试件尺寸对岩石膨胀力测试值影响的研究

2021-04-22张廷雷李蓉仑

工程与试验 2021年1期

张廷雷，李蓉仑，杨鸿，方明

(中铁二院成都工程检测有限责任公司，四川成都 610083)

1 引言

膨胀岩是指含有较多亲水性矿物的岩石，是当含水率变化时，岩体会发生较大体积变化的一类特殊岩石。我国膨胀岩分布十分广泛，全国有多个省、区存在膨胀岩。膨胀岩具有一些特殊的物理力学性质，所以，膨胀岩是对工程危害较大的一类软岩，是岩土工程领域中的一个重点研究对象[1,2]。膨胀岩的工程性质明显有别于硬质岩体和软弱土体，尤其是在水环境的作用下，岩体内部的变形受到约束，其内部结构的变化就会产生膨胀应力；当膨胀导致的变形受到的约束较小或应力足够大时，膨胀变形便会发生，这些都会危害到工程结构的稳定性[3,4]。

近几年，成渝铁路客运专线、西成铁路等均因岩石的膨胀性问题导致围岩发生破坏，承载力的不足引发掌子面失稳、拱顶下沉增大现象，使得铁路建设对岩石的膨胀性愈加重视，对岩石膨胀性的试验要求也越来越严格。基于这种现状，确保岩石膨胀性试验方法的标准性、一致性和试验数据的准确性、可靠性尤为重要。

膨胀力试验是测定膨胀岩在水中浸泡的情况下，产生膨胀应力的试验方法。具体操作按《铁路工程岩石试验规程》[5]进行。该试验规程中对岩石试件尺寸的要求是：直径宜为50mm，尺寸偏差为±0.1mm，高度应不小于20mm，尺寸偏差为±0.2mm，且应大于岩石最大颗粒的10倍。规程中明确了试件直径，但对高度要求仅为下限值，无上限值，且在膨胀力计算公式中未对不同高度进行修正，致使高度的不同引起膨胀力测试值变化。对膨胀力试验样品高度的要求并不明确，试验方法的标准性、一致性较差，导致试验数据的准确性、可靠性差，进而影响膨胀岩判定及膨胀岩工程的安全[6]。目前，试件尺寸对膨胀力试验结果影响的相关研究较少，对膨胀力试验结果影响的规律和程度不能确定，使膨胀岩的测试结果产生偏离。

本文选取生产工作中具有代表性的岩石样品60组进行不同试件高度的岩石膨胀力试验，通过对比分析，研究岩石试件尺寸对岩石膨胀力试验结果影响的规律和程度，为后期岩石膨胀力试验及解决工程中膨胀岩带来的问题提供指导。

2 试验样品、仪器设备及试验方法

2.1 试验样品

选取生产工作中的部分需要进行膨胀性判定的岩石样品共60组，其中30组样品制作直径为φ50mm，高度分别为20mm、30mm、40mm、50mm的4个不同规格尺寸的试样，开展岩石试件高度对岩石膨胀力试验结果影响的研究。另外30组样品制作高度为20mm，直径分别为φ50mm、φ60mm、φ70mm、φ80mm的4个不同规格尺寸的试样，开展岩石试件直径对岩石膨胀力试验结果影响的研究。

2.2 主要仪器设备

(1)钻石机、切石机、磨石机等试件加工设备。

(2)直角尺、放大镜等试件检查设备。

(3)岩石膨胀压力试验仪[5]。

(4)游标卡尺：分度值0.02mm。

(5)千分表：量程5mm，分度值0.001mm。

(6)鼓风干燥箱：24h内温度能保持在105℃～110℃范围。

2.3 试验方法

按照《铁路工程岩石试验规程》[5]进行饱和吸水率试验，按照《铁路工程土工试验规程》[7]进行自由膨胀率试验。

按照《铁路工程岩石试验规程》[5]第9.3款进行岩石膨胀力试验，并应符合以下要求：

(1)试件的试验前含水状态为烘干状态。

(2)将试件装入内壁涂有凡士林的金属套环内，并在试件上下端分别放置一张薄型滤纸和金属透水板。

(3)安装加压系统和测量试件变形的千分表，应使仪器各部位和试件在同一轴线上，不得出现偏心荷载。

(4)对试件施加产生0.01MPa压力的荷载，测记千分表读数，每隔10min测读一次，直至连续3次读数不变。

(5)向容器内缓缓地注入蒸馏水，直至淹没上部透水板，立即清零压力值，观测千分表和压力指示器读数的变化，试件高度在整个试验过程中始终不变。

(6)开始时每10min读数一次，连续30min读数不变时改为隔1h读数一次，直至连续3h读数不变或持续下降，则认为稳定并记录试验压力。浸水后总试验时间不得少于48h。

(7)试验过程中，应保持水位不变，水温变化不得大于2℃。

(8)结束后，应描述试件表面的泥化和软化现象。

3 试验结果及分析

3.1 试件高度对岩石膨胀力测试值的影响

膨胀力的计算公式如下：

(1)

