滇中红层泥岩与其重塑土的膨胀力研究

赖远超，邓 辉，苏 航，王红娟

(成都理工大学环境与土木工程学院，四川 成都 610059)

滇中红层泥岩具有工程力学性质差，遇水易崩解膨胀的特点。膨胀性的泥岩，其主要矿物为蒙脱石、伊利石、绿泥石及高岭石，其中含蒙脱石类的泥岩膨胀性较不含蒙脱石类泥岩强[1]。国内外学者从不同角度对泥岩的膨胀性做了一定的研究，何沛田[2]等研究了四川省中江县马鞍山引水隧道的黏土岩在水的长期渗透作用下,岩体产生膨胀变形。苏航[3]等通过膨胀试验，发现红层软岩岩样在浸水初期膨胀力急速增长，之后逐渐降低并趋于稳定状态。刘晓丽[4]等通过试验研究，得到修正的膨胀岩一维膨胀本构模型。张云杰等[5]采用膨胀仪研究了重庆地区的泥岩膨胀特性，研究结果表明：泥岩的膨胀率主要受其地质年代、矿物组成、及含水率的影响。苏永华等[6]利用分形理论分析崩解机制研究软岩膨胀崩解力学机制，认为软岩的吸水膨胀崩解是软岩属于多重分形。刁心宏等[7]研究不同温湿度条件下，泥岩吸水特性及膨胀特性的规律，得出在不同温湿环境下吸水曲线可分为剧烈吸水、减速吸水以及吸水平衡3个阶段。马丽娜等[8]对重塑土的不同含水率及干密度条件下的膨胀力进行研究，得出重塑土与实测原状泥岩对比误差在5%左右，可用于预估不同含水率的原状泥岩所具有的膨胀力大小。

本文通过分别测定滇中红层泥岩与其磨碎做成的重塑土的膨胀应力，再结合泥岩的密度、孔隙率等因素来分析泥岩的膨胀应力，进而为滇中应水工程隧洞的开挖提供参考意见。

1 泥岩膨胀力的测定

本文的岩样取自螺蜂山隧洞，是泥质含量较高的粉砂质泥岩。用蜡封法处理岩芯，带回实验室制成50mm×50mm的试样5个，试样编号分别为J2Z-2-1、J2Z-2-2、J2Z-2-3、J2Z-2-4、J2Z-2-5，试样测定尺寸、质量见表1。通过YYP-50型岩石膨胀压力试验仪(图1)来测定泥岩的膨胀应力，进而得出泥岩时间～膨胀应力关系(图2)。

表1 试样尺寸、质量

由于在试验过程中J2-2-4样品破损严重，故而未得它的时间～膨胀应力图，总结试验结果见表2。

表2 试验结果数据

从图2和表2综合分析可知，滇中红层泥岩在前0.5 h内快速吸水，且产生的膨胀应力约为最终膨胀应力的95%。J2Z-2-2试样的时间～膨胀应力曲线分为快速膨胀、减速膨胀与平衡膨胀3个阶段，而J2Z-2-1、J2Z-2-3与J2Z-2-5试样只经历快速膨胀与平衡膨胀2个阶段，分析可能是后3个试样的孔隙贯通率优于前一个试样。而试样的最大膨胀应力与最小膨胀应力相差1 348.35 kPa，推测为J2Z-2-3试样中的蒙脱石、高岭石等亲水物质的数量远远多于其他试样，属于偶然情况，也说明螺蜂山隧洞地区局部存在高膨胀应力。剔除J2Z-2-3试样，可得试样的平均膨胀应力为424.74 kPa。

2 重塑土膨胀性研究

重塑土的试验样品是将从螺蜂山隧洞取的粉砂质泥岩捣碎成粒径小于0.25 mm的碎粒，加入蒸馏水将其碎土粒配制成含水率为8%、9%、10%以及15%的原状土若干，根据配制的试样密度的不同，分别制成尺寸为30 cm2×2 cm的重塑土。重塑土的材料是由原状粉砂质泥岩捣碎而成，故而，重塑土的最大值近似于泥岩中所有亲水物质产生的膨胀总应力。

本试验采用的仪器是GDG系列型高压固结仪(图3)，通过绘制试验中的土样膨胀率(纵坐标)与压应力(横坐标)的关系曲线图可找出重塑土样的膨胀应力，即曲线与横坐标的交点处数值。重塑膨胀土的膨胀率与压应力的关系图为对数函数关系图，函数关系式为：

y=Aln(x)+B

(1)

