岩石膨胀性试验注意事项探讨

2020-04-22卓慧英

岩土工程技术 2020年2期

刘军谷莉郭程卓慧英

(河北中核岩土工程有限责任公司，河北石家庄 050021)

0 引言

膨胀岩的膨胀性特征是一复杂的问题，影响膨胀岩膨胀性的主要因素包括环境湿度的历史、微结构、岩体干重度、孔隙率、黏土矿物组成和含量、粒度特征、结构特征、应力状态、岩石的含水状态等[1]。在实际的室内试验过程中，主要把水作为介质，观测膨胀岩在水的作用下发生的各种变化，进行相应的膨胀性分析。在此过程中，人的各种操作对所测的结果产生了一定的影响。

在以往的研究或文献中，很多学者对膨胀性的各种特性进行了多方位、全面的分析探讨，但是对数据的形成过程如试验操作、测试数据读取中值得注意的细节、具体方式方法等论述很少。而实际试验中，对膨胀性试验过程的控制直接决定着数据的准确性、可靠性和有效性。作者以多年实际试验经验就此进行相应论述和探讨。

膨胀性试验主要包括五项试验[2]：轴向自由膨胀率、径向自由膨胀率、侧向约束膨胀率、膨胀力、耐崩解性。此处把耐崩解性纳入膨胀岩的试验范畴主要在于膨胀岩的崩解性一般较强，其耐崩解性明显小于其他类岩石。

1 膨胀岩试样制备方法

1.1 野外样品的获取

野外样品有两种获取方式：(1)爆破开挖类样品，应注意样品是否发生结构破坏；(2)钻孔样品，对于膨胀岩，钻孔取样以干钻为主，避免或减少水钻取样。

样品获取后，应立刻采取保护措施，使其保持原有物理、力学状态，特别是既要采取保水又要采取防水措施，然后进行蜡封。运输过程中，应采取防震动、防晒、防风、防冻等措施，以保持样品的原始状态。

1.2 标准样的制取

样品到达试验室，启封后,应立刻制取标准样，标准样品的尺寸标准应以满足其试验项目为准。需要注意以下问题：

(1)样品应以干法制样为主，在样品和条件允许的情况下，尽量减少样品接触水的机会，防止样品提前吸水膨胀。

(2)若采取湿法制样，应减少或控制制样时间，以减少水分对膨胀性试验的影响。条件允许时，推荐用润滑油替代水进行制样。标准样制好后，应及时对样品进行二次处理，即去水处理，可以用砂纸对其样品表面进行打磨，去掉样品湿化部分，以保证样品的湿度为原始湿度。

(3)样品的制取方法应根据其硬度进行选择，通常为机器和人工制取方法相结合。对一般性岩石，首先用标准钻头钻取样品，钻头可以采用耐高温的软岩专用钻头，也可以对不同硬度、配比的合金和金刚石钻头进行试钻选取；钻取时应选择合适的钻速，根据硬度不同，选择800～1600转/min，然后再切磨，切磨时应控制进刀速度,以避免震裂样品为宜。当硬度较低，特别是对一些极软岩和半成岩，选择机器制样时，应把钻样转速降到较低转速，以避免产生过大的离心力，损坏样品。部分样品具有一定塑性，可以选择人工制样，优先选择干锯法，其次为湿锯法；如果样品硬度近土，可参考土工样品的制样方法，但要加强对尺寸的精度控制。无论何种方式制取，均应避免其原始状态受到改变和破坏。

(4)轴向自由膨胀率、径向自由膨胀率、侧向约束膨胀率、膨胀力4种试验，样品宜为圆柱体，直径宜为48～65 mm，长度宜为直径的1.0倍，尺寸应与所用试验设备相匹配，每组不少于3个。崩解试验的试样应制成质量为40～60 g的圆形块石，每组试样的数量不应少于10个。理论上试验用样品越大，其越有代表性，而尺寸方面的如此规定是为了兼顾野外钻探尺寸和更好进行比对分析。对于部分含有大颗粒矿物的样品，一般规范要求样品尺寸应大于最大矿物粒径的10倍[3]，实际在试验室具体试验时，可以通过加做不同粒级的试验，对其数据进行分析归纳，得出较为合适的膨胀性指标。

(5)对于具有各向异性的膨胀岩，应注意选取样品的代表性，必要时可加做各向异性的膨胀性试验[4]。

试验样品的平整度、精度、尺寸、数量等不应低于规范要求，对于科研项目，应高于规范要求。总之，样品的制样水平直接决定着膨胀岩试验的精确度。此外，样品尺寸与试验设备也应高度匹配。

