硬石膏岩膨胀力学试验研究进展及展望

许崇帮，秦幼林，高晓静，刘志国

(1.交通运输部公路科学研究院，北京 100088；2.中铁十一局集团有限公司，重庆 400037)

0 引言

硬石膏岩是一种典型的化学膨胀的膨胀岩，国内外均广泛分布。对于国外来讲，硬石膏岩广泛分布在瑞士西北部与德国西南部和西班牙等地区[1]；而在我国硬石膏岩同样分布广泛，并且硬石膏岩的类型复杂多样。硬石膏岩根据矿物成分与含量划分，其类型主要有硬石膏泥灰岩、硬石膏泥岩、膏溶角砾岩、硬石膏白云岩等。

在工程实践中，硬石膏岩体吸水膨胀极易诱发隧道底板隆起及衬砌裂损[2](见图1、图2)，例如山西长治杜公岭隧道、南吕梁山隧道、成昆线百家岭隧道、湖北恩施十字垭隧道、湖北宜巴高速公路凉水井隧道、Chienberg隧道[3]、Strenger隧道[4]、Lilla隧道[5]和Stuttgart隧道[6]等，均出现了由硬石膏岩吸水膨胀诱发的隧道病害。

图1 南吕梁山隧道边墙在硬石膏岩膨胀压力作用下衬 砌裂损Fig.1 Lining cracks on side wall of Nanluliangshan Tunnel under swelling pressure of anhydrite rock

图2 Chienberg隧道在硬石膏岩膨胀压力作用下底鼓[3]Fig.2 Heave of floor of Chienberg Tunnel under swelling pressure of anhydrite rock [3]

硬石膏岩吸水后导致岩石结构体积增加[7]，从而引发膨胀。常温条件下，硬石膏岩与水发生水化反应析出钙离子和硫酸根离子，随后，矿物重结晶，水进入晶格成为结晶水，石膏晶体开始生长，化学反应过程为CaSO4+2H2O→CaSO4·2H2O，石膏的体积比硬石膏的体积增加了61%[3]。对含结晶水的石膏，当温度达到100～120 ℃时，结晶水才会蒸发变为硬石膏，而在未达到失水温度前石膏中的结晶水则可稳定存在。因此，在一般工程条件下，硬石膏岩吸水转化为石膏引发的膨胀几乎不可逆。此外，硬石膏岩吸水转化为石膏的过程受多种因素影响与制约，国内外学者对此进行了广泛的试验研究。

1 硬石膏岩试验研究

对硬石膏岩膨胀问题的研究起因是德国的Wagenburg公路隧道和瑞士的Belchen公路隧道穿越了硬石膏岩地层，引发了一系列工程问题，由此，硬石膏岩膨胀行为受到了广泛关注与研究。在研究初期并无专门的试验测试仪器，常采用土力学中的常规固结仪。1989年，根据硬石膏岩膨胀试验特点提出了一种适用于硬石膏岩膨胀试验的固结仪[8]，随后，Pimentel[9]对固结仪进行了改进。1999年，国际岩石力学学会膨胀岩专业委员会对仪器标准进行了规定[8]。

从20世纪90年代初期开始，硬石膏岩试验研究随着新兴检测技术(如矿物分析：X射线衍法、电镜扫描、离子色谱分析、环境扫描电镜及能谱分析等)及物理化学分析(如比表面积、化学分析手段)的出现逐渐上升到微观层面。同时，学者们开始认识到硬石膏岩实验室试验条件与现场实际工程条件的差距，逐渐开始实际工程的现场原位试验。

