郭家镇隧道泥岩膨胀特性试验研究

付志华

(中铁十九局集团第一工程有限公司，辽宁 辽阳 111000)

宝鸡至兰州客运专线7标郭家镇隧道穿越第三系泥岩、砂质泥岩地层，该套地层岩体含有较多的亲水矿物，具有遇水膨胀、软化、失水崩解、开裂的典型膨胀性特征。依据岩土试验成果资料，粘土岩固结成岩较差，饱和单轴抗压强度2.83MPa，属极软岩。泥岩自由膨胀率>30%，松散状泥(粘土)岩自由膨胀率>40%，属弱膨胀岩。施工时可能遇到洞室变形及地基持力层遇水膨胀问题，而且在隧道的运营过程中由于含水量的变化导致围岩应力发生变化，进而引发底鼓、二次衬砌变形等一系列严重危害列车安全运营的工程问题。目前，文献[1]通过泥质岩的膨胀试验，分析了应变变化对膨胀力的影响，指出泥只岩膨胀力高度依赖于试验期间所受的应变；文献[2]研究了不同应力路径条件下泥岩膨胀力对结构的影响；文献[3]对南京红山窑风化红砂岩进行了膨胀变形及力学特性试验研究，得出了膨胀岩存在应变软化现象，且膨胀应力、塑性流动以及随湿度场而变化的屈服准则等都是相互耦合的；文献[4]对南京红山窑水利枢纽工程中的红砂岩抗剪强度与含水量的关系进行试验研究后，指出膨胀岩的抗剪强度与含水量密切相关，且膨胀岩的凝聚力和内摩擦角与含水量之间具有良好的对数关系；文献[5]对膨胀性泥岩的非线性强度变形特性进行试验研究后指出，泥岩的应力应变关系呈应变软化特性，峰值强度、残余强度及残余强度比均随围压的增大而增大；文献[6]通过原状膨胀岩剪切性状的直剪试验研究， 与重塑样的剪切性状试验结果进行对比， 指出膨胀岩原状样与重塑样在剪切性状上表现出很大的差别， 室内重塑样剪切试验很难获得准确的膨胀岩土体的抗剪强度指标， 工程上应尽量做原状或原位试验；文献[7]对南水北调中线强膨胀岩重塑样进行了膨胀率试验，研究了广义膨胀力的影响因素，并推导出广义膨胀力经验公式；文献[8]对泥质膨胀岩崩解物粒径分布与膨胀性关系进行了试验研究，判定膨胀岩膨胀性的强弱与其崩解物的最大含量粒组颗粒粒径、有效粒径和耐崩解性指数呈反相关关系；文献[9]针对实际工程中膨胀岩应力状态的变化情况，对南水北调中线膨胀岩开展了三轴循环加卸荷试验以及卸荷试验，试验结果表明，可以用一负指数函数来拟合膨胀岩应变增加量与循环次数的关系；文献[10]采用正交试验的方法对膨胀岩的膨胀性相似材料配比进行研究；文献[11]对客运专线无碴轨道泥岩地基原位浸水膨胀变形进行试验研究后指出，泥岩加荷—浸水膨胀以塑性变形为主，卸载情况下泥岩的回弹量值占总变形量的6.39%～7.00%；文献[12]对不同膨胀状态下的膨胀岩进行无膨胀作用的剪切蠕变试验、膨胀与蠕变完全耦合的剪切蠕变试验、膨胀与蠕变不完全耦合的剪切蠕变试验、膨胀与蠕变分开耦合的剪切蠕变试验。

由于目前对岩石膨胀影响因素的研究成果主要来自重塑样品的试验，重塑样品破坏了岩石结构，因而不能真实地反映岩石的力学特性。本文采用现场采取岩样进行室内试验，得到了岩体的膨胀特性。

1 灰质泥岩矿物化学成分分析研究

膨胀岩的主要矿物成分包括碎屑矿物和粘土矿物。碎屑矿物指的是石英石、方解石、云母以及长石等。黏土矿物指的是高岭石、伊利石和蒙脱石，这些黏土类矿物是影响膨胀岩膨胀特性的决定性因素。与此同时，岩石的颗粒大小、胶结程度也是影响其膨胀特性的重要因素。研究表明，郭家镇地区的膨胀岩主要含有的矿物成分是伊利石和高岭石，一般属于弱膨胀岩。

