巖石側(cè)限約束膨脹力試驗的分析與探討

肖海軍

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津　300251)

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巖石側(cè)限約束膨脹力試驗的分析與探討

肖海軍

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津300251)

分析影響膨脹力試驗準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素及對策，介紹鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司中心試驗室自行研制的多功能巖石膨脹儀在膨脹力試驗中的優(yōu)點(diǎn)，并采用多功能膨脹儀進(jìn)行巖石的側(cè)限約束膨脹力試驗，基于試驗結(jié)果探討了試件尺寸對膨脹力的影響，巖石試樣采自新建濟(jì)南至青島高速鐵路。試驗結(jié)果表明，試樣直徑相同的情況下，試樣高度越高，膨脹力越大。

石側(cè)限約束膨脹力多功能巖石膨脹儀試件尺寸

膨脹巖是一類性質(zhì)極為復(fù)雜的巖石，膨脹巖問題是當(dāng)今工程地質(zhì)學(xué)和巖土工程領(lǐng)域中最復(fù)雜的研究課題之一[1-9]。巖石的膨脹性試驗包括自由膨脹率、側(cè)向約束膨脹率、飽和吸水率和側(cè)限約束膨脹力等試驗。其中側(cè)限約束膨脹力可用來直接判別巖石膨脹性大小，試驗數(shù)據(jù)直觀準(zhǔn)確，被廣大科研工作者和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)所采用[10]。巖石側(cè)限約束膨脹力是巖石試件浸水后保持原形體積不變所需的壓力，測試方法有平衡法、圖解法、脹壓法。脹壓法測試結(jié)果偏高，圖解法較切合實際，但操作繁瑣，目前國內(nèi)外采用最多的是平衡法。

基于平衡法，采用鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司中心試驗室自行研制的多功能巖石膨脹試驗儀進(jìn)行巖石的側(cè)限約束膨脹力試驗研究及數(shù)據(jù)分析。該多功能巖石膨脹試驗儀(專利號：ZL201220420352.9)可分別完成巖石自由膨脹率，側(cè)限約束膨脹率和側(cè)限約束膨脹力試驗(如圖1所示)。

圖1　多功能巖石膨脹試驗儀

1　樣品原狀性對巖石膨脹力的影響

保持巖石膨脹試件的原始狀態(tài)，在取樣、制樣加工過程中不受外力或水的影響是保證巖石膨脹試驗順利進(jìn)行、成果數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠的先決條件。按照規(guī)范[10-11]的要求，膨脹性試件必須采用干鉆法取樣；同時要求試樣原始結(jié)構(gòu)不受破壞，天然濕度不發(fā)生變化。保持取樣和加工試樣過程中試樣的天然狀態(tài)非常困難，邱良軍[12]等人通過大量的試驗探索，總結(jié)出一套膨脹試件取樣和加工的方法。除了規(guī)程中推薦的試樣φ50 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣外，考慮工程實際中經(jīng)常遇到φ89 mm和φ108 mm鉆頭形成的巖芯范圍，還采用了φ70 mm和φ90 mm的試樣，主要是為了直接利用野外鉆探巖芯。室內(nèi)加工僅對上述巖芯做橫向切割，形成上下兩個必要的平面，擴(kuò)大了試樣可選擇范圍，減少了二次加工環(huán)節(jié)和加工量。

2　試樣浸水試驗時間對巖石膨脹力的影響

按照規(guī)范[10]的要求，采用直徑50 mm、高度不小于20 mm的試樣，浸水后總試驗時間不得少于48 h。當(dāng)直接采用鉆探巖芯的尺寸為φ70 mm和φ90 mm時，浸水總時間應(yīng)相應(yīng)延長，直到膨脹力出現(xiàn)峰值并有明顯的下降趨勢時方可結(jié)束試驗。

3　側(cè)向約束對巖石膨脹力的影響

根據(jù)巖石膨脹試驗規(guī)程相關(guān)規(guī)定，在進(jìn)行有側(cè)向約束巖石膨脹力試驗時，需用金屬套環(huán)對試樣側(cè)向進(jìn)行包裹緊固，使兩者緊密結(jié)合而沒有絲毫縫隙。然而，現(xiàn)實生產(chǎn)中，每一個試樣的外徑不可能完全一樣，無法滿足多個不同直徑試樣形成側(cè)向約束力的需要。即使?jié)M足單一試樣的固定要求，當(dāng)完成膨脹試驗后，由于巖石膨脹會與套環(huán)抱緊而難以拆分，費(fèi)時費(fèi)力，甚至造成金屬套損壞。如果按照不同直徑巖石試樣分別制作不同內(nèi)徑的整體套環(huán)，會因為數(shù)量多、占用面積大、試樣拆裝難等給生產(chǎn)管理帶來很大的實際困難。為了滿足不同直徑試樣施加側(cè)壓力的要求，考慮常用的φ50 mm、φ70 mm和φ90 mm巖芯，以φ50 mm、φ73 mm和φ93 mm作為對開試模的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)徑，然后分別用厚度0.3 mm、0.5 mm、0.8 mm、1.2 mm的不銹鋼做成外徑為φ50 mm、φ73 mm和φ93 mm的圓筒形開口環(huán)刀，裹在試件外圓，然后用對開模夾緊的方式實現(xiàn)對試樣施加無窮大側(cè)壓力的要求(如圖2、圖3所示)。

