卢氏膨胀岩膨胀力特性试验研究

钱苗苗 冷先伦 张善凯 翟顺 张占荣

摘要：通过对卢氏膨胀岩试样开展物理成分、微观结构和膨胀率等试验，研究了岩样泡水后膨胀力的特性及其变化的微观机理。通过X射线衍射试验发现卢氏膨胀岩的矿物成分中黏土含量约占49.1%，其中伊利石、蒙脱石的相对含量近90%，使其表现为较强的亲水性。基于加压膨胀法，设计了4种不同的初始含水率和4种不同干密度，共16组96个试样的膨胀力测试方案，探究了初始含水率和干密度对卢氏膨胀岩膨胀力的影响规律。通过多因素耦合分析方法，采用幂函数拟合初始含水率，指数函数拟合干密度，并给出了双因素膨胀力的拟合公式。通过电镜试验研究了初始含水率对膨胀力影响的微观机理，结果表明：当初始含水率较低时，黏土颗粒遇水膨胀后出现微小裂隙，导致膨胀力急剧增加;随着初始含水率增加，黏土颗粒的粒径由大变小，粗颗粒崩解，细粒含量增加，出现泥化现象，膨胀力缓慢减小。

关 键 词：膨胀力; 初始含水率; 干密度; 加压膨胀法; 微观结构; 卢氏膨胀岩

中图法分类号： TU443   文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.031

0 引 言

膨胀岩是一种吸水膨胀变形的特殊软岩，由强亲水性黏土矿物组成，当膨胀岩的吸水变形受到限制时则会产生膨胀力[1]。新建蒙华铁路运煤专线穿越卢氏盆地，在多处以挖方形式通过，这就形成了大量的膨胀岩路堑边坡。当膨胀岩遇水膨胀后产生膨胀压力易导致工程建筑物发生破坏，如路堑边坡岩体失稳、建筑地基因吸水体胀而发生破坏、巷道围岩变形破坏等，这些灾害均与膨胀岩吸水膨胀特性密切相关[2-5]，因此研究膨胀岩的膨胀力规律显得尤为重要。

针对膨胀岩的膨胀力特性，众多学者在影响因素和变化规律等方面开展了诸多研究。在影响因素方面：刘泉声[6]、温春莲[7]、谭罗荣[8-9]等认为干密度、饱和度及蒙脱石矿物含量等是影响膨胀力的主要因素;董柏林[10]、朱珍德[11]等认为初始含水率对膨胀力的影响较为显著;丁振洲等[12]通过吸湿试验认为初始含水率和干密度对膨胀力影响显著;谢云[13]、刘静德[14]、蔡耀军[15-16]等通过试验均认为在干密度不变的条件下，膨胀力随着初始含水率增大呈减小的趋势，在初始含水率不变的条件下，膨胀力与干密度呈减小的趋势。

在膨胀力变化规律研究方面：池泽成等[17]拟合了竖向膨胀力与干密度的关系;欧孝夺等[18]通过研究提出微小变形和零变形下膨胀力的变化特征，提出膨胀力与初始含水率和干密度存在线性和幂函数的关系，并采用MATLAB数据工具对这两个因素对膨胀力的影响规律进行了公式拟合。此外，在膨胀岩微观结构方面，李学等[19]研究了微观结构在整体与局部的影响关系，舒志乐[20]、张善凯[21-22]等研究了干湿循环效应对膨胀岩膨胀特性的影响，并从微观上阐释了膨胀机制和变化规律。

已有的研究成果表明：影响膨胀力的主要因素为干密度、初始含水率和黏土礦物含量，膨胀力与影响因素满足一定的函数关系。基于此，本文将针对卢氏膨胀岩的膨胀力特性开展物理特性、加压膨胀法和微观结构等试验，研究卢氏膨胀岩的成分与微观结构、初始含水率和干密度对膨胀力的影响规律及其与微观结构的作用机制，并通过关系拟合给出影响卢氏膨胀岩膨胀力变化特征的双因素关系表达式，为研究膨胀力对工程灾害的影响提供依据。

1 试验方法与方案

为了研究膨胀岩的膨胀力特性及其影响因素以及膨胀力变化的微观机理，设计了X射线衍射试验、加压膨胀法试验和扫描电镜试验。首先通过X射线衍射和基本物理特性试验测得膨胀岩的基本参数，然后再研究不同初始含水率、不同干密度等条件下膨胀岩的膨胀力演化规律，最后通过电镜扫描从微观结构揭示膨胀力的变化规律和微观机理。

1.1 基本物理特性指标

膨胀岩试样取至蒙西铁路三门峡市卢氏县境内。将膨胀岩长时间泡水泥化，重塑制样后，测得其基本物理参数以及矿物成分含量（见表1）。

矿物成分试验采用D8Advance X射线衍射仪测定膨胀岩的矿物含量。试验取样按照实验室要求，将风化膨胀岩经过粉碎过筛得到膨胀岩粉末。

卢氏膨胀岩岩样粉晶X射线衍射分析结果表明[23]：试样中黏土矿物的含量占49.1%，主要黏土矿物成分的相对含量分别为伊利石72.93%、绿泥石16.30%和蒙脱石10.77%。较高的伊利石和蒙脱石含量导致卢氏膨胀岩具有较高的膨胀性，这些黏土矿物颗粒小且亲水性强，与水接触后水分子极易进入黏土矿物颗粒之间，在颗粒与颗粒之间形成极化的水分子层，引起黏土矿物的膨胀。

1.2 侧限膨胀率试验方案

侧限膨胀率试验采用加压膨胀法[24]，试验设备见图1。制样时为减小试样的差异性，在同一种初始含水率和干密度的条件下同一批次试样使用同一次的混合物搅拌压制成样，压制完毕后取出部分进行干密度和初始含水率的测定，不符合条件的试样重新制作。