1.1 硬石膏岩含水率试验研究

含水率对于硬石膏岩物理力学性质及膨胀能力有着重要影响。

针对硬石膏岩膨胀过程中含水率问题，刘艳敏等[10]以白云岩层中不规则发育的硬石膏岩重塑样为研究对象，试验研究表明，硬石膏岩水化膨胀力的大小与试样初始含水率有关，初始含水率越高，试样吸水率越低；膨胀力随着初始含水率的增加而减小，随吸水率的增加而增加；并且，膨胀力与吸水率近似成线性关系。陈钒等[11]对不同初始湿度的硬石膏岩进行了膨胀试验，研究结果表明，随吸水率增加，轴向最大膨胀应变和抗拉强度呈增大趋势，原因是膨胀过程中生成的结晶水能填充岩石内部孔隙，并且增大内部颗粒之间的黏聚力。任松等[12]以硬石膏岩作为研究对象进行了试验，研究结果表明，硬石膏岩单轴抗压强度随吸水率的增大而减小。

祝艳波等[13]以凉水井隧道的硬石膏岩为研究对象，分别制备干燥状态、一定含水率状态、饱水状态的试样，开展了不同含水率下硬石膏岩单轴压缩试验。不同含水率试样的强度与变形指标见表1。

表1 不同含水率试样的强度与变形指标[13]Tab.1 Strengths and deformation indicators of samples with different moisture contents[13]

综上，硬石膏岩的变形及强度指标随含水率变化十分敏感，遇水软化特性显著；试样的单轴抗压强度、弹性模量、变形模量都随着含水率的增大而降低；遇水软化，变形增加，泊松比随着含水率的增大而近似呈现增大的趋势。

上述试验的不足在于仅考虑到含水率或吸水率单一因素对膨胀的影响，试验中应该考虑硬石膏、石膏的含量及水化率等因素共同耦合的作用使试验与实际情况更相符。为研究硬石膏岩浸水后抗压强度与硬石膏含量、硬石膏水化率的关系，许崇帮等[14]对不同含量的硬石膏岩试件进行了浸水试验，得到的硬石膏岩岩石的单轴抗压强度与硬石膏含量、水化率三者间空间关系如图3所示。由图3可得，岩石单轴抗压强度与硬石膏含量、硬石膏水化率三者在空间上呈现“飞鱼”状的不规则曲面关系，而并非仅与某一单一因素有关。

图3 单轴抗压强度与水化率、硬石膏含量间关系[14]Fig.3 Relationship of uniaxial compressive strength with hydration rate and anhydrite content[14]

从以上试验研究得出，水是导致硬石膏岩强度和物理力学等性质降低及产生膨胀力和膨胀变形的最直接因素。因此，在实际工程中，做好防排水工作是隧道穿越硬石膏岩地层施工的重要措施，如在穿越硬石膏岩地段采取反坡施工利于排水的措施，硬石膏岩地层和透水层的交界处注浆形成止水帷幕，硬石膏段衬砌背后防水采用高分子喷涂材料的喷膜防水层新技术，隧道开挖后立即喷射混凝土封闭洞壁以及掌子面等措施。此外，在做好防排水工作的同时应尽量减小膨胀力，保证衬砌结构的安全性。众多研究表明，硬石膏岩膨胀变形增加时膨胀应力降低[15]，允许相对较小膨胀变形的产生，可以显著降低隧道衬砌所受膨胀应力。初支采用可缩性钢架[16-17]及围岩与衬砌之间填充柔性变形材料作为缓冲层，优化断面形式，优化施工工法及二次衬砌施作时间，预留变形量[16]等措施容许一定量的膨胀变形，达到减小膨胀压力的效果。

