贵黄高速公路沿线二叠系泥岩膨胀特性研究
2021-02-22符嘉望
符嘉望 迟 帅
1 广东省地质局第八地质大队 广东 梅州 514089 2 广东省地质局第十地质大队 广东 中山 528429
目前,关于膨胀岩土的定义,国内外学者尚存在不同的认识,但一致认为膨胀岩的工程特性,主要受膨胀岩土的微小粘粒影响,正是由于这些富含大量亲水矿物的微小粘粒的存在,使膨胀岩土在工程实践中,表现出显著的变形特性[1]。
膨胀岩(土)的膨胀特性,一方面受到温度、压力等外部地质环境的作用,另一方面,也与其本身的矿物组成、干密度、碎屑颗粒粒径、初始含水率等内部因素密切相关,在外部因素与内部因素共同作用下,导致膨胀岩土具有膨胀特性[2]。
1 矿物化学成分
粘土矿物和碎屑矿物是贵黄高速二叠系泥岩的主要组成成分,其中,粘土矿物主要包括蒙脱石、伊利石和高岭石等亲水性矿物;碎屑矿物主要有石英、长石和云母。经检测,中风化泥岩中石英含量可达62.5%~70.2%。伴随着风化程度的加深,原生矿物中的石英含量降低到48.6%~58.2%,减幅达17.1%,而粘土矿物(蒙脱石、高岭石、伊利石)含量大幅提高,上升到35.6%~41.8%[3],随着泥岩的风化强度由中风化逐渐转变为强风化,云母、褐铁矿等次生矿物的含量也有不同程度的增加,强度高的稳定矿物(石英)含量减少,降低了岩石的力学性能和稳定性。
表1 二叠系泥岩岩矿分析结果表
2 膨胀特性试验设计
针对泥岩的膨胀特性,本次研究设计了自由膨胀率试验、侧向约束膨胀率试验和膨胀压力试验。
2.1 自由膨胀率试验
岩石的膨胀性,可以取岩石的轴向自由膨胀率和径向自由膨胀率,在无侧向约束条件下的最大值,进行判定[4]。选取直径为60 mm,高径比为1:1的圆柱体泥岩岩芯,作为试验的试件。将制备好的试件置于自由膨胀率试验仪上,并将大小等于试样直径、被保鲜膜包裹的透水板,分别放置在试件上下两侧,采用橡皮筋固定。其中,试件上方的透水板顶部,再放一块500g的金属薄板。最后,在试件的上部和岩石侧向位置各安装一个千分表。夹放薄铜板在千分表表头与试样之间,减少试件与千分表表脚直接接触,造成的试验误差。每隔 10min记录千分表读数一次,若连续3次试验读数不变,说明试块已妥当安装[4]。将蒸馏水缓慢加入至盛水容器内,试样上部的透水板彻底被水面淹没时,停止加水。试验过程中,为维持容器内水位不变,应及时加入蒸馏水,并使水温变化小于 2℃。试验开始的1h内,每10min,记录一次千分表的读数;以后每隔1h,测读一次岩石的轴向和径向变形。直至在所有的千分表中,连续3次读数差值不超过0.001 mm,岩石膨胀变形作用结束。试样浸水后的试验时间不得少于48h[5]。
2.2 侧向约束膨胀率试验
岩石的侧向约束膨胀率,为在轴向被施加固定荷载(5kPa)且受到侧向约束条件下,试样浸水后试样轴向变形与原高度的比值。
室内条件下,将保持天然含水状态的岩芯,制备成直径为60mm,高20mm的圆柱体。试验前,在侧向约束试验仪器的金属套环内侧涂抹凡士林,减少岩石与金属环相互摩擦。重复自由膨胀率试验中,在试件上下方,放置透水板的操作。在试样顶部安装,能对试样产生5kPa持续压力的金属荷载板,并安装垂直千分表。夹放薄铜板在千分表表头与试样之间,避免试件与读数仪器直接接触,造成的试验误差。每隔10min,测读千分表一次,若连续3次读数稳定不变,说明试块已妥当安装[4]。将蒸馏水缓慢加入至盛水容器内,试样上部的透水板彻底被水面淹没时,停止加水。试验过程中,为维持容器内水位不变,应及时加入蒸馏水,并使水温变化小于2℃。后续测读记录过程与自由膨胀率试验一致。试样浸水后的试验时间不得少于48h[5]。