矿物成分分析采用了河北师范大学无机化学测试部的D/Max 3B型X射线衍射仪。郭家镇隧道收集的部分围岩的测试结果如表1所示。

表1 郭家镇隧道矿物成分分析表

矿物成分中粘土矿物的百分含量对岩石的膨胀性起到决定性作用，郭家镇膨胀岩的主要膨胀矿物为伊利石和高岭石。高岭石的内部结构决定了其水化作用较小，因而膨胀性能较弱。而蒙脱石离子交换能力较强，所以其亲水性和膨胀性均较强。根据以上原理，由该膨胀岩的矿物组成分析可知，郭家镇隧道的膨胀岩属于弱膨胀岩。

2 膨胀岩膨胀特性试验试样的制备

由于膨胀岩的抗扰动能力很差，遇水后产生崩解。如果吸水量较小时，岩体尚未达到崩解程度，但已经产生了很大的变形，应力释放较大，将导致试验无法得到可靠的结果。由于膨胀岩遇水软化的特点，给原状岩试样的取芯工作带来很大的困难。在取芯过程中，钻头不能通过通水来冷却，所以要采用耐高温的软岩专用钻头，同时在取芯之前还要取部分岩石做天然含水率试验，若含水率过高会导致岩芯卡到钻头中无法取出。此时需对天然岩块进行烘干，但烘烤时间不能过长，否则将导致岩石含水量过低，造成取芯过程中出现岩芯断裂现象。由于膨胀岩的取芯难度高，所以目前国内大部分有关膨胀岩的研究中，均采用岩石的重塑样代替原始岩石来进行膨胀试验和力学试验。具体做法是用较大的完整试块制样制作原状岩石试样，将其它不完整的岩石磨碎后，制作成重塑样。在隧道现场采取岩石后，现场加工出工整试块，使用SC-200型自动取芯机(见图1)进行无水钻芯，之后用砂纸打磨等手工操作把两断面加工成误差不超过0.5mm的原岩试块。以破碎岩体加工成重塑试样。

为了防止试件内天然水分的丧失，试样加工完成后应立即用保鲜膜，锡箔包裹，再用石蜡封严，在阴凉干燥处进行保存。

3 膨胀岩的膨胀率测定

3.1 自由膨胀率测定

进行自由膨胀率试验的目的是测量无侧向约束条件下， 岩石的轴向自由膨胀率和径向自由膨胀率。 试块采用直径为50mm的圆柱体， 高径比为1∶1。由于膨胀岩具有遇水崩解的特性，而自由膨胀率试验适用于遇水不易崩解的岩石，需要对已加工试块的形状进行预加固的同时，又不能影响岩石在水中的膨胀性。所以用保鲜膜(表面具有透水孔)对岩石进行了包裹，以达到防止膨胀岩在水中崩解的目的。将试件放入YZP-1型自由膨胀率试验仪(见图2)中，在试块上、下断面放置等于试块直径的透水板，透水板通过皮筋绑定保鲜膜。在顶部放置一块500g的金属薄板。然后在试块的上部和岩石侧向对应位置安装千分表，千分表表头与试块的接触面间夹有薄铜板。同时防止千分表表脚陷入试块中影响试验精度。每隔10min记录千分表读数一次，若连续3次试验读数不变则表明试块安装妥当，可以进行注水。加水时一次性将水加到透水石以上，在整个试验过程中要保持水位处于试块上方，温度变化不得超过2℃，在试验开始的10min内每隔2min读数一次，之后每隔10min读数一次，1h后每隔30min读数一次，直到相邻3次读数差值不大于0.001mm即认为稳定，总的浸水时间不小于48 h。整个试验过程中试验台不得发生震动，并及时加入蒸馏水保证水位不变。泥岩自由膨胀率的试验记录如表2所示。

图1 SC-200型自动取芯机

图2 YZP-1型自由膨胀率试验仪

无侧向约束自由膨胀率的计算公式为

(1)