1.2 硬石膏岩试验溶液温度、浸泡时间、离子浓度研究

实际工程中的硬石膏岩不同程度地含有硬石膏和石膏以及其他矿物成分，硬石膏岩中仅含硬石膏与硬石膏岩中夹杂石膏表现出不同的力学和水理性质，所以，研究石膏的性质对于理解硬石膏岩膨胀是必要的。梁卫国等[20]对石膏矿床石膏岩(CaSO4·2H2O含量接近100%)在半饱和浓度0.175 g/mL、饱和浓度0.35 g/mL的NaCl盐溶液进行了20 d的浸泡试验，研究结果表明，石膏岩在NaCl盐溶液中浸泡后，强度并没有下降，试件的质量也基本没有变化，表明几乎没有水分子和离子进入石膏岩内部。原因在于，常温条件下石膏在水中的溶解度很低，在一定浓度的盐溶液中溶解度将会更低。并且，石膏结构十分致密，内部微裂隙等结构面极不发育，溶液很难进入到石膏内部，即使有少量溶液浸入试件内部，由于常温条件下CaSO4·2H2O自身晶体结构稳定，也不会与NaCl发生盐溶液发生离子交换化学反应。因此，在常温条件下，盐水中浸泡之后的石膏强度和质量基本保持不变。但是，石膏岩浸泡NaCl盐溶液后，石膏岩的弹性模量降低，变形增大。

高红波等[21]以石膏矿床石膏岩(CaSO4·2H2O含量接近100%)在不同温度(40，70 ℃)与不同浓度的NaCl盐溶液(半饱和溶液0.175/mL、饱和溶液0.35 g/mL)条件下进行不同时长(30，60，80 d)的浸泡试验，试验结果表明，随NaCl盐溶液温度和浓度的增加，石膏岩单轴的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和弹性模量呈线性降低趋势，这种降低趋势随时间增长而增长。同时，随着溶液浓度的增加，单轴压缩时破坏方式由脆性向脆延性、延性转变。浸泡60 d后，不同条件下石膏岩力学特性对比分析见表2。

表2 不同条件下石膏岩力学特性对比[21]Tab.2 Comparison of mechanical properties of gypsum rock under different conditions[21]

根据表2可知，在时间和溶液浓度相同的情况下，溶液温度由40 ℃上升到70 ℃时，石膏岩的抗压强度分别下降了33%(半饱和溶液)和84%(饱和溶液)。由此可见，温度对于石膏的强度起着至关重要的作用。温度的作用解释了梁卫国等[20]的试验中，在实验室常温条件下(约20 ℃)，石膏岩在半饱和NaCl盐溶液和饱和NaCl盐溶液强度浸泡20 d后，强度基本没有下降的现象。但是，温度的升高导致石膏热膨胀，孔隙增大，石膏晶体晶键可以吸收足够的热能，降低晶键的稳定性，使石膏晶体之间的黏结能力削弱[18]，溶液中的离子可以进入原本结构十分致密的石膏，从而导致石膏软化，强度与弹性模量均下降。

总的来说，浸泡时间对结构致密的石膏的抗压强度影响很小，对弹性模量影响较大。溶液温度的影响与温度的高低有关，当溶液温度较低时，温度对于硬石膏与石膏影响均较小；当溶液温度较高，导致岩石水理、化学性质变差，裂缝增大，晶体晶键不稳定，溶液分子的布朗运动的加快，快速降低硬石膏和石膏的力学性质。在常温条件下，浸泡时间对于硬石膏含量较高的硬石膏岩的软化、抗压强度、弹性模量具有非常大的影响，浸泡时间越长，硬石膏岩力学性质下降越明显，因此，在隧道内应设置集水坑汇集洞内水流，在洞口设计集水井防止洞外水流进入隧道内[16]，硬石膏岩地层段严禁任何形式的积水以减小硬石膏岩的浸泡时间。

1.3 硬石膏岩膨胀与温度关系试验研究

在不同矿物共存的系统中，溶解度较低(即平衡浓度低)的矿物代表稳定相[23]，即平衡浓度低的矿物会稳定存在。在穿越含硬石膏岩地层时，与水接触的硬石膏会源源不断地析出钙离子和硫酸根离子，直到孔隙中溶液的离子浓度达到硬石膏的平衡浓度。但是，常温条件下，石膏的平衡浓度低于硬石膏的平衡浓度，达到硬石膏的平衡浓度之前先达到石膏的平衡浓度，石膏会稳定存在；硬石膏水化析出的钙离子和硫酸根离子转化为石膏，硬石膏则无法稳定存在。所以，常温条件下，硬石膏的平衡浓度高于石膏的平衡浓度，AGT(硬石膏吸水转化为石膏过程)发生。影响溶液平衡浓度的因素有很多，如水活性、孔隙水压力和地应力、孔隙水中盐类的数量和类型、孔隙大小、温度等[24-25]。其中，温度是影响二者平衡浓度(特别是硬石膏)最显著的因素[3]。

