贵黄高速公路沿线二叠系泥岩膨胀特性研究

符嘉望 迟 帅

1 广东省地质局第八地质大队 广东 梅州 514089 2 广东省地质局第十地质大队 广东 中山 528429

目前，关于膨胀岩土的定义，国内外学者尚存在不同的认识，但一致认为膨胀岩的工程特性，主要受膨胀岩土的微小粘粒影响，正是由于这些富含大量亲水矿物的微小粘粒的存在，使膨胀岩土在工程实践中，表现出显著的变形特性[1]。

膨胀岩（土）的膨胀特性，一方面受到温度、压力等外部地质环境的作用，另一方面，也与其本身的矿物组成、干密度、碎屑颗粒粒径、初始含水率等内部因素密切相关，在外部因素与内部因素共同作用下，导致膨胀岩土具有膨胀特性[2]。

1 矿物化学成分

粘土矿物和碎屑矿物是贵黄高速二叠系泥岩的主要组成成分，其中，粘土矿物主要包括蒙脱石、伊利石和高岭石等亲水性矿物；碎屑矿物主要有石英、长石和云母。经检测，中风化泥岩中石英含量可达62.5%～70.2%。伴随着风化程度的加深，原生矿物中的石英含量降低到48.6%～58.2%，减幅达17.1%，而粘土矿物（蒙脱石、高岭石、伊利石）含量大幅提高，上升到35.6%～41.8%[3]，随着泥岩的风化强度由中风化逐渐转变为强风化，云母、褐铁矿等次生矿物的含量也有不同程度的增加，强度高的稳定矿物（石英）含量减少，降低了岩石的力学性能和稳定性。

表1 二叠系泥岩岩矿分析结果表

2 膨胀特性试验设计

针对泥岩的膨胀特性，本次研究设计了自由膨胀率试验、侧向约束膨胀率试验和膨胀压力试验。

2.1 自由膨胀率试验

岩石的膨胀性，可以取岩石的轴向自由膨胀率和径向自由膨胀率，在无侧向约束条件下的最大值，进行判定[4]。选取直径为60 mm，高径比为1:1的圆柱体泥岩岩芯，作为试验的试件。将制备好的试件置于自由膨胀率试验仪上，并将大小等于试样直径、被保鲜膜包裹的透水板，分别放置在试件上下两侧，采用橡皮筋固定。其中，试件上方的透水板顶部，再放一块500g的金属薄板。最后，在试件的上部和岩石侧向位置各安装一个千分表。夹放薄铜板在千分表表头与试样之间，减少试件与千分表表脚直接接触，造成的试验误差。每隔 10min记录千分表读数一次，若连续3次试验读数不变，说明试块已妥当安装[4]。将蒸馏水缓慢加入至盛水容器内，试样上部的透水板彻底被水面淹没时，停止加水。试验过程中，为维持容器内水位不变，应及时加入蒸馏水，并使水温变化小于 2℃。试验开始的1h内，每10min，记录一次千分表的读数；以后每隔1h，测读一次岩石的轴向和径向变形。直至在所有的千分表中，连续3次读数差值不超过0.001 mm，岩石膨胀变形作用结束。试样浸水后的试验时间不得少于48h[5]。

2.2 侧向约束膨胀率试验

岩石的侧向约束膨胀率，为在轴向被施加固定荷载(5kPa)且受到侧向约束条件下，试样浸水后试样轴向变形与原高度的比值。

室内条件下，将保持天然含水状态的岩芯，制备成直径为60mm，高20mm的圆柱体。试验前，在侧向约束试验仪器的金属套环内侧涂抹凡士林，减少岩石与金属环相互摩擦。重复自由膨胀率试验中，在试件上下方，放置透水板的操作。在试样顶部安装，能对试样产生5kPa持续压力的金属荷载板，并安装垂直千分表。夹放薄铜板在千分表表头与试样之间，避免试件与读数仪器直接接触，造成的试验误差。每隔10min，测读千分表一次，若连续3次读数稳定不变，说明试块已妥当安装[4]。将蒸馏水缓慢加入至盛水容器内，试样上部的透水板彻底被水面淹没时，停止加水。试验过程中，为维持容器内水位不变，应及时加入蒸馏水，并使水温变化小于2℃。后续测读记录过程与自由膨胀率试验一致。试样浸水后的试验时间不得少于48h[5]。