2 自由膨胀率试验注意事项

岩石自由膨胀率是岩石标准样品在浸水前后径向和轴向变形的变化大小，以百分比表示。自由膨胀率试验设备如图1所示。

图1 自由膨胀率仪

本试验得出轴向自由膨胀率和径向自由膨胀率两组参数，它适用于遇水不易崩解的岩石。

试验过程中，注意事项如下：

(1)因为膨胀是通过岩石自身的失水和吸水特性表现出来，因此在试验前，应尽量避免样品吸水、失水，应将其放入保湿器中，并且密封。如果吸水，自由膨胀率试验数值将偏小；如果失水，自由膨胀率试验数值将偏大。

(2)在试验前，应对样品进行除尘处理，否则灰尘或尘土将影响试验数据；特别是对一些膨胀参数较小的岩类，尤应注意。

(3)在试验中，千分表与试样接触应良好，所有接触点或面一定要进行预压，否则对于膨胀指标较小的岩石，试验结果会造成较大的相对误差。

(4)试验环境一定要避免振动，同时应避免风和光影响，特别对泥质含量较高的岩石，易造成样品膨胀开裂，影响试验数据准确性。

(5)由于试验的时间效应，不同的样品试验完成的时间可能有较大差异，应对试验前期尤其是24 h之内的数据予以详细记录，后期的数据根据样品的吸水特性进行记录。晚上数据的记录，应合理安排人员进行值守。样品的试验时间应充足，让样品充分吸水，达到样品的最大吸水率状态，从而提供安全的试验数据。

此外，当长时间进行膨胀性试验时，要及时对试验容器进行补水，特别是在炎热的夏天，补水时不要碰触设备，以免引起样品的震动和千分表的变化。

(6)有别于其他物理力学参数，对于膨胀性试验，应详细描述试件的破坏形式，如崩解、落块、开裂、泥化、软化等。依此辅助分析试验数据的合理性，对最终数据进行分析和取舍。

自由膨胀率的测试方法简单易行, 是膨胀岩的综合判定指标, 但它不能反映原状岩的围压，从而无法真实体现原状岩的膨胀变形。从数值上说，依据试验室做出的自由膨胀率数据进行膨胀岩判定是保守和安全的。

3 侧向约束膨胀率试验注意事项

岩石侧向约束膨胀率是岩石标准样品在有侧限条件下，浸水前后产生的轴向变形的变化大小，以百分比表示。侧向约束膨胀率试验设备如图2所示。

图2 侧向约束膨胀率试验仪

侧向约束膨胀率试验适用于遇水不易崩解的岩石。

试验过程中，注意事项如下：

(1)自由膨胀率试验注意事项中的(1)—(6)条。

(2)若试验所选设备为杠杆固结仪，除却有关固结仪的注意事项外，应注意调平，以免产生附加力，具体可以通过多次预压—回弹—预压来实现。

(3)加水后1 h内，要时刻观察膨胀情况，因可能由于接触不良发生先缩后涨的情形，应予以消除，否则会引起试验员的误判，造成试验数据偏小。

(4)试验仪中的金属套环高度必须大于试件和透水板高度[5]，以免由于套环高度不够，使试件浸水后发生三向变形。同时要注意，试样的直径最好与仪器金属套管的直径相同，误差不得大于0.1 mm，以减少试验过程中的径向变形，进而减少试验误差。

这里需要说明一点，侧向约束膨胀率仪非常简单，无论是使用专门侧向约束膨胀率仪，还是用固结仪代替，或者自制侧向约束膨胀率仪均可，只要满足试验要求并检定校准合格即可。本文是以固结仪为论述对象，但其注意事项均适用于上述三种设备。

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4 膨胀力试验注意事项

岩石膨胀力是岩石标准样品在浸水后保持原形或体积不变所需要的应力。膨胀力试验设备如图3所示。

图3 膨胀力仪

膨胀力试验适用于遇水不易崩解的岩石。

试验过程中，注意事项如下：

(1)自由膨胀率试验注意事项中的(1)—(6)条。

(2)及时记录数据采集器的底数，底数有时不为零，计算时应予以消除；应及时观察千分表的读数以调整压力，如果千分表读数较大时或试验时间过长时才调整压力，有可能产生较大的设备误差和样品变形误差。

(3)施加预荷载时，应根据具体情况即不同岩样膨胀力来定，一般规范要求10 kPa。但是对低膨胀力岩石，过大的预荷载会影响平衡力，可酌情减少预荷载。此外，施加平衡荷载时要慢和稳，不应施加冲击力[6]，不要过载，过载会破坏岩石结构。