Flatt[25]对硬石膏岩进行不同温度下的试验研究，试验研究发现，温度高于50 ℃时，硬石膏不会转化为石膏，即不会发生AGT。Serafeimidis[23]利用热力学定律计算得到，当温度超过48.8 ℃时，硬石膏的平衡浓度小于石膏的平衡浓度(见图4)，不会发生AGT，该结论与Flatt的试验结果几乎完全吻合。

图4 硬石膏和石膏的平衡浓度与温度的关系[23]Fig.4 Relationships between equilibrium concentrations of anhydrite and gypsum and temperature[23]

由图4可以得到，硬石膏的平衡浓度随温度的升高而降低，而石膏的平衡浓度随温度的升高变化较小。温度从0 ℃上升到60 ℃时，石膏的平衡浓度从15.0 mol/m3增加到16.1 mol/m3，而硬石膏的平衡浓度由32.7 mol/m3下降到13.8 mol/m3。温度在48.8 ℃时，两种平衡浓度均为15.7 mol/m3，过渡温度为48.8 ℃(图4中的A点)。

Huber[26]以Belchen隧道的硬石膏岩为研究对象，进行了硬石膏岩的侧限膨胀试验。需要说明的是，为了防止钻孔用水引发膨胀，所有硬石膏岩岩样均为空气冲洗，机械切割而成。由试验结果得到的侧限膨胀试验膨胀应变-时间关系见图5。

图5 侧限膨胀试验膨胀应变-时间曲线[26]Fig.5 Swelling strain-time curves of confined swelling test[26]

试验分别在实验室常温条件下(温度为20 ℃)和烤箱中(温度为50 ℃)进行。从图5中观察到，硬石膏岩岩样浸水后立刻快速膨胀。BH3 4.4～4.5 m试样(编号4,5,10)大约1个月后应变停止增加，基本达到稳定状态。试件BH3 3.1～3.4 m(编号1，3)和Tm762 2.5 m(编号6，7，8，11)的应变仍在增加。曲线(编号14-2)是烤箱中试件的试验曲线，试件浸水后也立刻表现出快速膨胀，但是，在浸水1～2 d后，膨胀应变达到20%，膨胀突然停止(与在实验室常温条件下测试的试样相反，常温条件下的膨胀应变一直在增加)，将烤箱中的试样移至实验室常温条件下后，膨胀立刻再次被激活，最终膨胀应变与始终在室温下的膨胀应变基本相同。

对于BH3 4.4-4.5 m的试件(曲线12-15-13-9)，首先在烘箱中浸水后进行试验，浸水1～2天后膨胀停止，与烤箱中12，13，14试验曲线类似。试件在烘箱中放置大约1个月后，膨胀没有发展，变形没有增加，将试件移至常温条件下，试件膨胀再次迅速开始。大约1周后，在常温条件下，应变达到约50%时；此后该试件再一次被移至烤箱内，膨胀迅速停止；4 d后，再次将该试件移至常温条件下，膨胀又再次开始。

试验结果表明，常温条件下，硬石膏岩的膨胀不只有AGT引发的膨胀，还包含黏土矿物吸水的膨胀，二者耦合在一起。烤箱内温度为50 ℃，在烘箱发生的膨胀必然不是由AGT膨胀引起的(温度高于48.8 ℃便不会发生AGT)，而是由黏土矿物吸水膨胀引起的，并且可以分析得到，黏土矿物膨胀并不受温度影响以及黏土矿物引起的膨胀在较短时间内完成。当烘箱内黏土矿物膨胀完成后，将试样切换到室温后发生的膨胀是由AGT引起的。

