膨胀岩击实样胀缩特性试验研究

何晓民，黄 斌，饶锡保，聂 琼，罗 菊

（1．长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010；2．中国地质大学（武汉）研究生院，武汉 430074）

1 概 述

膨胀岩属于软岩中的特殊类型，它的性状具有似岩非岩、似土非土的特点，而且与水的关系极其密切，亲水性异常强烈。由于其含有大量亲水矿物，湿度变化时有较大体积变化，变形受约束时产生较大内应力，所以称为膨胀岩。膨胀岩与膨胀土相似，也具有吸水膨胀软化和失水收缩干裂的特性。膨胀岩的胀缩性直接影响着拟建建筑物的安全，可造成地基破坏，引起建筑物的开裂和上抬，路基、渠道的破坏，坝基产生裂缝、滑移，边坡产生滑坡失稳等不良现象。影响膨胀岩变形的因素有很多，主要与膨胀岩的起始状态有关。许多学者对膨胀土胀缩规律进行了大量研究工作，其中文献［1］、［2］对膨胀特性的各影响因素进行了定量研究；在膨胀岩胀缩特性方面，目前国内研究成果较少，文献［3］采用常规三联固结仪，研究了膨胀岩原状样膨胀性与起始含水率、初始干容重的关系。

对于膨胀岩这类特殊的黏土质软岩，如采取常规的胀缩试验仪其尺寸效应影响较大，为解决这一问题，笔者研制了大尺寸的胀缩试验仪，选取南水北调中线工程新乡段泥灰岩和黏土岩2种代表性的膨胀岩，通过大尺寸的胀缩特性试验，研究了膨胀岩击实样的胀缩特性与起始含水率、压实度的关系。

2 膨胀岩原状样基本性质

对新乡泥灰岩和黏土岩原状样进行了基本物理性质和胀缩特性的试验，物理性质成果见表1，胀缩特性成果见表2。可知：黏土岩原状样的液限、塑限、黏粒及胶粒含量均高于泥灰岩原状样，泥灰岩与黏土岩均属于弱膨胀，且黏土岩的胀缩特性较泥灰岩要强。

3 膨胀岩击实试验

新乡泥灰岩与黏土岩为典型的含砾黏土质软岩，成岩差、性质类似土，尤其是泥灰岩开挖后呈颗粒状。针对新乡泥灰岩和新乡黏土岩扰动样，分别进行轻型、重型击实试验，击实筒的尺寸为Φ152 mm×116 mm。击实试验成果见表3。可知：

（1）泥灰岩轻型击实的最大干密度为1．86 g／cm3，接 近 于 原 状 泥 灰 岩 的 天 然 干 密 度 1．89 g／cm3，而重型击实的最大干密度1．97 g／cm3，较天然干密度大很多。

表1 膨胀岩原状样物理性质成果表Table 1 The results of physical properties of undisturbed sample of expansive rocks

表2 膨胀岩原状样胀缩特性成果表Table 2 The results of swellingshrinking characteristics of undisturbed sample of expansive rocks

表3 膨胀岩击实试验成果Table 3 The compaction properties of expansive rocks

（2）黏土岩轻型击实的最大干密度为1．57 g／cm3，较原状黏土岩的天然干密度1．74 g／cm3低，而重型击实的最大干密度1．78 g／cm3与天然干密度较接近。

（3）泥灰岩重型击实比轻型击实的最优含水率低2．0%（差值），但最大干密度却大5．8%（比值）。

（4）黏土岩重型击实比轻型击实的最优含水率低7．1%（差值），但最大干密度却大13．2%（比值）。

图1 泥灰岩不同含水率下无荷膨胀率与压实度关系曲线Fig．1 The relation curves of nonloading expansion ratio and compactness ofmarl with differentwater contents

图2 泥灰岩不同压实度下的无荷膨胀率与含水率关系曲线Fig．2 The relation curves of nonloading expansion ratio and water content ofmarlwith different compactnesses

