岩石侧限约束膨胀力试验的分析与探讨

肖海军

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300251)



岩石侧限约束膨胀力试验的分析与探讨

肖海军

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251)

分析影响膨胀力试验准确性的关键因素及对策，介绍铁道第三勘察设计院集团有限公司中心试验室自行研制的多功能岩石膨胀仪在膨胀力试验中的优点，并采用多功能膨胀仪进行岩石的侧限约束膨胀力试验，基于试验结果探讨了试件尺寸对膨胀力的影响，岩石试样采自新建济南至青岛高速铁路。试验结果表明，试样直径相同的情况下，试样高度越高，膨胀力越大。

石侧限约束膨胀力多功能岩石膨胀仪试件尺寸

膨胀岩是一类性质极为复杂的岩石，膨胀岩问题是当今工程地质学和岩土工程领域中最复杂的研究课题之一[1-9]。岩石的膨胀性试验包括自由膨胀率、侧向约束膨胀率、饱和吸水率和侧限约束膨胀力等试验。其中侧限约束膨胀力可用来直接判别岩石膨胀性大小，试验数据直观准确，被广大科研工作者和规范标准所采用[10]。岩石侧限约束膨胀力是岩石试件浸水后保持原形体积不变所需的压力，测试方法有平衡法、图解法、胀压法。胀压法测试结果偏高，图解法较切合实际，但操作繁琐，目前国内外采用最多的是平衡法。

基于平衡法，采用铁道第三勘察设计院集团有限公司中心试验室自行研制的多功能岩石膨胀试验仪进行岩石的侧限约束膨胀力试验研究及数据分析。该多功能岩石膨胀试验仪(专利号：ZL201220420352.9)可分别完成岩石自由膨胀率，侧限约束膨胀率和侧限约束膨胀力试验(如图1所示)。

图1　多功能岩石膨胀试验仪

1　样品原状性对岩石膨胀力的影响

保持岩石膨胀试件的原始状态，在取样、制样加工过程中不受外力或水的影响是保证岩石膨胀试验顺利进行、成果数据准确可靠的先决条件。按照规范[10-11]的要求，膨胀性试件必须采用干钻法取样；同时要求试样原始结构不受破坏，天然湿度不发生变化。保持取样和加工试样过程中试样的天然状态非常困难，邱良军[12]等人通过大量的试验探索，总结出一套膨胀试件取样和加工的方法。除了规程中推荐的试样φ50 mm的标准试样外，考虑工程实际中经常遇到φ89 mm和φ108 mm钻头形成的岩芯范围，还采用了φ70 mm和φ90 mm的试样，主要是为了直接利用野外钻探岩芯。室内加工仅对上述岩芯做横向切割，形成上下两个必要的平面，扩大了试样可选择范围，减少了二次加工环节和加工量。

2　试样浸水试验时间对岩石膨胀力的影响

按照规范[10]的要求，采用直径50 mm、高度不小于20 mm的试样，浸水后总试验时间不得少于48 h。当直接采用钻探岩芯的尺寸为φ70 mm和φ90 mm时，浸水总时间应相应延长，直到膨胀力出现峰值并有明显的下降趋势时方可结束试验。

3　侧向约束对岩石膨胀力的影响

根据岩石膨胀试验规程相关规定，在进行有侧向约束岩石膨胀力试验时，需用金属套环对试样侧向进行包裹紧固，使两者紧密结合而没有丝毫缝隙。然而，现实生产中，每一个试样的外径不可能完全一样，无法满足多个不同直径试样形成侧向约束力的需要。即使满足单一试样的固定要求，当完成膨胀试验后，由于岩石膨胀会与套环抱紧而难以拆分，费时费力，甚至造成金属套损坏。如果按照不同直径岩石试样分别制作不同内径的整体套环，会因为数量多、占用面积大、试样拆装难等给生产管理带来很大的实际困难。为了满足不同直径试样施加侧压力的要求，考虑常用的φ50 mm、φ70 mm和φ90 mm岩芯，以φ50 mm、φ73 mm和φ93 mm作为对开试模的标准内径，然后分别用厚度0.3 mm、0.5 mm、0.8 mm、1.2 mm的不锈钢做成外径为φ50 mm、φ73 mm和φ93 mm的圆筒形开口环刀，裹在试件外圆，然后用对开模夹紧的方式实现对试样施加无穷大侧压力的要求(如图2、图3所示)。

图2　对开模

图3　开口环刀

4　试样尺寸对岩石膨胀力的影响

现阶段，由于国内外研究学者的岩石膨胀力试验的试样尺寸并不相同，给科研成果的对比分析带来困难。

按规程[10-11]的要求，膨胀岩试样的直径宜为50 mm，高度不宜小于20 mm，且应大于岩石最大颗粒粒径的10倍。研究了直径为50 mm，高度分别为25 mm与100 mm泥岩的膨胀力，试验结果如表1所示。

表1　试样高度对岩石膨胀力的影响

注：每组试样取于同一岩芯相近位置。

由表1可知，试样高度为100 mm与试样高度为25 mm的膨胀力接近，且高度越高的试样膨胀力越大。由于直径一样，试样的浸水饱和时间一样；试样的高度越高，试样中有害膨胀物质出现的可能性及岩石裂隙发育的概率就越大，越能代表岩芯膨胀力的大小。试样直径对膨胀力的影响以及尺寸对其他岩性膨胀岩的影响规律值得进一步研究。

5　结束语

(1)多功能岩石膨胀试验仪采用φ70 mm和φ90 mm的试样，直接利用野外钻探岩芯，无须对试样进行再次钻芯，室内加工仅对岩芯做横向切割，形成上下两个必要的平面。不仅扩大了试样可选择范围，而且减少了试样二次加工环节和加工量。

(2)直接利用野外钻探岩芯，试样直径大于50 mm，试样浸水总试验时间应大于48 h，且直到膨胀力出现峰值并有明显的下降趋势时方可结束试验。

(3)对开模和开口环刀的运用实现了对试样施加无穷大侧压力的要求。

(4)试样高度越高，试样中有害膨胀物质出现的可能性及岩石裂隙发育的概率就越大，高度越高的试样膨胀力越大。试样直径对膨胀力的影响以及尺寸对其他岩性膨胀岩的影响规律值得进一步研究。

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[10]TB10115—2014铁路工程岩石试验规程[S]

[11]SL264—2001水利水电工程岩石试验规程[S]

[12]邱良军，李慧芝.岩石自由膨胀率试验分析[J].铁道勘察，2014(3)

The Analysis and Discussion of Confined Swelling Forces Tests for Rocks

XIAO Haijun

2016-02-02

肖海军(1989—)，男，2014年毕业于东南大学高性能土木工程材料专业，助理工程师。

1672-7479(2016)02-0070-02

TU458

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