重庆地区不同地质年代泥岩膨胀特性试验研究

张云杰，樊 成，2＊，刘小红，徐 涛

（1．大连大学 材料破坏力学数值试验研究中心，辽宁 大连116622；2．安徽理工大学 地质资源与地质工程博士后流动站，安徽 淮南232001；3．长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉430015）

泥岩是在地面和地下工程中建设过程中一种很常见的岩体。因其矿物成分含有大量的高岭石、伊利石和蒙脱石等黏土性矿物，泥岩呈现出比较独特的工程特性［1］。为了在膨胀性围岩中安全、可靠地进行隧道开挖和支护结构的设计与施工，必须对围岩的膨胀性能进行充分调查［2－3］。而膨胀性能试验是判定泥岩膨胀性强弱最直观、有效的手段［4］，也是建立膨胀本构关系以及进行数值计算的前提条件。文献［5］提出了一种新颖的侧限膨胀特性的试验方法，并研制了相应的仪器，利用该仪器测量了重塑膨胀岩土试样侧向膨胀压力的发展进程及试样的吸水全过程。文献［6－7］提出了湿度应力场的概念，并和温度场相类比，认为水分在膨胀岩体中的扩散与含水率、吸水作用力、体积变形等都是耦合的。重庆地区泥岩分布面积广，并且在中生代的不同地层都有泥岩显现，然而不同层位泥岩的成分、强度与变形特征存在明显的差异性。因此，本文对不同地质年代泥岩进行了膨胀性能试验研究，对该地区隧道开挖和建筑施工具有一定的指导意义。

1 地质概况

1．1 重庆地区泥岩分布

据地质资料显示［9］，在重庆地区，奥陶系中统、志留系下统和中统、二叠系下统和上统、以及中生界地层和第三系地层等地层都曾出现过泥岩。其中，中生界地层占重庆市地域出露分布的3／5，而侏罗系红层更是分布广泛，与各类土木工程建设密切相关。

1．2 岩地质年代

本文研究对象以重庆地区中生界地层为主，分别选取三类泥岩进行了多组自由膨胀性试验和约束膨胀性试验［10］：

1）三叠系下统（T1）：以灰紫、紫红、灰绿色碳酸质泥岩﹑泥质页岩﹑泥质灰岩﹑生物碎屑岩﹑介质灰岩为主，厚度约为480～1 200m，与下伏二叠纪整合接触。

2）侏罗系下统（J1）：以紫红色间灰绿色泥岩夹砂岩、红色泥页岩为主，含薄煤层﹑砂泥岩夹赤铁矿﹑菱铁矿等，最大厚度320m。

3）侏罗系上统（J3）：鲜紫红色泥岩夹中，薄层粉砂状砂岩和少量细砂岩为主，并以此单一的岩性和紫红色色调为特征，是侏罗系地层突出的标志层，最大厚度600m。

2 岩石物理参数及膨胀性试验设备

2．1 岩石物理参数

使用长江科学院试验室的基本土工试验设备，测得现场采集到的岩样的基本物理参数，见表1。

表1 岩样的基本物理参数Table 1 Basic physical parameters of rock samples

从表1可以看出，重庆地区泥岩的地质年代越早，其颗粒密度越大，然而各个岩层的密度相差并不是太大。另外，泥岩的孔隙率和饱和含水率并不是很高，且与泥岩形成地质年代呈负相关关系，泥岩地质年代越早，其孔隙率和饱和含水率越低。

2．2 试验设备

该膨胀性试验设备采用长江科学院设计制造的YZP－1岩石自由膨胀率试验仪和R－Ⅱ型岩石膨胀压力试验仪，适用于各类岩石膨胀性能试验，配有透水板、千分表等试验装置能够得到较精确的试验数值，如图1、图2所示。

3 测定结果及分析

3．1 泥岩膨胀率测定

本文试验均在长江科学院岩基所按《水利水电工程岩石试验规程》（SL264－2001）第四章4．5节，地质矿产部《岩石物理力学性质试验规程》（地发［1986］760号）DY－02有关条文进行。水介质采用蒸馏水，水介质密度参照《公路工程石料试验规程》附录蒸馏水的密度表。