2.3 膨胀压力试验

试验前，在侧向约束试验仪器的金属套环内侧涂抹凡士林，减少岩石与金属环相互摩擦，将制备好的试件置于自由膨胀率试验仪上，并将大小等于试样直径、被保鲜膜包裹的透水板，分别放置在试件上下两侧，采用橡皮筋固定。将加压系统和测量试件变形的千分表加装在膨胀力试验仪上，使仪器各部位和试件保持在同一轴线上，减少偏心载荷的出现。记录施加10kPa的载荷压力时，千分表和测力计的读数，每10min测读1次，直至连续3次读数保持不变。夹放薄铜板在千分表表头与试样之间，避免试件与读数仪器直接接触，造成的试验误差。每隔 10min，测读千分表一次，若连续3次读数稳定不变，说明试块已妥当安装[5]。将蒸馏水缓慢加入至盛水容器内，试样上部的透水板彻底被水面淹没时，停止加水。试验开始时，每10min测读一次千分表，连续3次读数差值小于0.001mm时，改为每1小时测读一次数；当连续3小时，千分表读数差值小于0.001mm时，记录载荷值。相邻3次读数差值不大0.001mm，即认为岩石膨胀变形作用结束。试样浸水后的试验时间不得少于48h[5]。

3 试验结果分析

3.1 自由膨胀率

岩石自由膨胀率的计算公式为：

式中：Vh为轴向自由膨胀率(%)；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)；ΔH为试件轴向变形量（mm）；ΔD为试件径向变形量(mm)。

由表2可知，强风化泥岩的轴向自由膨胀率为35.2%~39.2%，径向自由膨胀率为14.3%~15.8%；中风化泥岩的轴向自由膨胀率为17.3%~19.2%，径向自由膨胀率为7.2%~10.3%[3]。

表2 泥岩自由膨胀率试验结果表

由试验结果可知，两类泥岩的Vh均远大于Vd，贵黄高速沿线二叠系泥岩为层状构造，且含大量的黏土矿物。进到孔隙中的水，在竖直方向向运移的速度大于，其在水平方向运移的速度，即在同样的时间内，轴向膨胀量大于径向膨胀量[6]。

3.2 侧向约束膨胀率

岩石侧向约束膨胀率的计算公式：

式中，Vhp为岩石侧向约束膨胀率(%)，ΔH1为有侧向约束试件的轴向变形量(mm)，H为试件高度(mm)。

由表3可知，强风化泥岩侧向约束膨胀率为33.5%~38.0%，算术平均值为36.4%；中风化泥岩的侧向约束膨胀率为14.3%~18.7%，算术平均值为16.5%，膨胀率较小[3]。

表3 侧向约束膨胀率试验结果

图1 泥岩轴向自由膨胀率随时间变化关系图

图2 泥岩侧向约束膨胀率随时间变化关系图

3.3 膨胀力

由图3可知，前2h内，两类岩石的膨胀压力急剧上升，其后，缓慢增长，在27h左右，达到极限值。其中，强风化泥岩的极限膨胀压力为167.2kPa，中风化泥岩的极限膨胀压力为93.8kPa[3]。

图3 泥岩膨胀力随时间变化关系图

自由膨胀率曲线、侧向约束膨胀率曲线、膨胀力曲线均可以分为三个阶段：(1) 膨胀急剧阶段，此阶段各膨胀变形参数接近呈指数、直线型增长，膨胀剧烈。试样被水浸润后，水分经岩石上表面的微孔隙，在岩石内部迅速移动，增大了岩水接触的面积。岩石与水相互作用，持续扩大微孔隙的体积，试样急剧膨胀，变形较为显著，这段时期内，岩石的膨胀变形量约占总变形量的80%；(2) 膨胀缓慢阶段，此阶段变形曲线多呈外凸弧线，膨胀减速[7]。容器内的水持续地浸入泥岩内部，岩石中的微孔隙逐渐被水充填饱和，泥岩内的可溶性物质溶水后，转化为离子被带走；(3) 膨胀稳定阶段，岩样微孔隙内被水完全充填，达到饱和状态，变形曲线不再发生变化，呈一条平行于横坐标轴的直线，岩石停止膨胀变形，该阶段持续时间较长。