析

邱良军 李慧芝

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

岩石的膨胀性试验包括自由膨胀率、侧向约束膨胀率、饱和吸水率和膨胀压力试验。其中岩石的自由膨胀率相对容易检测，试验数据也相对准确。试验方法是，将试件放入膨胀测定仪内，上下放置透水板，上部和四侧对称安装千分表，记录初读数，加入洁净水至淹没上透水板，并在48 h内按规定的读数时间读取变形表读数。由测得的膨胀值和试件原始尺寸分别计算轴向和径向自由膨胀率。岩石的自由膨胀率适用于浸水不崩解的岩石。

1 工作中的难点和问题

1.1 现场取样时保证岩石的天然状态

按规范要求，岩石在工地取样时就应保持天然状态，然后密封送实验室。而一般工地现场取样都是用钻机钻取岩芯。如果干钻，一方面容易卡钻，另一方面钻进时产生热量也会使岩样中的水分散失;如果水钻，岩样遇水产生膨胀，不能保证岩样的天然状态。

1.2 室内加工试件时保证岩石的天然状态

岩石芯样送到实验室后，要加工成规范要求的标准尺寸，怎样加工才能保证岩石的天然状态是一个难题。按规范要求应干钻或干锯，干钻时，由于做膨胀试验的岩芯大部分为泥岩或砂岩，强度较小，芯样钻好后经常卡钻，敲出来后就会破碎;另外，由于干钻、干锯产生热量，也会使岩样失水;如果湿钻、湿锯，又会破坏岩石的天然含水状态。

1.3 千分表读数的问题

在实验室采用的是量程1 mm的千分表，试验过程中，有时白天读完数，第二天早上来一看经常会有超过千分表量程的试件，造成读数不准确，无法继续试验。

2 问题的解决

2.1 现场取样

严禁用爆破法取岩块和用湿钻法取岩芯。岩样应有良好的包装和密封，保证结构不受损坏，天然湿度不发生变化。现场地质人员应严格要求，规范取样，保证岩石的天然状态。有条件时不要钻芯取样，应采用人工开挖法，取样后立即密封。

2.2 室内制件

干法钻取制件加工起来成功率极低，钻取芯样时80%以上的会卡钻，或由于干钻震动、失水，试件也会开裂;干锯芯样，由于芯样的强度很小，干锯阻力又大，也会造成试件开裂和失水。

通过大量的试验摸索出一些经验，对于非泥岩(如泥质砂岩等)，中等强度(10 MPa左右)、不易破碎、含水量也较小(＜1%)的岩石用快速湿锯来加工试件。做膨胀试验的岩石一般较软，在锯的过程中可适当调快锯的前进速度，使试件接触水时间较短，以减少水对试件的浸泡。在湿锯的过程中，有的岩石会开裂崩解，岩石自由膨胀率只适用于不崩解的岩石，这样也可初步判定岩石是否崩解，是否能进行自由膨胀率试验，崩解的岩石则改做石粉的自由膨胀率Fs。湿锯后岩石含水率与天然状态相比发生了变化，可将试件先风干3～5 d，再进行试验。因为岩石本身含水量较小，经过现场的取样再送到试验室也基本上为风干状态。另一方面，岩石风干后再做自由膨胀率得到的结果应该是最大的，更能反映岩石的膨胀特性。

对于纯泥质岩石，还是用干锯法。对于这种岩石(强度在1～3 MPa左右，天然含水量＞10%，有的天然含水量能达到30%以上，类似于硬泥，天然状态下浸水也不崩解)，遇水后强度变得更低，用湿锯容易破碎，而锯后如果风干后再浸水极易开裂，所以必须采用干锯法加工试件，且加工好试件后立即试验。

2.3 试验过程和千分表的调整

将试件放入自由膨胀率仪内，在试件上下各放置一块透水板。在试件上部和标志的四侧直角对称的中心部位分别安装好量表，四侧量表与试件接触处应垫上一块厚约0.2 mm的薄铜片。量表测杆浸水部分应涂有防水材料。测量表读数，精确至0.001 mm。开始时每10 min测记一次，3次读数不变后，缓缓的向仪器内注水，直至淹没上透水板。之后在开始的第1 h内，每隔10 min测量表变形一次(膨胀量小的可延长一些，膨胀量大的要勤读一些)，以后每隔1 h测一次，直至3次读数差不大于0.001 mm为止，浸水后试验时间不得少于48 h。

图1

最好采用量程较大的千分表进行试验。一般来说膨胀量超过1 mm的岩样较少，大部分膨胀量大的岩样都是崩解的或开裂的。做岩石自由膨胀率试验一般应选在早晨刚上班时开始装样试验，对一些膨胀量大的试件应勤读数，当即将超过千分表量程时，读数后立即重新调整千分表，读取新读数，以新读数为起点再继续读数。开始装样时，千分表也要尽量调整到较小的刻度，以满足大量程的需要。一天工作结束时应观察千分表的状态，如接近最大量程，应重新将千分表调零，以免造成第二天膨胀超出量程。

3 结束语

岩石的自由膨胀率试验是测定岩石膨胀性的一项重要指标，试验过程中的主要问题是保证岩样试验前的天然状态，取样和制件是最关键、也是最难达到规范要求的环节。一般来说，膨胀性大的岩石(标准试件膨胀量超过1 mm)大部分都会崩解或者开裂，而不崩解、开裂的岩石其膨胀性一般较小。经过一些对比，对于一些不易崩解、开裂的岩石(泥质砂岩等)做自由膨胀率试验后烘干，再做1～2次自由膨胀率试验，经对比其膨胀数据无太大变化。作者认为，岩芯加工的过程中为了增加试件加工的成功率，可用湿锯法进行加工。干锯虽然符合规范要求，但存在很多缺点，其一，试件容易开裂，制件成功率低;其二、锯的磨擦生热会使岩样中的水分散失;其三、加工过程中粉尘很大。

对于一些天然含水量较大、天然状态浸水不易崩解、有些强度(1－3MPa)的纯泥岩则必须使用干锯法，因为其风干后再浸水极易崩解，不能进行试验。

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