(2)

式中：Vd为径向自由膨胀率，%；H为试件高度，mm；D为试件直径或边长，mm；Uh为试件轴向变形量，mm；Ud为试件径向变形量，mm。

表2 泥岩自由膨胀率试验记录

试验前含水率为2.33%，试验后含水率为26.4%，经测算，含水率增大24.07%。根据三组平行试验，求出膨胀量的算术平均值，平均轴向自由膨胀率为5.4%，平均径向自由膨胀率为2.3%，膨胀率较大。泥岩轴向膨胀率随时间变化关系曲线如图3所示，径向膨胀率随时间变化关系曲线如图4所示。

图3 泥岩轴向膨胀率随时间变化关系曲线

图4 泥岩径向膨胀率随时间变化关系曲线

由图3～4可知，从岩石测定的膨胀率与时间的关系来看，在无约束的条件下，试验开始的前3h内，膨胀率急剧增加，4h后径向膨胀曲线增长缓慢并且逐渐趋于常量，膨胀岩轴向膨胀率在前3h内增长较大，之后经过较长时间的缓慢增长，到15h后基本趋于稳定。

3.2 侧向约束膨胀率测定

岩石侧向约束膨胀率指的是，试样受侧向约束，且轴向施加固定荷载(5kPa)条件下，浸水后试样轴向变形与原高度的比值。

试块为现场采取，并保持天然含水状态。采取的试样为直径50mm，高度20mm的圆柱体试块。首先在侧向约束试验仪器的金属套环内侧涂抹凡士林(防止岩石与金属环发生摩擦影响试验结果)，试样上下放置滤纸和金属透水板，顶部安装金属荷载板与千分表。金属荷载板对试块产生5kPa的压力，即金属荷载板的质量为1kg。然后在金属荷载板上安装千分表，千分表表头与试块的接触面间夹有薄铜板。同时防止千分表表脚陷入试块当中影响试验精度，每隔10min记录千分表读数一次，若连续3次试验读数不变则表明试块安装妥当，可以进行注水。加水时将水一次性加到透水石以上，在整个试验过程中保持水位始终处于在试块上方，温度变化不超过2℃，在试验开始的10min内每隔2min读数一次，之后每隔10min读数一次，1h后每隔30min读数一次，直到相邻3次读数差值不大于0.001mm即认为稳定，总浸水时间不得小于48 h。整个试验过程中试验台不得发生震动，并及时加入蒸馏水保证水位不变。

侧向约束条件下膨胀率的计算公式为

(3)

式中：Vhp为径向自由膨胀率，%；H为试件高度，mm；Uhp为试件直径或边长，mm。

试验前含水率为4.72%，试验后含水率为23.5%，经测算，含水率增大了18.78%。试验进行了三组平行试验，试验记录如表3所示，试验前岩石坚硬，试验后颜色加深且土质松软。

表3 膨胀岩侧向约束膨胀率试验记录表

由表3求出三组平行试验膨胀量的算术平均值，膨胀率V为4.5%，其膨胀率较小。轴向膨胀率随时间的变化关系如图5所示。

图5 轴向膨胀率随时间的变化关系

由图5可知，从岩石测定的膨胀率与时间的关系来看，在有侧向约束的条件下，在开始的1h内，膨胀率急剧增加，4h后，膨胀曲线增长缓慢并且逐渐趋于常量，侧向约束情况下岩石的最大轴向膨胀率为4.5%。

4 膨胀力测定

膨胀岩的膨胀力是导致西部地区隧道发生地质灾害的主要原因，是岩土界到目前为止尚未解决的世界性技术难题。膨胀力的准确测定对研究膨胀岩的力学性质、膨胀机理有重要意义。

岩石膨胀压力按下式计算

(4)

式中：Ps为膨胀压力，MPa；P为轴向荷载，N；A为试件截面积，mm2。

绘制膨胀压力Ps与时间t的关系曲线，确定最大膨胀压力。膨胀压力试验的记录如表4所示。

本次试验采用了15组试样进行膨胀力试验，分别设定其初始含水率为1%、5%、10%、15%、20%。通过测定膨胀力和膨胀率，得到结果如表4所示。

表4 泥岩膨胀压力试验成果表

由表4可知，岩石膨胀力随初始含水率的不同而不同。天然含水率岩石最大膨胀力大小范围为 45.56～56.23kPa，平均值为 50.60kPa；属于弱膨胀岩最大膨胀力范围之内。