3．1．1 自由膨胀性试验

图1 YZP－1岩石自由膨胀率试验仪Fig．1 YZP－1rock free expansion tester

图2 R－Ⅱ型岩石膨胀压力试验仪Fig．2 R－ⅡRock expansion pressure tester

自由膨胀性试验是测定试样在不同浸水时间下岩石侧向与径向的膨胀变形特征。试验过程中，岩样始终处于充分饱和状态，不需要考虑水的补给情况。试验技术指标包括轴向自由膨胀率和径向自由膨胀率，推导公式见规程（SL264－2001）。采用多组不同年代类型岩样，得到结果经过统计筛选，如表2所示。

从表2中可以看出，重庆地区泥岩的轴向自由膨胀率大约为径向自由膨胀率的1．4～14．6倍。从泥岩地质年代分析，三叠系泥岩的膨胀率小于侏罗系泥岩的自由膨胀率，说明岩石的地质年代越晚，其膨胀率越小，而岩石的地质年代越早，其膨胀率越大。原因为泥岩形成地质年代越久远，泥岩中的蒙脱石含量就越低，从而泥岩的膨胀性能会大大减少。另外，红色泥岩的轴向膨胀率为0．30%～0．37%，碳酸质泥岩的轴向膨胀率为0．011%左右，泥质页岩的轴向膨胀率为0．044%左右，即不同类型泥岩的自由膨胀率不同，其中红色泥岩要高于碳酸质泥岩和泥质页岩10～20倍。另外，也可看出碳酸质泥岩不同层理方向的膨胀率大小基本近似。

3．1．2 侧向约束膨胀性试验

侧向约束膨胀试验是测定原状结构膨胀岩在有侧向约束条件下浸水后发生的单向膨胀变形。对于层理明显的膨胀岩，一般只测定其垂直于层理的单向膨胀变形，只需要测定轴向膨胀率一个指标。

表2 重庆地区泥岩自由膨胀性试验Table 2 Mudstone free expansion test in Chongqing

表3 重庆地区泥岩约束膨胀性试验Table 3 Mudstone constrained expansion test in Chongqing

由表3可以看出，红色泥岩的自然样本膨胀率1．14%远低于干燥样本膨胀率4．34%，很好地说明含水率对泥岩膨胀性能的影响，含水率越低试样膨胀性越高，反之，则试样膨胀性要低很多。我们也可以从岩石的层理方向比较得出，对于层理方向不同的红色泥岩，平行层理面的轴向膨胀率为0．63%～0．65%，而垂直层理面方向的膨胀率约为1．14%，即红色泥岩垂直层理面方向的膨胀率约为水平层理面的1．8倍。

比较表2和表3，不同膨胀力试验发现，对于红色泥岩，在有约束的条件下，泥岩的轴向膨胀率为0．63%～0．65%，而无约束条件的轴向膨胀率为0．30%～0．38%，即约束使轴向膨胀率增加一倍左右。这主要是因为侧向约束使蒙脱石的体积膨胀方向发生了变化，导致轴向膨胀率变大。

3．2 泥岩轴向膨胀率与时间的关系

我们进行了多组泥岩约束膨胀性试验，图3中可以看到，侏罗系泥岩的自然样本轴向膨胀率在0～400min内迅速增大，之后达到一个稳定值；而干燥样本的轴向膨胀率在0～200min内迅速增大，直到稳定。这说明由于泥岩的含水率不同，泥岩干燥样本的轴向膨胀率变化更快。

图3 含水率不同泥岩的轴向膨胀率—时间曲线Fig．3 Mudstone axial expansion ratio－time curves of different moisture content

图4 三叠系泥岩的轴向膨胀率—时间曲线Fig．4 Mudstone axial expansion ratio－time curves in era of Triassic

