红层泥岩三轴膨胀力的试验研究

郭永春，赵峰先，闫圣龙，刘家志

（西南交通大学地球科学与环境工程学院,四川 成都 610031）

红层泥岩在我国分布非常广泛，在西南、华南、西北等地区都有分布[1]。近年来，红层泥岩膨胀引起的工程问题越来越严重，如高铁隧道仰拱变形、衬砌开裂等[2]。虽然对红层泥岩高铁隧道变形问题的研究文献较多，但多数集中在对隧道受力及支护设计等方面，忽视了对红层泥岩膨胀力测试方法的反思。

按照岩石膨胀力等体积法试验测试原理，理论上就要求试样和容器壁紧密贴合，不允许试样和容器之间留有缝隙，即不允许试样产生膨胀变形，此时测得的膨胀力是试样的理论膨胀力。但是，现有规范及有关文献[3-8]中关于岩石膨胀性试验方法，主要是传统固结仪方法或类似原理的专门的单向膨胀力测试方法（以下统称为传统固结仪法），是将加工好的岩石试样放入试验装置的套环中。从理论上来说，如果能将试样放入套环中，那么试样和套环壁之间就存在着一定的微小缝隙。这些微小缝隙的存在是可以允许岩石释放变形的。由于岩石的弹性模量相对较大，微小的变形释放就会导致岩石膨胀力的降低，因此，导致按照现有规范的传统固结仪法得到的测试结果总体偏小。

针对岩石与容器壁有释放变形空隙的问题，张颖钧[9]、谢云[10]、秦冰[11]、池泽成[12]、王雄[13]等人研制的三轴膨胀力测试装置在操作方法上较好地解决了这个问题。在这些三轴膨胀力测试装置中，先将加工好的立方体试样放入容器中，然后在试样的4 个侧面和顶面预加适当荷载，形成真三轴受力状态，使试样和测试系统紧密贴合，克服传统固结仪法的局限性。刘祖德[14]基于土工三轴试验装置，通过改制，利用橡皮膜包裹圆柱形试样，通过三轴压力室中有压力的水与试样紧密接触，测试试样的膨胀变形，也提供了利用三轴围压解决约束变形的思路。石油工程中三轴膨胀力装置[15]与上述方法类似，但试验装置复杂，仅在石油钻井工程中得到应用，未见更多的报道。总体而言，上述三轴膨胀力测试装置一方面提供了解决岩石与容器壁有释放变形空隙的局限性，还实现了从传统固结仪法到三轴膨胀力的跨越，为深入研究岩石的膨胀性提供了基础。但试验装置还是比较复杂，还需要在现有基础上不断改进。

针对上述问题，论文结合膨胀力等体积测试原理和岩土工程实践，研制出一套简单实用的岩石三轴膨胀力测试装置（以下简称三轴膨胀力测试方法），克服了规范中传统固结仪法的局限性。通过四川成都弱膨胀土、云南呈贡强膨胀土、四川宜宾红层泥岩这3 种典型膨胀性岩土三轴膨胀力测试研究，检验和验证了试验装置的合理性，初步总结了红层泥岩三轴膨胀力的变化规律。

1 三轴膨胀力的测试装置及测试方法简介

1.1 三轴膨胀力测试装置

基于等体积法的试验原理，三轴膨胀力试验借鉴真三轴试验的方法，在立方体试样3 个方向上施加刚性约束（图1），使试样在吸水膨胀过程中保持体积不变。通过机械切割和磨制的方法，将红层泥岩加工成4.00 cm×4.00 cm×4.00 cm 的立方体试样，垫块（5）是3.95 cm×3.95 cm×0.20 cm 的方形刚性不透水垫块，将试样的膨胀应力均匀传递给荷重传感器（8）。荷重传感器（8）截面直径2.50 cm，加工直径2.50 cm、厚度0.20 cm 的圆形刚性不透水垫块（6），使之与反力螺栓（4）均匀接触。这样正方形试样位于试验装置中间，6 个面通过刚性垫块（5，6，7）施加反力，约束试样体积变形，形成真三轴约束的条件。