不同初始含水量试样的膨胀压力随时间变化关系曲线如图6所示。由图6可知，根据膨胀力随时间变化关系，试样在前期较短时间内产生了较大的膨胀力，到接近极限膨胀力后，变化非常缓慢。说明，膨胀岩隧道遇水造成危害的特点是迅速，且危害大。

图6 不同初始含水量试样的膨胀压力随时间变化关系曲线

试样最大膨胀力与初始含水量关系曲线如图7所示。

图7 试样最大膨胀力与初始含水量关系曲线

由图7可知，膨胀力Ps与初始含水率W成反比例关系，通过对数据进行线性回归，得到两者之间存在如下方程

Ps=aw2+bw+c

(5)

式中：a、b、c为试验参数，a=0.282 7，b=-10.019，c=99.479。其相关系数为 0.982 8，具有较好的相关性。

由式(5)可得

F(Ps,W%)=Ps-0.282 7w2+10.019W-

99.479=0

(6)

5 结论

(1)岩石膨胀力为10.30～95.61kPa，小于100kPa；径向自由膨胀率大小范围为 0.8%～1.0%，轴向自由膨胀率大小范围为 4.8%～6.8%，两者均小于 10%。根据软岩的定义，岩石试样单轴抗压强度小于 25MPa，粘土颗粒含量大于25%，自由膨胀率约为5%，得出该泥岩属于弱膨胀性软岩。

(2)轴向膨胀率随着膨胀力的增加而增大；膨胀力越大试样破坏程度越高；膨胀力与初始含水率成线性的反比例关系；由最大膨胀力得出郭家镇隧道膨胀岩属于弱膨胀岩。

参考文献：

[1] PEJON O J. Effects of strain on the swelling pressure of mudrocks[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2006，43(5)：817-825.

[2] MARCO BARLA.Numerical simulation of the swelling behaviour around tunnels based on special triaxial tests[J]. Tunnelling and Underground Space Technology，2008，23(5)：508-521.

[3] 朱珍德，张爱军，邢福东. 红山窑膨胀岩的膨胀和软化特性及模型研究[J]. 岩石力学与工程学报，2005，24(3)：389-393.

[4] 王军，何淼，汪中卫. 膨胀砂岩的抗剪强度与含水量的关系[J]. 土木工程学报， 2006，39(1)： 98-102.

[5] 李杭州，廖红建. 膨胀性泥岩的非线性强度变形特性试验研究[J]. 地下空间与工程学报， 2007，3(1)： 19-22.

[6] 臧德记，刘斯宏，汪滨. 原状膨胀岩剪切性状的直剪试验研究[J]. 地下空间与工程学报， 2009，5(5)： 915-919.

[7] 刘静德，李青云，龚壁卫. 南水北调中线膨胀岩膨胀特性研究[J]. 岩土工程学报，2011，33(5)： 826-830.

[8] 张巍，尚彦军，曲永新，等. 泥质膨胀岩崩解物粒径分布与膨胀性关系试验研究[J]. 岩土力学，2013，34(1)：66-79.

[9] 赵二平，李建林，王瑞红. 不同应力路径下膨胀岩力学特性试验研究[J]. 人民长江，2014，45(3)： 83-86.

[10] 赵二平，李建林，王瑞红. 基于正交设计的膨胀岩相似材料试验研究[J]. 兰州理工大学学报，2014，40(4)：131-135.

[11] 马丽娜，严松宏，王起才，等. 客运专线无碴轨道泥岩地基原位浸水膨胀变形试验[J]. 岩石力学与工程学报， 2015，34(8)：1 684-1 691.

[12] 范秋雁，张波，李先. 不同膨胀状态下膨胀岩剪切蠕变试验研究[J]. 岩石力学与工程学报，2016，35(S2)：3 734-3 746.