式中x——压应力；y——膨胀率；A、B——试验参数。

其中密度为2.2 g/cm3、含水率为10.16%的膨胀率与压应力关系曲线可见图4，其余密度、含水率条件下的相关数据见表3。

表3 不同密度、含水率条件下的膨胀力数据

通过对不同密度、含水率与膨胀应力的数据分析，由1stOpt拟合得出膨胀应力与对应的密度和含水率的关系式为：

P=32.34+2314.48·(100·ω)-10.36·

(100·ω)·(100·ω)-518.52·ρ

(2)

式中P——重塑土膨胀应力;ω——重塑土的含水率；ρ——重塑土的密度。

3 泥岩与重塑土膨胀力关系研究

通过对比分析泥岩与其重塑土的膨胀力可知，泥岩的平均膨胀力为424.74 kPa，而重塑土的膨胀力在90～250 kPa范围内，泥岩的平均膨胀力远远大于其重塑土的膨胀力，说明泥岩的膨胀力的大小不仅取决于泥岩内亲水矿物质的多少，还受到物质结构、密度、含水率以及与水接触的接触面大小的影响。

由表1中5个试样的试样面积可计算得出试样底面和顶面接触水的平均接触面面积为4 199.84 mm2，而重塑土的底面与顶面接触水的接触面积为6 000 mm2，定义接触面关系的表达式为：

(3)

式中α——泥岩与其膨胀土与水接触面面积的比例系数;S1——泥岩试样与水平均接触面面积；S2——泥岩重塑土与水接触面面积。由式(3)可计算得出滇中红层泥岩与其重塑土与水接触面面积比例系数为0.69。

由表1中5个试样的试样面积与试样高度可计算得出试样的平均体积为98.125 cm3，而重塑土的体积为60 cm3，定义体积的关系表达式为：

(4)

式中β——泥岩与其膨胀土的体积比例系数；V1——泥岩试样的平均体积；V2——重塑土的体积。由式(4)可计算得出泥岩与其膨胀土的体积比例系数为1.64。

由表1中5个试样的试样空隙度可计算得出试样的平均空隙度为11.85%，而重塑土的空隙度可由式(5)计算。

(5)

式中e——重塑土的孔隙度；ds——土粒相对密度(此处取2.65)；ω——含水率；ρω——水的密度；ρ——土的密度。由式(4)可计算出膨胀土的平均空隙度为46.41%，定义孔隙度的比例系数为：

(6)

式中γ——孔隙度比例系数；e1——泥岩的平均孔隙度；e2——重塑土的平均孔隙度。进而由式(6)可计算得空隙比例系数γ为4.18。

试样孔隙度大小和与水接触面面积大小，都会促进试样吸水的进程，可知试样接触面面积、孔隙度与试样含水率相关，而试样的体积大小同样也影响着试样的密度。则可将泥岩的含水率与密度通过系数转换为重塑土的含水率与密度，进而可计算出泥岩的近似膨胀力的大小，可得泥岩膨胀力的表达式为：

(7)

式中P——泥岩膨胀应力；γ——孔隙度比例系数；ω——泥岩天然含水率；α——接触面面积比例系数；β——体积比例系数；ρ——泥岩天然密度。

对式(7)进行验证计算，结果见表4。

表4 计算数据

由表4可知，拟合的泥岩膨胀力表达式计算出来的数据可信率在92.9%以上，可见此拟合表达式贴合实际情况，具有较高的工程参考价值。

4 结论

本文通过试验来研究滇中红层的膨胀应力，进行数据分析可得以下结论。

a) 滇中红层泥岩试样的时间～膨胀应力曲线一般分为快速膨胀、减速膨胀与平衡膨胀3个阶段或者快速膨胀与平衡膨胀2个阶段，由于隧洞内亲水物质分布的集中偶然性，可能会出现部分试样的膨胀应力过大，可达1 600 kPa，而大部分试验样品平均膨胀应力约为424.74 kPa。

b) 红层泥岩捣碎制成的重塑土的压应力与膨胀率呈对数关系，测出重塑土的膨胀应力范围为91.84～234.38 kPa，远远小于泥岩的膨胀力，分析是重塑土的体积、密度、含水率以及与水的接触面积和泥岩的不同所导致。

c) 通过对膨胀土的含水率、密度与膨胀应力的数据进行分析，可知含水率与密度是耦合的，并不是单一的决定膨胀应力的大小。通过1stOpt拟合出重塑土的膨胀应力与含水率、密度的函数关系式。

d) 在重塑土的膨胀应力与含水率、密度的函数关系式基础上，通过考虑泥岩与其重塑土之间的与水接触面积比例系数、体积比例系数以及孔隙度比例系数，进而将重塑土的膨胀应力与含水率、密度的函数关系式推广到泥岩的膨胀应力与含水率、密度的函数关系式。通过计算可知，计算值的可信度在92.9%以上。

本文进行的试样样品数量较少，得出的结论仅适用于本文，如若不适合求取其他泥岩的膨胀应力，则需要读者进行具体分析。