(4)对膨胀力仪，应进行不同压力的仪器变形校正，此项经常被忽略，应引起重视。试验过程中，观测记录时应扣除仪器变形[7]。

(6)膨胀力的测定方法较多,第一种试验方法是被大家广泛认可的加荷平衡法,即在保持岩土体体积不变的条件下测得的膨胀力；第二种试验方法，即《岩石力学试验建议方法》中提到的胀压法[8]，胀压法试样在膨胀过程中,孔隙被水充满,接近饱和,因而产生了残余孔隙水压，并被计入了膨胀力量值内,产生误差，而第一种方法平衡法则不存在这个问题;第三种方法图解法[9]，其中又包括压缩膨胀法、自由膨胀法等[10]，较切合实际，但操作繁琐，需要试件较多，影响因素也多，实际试验时较少利用。三种膨胀力试验方法，图解法不具工程性价比，一般用于专项研究；胀压法所测膨胀力较大, 反映了原岩膨胀变形产生的最大膨胀力；加荷平衡法反映了原岩瞬时膨胀变形,其受到压力的抑制，所测膨胀力小于胀压法所测膨胀力[11]。工程设计时采用加荷平衡法的指标较准确，采用胀压法的指标则更安全、保守。

(7)加荷平衡法主要包括膨胀力仪法和固结仪法两种，笔者主要使用膨胀力仪法，少部分使用固结仪法。经比对，两者数据基本一致。在条件允许的情况下，建议使用膨胀力仪，其较固结仪更方便、快捷、直观。而实际一般试验室固结仪较多，量大的时候可以兼用固结仪。因此，整个试验过程可以根据试验样品数量和要求时间灵活选用。

5 耐崩解试验注意事项

岩石的耐崩解性是岩石在经过干燥和浸水标准循环后，标准样品的剩余质量与原质量之比，以百分数表示。耐崩解试验设备如图4所示。

图4 耐崩解试验仪

岩石的崩解性是岩石与水相互作用时失去黏结性，丧失强度的性质，它是由于水化作用减弱了岩石内部的联结力，进而产生崩解，在可溶盐和黏土质胶结的沉积岩地层中较为常见。耐崩解试验多适用于质地疏松、易风化、易水解的黏土岩类岩石。对于坚硬、完整岩石一般不需要进行此项试验。

试验过程中，注意事项如下：

(1)耐崩解试验最基本的要求是控制每块标准样品即浑圆状岩块的质量和磨圆度，有时，打磨浑圆状岩块较为困难，易被试验员忽视。在制作浑圆状岩块后，试验前，必须擦净其附着的岩石碎屑，再称取质量。

(2)称量时，如果去筛筒称量，细小颗粒不要漏掉。冷却时一定要放入干燥器以免吸水。

(3)岩石耐崩解性还与试验所用水有关，所用水应为20℃±2℃的洁净水，若为其他水质，可能会对崩解性产生影响，应加以说明。

(4)试件耐崩解次数，主要根据岩性来考虑。对于一般膨胀岩，一般测定2次循环的耐崩解指数即可满足要求；而对于重要工程、特殊工程及有特定需求时，可根据实际情况进行5次或5次以上循环。

(5)在耐崩解性试验中，还可采用崩解时间、崩解特征、崩解速度[12]三个参数进行辅助分析，以期达到更准确的试验效果。

6 膨胀性试验的时间特征

膨胀岩的前四种试验指标即轴向自由膨胀率、径向自由膨胀率、侧向约束膨胀率和膨胀压力的数值均随时间延长而增大，初始阶段变化均较快，最后逐渐趋向于一个稳定值；膨胀岩的耐崩解试验，初始阶段质量变化也较快，随着循环次数增加，变化也逐渐减小，直至稳定。

所以我们在重视整个试验过程的时候，应注意对前期试验过程的控制。同时，对部分强膨胀性岩石，其膨胀性指标的测定，时间跨度可达一周甚至半个月以上，其后期的膨胀性表现也不容忽视。

7 试验的改进

膨胀性试验所用岩石均为现场获取，无论是块状还是柱状，其在获取过程中，受采样条件限制，含水率很容易发生变化。因此，实际试验过程中，误差很难避免。倘若没有了含水率的影响，把所有的标准样均先进行烘干，然后在不同含水率状态下进行试验，给出含水率与膨胀性指标的关系曲线，这样就可以根据曲线选择更符合现场情况的指标。但试验工作量会大量增加，这有待进一步的探讨。

此外，如果把岩石的应力状态恢复到现场实际应力状态时，获取的试验数据是否更合理更适用，这同样值得思考。