2.3 膨胀压力试验
试验前,在侧向约束试验仪器的金属套环内侧涂抹凡士林,减少岩石与金属环相互摩擦,将制备好的试件置于自由膨胀率试验仪上,并将大小等于试样直径、被保鲜膜包裹的透水板,分别放置在试件上下两侧,采用橡皮筋固定。将加压系统和测量试件变形的千分表加装在膨胀力试验仪上,使仪器各部位和试件保持在同一轴线上,减少偏心载荷的出现。记录施加10kPa的载荷压力时,千分表和测力计的读数,每10min测读1次,直至连续3次读数保持不变。夹放薄铜板在千分表表头与试样之间,避免试件与读数仪器直接接触,造成的试验误差。每隔 10min,测读千分表一次,若连续3次读数稳定不变,说明试块已妥当安装[5]。将蒸馏水缓慢加入至盛水容器内,试样上部的透水板彻底被水面淹没时,停止加水。试验开始时,每10min测读一次千分表,连续3次读数差值小于0.001mm时,改为每1小时测读一次数;当连续3小时,千分表读数差值小于0.001mm时,记录载荷值。相邻3次读数差值不大0.001mm,即认为岩石膨胀变形作用结束。试样浸水后的试验时间不得少于48h[5]。
3 试验结果分析
3.1 自由膨胀率
岩石自由膨胀率的计算公式为:
式中:Vh为轴向自由膨胀率(%);Vd为径向自由膨胀率(%);H为试件高度(mm);D为试件直径或边长(mm);ΔH为试件轴向变形量(mm);ΔD为试件径向变形量(mm)。
由表2可知,强风化泥岩的轴向自由膨胀率为35.2%~39.2%,径向自由膨胀率为14.3%~15.8%;中风化泥岩的轴向自由膨胀率为17.3%~19.2%,径向自由膨胀率为7.2%~10.3%[3]。
表2 泥岩自由膨胀率试验结果表
由试验结果可知,两类泥岩的Vh均远大于Vd,贵黄高速沿线二叠系泥岩为层状构造,且含大量的黏土矿物。进到孔隙中的水,在竖直方向向运移的速度大于,其在水平方向运移的速度,即在同样的时间内,轴向膨胀量大于径向膨胀量[6]。
3.2 侧向约束膨胀率
岩石侧向约束膨胀率的计算公式:
式中,Vhp为岩石侧向约束膨胀率(%),ΔH1为有侧向约束试件的轴向变形量(mm),H为试件高度(mm)。
由表3可知,强风化泥岩侧向约束膨胀率为33.5%~38.0%,算术平均值为36.4%;中风化泥岩的侧向约束膨胀率为14.3%~18.7%,算术平均值为16.5%,膨胀率较小[3]。
表3 侧向约束膨胀率试验结果
图1 泥岩轴向自由膨胀率随时间变化关系图
图2 泥岩侧向约束膨胀率随时间变化关系图
3.3 膨胀力
由图3可知,前2h内,两类岩石的膨胀压力急剧上升,其后,缓慢增长,在27h左右,达到极限值。其中,强风化泥岩的极限膨胀压力为167.2kPa,中风化泥岩的极限膨胀压力为93.8kPa[3]。
图3 泥岩膨胀力随时间变化关系图
自由膨胀率曲线、侧向约束膨胀率曲线、膨胀力曲线均可以分为三个阶段:(1) 膨胀急剧阶段,此阶段各膨胀变形参数接近呈指数、直线型增长,膨胀剧烈。试样被水浸润后,水分经岩石上表面的微孔隙,在岩石内部迅速移动,增大了岩水接触的面积。岩石与水相互作用,持续扩大微孔隙的体积,试样急剧膨胀,变形较为显著,这段时期内,岩石的膨胀变形量约占总变形量的80%;(2) 膨胀缓慢阶段,此阶段变形曲线多呈外凸弧线,膨胀减速[7]。容器内的水持续地浸入泥岩内部,岩石中的微孔隙逐渐被水充填饱和,泥岩内的可溶性物质溶水后,转化为离子被带走;(3) 膨胀稳定阶段,岩样微孔隙内被水完全充填,达到饱和状态,变形曲线不再发生变化,呈一条平行于横坐标轴的直线,岩石停止膨胀变形,该阶段持续时间较长。