图3 黏土岩不同含水率下无荷膨胀率与压实度关系曲线Fig．3 The relation curves of nonloading expansion ratio and compactness of clayrock with differentwater contents

4 膨胀岩击实样无荷膨胀率试验

进行了Φ152 mm×50 mm的大尺寸无荷膨胀率试验，泥灰岩击实样分别按3个含水率、5个压实度进行制备，黏土岩击实样分别按3个含水率、4个压实度进行制备，均采取轻型击实标准。膨胀岩不同含水率下，无荷膨胀率与压实度关系曲线见图1、图3；膨胀岩不同压实度下的无荷膨胀率与起始含水率关系曲线见图2、图4所示；膨胀岩无荷膨胀率统计成果如表4所示。由图表可知：

（1）压实度越大，无荷膨胀率越大，说明加大压实程度反而会加大膨胀量或存储更多的膨胀潜势，并且随起始含水率的减小，压实度对膨胀率的影响呈增强的趋势。

（2）在相同压实度条件下，随起始含水率增大，无荷膨胀率呈较好的线性递减关系。

图4 黏土岩不同压实度下无荷膨胀率与含水率关系曲线Fig．4 The relation curves of nonloading expansion ratio and water content of clay rock with different compactnesses

表4 膨胀岩无荷膨胀率统计成果Table 4 The nonloading expansion ratio statistics of expansive rocks %

（3）泥灰岩的压实度从89%至96%，其无荷膨胀率变化最大为7．1%；泥灰岩的起始含水率从11．3%至16．3%，其无荷膨胀率变化最大为11．8%；黏土岩的压实度从90%至100%，其无荷膨胀率变化最大为10．5%；黏土岩的起始含水率从18．4%至23．3%，其无荷膨胀率变化最大为25．7%。相对而言，无荷膨胀率受压实度的影响较小，主要随起始含水率的变化而变化。

（4）泥灰岩原状样的无荷膨胀率均值为4．28%，黏土岩原状样的无荷膨胀率均值为4．64%，2种膨胀岩原状样的无荷膨胀率较相近。泥灰岩击实样的无荷膨胀率均值为11．0%，黏土岩击实样的无荷膨胀率均值为27．4%，黏土岩击实样的膨胀性明显较大。泥灰岩击实样的无荷膨胀率约为原状样的2．6倍，黏土岩击实样的无荷膨胀率约为原状样的6倍，膨胀岩击实样中原岩结构已发生破坏，故其膨胀性能都比原状样要大得多，尤其对黏土岩更是如此。

5 膨胀岩击实样收缩试验

针对新乡膨胀岩进行了Φ101．8 mm×43 mm的大尺寸收缩试验，泥灰岩分别按5个含水率、4个压实度进行制备，黏土岩分别按2个含水率、4个压实度进行制备，均采取轻型击实标准。泥灰岩不同压实度下收缩特性与含水率关系曲线如图5至图7，泥灰岩不同起始含水率下收缩特性与压实度关系曲线见图8至图10，泥灰岩含水率与时间典型关系曲线见图11，黏土岩收缩特性成果见表5，收缩特性统计成果见表6。可知：

（1）在相同压实度下，起始含水率低于塑限值时，起始含水率变化对线缩率的影响都很小，随起始含水率增大，线缩率开始呈较平缓的线性增大；当起始含水率达到塑限值附近后，起始含水率变化对线缩率的影响开始显著增强；收缩系数规律与线缩率规律基本一致，而体缩率随起始含水率的增加呈较好的线性增长关系。

图5 泥灰岩不同压实度下线缩率与含水率关系曲线Fig．5 The relation curve of linear contraction ratio and water content ofmarlwith different compactnesses

图6 泥灰岩不同压实度下收缩系数与含水率关系曲线Fig．6 The relation curve of contraction coefficient and water content ofmarlwith different compactnesses

图7 泥灰岩不同压实度下体缩率与含水率关系曲线Fig．7 The relation curve between volumecontraction ratio and water content ofmarlwith different compactnesses