圖2　對開模

圖3　開口環(huán)刀

4　試樣尺寸對巖石膨脹力的影響

現(xiàn)階段，由于國內(nèi)外研究學(xué)者的巖石膨脹力試驗的試樣尺寸并不相同，給科研成果的對比分析帶來困難。

按規(guī)程[10-11]的要求，膨脹巖試樣的直徑宜為50 mm，高度不宜小于20 mm，且應(yīng)大于巖石最大顆粒粒徑的10倍。研究了直徑為50 mm，高度分別為25 mm與100 mm泥巖的膨脹力，試驗結(jié)果如表1所示。

表1　試樣高度對巖石膨脹力的影響

注：每組試樣取于同一巖芯相近位置。

由表1可知，試樣高度為100 mm與試樣高度為25 mm的膨脹力接近，且高度越高的試樣膨脹力越大。由于直徑一樣，試樣的浸水飽和時間一樣；試樣的高度越高，試樣中有害膨脹物質(zhì)出現(xiàn)的可能性及巖石裂隙發(fā)育的概率就越大，越能代表巖芯膨脹力的大小。試樣直徑對膨脹力的影響以及尺寸對其他巖性膨脹巖的影響規(guī)律值得進(jìn)一步研究。

5　結(jié)束語

(1)多功能巖石膨脹試驗儀采用φ70 mm和φ90 mm的試樣，直接利用野外鉆探巖芯，無須對試樣進(jìn)行再次鉆芯，室內(nèi)加工僅對巖芯做橫向切割，形成上下兩個必要的平面。不僅擴(kuò)大了試樣可選擇范圍，而且減少了試樣二次加工環(huán)節(jié)和加工量。

(2)直接利用野外鉆探巖芯，試樣直徑大于50 mm，試樣浸水總試驗時間應(yīng)大于48 h，且直到膨脹力出現(xiàn)峰值并有明顯的下降趨勢時方可結(jié)束試驗。

(3)對開模和開口環(huán)刀的運(yùn)用實現(xiàn)了對試樣施加無窮大側(cè)壓力的要求。

(4)試樣高度越高，試樣中有害膨脹物質(zhì)出現(xiàn)的可能性及巖石裂隙發(fā)育的概率就越大，高度越高的試樣膨脹力越大。試樣直徑對膨脹力的影響以及尺寸對其他巖性膨脹巖的影響規(guī)律值得進(jìn)一步研究。

[1]朱訓(xùn)國，楊慶.膨脹巖的判別與分類標(biāo)準(zhǔn)[J].巖土力學(xué)，2009(2)

[2]張惟理，錢偉平.烏鞘嶺隧道巖石試驗成果研究[J].鐵道勘察，2007(3)

[3]龔興耀，尹全勇，胡惠.巖石試件縱波測試的影響因素[J].鐵道勘察，2011(1)

[4]劉曉麗，王思敬，王恩志，等.含時間效應(yīng)的膨脹巖膨脹本構(gòu)關(guān)系[J].水利學(xué)報，2006(2)

[5]季明，高峰，高亞楠，等.灰質(zhì)泥巖遇水膨脹的時間效應(yīng)研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010(4)

[6]楊慶，焦建奎，欒茂田，等.膨脹巖土側(cè)限膨脹試驗新方法與膨脹本構(gòu)關(guān)系[J].巖土工程學(xué)報，2001(1)

[7]王彥忠，李家山隧洞泥巖的膨脹特性[J].河南科學(xué)，2002(5)

[8]陳勇，秦邦民，張莉萍，等.紅山窯紅砂巖膨脹變形和軟化特性試驗研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2004(5)

[9]何沛田，吳相超，黃志鵬，等.巖石膨脹特性和機(jī)理研究[J].礦山壓力與頂板管理，2005(3)

[10]TB10115—2014鐵路工程巖石試驗規(guī)程[S]

[11]SL264—2001水利水電工程巖石試驗規(guī)程[S]

[12]邱良軍，李慧芝.巖石自由膨脹率試驗分析[J].鐵道勘察，2014(3)

The Analysis and Discussion of Confined Swelling Forces Tests for Rocks

XIAO Haijun

2016-02-02

肖海軍(1989—)，男，2014年畢業(yè)于東南大學(xué)高性能土木工程材料專業(yè)，助理工程師。

1672-7479(2016)02-0070-02

TU458

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