式中：PP为岩石膨胀力，kPa；F为轴向压力值，N；A为试件截面积，mm2。

由式(1)可知，岩石膨胀力通过试验的轴向压力值除以试件的截面积得来，公式中不包含对高度的修正信息。对于同一岩石样品，当试件高度变化时，岩石的膨胀力测试值也随之发生变化。岩石膨胀力应作为岩石的特性指标使用，测试值随高度变化而改变不符合使用要求。因此，选取具有代表性的岩石样品30组制作直径φ50mm，高度分别为20mm、30mm、40mm、50mm的4个不同规格尺寸的试样，开展岩石试件高度对岩石膨胀力试验结果影响的研究。30组试件的膨胀力平均值与试件高度关系如图1所示。

图1 膨胀力平均值与试件高度相关关系

根据图1，运用最小二乘法拟合膨胀力平均值与试件高度相关关系曲线及关系方程[8，9]，可以发现，膨胀力随着试件高度的增大而增大，并呈现较好的线性关系，相关系数R2为0.9864。膨胀力与试件高度并不呈等比例增加，高度为50mm试件的膨胀力平均值为408.7kPa，是高度为20mm试件膨胀力72.0kPa的5.68倍。可见，试件尺寸对膨胀力试验结果的影响显著，试件高度的不同将导致试验数据存在较大差异，无可比性，影响对岩石膨胀性的判定。因此，有必要在试验方法标准、规程规范中明确试件的高度范围，或通过研究给出试件高度的修正值。

图2为泥岩、泥质砂岩、砂岩3种不同岩性膨胀力平均值与试件高度的关系曲线。可以看出，泥岩、泥质砂岩、砂岩的膨胀力值受试件高度变化的影响程度不同。通过拟合关系曲线可知，泥岩的斜率最大，为15.283，泥质砂岩次之，为10.731，砂岩最小，为5.8172。泥岩的膨胀力值随试件高度的增加而增加的速度最快，即试件高度变化对泥岩膨胀力试验影响更显著，泥质砂岩次之，砂岩的影响最小。这表明，高度对膨胀力测试值的影响与各岩石本身的特性有关。

图2 不同岩性膨胀力平均值与试件高度相关关系

图3为不同岩性饱和吸水率对比，泥岩的饱和吸水率最大，砂岩的饱和吸水率最小。由此可见，饱和吸水率越大，岩石孔隙率越大，结构的密实程度越差，岩石试件的膨胀力受试件尺寸变化的影响更显著。

图3 不同岩性饱和吸水率对比

为了分析饱和吸水率，即岩石的密实程度对膨胀力与试件高度相关关系的影响，对泥岩的膨胀力试验数据按饱和吸水率大小分成4组，分别是>15%、10%～15%、5%～10%、<5%。每组内不同试件高度的膨胀力取平均值，绘制4组数据的岩石膨胀力与试件高度相关关系曲线，如图4所示。图4表明，饱和吸水率越大的岩石试样，高度变化对膨胀力试验结果的影响越显著，与上文中分析结论一致。

图4 泥岩饱和吸水率对膨胀力与试件高度相关关系的影响

可见，试件高度对岩石膨胀力试验结果的影响显著，试件高度越大，岩石膨胀力试验值越大。试件高度的不同将导致试验数据存在较大差异，无可比性，影响对岩石膨胀性的判定。因此，有必要在试验方法标准、规程规范中明确试件的高度范围，或通过研究给出试件高度的修正值。同时，试件高度对岩石膨胀力试验结果的影响与岩石的结构特征有关，岩石的饱和吸水率越大，岩石的孔隙率越大，密实程度越差，则试件高度对岩石膨胀力试验结果的影响越显著。

3.2 试件直径对岩石膨胀力测试值的影响

选取具有代表性的岩石样品30组制作高度为20mm，直径分别为φ50mm、φ60mm、φ70mm、φ80mm的4个不同规格尺寸的试样，开展岩石试件直径对岩石膨胀力试验结果影响的研究。30组试件的膨胀力平均值与试件直径相关关系如图5所示。

图5 膨胀力平均值与试件直径的相关关系

图5表明，在试件高度维持20mm不变的情况下，岩石膨胀力测试值随试件直径增加的变化规律不一，变化幅度很小，总的变化趋势是随试件直径的增大而减小。这说明，试件直径对岩石膨胀力试验结果的影响不明显。

3.3 试件高径比对岩石膨胀力测试值的影响

岩石单轴抗压强度、压缩变形等参数均与试件的高径比存在较好的相关关系，然而，膨胀力与试件的高径比相关性并不好。膨胀力平均值与试件高径比的相关关系如图6所示，图中前4点为高度20mm，直径分别为φ50mm、φ60mm、φ70mm、φ80mm的4个不同规格尺寸的试样，高度相同，直径发生变化，膨胀力平均值基本无变化；后3点为直径为φ50mm，高度分别为30mm、40mm、50mm的3个不同规格尺寸的试样，直径不变，高度发生变化，膨胀力值发生明显的变化。