图8 泥灰岩不同含水率下线缩率与压实度关系曲线Fig．8 The relation curves of linear contraction ratio and compactness ofmarlwith differentwater contents

图9 泥灰岩不同含水率下收缩系数与压实度关系曲线Fig．9 The relation curves of contraction coefficient and compactness ofmarlwith differentwater contents

图10 泥灰岩不同含水率下体缩率与压实度关系曲线Fig．10 The relation curves of volume－contraction ratio and compactness ofmarlwith differentwater contents

图11 泥灰岩起始含水率16．3%时含水率与时间关系曲线Fig．11 The relation curves of water content and time of marlwith an initialwater content of 16．3%

表5 黏土岩重塑样收缩成果表Table 5 The results of contraction test of reconstituted sample of clayrock

表6 膨胀岩收缩特性统计表Table 6 The statistics of contraction characteristics of expansive rocks

（2）在相同起始含水率下，起始含水率低于塑限值时，压实度对线缩率的影响很小，随压实度增大，线缩率呈较好的线性递减关系；当起始含水率达到塑限值附近后，压实度对线缩率的影响略微增强；收缩系数、体缩率规律与线缩率规律基本一致。

（3）泥灰岩的压实度从89%至96%，其线缩率变化最大为2．95%；泥灰岩的起始含水率从11．3%至19．5%，其线缩率变化最大为0．59%。

相对而言，线缩率随压实度变化的幅度很小，而线缩率随起始含水率变化的幅度较大，可认为线缩率主要受起始含水率的影响；收缩系数、体缩率规律与线缩率规律基本一致。

（4）试样含水率随时间而减小，其水分散失速度与压实度关系不大，表明室内试验条件下压实程度大小对试体与大气之间的水气交换影响不大。

（5）泥灰岩原状样的线缩率均值为0．55%，黏土岩原状样的线缩率均值为1．41%；泥灰岩击实样的线缩率均值为1．30%，黏土岩击实样的线缩率均值为2．57%；黏土岩原状样与击实样的收缩特性分别较泥灰岩强，且击实样的收缩性能较原状样大。

（6）结合膨胀特性成果对比可知，膨胀岩原状样的无荷膨胀率数值略大于其线收缩率数值（数值相差2．87%～4．09%），膨胀岩击实样的的无荷膨胀率数值明显大于其线收缩率数值（泥灰岩相差9．70%，黏土岩相差24．8%），因此在填土工程中应用膨胀岩作回填料时，其膨胀特性需重点予以关注，尤其是黏土岩。

6 结 语

本文通过对膨胀岩击实样的胀缩特性试验研究，得出以下结论：

（1）压实度越大，无荷膨胀率越大，并且随起始含水率的减小，压实度对膨胀率的影响呈增强的趋势。

（2）在相同压实度条件下，随起始含水率增大，无荷膨胀率呈较好的线性递减。

（3）无荷膨胀率受压实度的影响相对较小，主要随起始含水率的变化而变化。

（4）在相同压实度下，起始含水率低于塑限值时，起始含水率变化对线缩率的影响很小，随起始含水率增大，线缩率开始呈较平缓的线性增大；当起始含水率达到塑限值附近后，起始含水率变化对线缩率的影响开始显著增强。

（5）在相同起始含水率下，起始含水率低于塑限值时，压实度对线缩率的影响都很小，随压实度增大，线缩率呈较好的线性递减关系；当起始含水率达到塑限值附近后，压实度对线缩率的影响略微增强。

（6）相对而言，线缩率随压实度变化的幅度很小，而随起始含水率变化的幅度较大，可认为线缩率主要受起始含水率的影响。

（7）对于膨胀岩击实样，原岩的结构性发生破坏，其胀缩性能都比原状样要大得多，且黏土岩的结构性较泥灰岩强。

（8）膨胀岩原状样的无荷膨胀率数值略大于其线收缩率数值，膨胀岩击实样的无荷膨胀率数值明显大于其线收缩率数值，因此在填土工程中应用膨胀岩作回填料时其膨胀性能需重点改良处理，尤其是黏土岩。

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