硬石膏岩研究的一大难点是，黏土矿物膨胀与AGT膨胀耦合在一起。有了温度这个AGT“开关”之后，可以将硬石膏岩中的黏土矿物膨胀和AGT膨胀分离开来，单独研究目前认识不足的AGT膨胀。

1.4 硬石膏岩水压作用下特性试验研究

针对硬石膏岩膨胀过程中水压对膨胀影响的问题，任松等[27]设计加工了多功能膨胀仪，对不同水压条件下硬石膏岩进行了膨胀试验，研究了水压对膨胀性的影响。不同水压条件下膨胀应变-时间关系见图6、图7。

图6 不同水压条件下轴向膨胀应变-时间关系[27]Fig.6 Curves of axial swelling strain vs. time under different water pressures[27]

图7 不同水压条件下侧向膨胀应力-时间关系[27]Fig.7 Curves of confined swelling stress vs. time under different water pressures [27]

研究结果表明，水压能影响其含水状态，吸水率及结晶水率随水压的增大而增加，水压的增加促进其膨胀的激活，导致硬石膏岩的膨胀性增加。

王超等[28]以硬石膏岩为研究对象，模拟了不同水压对于硬石膏岩力学性质影响的试验研究。随着水压的增大，硬石膏试件的弹性模量和峰值强度都增大，但当硬石膏岩岩样在水中长期浸泡时，强度会逐渐减低。

以硬石膏岩为研究对象研究发现，作用在岩石上的应力和孔隙水压力pw对硬石膏岩的硬石膏和石膏平衡浓度亦会有影响[23]，见图8。

图8 硬石膏和石膏的平衡浓度与孔隙水压力Pw和 应力的函数关系[23]Fig.8 Equilibrium concentrations of anhydrite and gypsum as function of stress and pore water pressure Pw[23]

根据以上试验分析得出，硬石膏岩所受压力增加，硬石膏和石膏平衡浓度随之增加。孔隙水压力对于硬石膏的平衡浓度几乎没有影响；但是，由于水压的作用，硬石膏岩岩样的微裂隙等结构面在水压作用下闭合，提高了硬石膏岩的弹性模量和峰值强度。孔隙水压力变大，石膏的平衡溶度变小。水压增加对于硬石膏岩不利在于水压增大，硬石膏和石膏平衡浓度增大，平衡浓度越大则硬石膏溶解越容易，膨胀会愈发快速和剧烈。水压过大，水更易进入硬石膏岩，从而冲刷硬石膏岩的内部，并且导致孔隙水压随之增大，石膏的平衡溶度变小，溶液浓度先达到石膏的平衡浓度，石膏开始沉淀，消耗钙离子和硫酸根离子，直到所有硬石膏溶解，硬石膏最终全部转化为石膏为止。

1.5 硬石膏岩自封闭性试验研究

自封闭性是硬石膏岩具有的一种特殊性质。Huber[26]以Bex和Leisigen石膏采石场的下层硬石膏板(硬石膏含量在96%～99%)以及Bozberg隧道钻孔岩芯(硬石膏含量约为94.5%)加工为9 mm×23 mm×65 mm的矩形平板板作为试验对象进行了2组对比试验。两组试验试件均浸泡约30 mL的水中，一组试验在常温条件(20 ℃)下进行，一组试验在冷藏箱(5 ℃)中进行。试验结果表明，20 ℃下的所有试样表面裂缝里都会产生清晰的(长)针状物，在5 ℃下进行试验的试样被一层非常细、更小的石膏针“绒毛”所覆盖。虽然石膏沉淀的形状(长针状和石膏针)略有不同，也不是以平整层的形式出现，但是，试件切薄片光学测定发现，硬石膏岩表面出现的密封层大大减缓了内层硬石膏的继续溶解，并且，温度越低，密封层越致密，密封性能越好。