三轴膨胀力测试装置主要包括反力系统、膨胀力测试系统2 部分（图1）。试验支架（1）即充当了容纳试样的容器，又与反力梁（2）通过固定螺栓（3）相连组成反力结构，反力螺栓（4）通过圆形不透水垫块（6）、荷重传感器（8）、方形不透水垫块（5）垂直抵在正方形试样侧面上，形成真三轴受力状态，限制试样体积增大。试验时，将试验装置完全浸没在水中，通过试验装置底部的进水孔和透水垫块（7），泥岩试样（10）可以持续吸水。通过荷重传感器的读数装置（图1b）测出泥岩吸水膨胀产生的压力，通过计算得到试样的三轴膨胀力。在试验过程中，采用先放置测试样品，然后预加10.0 kPa 初始约束力的方式，使试样与垫块紧密接触，消除了传统固结仪方法中岩石样品与容器壁有释放变形空隙的问题，使岩石膨胀力更接近真实值。

图1 三轴膨胀力试验装置示意图Fig.1 Test device for the 3D swelling stress of the suction-water rock and soil

2 三轴膨胀力的试验结果

试验选取四川宜宾红层泥岩、四川成都膨胀土、云南呈贡膨胀土3 种试样进行对比研究。3 种膨胀岩土的基本参数如表1所示。

表1 3 种膨胀岩土的基本参数Table 1 Basic parameters of three types of the expansive rock and soils

按照《铁路特殊岩土勘察规范》（TB 10038—2012）中的判别标准，四川成都膨胀土（自由膨胀率为58%）属于弱膨胀土，云南呈贡膨胀土（自由膨胀率为100%）属于强膨胀土。宜宾红层泥岩（粉末自由膨胀率小于30%，传统固结仪法测得的膨胀力为634.0 kPa，饱和吸水率为5.3%）属于非膨胀岩（根据规范的定义，虽然红层泥岩具有一定的膨胀性，是具有膨胀性的岩石，但从工程意义上来说，不属于膨胀岩，因此将其判断为非膨胀岩）。

试验测得3 种膨胀性岩土的三轴膨胀力大小如表2所示。其中红层泥岩有11 个试样、四川成都弱膨胀土有4 个试样，云南呈贡强膨胀土有5 个试样。从表2 中可以看出，红层泥岩三轴膨胀力的平均值在747.3～1 906.0 kPa 之间，膨胀土的三轴膨胀力平均值在76.6～353.3 kPa 之间。总体而言，红层泥岩三轴膨胀力的平均值（MPa 量级）远大于膨胀土三轴膨胀力的平均值（kPa 量级），红层泥岩的三轴膨胀力平均值1 326.6 kPa，是膨胀土的三轴膨胀力平均值215.0 kPa的6.17 倍。需要特别说明的是，由于红层泥岩和膨胀土试样中层理不明显，试验结果中x、y、z等3 个方向的数值仅作为位置的区别，不代表垂直应力或水平应力的含义，因此，在讨论时取3 个方向的平均值进行讨论，仅代表膨胀力的大小。

表2 3 种膨胀岩土三轴膨胀力的试验结果Table 2 Test results of the triaxial swelling force of the three types of swelling rock

2.1 膨胀土三轴膨胀力的试验结果

试验选取了初始含水率15.0%和干密度1.60 g/cm3的成都弱膨胀土和呈贡强膨胀土进行完全浸水条件下三轴膨胀力试验，典型试验曲线如图1所示。

从图2（a）来看，云南呈贡膨胀土试样三轴膨胀力开始阶段增长极快，在250 min 左右增长达到最大膨胀力，大致在400.0～500.0 kPa 之间；之后开始缓慢衰减，最后趋于稳定，稳定膨胀力在200.0～300.0 kPa 之间。膨胀力的变化可以分为3 个阶段，即快速膨胀阶段、膨胀衰减阶段、膨胀稳定阶段。用固结仪测得的呈贡膨胀土膨胀力也大致在200.0～300.0 kPa 之间，与三轴膨胀力稳定后的试验结果接近。

