膨胀性泥岩膨胀性试验研究

王 晨， 郭小龙

(石家庄铁道大学土木工程学院，河北 石家庄 050043)

我国是世界上膨胀岩分布最广的国家之一，按照地质时代区分，早自上二叠统，晚到上第三系甚至早更新统都有，因此，膨胀岩的工程性质非常复杂。膨胀性泥岩是一种常见的软岩，其因成分中多含有亲水矿物，遇水后会产生较大的体积变化，造成泥岩崩解。在隧道施工中，膨胀性围岩造成的隧道问题主要表现为围岩向洞内发生大变形，使拱架变形，造成拱顶坍塌、二次衬砌开裂、仰拱隆起等问题。针对泥岩的崩解特性，国内外学者进行了大量研究：泥岩的崩解特性与泥岩的黏土矿物成分以及黏土矿物种类有关，柴肇云[1]通过泥岩崩解特性与黏土矿物种类的研究表明含蒙脱石和不含蒙脱石的泥岩崩解机理完全不同，高岭石、伊利石等为主的泥岩崩解是由于结构缺陷中空气被水挤压产生应力使结构缺陷扩容引起，蒙脱石为主的泥岩崩解是由于蒙脱石遇水膨胀造成岩体差异膨胀引起。此外，外部环境对泥岩崩解特性也具有重要影响，如梁冰[2]通过试验研究表明泥岩在酸性溶液中崩解最剧烈，其次是碱性溶液，中性溶液中崩解最为缓和。对于膨胀性泥岩工程特性的研究，主要采用试验方法对泥岩的崩解特性、膨胀特性及力学特性进行研究[3]，而膨胀岩的工程特性影响因素复杂，其中矿物成分及黏土矿物种类、干湿循环、水环境等影响显著。我国膨胀岩分布广泛，矿物成分种类及含量差异性大。因此，有必要结合实际工程对其开展系统研究，为膨胀性泥岩隧道变形破坏机理和变形控制技术研究提供基础。

1 原材料分析

1.1 泥岩原材料

试验所用泥岩试样取自隧道施工现场，白垩系泥岩采样点位于甘肃白银剪金山隧道出口附近处山体，第三系泥岩采样点位于宁夏中卫香山隧道进口附近处山体。由于室内试验内容较多，周期较长，为防止块体内水量的散发，继而保持岩块内部的天然状态，故采用封蜡法对岩块进行密封保存，以便试验时达到应有的试验精度和准确性。

1.2 泥岩样品的矿物分析

采用X射线(XRD)衍射分析来确定岩石的矿物组成，试验结果如表1所示。从试验结果来看，白垩系泥岩和第三系泥岩的各矿物成分种类基本一样，从矿物成分含量上，两者除石英、方解石、伊利石和坡缕石含量相差较大以外，其余主要矿物成分含量相差不大，同时两种岩石均不含有蒙脱石，仅含有一定量的伊利石，这就可从微观的角度上说明二者膨胀性和吸水性差别不大。

2 泥岩膨胀性试验

2.1 试样的制备

试验前，采用岩石切割机、SC-200型自动取芯机等设备进行岩石的试件制备。由于岩样的含水率高低对膨胀性试验的结果影响较大，故要求对岩样进行干法加工[4]。而在实际的取芯过程中，由于关闭了水阀进行干钻取芯，经常出现取芯机卡钻、岩样扰动破坏等情况的发生，从而导致岩石试件尺寸不符合规范要求，岩块利用率低。针对这种现象，对取芯机进行改造加工，连接高压气泵(见图1)，采用通高压风代替通水的方法对取芯过程进行冷却，这样不但对岩石含水率不会产生影响，而且避免了因为过热而导致的卡钻、岩样破裂现象的发生。岩石试件采用尺寸为直径50 mm、高20 mm的圆柱体试样，每种岩石计划测试共3个试样。试样采用干法加工，保持试样两端面平行。制备好的岩样如图2所示。

表1 各矿物成分名称及所占质量百分比 %

图1 高压气泵 图2自动取芯机取样

2.2 自由膨胀率试验

依据《铁路工程土木试验规程》,试验采用自由膨胀率仪。

(1)将试样放入试验装置内，并在试样上下端分别放置薄型滤纸和透水板。

(2)在试样上部及四轴对称的中心部位安装千分表，测试试样的轴向变形和径向变形，每隔10 min记录千分表的读数，当千分表读数连续3次不变时，试验达到稳定状态。试验结果如表2所示。