图4中可以看到，三叠系泥岩稳定时间相对更长，大约568～2 020min。因此，可以认为，无论是侏罗系泥岩还是三叠系泥岩，它们的轴向膨胀率随时间逐渐增加，在最初一段时间变化很快，最后逐渐趋向于一个稳定的最大值。但是，也可以看到，对于三叠系碳酸质泥岩来说，其轴向膨胀率随时间增长继而趋于稳定，速度更为缓慢，时间更长。

3．3 泥岩膨胀压力与应变的关系

3．3．1 体积不变条件下膨胀压力试验

通过对体积不变条件下泥岩的膨胀压力进行测量，可得到泥岩在不同的泡水状态下膨胀压力的变化特征。表4为不同年代岩样的基本数据。图5为膨胀压力随时间的变化情况。

从上述结果可以看出，对于红色泥岩，平行层理面的膨胀压力为0．17～0．26MPa，而垂直层理面的膨胀压力为0．11～0．37MPa；同泥岩膨胀率随时间变化规律类似，在试验初期，膨胀压力增长较快，经过一段时间之后，膨胀压力增大为一个稳定值。另外，在体积不变的情况下，不同年代泥岩的膨胀压力和膨胀应变具有线性关系，见图6所示，线性拟合公式如下：1）侏罗系红色泥岩y＝2．699x－0．024；2）三叠系碳酸质泥岩y＝2．718x－0．024

表4 体积不变下泥岩膨胀压力试验Table 4 Mudstone expansion pressure test at constant volume

图5 泥岩膨胀压力—时间关系曲线Fig．5 Mudstone expansion pressure－time curve

图6 泥岩膨胀压力—应变线性关系Fig．6 Mudstone expansion pressure－strain curve

4 结论

1）不同地质年代的泥岩膨胀性也不同，泥岩形成的地质年代越早，其膨胀性能也越大；泥岩类型不同，其径向自由膨胀率也存在明显差异，红色泥岩膨胀率约为碳酸质泥岩和泥质页岩的10～20倍；

2）含水率对泥岩膨胀率及膨胀力有明显的影响，含水率越高，泥岩膨胀性能越差；

3）对于具有层理构造的红色泥岩，垂直层理方向的膨胀率高于平行层理方向的膨胀率；

4）不同类型的泥岩沿试样轴向的膨胀率和膨胀压力均随时间延长而增大，初始阶段变化较快，最后逐渐趋向于一个最大值；

5）在体积保持一定的情况下，不同年代泥岩的膨胀压力和膨胀应变是线性关系。总之，同种类型不同地质年代形成的泥岩以及不同类型泥岩具有不同的膨胀性，不能一概而论，在工程建设中要引起注意。

［1］ 苏永华，赵明华，刘晓明 ．软岩膨胀崩解试验及分形机理［J］．岩土力学，2005，26（5）：728－732．

［2］ 杨 庆 ．膨胀岩与巷道稳定［M］．北京：冶金工业出版社，1995．

［3］ 陈宗基，闻萱梅 ．膨胀岩与隧洞稳定［J］．岩石力学与工程学报，1983，2（1）：1－9．

［4］ 谭罗荣 ．某些膨胀土的基本性质研究［J］．岩土工程学报，1987，9（5）：31－41．

［5］ 杨 庆，焦建奎，栾茂田 ．膨胀岩土侧限膨胀试验新方法与膨胀本构关系［J］．岩土工程学报，2001，23（1）：49－52．

［6］ 缪协兴 ．用湿度应力场理论分析膨胀岩巷道围岩变形［J］．中国矿业大学学报，1995，24（1）：58－63．

［7］ 缪协兴，陈智纯 ．软岩力学［M］．徐州：中国矿业大学出版社，1995：105－108．

［8］ MIAO Xiexing，LU Aihong，MAO Xianbiao，et al．Numerical simulation for roadways in swelling rock under coupling function of water and ground pressure［J］．Journal of China University of Mining ＆Technology，2002，12（2）：120－125．

［9］ 丁仁杰，李克昌 ．重庆地震研究［M］．北京：地震出版社，2004．

［10］ 张述兴 ．重庆地区泥岩组成特征与力学参数关系研究［D］．重庆：重庆交通大学，2008．