从图2（b）来看，四川成都膨胀土三轴膨胀力在开始阶段增长极快，在40 min 左右增长达到最大膨胀力，大致在70.0～90.0 kPa 之间，之后逐渐趋于稳定。成都膨胀土三轴膨胀力的变化可以分为2 个阶段，即快速膨胀阶段、膨胀稳定阶段。用固结仪测得的成都膨胀土的膨胀力也大致在80.0～100.0 kPa 之间，与三轴膨胀力的试验结果接近。

图2 典型膨胀土三轴膨胀力浸水试验时程曲线Fig.2 Time-history curves of the triaxial expansion force immersion test for the typical expansive soil

从膨胀力上来比较，呈贡强膨胀土最大膨胀力为400.0 kPa 左右，成都弱膨胀土最大膨胀力为100.0 kPa左右，呈贡膨胀土的膨胀力大于成都膨胀土的膨胀力。

呈贡强膨胀土和成都弱膨胀土的三轴膨胀力在初始阶段都有着大致相同的膨胀变化规律，即随着吸水量的增加，膨胀力在短时间内急剧增大。当达到峰值后，成都膨胀土逐渐趋于稳定。呈贡强膨胀土的时程曲线比成都弱膨胀土的时程曲线多了1 个膨胀衰减阶段，这是由于呈贡膨胀土的膨胀力达到峰值400.0～500.0 kPa 时，在膨胀压力的作用下，导致土体结构在膨胀过程中发生调整造成的；成都弱膨胀土的最大膨胀力较小，平均值为80.0 kPa，并不足以引起其土体结构的调整，因而没有出现膨胀力衰减阶段。

呈贡膨胀土和成都膨胀土三轴膨胀力的试验结果表明，本论文中设计的三轴膨胀力试验装置是合理的，适用于膨胀土。

2.2 红层泥岩三轴膨胀力的试验结果

试验选取了初始含水率为2.0%、蒙脱石含量在30.00%左右的宜宾红层泥岩试样进行完全浸水条件下三轴膨胀力试验，共进行了11 个试样的三轴膨胀力测试，典型试验曲线如图3所示。

由图3 可以看出，泥岩的膨胀过程大致分为2 个阶段，即快速膨胀阶段、膨胀稳定阶段。红层泥岩的膨胀力在浸水初期迅速增大，在24 h 左右达到最大值后，逐渐趋于稳定。对红层泥岩试样进行了11 个样品的重复试验，试验结果是相似的，试验结束时测出的含水率增量较小，约为1.0%，3 个方向的平均膨胀力在747.3～1 906.0 kPa 之间。

图3 泥岩三轴膨胀力浸水试验时程曲线Fig.3 Time history curves of the mudstone triaxial expansion force immersion test

红层泥岩三轴膨胀力的试验结果一方面说明了三轴试验装置和试验方法的合理性与可行性，另一方面也说明三轴膨胀力测试装置是适用于岩石膨胀性测试的。

3 综合讨论

3.1 三轴膨胀力测试方法与传统固结仪法的对比

选取四川宜宾红层泥岩试样，分别加工成边长4.00 cm 的立方体试样和标准环刀试样，将三轴膨胀力与传统固结仪法膨胀力进行了对比测试，检验了三轴试验装置和试验方法的合理性。试验结果如表3所示。

表3 红层泥岩膨胀力试验结果简表Table 3 Summary table of the swelling force test results of the red mudstone

由表3 可知，三轴浸水膨胀试验和传统固结仪法浸水膨胀试验测试得到的膨胀力大小差异显著。11 个立方体试样三轴膨胀力的平均值为1 326.7 kPa。4 个环刀状试样传统固结仪法膨胀力变化范围414.0～855.0 kPa，其平均值为586.0 kPa。三轴膨胀力平均值是传统固结仪法膨胀力平均值的2.26 倍，分析其原因主要是三轴试验方法克服了试样和容器壁之间的空隙引起的变形释放问题。

传统固结仪法膨胀力试验是将制好的环刀样放入容器中。这种操作方式将不可避免地在试样和容器壁之间存有空隙。同时，泥岩弹性模量是较大的，微小的变形就将释放较大的膨胀力。根据作者的试验研究，试验用红层泥岩试样的弹性模量约为2.0 GPa，浸水膨胀应变小于1.00%，膨胀变形的绝对值小于0.50 mm。试样和容器壁之间的微小空隙为泥岩释放变形提供了空间，因而导致传统固结仪法测试的膨胀力总体偏小。