Anagnostou[29]基于Huber[26]试验提出了硬石膏同时溶解和石膏同时沉淀的模型，运用模型计算得到，几厘米厚的硬石膏层几乎不膨胀。石膏层(根据厚度和孔隙率)附着在硬石膏表面时会减缓硬石膏的进一步溶解，原因在于溶解的离子必须首先通过石膏的多孔层，然后才能进行扩散。石膏沉淀通过封堵连通的孔隙和裂缝来密封硬石膏，阻止硬石膏进一步溶解。对于厚的硬石膏层，密封起着重要作用，因为当石膏厚度达到阻止硬石膏溶解扩散的临界值时，只有很小比例的硬石膏会水化。这也是地下工程在穿越较厚、硬石膏含量较高的硬石膏岩地层时反而不会出现大的工程问题的原因，因为较厚的硬石膏表面生成了结构致密的石膏层，阻止了膨胀进一步发生，从而硬石膏岩不会表现出太大的膨胀变形[30]。另一方面，Anagnostou也指出，对于硬石膏以脉状纤维状形式存在的硬石膏岩在石膏层达到临界厚度前，大多数硬石膏已经溶解，对于这种情况，密封的效果几乎可以忽略不计。

Kontrec[31]以硬石膏岩为试验对象，进行了硬石膏的水化溶解试验，Serafeimidis[3]根据Kontrec试验数据提出了一种模型，以确定密封对硬石膏溶解的影响。他们的研究结果表明，当石膏直接在其表面生长并开始封闭硬石膏时，硬石膏的溶解速率降低。研究还发现，随着石膏的孔隙率减小和硬石膏层的厚度的增加，硬石膏的水化溶解时间可能会增加许多数量级，远远超过隧道的正常使用寿命(100年)。Anagnostou[7]研究指出在不考虑密封影响时，厚度为100 mm的纯硬石膏板在大约200年后完全溶解；若考虑密封的影响时，100 mm厚的纯硬石膏板则需要在5 000年后才能完全溶解(假设石膏层的孔隙率为0.1)。

工程实践验证了较厚硬石膏的自封闭性。纯硬石膏岩隧道建造的经验表明，纯硬石膏岩地层建造隧道膨胀现象并不会严重[32-33]，原因是纯硬石膏的渗透性很低[34]，以及生成的致密石膏层起到了阻水作用，硬石膏水化停止[35]。Wiesmann[36]在瑞士建造Hauenstein隧道时观察到硬石膏的密封效果；Gassmann[37]在Canaria隧道边墙和钻孔中同样观察到了硬石膏的自封闭性；Madsen[38]对Canaria隧道99%的硬石膏和1%的石膏组成的钻芯进行2年的试验研究，研究发现，最终膨胀应力仅有0.05 MPa，膨胀应变也仅只有1%，即基本未发生膨胀。Simplon隧道平导未施工喷射混凝土及衬砌，该平导中空气相对湿度达到100%(附近有一个天然的热水井)，但是，没有观察到围岩的膨胀；同样，斯图加特城市铁路隧道[6]某段全部位于硬石膏地层中，远离隧道围岩形成了石膏层密封圈，地下水无法通过该密封层，隧道开挖后立即采用3～5 cm的喷射混凝土封闭围岩，保持隧道近处围岩干燥，且未进行洒水除尘和钻孔施工锚杆，开挖一年后施作衬砌，安装在衬砌不同横截面上的监测装置几乎没有测量到位移[39],该隧道内衬安装30多年后，内衬没有损坏。

2 讨论

(1)含水率增加、围岩浸泡时间增加会降低硬石膏岩的力学性质，水压过大则会加速膨胀。因此，地下工程建设中，对于地下水的处理应采取以排水为主的措施，降低硬石膏围岩的含水率，减小围岩浸泡时间。或者采用围岩注浆，减小硬石膏围岩的裂隙，封堵地下水渗漏通道，减少围岩与地下水接触浸泡时间。

(2)地下工程如隧道底部属于汇水区域，因此，硬石膏岩隧道底部围岩含水率较高，隧道底部常表现出明显的隆起。为防止隧道底部的隆起，应特别注意隧道底部的排水措施和降低地下水水位的措施，采比如设置纵向中心排水沟或者泄水廊道。