由试验结果可得出，白垩系泥岩和第三系泥岩的自由膨胀率约为1.5%～3.0%、1.0%～2.0%。

2.3 侧向约束膨胀性试验

根据《铁路工程土木试验规程》,试验采用侧向约束膨胀率仪。试验结束后，测算试件含水率等参数。

(1)将试件放入内壁涂有凡士林的金属套环内，在试件上、下端分别放置薄型滤纸和透水板。

(2)顶部放上固定金属载荷块并安装垂直千分

表2 自由膨胀率试验结果

表，千分表用来测试试件的轴向变形。金属载荷块的质量应能对试件产生5 kPa的持续压力。

(3)每隔10 min记录千分表的读数，当千分表读数连续3次读数不变时，试验达到稳定状态。试验结果如表3所示。

表3 侧向约束膨胀率试验结果

(4)试验结束后，试件的泥化和软化现象如图3所示。

图3 试验后岩样

从试验结果表3中可以知道，白垩系泥岩三组岩样平均轴向膨胀量为0.279 mm，平均轴向膨胀率为1.40%，平均饱和含水率为14.32%；第三系泥岩三组岩样平均轴向膨胀量为0.201 mm，平均轴向膨胀率为1.01%，平均饱和含水率为8.41%。从数据上看，白垩系泥岩和第三系泥岩轴向变形量相差不大且均比较小，白垩系泥岩吸水性较第三系泥岩高，整体来讲两种岩石膨胀性较低，吸水性较弱。

从图3中可以看出，在浸泡48 h以上、试验完毕后，白垩系泥岩和第三系泥岩岩样颜色变深，表面出现横纵交错的细小裂缝，高度方向出现纵向的贯通裂缝，整个岩样部分位置有少量的掉块，但外观整体性较好，轴向变形量不大，未出现明显的成泥现象。

2.4 体积不变条件下的膨胀压力试验

试验采用膨胀压力试验仪，试验结束后，测算试件含水率等参数。

(1)将试件放入内壁涂有凡士林的金属套环内，在试件上、下端分别放置薄型滤纸和金属透水板。

(2)安装加压系统和量测试件变形的千分表，使仪器各部位和试件在同一轴线上，不应出现偏心载荷，对试件施加10 kPa压力的载荷，记录千分表和测力计读数，每隔10 min测读1次，直到3次读数不变。

(3)读数不变后，缓慢地向盛水容器内注入蒸馏水，直至高出试样5 mm，观测千分表的变化。当变形量大小0.001 mm时，应调节所施加的载荷，使试件膨胀变形或试件厚度在整个试验过程中始终保持不变，并记录测力计读数。

(4)开始时每隔10 min读数一次，连续3次读数差小于0.001 mm时，应改为每1 h读数一次；当每1 h读数连续3次读数差小于0.001 mm时，认为稳定并应记录试验载荷。

(5)试验结束后描述试件的泥化和软化现象。

泥岩膨胀力与时间关系曲线如图4所示，两种泥岩的变化规律较为相似，由图可知，与泥岩膨胀变形相似，泥岩膨胀力在浸水前期快速增长，100 min时即达到总膨胀力的95%以上，此后膨胀力减速增长，400 min以后达到稳定。试验结果如表4所示。

虽然白垩岩和第三系泥岩两种泥岩膨胀变形量相对较小，但其膨胀力平均值达231.6 kPa、250.8 kPa，在隧道设计时其膨胀力荷载不能忽略。

在浸泡48 h以上、试验完毕后，白垩系泥岩和第三系泥岩岩样颜色变深，表面出现横纵交错的裂缝，高度方向出现纵向的贯通裂缝，整个岩样部分位置部分掉块，但外观整体性较好，未出现明显的成泥现象。

3 结论

(1)在矿物成分含量上，白垩系泥岩和第三系泥岩的各矿物成分种类基本一样，两者除石英、方解石、伊利石和坡缕石含量相差较大以外，其余主要矿物成分含量相差不大，同时两种岩石均不含有蒙脱石，仅含有一定量的伊利石，从微观的角度上说明二者膨胀性和吸水性还是有一定的差别。

图4 泥岩膨胀力与时间有关系曲线

表4 体积不变的膨胀压力试验结果

(2)白垩系泥岩和第三系泥岩的自由膨胀率约为1.5%～3.0%、1.0%～2.0%，平均轴向膨胀力为1.40%、1.01%，轴向变形量相差不大且均比较小，白垩系泥岩较第三系泥岩吸水性高，整体来讲两种岩石膨胀性较低，吸水性较弱。

(3)白垩系泥岩和第三系泥岩两种泥岩膨胀力在浸水前期快速增长，两者膨胀变形量相对较小，但其膨胀力平均值达231.6 kPa、250.8 kPa，在隧道设计时其膨胀力荷载不能忽略。