三轴试验方法是将加工好的试样放在试验装置后，在试样的3 个方向都预加10.0 kPa 的压力，确认试样和试验装置系统之间是紧密联结在一起的。然后将试样浸泡在水中进行膨胀力测试试验，克服了试样和容器壁之间空隙的问题。因此，三轴试验方法测试得到的膨胀力普遍大于传统固结仪法。

2 种试验方法的对比分析表明，三轴膨胀力试验方法克服了传统固结仪法的局限性，使泥岩膨胀力测试结果更接近于实际情况。

3.2 红层泥岩膨胀力大小的讨论

综合本次试验结果和文献调查结果，红层泥岩膨胀力大小的变化范围可以从几十kPa 到几MPa，变化幅度较大。根据查阅到的文献资料，泥岩膨胀力的测试主要有3 种方法，一种是在现有的岩石试验规范中采用的传统固结仪法，根据作者的统计，西南地区红层泥岩测试得到的传统固结仪法的膨胀力大致在2.2～680.0 kPa 之间变化，平均值约为341.1 kPa。第二种是本文研制的三轴试验装置，红层泥岩的膨胀力多数在800.0～2 000.0 kPa 之间变化，平均值约为1 400.0 kPa。第三种是石油工程中研制的泥岩三轴膨胀力的测试装置，是利用水做围压，抑制岩石膨胀变形而使水压力升高，通过测试水压力的变化得出岩石的膨胀压力。根据文献资料[13]，石油工程中三轴膨胀力试验测得的轴向膨胀压力在2 000.0～10 000.0 kPa 之间，侧向膨胀压力为3 000.0～5 000.0 kPa。综合而言，这2 种三轴试验方法结果说明，红层泥岩的膨胀力是比较大的，大致在MPa 的量级上。

3 种试验方法都是采用等体积法测试原理，在不考虑其他因素的前提下，本文三轴测试方法测得的膨胀力平均值（1 326.7 kPa）大约是传统固结仪法（341.1 kPa）的3.89 倍，差异较大。通过对试验原理和试验方法的对比分析，三轴试验测试方法的试验结果更接近红层泥岩膨胀力的理论值，红层泥岩的三轴膨胀力应在MPa 的量级上。

3.3 红层泥岩膨胀机制的新认识

根据红层泥岩的膨胀机理，引起膨胀的是其中的黏土矿物成分，尤其是其中蒙脱石含量的多少。对于具体的红层泥岩样品来说，其黏土矿物成分的含量是确定的，那么其最大的膨胀潜能也就是确定的，也就是说红层泥岩的最大膨胀变形或膨胀力是个定值，根据泥岩吸水程度的多少，决定了泥岩能释放出多少的膨胀力或膨胀变形。

呈贡膨胀土和成都膨胀土浸水后2～3 h 膨胀力逐渐趋于稳定，试验结束后将试样剖开，试样被水充分浸透，是饱和的，说明膨胀土的浸水膨胀是充分、彻底的，也说明黏土矿物含量的多少决定了膨胀土膨胀性能的大小。

红层泥岩的浸水膨胀力在2～3 d 后也逐渐趋于稳定，在短期内的膨胀变形也逐渐趋于稳定。由于红层泥岩的渗透性极低，因此在48 h 内的吸水量极为有限，本文中11 个红层试样试验后吸水量仅为1.0%左右，产生的膨胀力或膨胀变形也是有限的而不是全部。将三轴试验和传统固结仪法试验结束后的岩石试样破开，发现里面是干燥的，产生膨胀的只是岩石表层部分，根据肉眼观察小于0.10 cm，也就是说红层泥岩完全湿透需要的时间是很长的。