(3)温度升高对于穿越硬石膏岩的工程危害巨大。硬石膏岩的软化系数、弹性模量和单轴抗压强度等力学参数均随着温度的上升而减小，特别是温度超过40 ℃，温度的升高对硬石膏岩力学性质及膨胀的影响越来越大。高温还使施工作业环境、运营服务环境变差。所以，穿越硬石膏岩的地下工程在选址时，应尽量避开地热发育、埋深大的地段；当选址无法避开硬石膏岩地段时，若环境温度过高，应加强通风散热或采取相应措施降低围岩环境温度。

(4)硬石膏含量较高、较厚的硬石膏岩，表面生成致密的石膏保护层，对于隧道工程穿越该类条件的硬石膏岩地层时，硬石膏岩上部生成石膏保护层起到阻水作用，可选择隧道穿越下部的硬石膏岩层以减小工程难度和工程投资。相反，隧道穿越脉状纤维状的硬石膏岩地层时，则应引起足够的重视，采取相应的工程措施防止施工及运营过程出现膨胀引起的工程问题。

(5)地下水的运输作用除了可能带走工程结构物附近硬石膏岩(如隧道硬石膏岩围岩)析出的部分钙离子和硫酸根离子，还可能带来相对较远处硬石膏岩析出的钙离子和硫酸根离子。这对于实际工程最坏的工况是地下工程附近围岩本身不是硬石膏岩围岩，在地下工程施工前，围岩未扰动，地下水并不一定将远处硬石膏岩析出的部分钙离子和硫酸根离子带到此处，导致施工前并未探清此类情况。地下工程建设完成后，地下水将远处的硬石膏岩析出的大量钙离子和硫酸根离子运输和堆积在工程结构物处，石膏生长，引发膨胀。

(6)对于硬石膏岩进行的试验多数都是在试验室内封闭系统中进行。实际工程的工程条件复杂，属于开放的系统，改变实验室内现有的试验条件，提高试验条件与实际工程环境条件契合性或者进行一定数量和高质量现场试验是必要的。

(7)硬石膏岩实验室内试验多为静水条件下的试验，与实际工程的工程环境切合性较差。因此，不应该仅只进行静水情况下的试验研究，考虑地下水运输与动水流动的冲刷作用，对于研究硬石膏岩力学性质是至关重要的。

3 未来展望

(1)对硬石膏岩研究及认识不足，研究中有很多问题亟待解决，如渗流状态的影响、运输过程的影响、黏土基质的作用。硬石膏岩研究远远不足的情况下，硬石膏岩是今后研究膨胀岩的重要方向之一。

(2)实际工程中，硬石膏吸水转化为石膏的过程往往持续数十年，导致普通工程措施难以长期有效解决地下工程硬石膏围岩吸水膨胀的工程问题。若采取措施使一定范围内的硬石膏围岩表面生成保护层，效果如石膏自封闭性一样，阻止水与保护层内的硬石膏围岩接触，硬石膏围岩遇水引发的膨胀工程问题便可解决。因此，考虑研发可使硬石膏岩与水接触表面生成防水保护层并对环境友好的试剂是另外一种研究思路。

(3)对于含黏土矿物的硬石膏岩，以往无法将黏土矿物引起的膨胀和硬石膏转变为石膏(AGT)引发的膨胀分离开来，二者耦合作用导致AGT的研究一直没有较大进展。根据现有的研究成果，通过温度控制可以将黏土矿物和AGT引发的膨胀分离开来，因此加深温度对于硬石膏岩膨胀的影响是必要的。

(4)对于硬石膏岩吸水膨胀，膨胀机理复杂且持续时间过长，导致膨胀应变与膨胀应力的本构关系研究，尤其是AGT引起的应力和应变量及相关关系研究进展较小。膨胀应力-应变关系对于设计、施工至关重要，因此，研究AGT的膨胀本构模型是一个重要且必要的研究方向。