由于红层泥岩的孔隙很小，渗透性极低，根据作者的统计，西南红层泥岩的渗透系数一般在1.0×10-7～1.0×10-9cm/s 的量级。渗透系数的实质就是水在岩土空隙中的运动速度，暂取红层泥岩样品的渗透系数为1.0×10-8cm/s，取单位长度（1.00 cm）进行估算，渗透1.00 cm 的长度大概需要1.0×108s，即1 157 d。如果考虑泥岩中发育有微裂隙，将渗透系数提高到1.0×10-7cm/s，也需要116 d 才能将岩石浸透。大致估算的数据说明，要将致密的红层泥岩浸透需要的时间是很长的，膨胀岩产生的膨胀问题是滞后的、长期的、潜在的。

作者曾将15.00 cm×15.00 cm×15.00 cm 的新鲜红层泥岩浸泡在水中40 d，取出后试样仅表层是湿润的，湿润厚度0.10～0.20 cm，岩块内部仍是干燥的。在一次探索性的试验中，作者在对红层泥岩吸水330 d 的膨胀力测试过程中，膨胀力缓慢增加至700.0～800.0 kPa，但试验结束后，岩石试样中心部分仍是干燥的，再次说明红层泥岩吸水膨胀过程的长期性。

新鲜红层泥岩浸水试验结果表明，浸泡2 d 左右试样表面就出现泥化现象，膨胀逐渐趋于稳定，说明在试验条件下，试样的渗透过程极为缓慢，膨胀过程也是极为缓慢的，膨胀泥化范围也是极为有限的。当将试样表层的泥化层剥蚀掉，将试样烘干后，再次浸水，膨胀变形将会继续，持续2～3 d 再次出现停滞现象，但膨胀力随着干湿循环次数的增加逐渐降低。

这些试验事实说明，新鲜完整红层泥岩的膨胀是一个长期的过程。短期的浸水膨胀只是表层的黏土矿物成分吸水膨胀、表面泥化，形成胶体泥膜，阻止外部的水分进入泥岩岩石内部。需要借助外力（如列车的振动抽吸作用、风化剥落、施工开挖等）将泥膜剥蚀，使泥岩的新鲜面出露，再和水接触，才会再次发生膨胀。或者是经历干湿循环作用、冷热循环作用，使岩石崩解，表面产生裂隙，使水侵入岩石内部，促使岩石内部产生膨胀，宏观上表现为崩解碎裂，体积膨胀。

因此，红层泥岩的吸水膨胀机制可能有2 种形式。第一种是对于新鲜完整的红层泥岩，浸水后，仅表层泥化膨胀，形成泥膜包裹泥岩，抑制吸水膨胀的进一步发生，直至表层泥膜被破坏，水与新鲜岩石表面接触，再次吸水膨胀，如此反复的吸水膨胀、泥膜抑制、泥膜破坏，泥岩再次吸水膨胀。第二种是已经具有裂隙的岩石，由于裂隙和孔隙的存在，为水侵入岩石内部创造了条件，在毛细水楔的作用下，水渗入岩石内部，黏土矿物吸水膨胀在表面和内部同时发生，整体表现为吸水膨胀、泥化崩解、体积增加、岩石破坏。

4 结论与建议

（1）3 种膨胀性岩土浸水膨胀力试验结果表明，本文研制的三轴膨胀力测试装置及其测试方法是合理可行的，可以适用膨胀土和膨胀岩三轴膨胀力的测试。

（2）研制的三轴膨胀力测试方法能够克服现传统固结仪方法的局限性，数据稳定，操作简单，具有较好的实用性。

（3）三轴膨胀力测试方法和传统固结仪法的试验结果对比表明：红层泥岩三轴膨胀力大于传统固结仪法的膨胀力，红层泥岩的膨胀力大小多数在MPa 的量级，更新了现有对泥质膨胀岩膨胀力较小的认识。

（4）通过对试验结果的分析和膨胀后试样的观察，发现红层泥岩的膨胀机制与膨胀土的膨胀机制是不同的。红层泥岩主要是新鲜岩石表层吸水膨胀、泥化崩解，泥化层剥蚀后，新鲜面再次吸水膨胀、泥化崩解，这是一个逐层循环膨胀的过程。膨胀土主要是在浸水饱和过程中，黏土矿物充分吸水膨胀，最终达到最大膨胀变形。