具体制样流程：按照试验要求，先将强风化的膨胀岩通过粉碎、过筛得到直径小于2 mm的膨胀岩粉末，再按照计算好的比例加入水得到均匀的混合物，之后在圆柱形模具中压制成直径为61.8 mm，高度为20.0 mm的重塑样品。

试验设计了4种不同的初始含水率（即7%，9%，11%，13%）和4种不同干密度（即1.55，1.65，1.75，1.85 g/cm3），共16组试验方案，每组6个试样样本，共计96个，具体试验方案如表2所列。

试验在固结仪上完成，将初始条件相同的6个试样装入固结仪中，在试样的上端和下端分别放入滤纸和透水石以保证水分的顺利贯通，然后分别在 0，12.5，25，50，100，200 kPa的上覆荷载下压缩稳定，再向容器内加入蒸馏水。间隔2 h后百分表读数不再变化后，表明该试样在相应荷载作用下已达到稳定，即可得到试样的有荷膨胀率。重复上述操作，将96个试样分为16组完成。E5411BA3-6736-4231-8262-B0A17A3C61C0

2 试验结果分析

2.1 有荷膨胀率试验结果分析

根据GBJ 112-87《膨胀土地区建筑技术规范》[25]对有荷膨胀率试验的规定，整理数据得到不同初始条件下试样的膨胀率-荷载关系曲线，并按公式A×ln（1+P）+B对离散点进行曲线拟合，以含水率7%为例拟合曲线如图2所示。

由图2可知：随着上覆荷载的逐级增加，有荷膨胀率先快速下降而后逐渐稳定。这是由于上覆荷载增大导致黏土颗粒吸水膨胀过程中遇到的阻力变大而吸附的水分子能力减小所致;初始含水率对有荷膨胀率影响明显，在相同上覆荷载的情况下，有荷膨胀率具有随初始含水率的增大而减小的规律。当膨胀率为0时，回归曲线上对应的上覆荷载即为该初始含水率下的膨胀力，本次试验得到的膨胀力结果如表3所列。

3 膨胀力变化规律的微观机理

膨胀力的变化规律与其微观结构有内在的联系。为进一步揭示不同初始状态下膨胀岩膨胀力变化规律的微观机理，对吸水前后的膨胀岩进行了电镜扫描试验。

对初始含水率条件下的试样在进行膨胀力试验前进行电镜扫描试验，吸水后的试样是使用做完膨胀力试验的试样进行电镜扫描。电镜试验试样制作方法相同。具体步骤如下：① 制样。从原样上直接敲下或锯下小块样，注意标记扫描面，磨平底部。② 标记。做好各种标记，分组装好试样。③ 将试样进行洗油和喷金。④ 测试。

图6和图7分别给出了膨胀岩在吸水前和吸水后的微观结构的变化对比图。图6和图7均为放大800倍电子显微镜扫描图像。

泡水前膨胀岩结构致密，膨胀岩黏土颗粒之间的聚集形式以面-面和边-面相叠为主;颗粒边界、孔隙特征不明显，微裂隙基本不可见。由于图6（a）的干密度大于图6（b），微观结构更为致密，水分不易进入，当吸水后由于内部结构的致密孔隙少，膨胀岩膨胀时内部消耗膨胀少，表现为膨胀力变大。

吸水后岩样可以发现裂缝发育明显，微裂隙增加显著，这为水的进入提供了良好的通道;微裂隙的发育也使得水分更易与岩样中的膨胀性黏土颗粒接触[26]。图7中红线为较大的裂隙，黄色区域为较大的泥化溶孔。当初始含水率较低时，试样由于水的作用发生较为明显的膨胀变形，随着含水率的增加，试样中裂隙越来越多，黏土颗粒粒径由大变小，粗颗粒崩解，细粒含量增加，出现泥化现象，此时膨胀力增长缓慢，导致初始含水率越高的试样其膨胀力越小。

4 结 论

通过对卢氏膨胀岩开展X射线衍射试验、加压膨胀法试验和扫描电镜试验，从物理成分、微观结构研究了膨胀岩岩样的膨胀力特性及其变化规律，得到如下结论：

（1） 卢氏膨胀岩的矿物成分分析中，黏土矿物含量占49.1%，其中伊利石和蒙脱石的相对含量近90%，是卢氏膨胀岩具有较强的亲水性和吸水性的主要原因。

（2） 卢氏膨胀岩膨胀力的主要影响因素为干密度和初始含水率，膨胀力的大小与初始含水率呈幂函数关系，与干密度呈指数函数关系，经过数据拟合给出了考虑双因素的膨胀力计算公式。

（3） 初始含水率在低值变化时（初始含水率7%增至9%时），膨胀力急剧减小，约减小了50%，在较高值变化时（初始含水率从9%增至13%），膨胀力变化幅度较小，约减小了5%～10%;膨胀力随干密度的增加呈现指数增长的趋势。

（4） 当初始含水率较低时，试样泡水后出现微小裂隙，膨胀变形较为显著。随着含水率增加，黏土颗粒粒径由大变小，粗颗粒崩解，细粒含量增加，出现泥化现象，膨胀力缓慢减小，导致岩样的初始含水率越高其膨胀力越小。

参考文献：

[1] 曾志雄，孔令伟，黄珏皓，等.延吉膨胀岩膨胀力的水-力路径效应与应用适宜性分析[J].岩土力学，2016，37（增2）：469-475，501.

[2] 倪振强，秦稳，孟昭博，等.浸水路基边坡稳定性分析及影响因素研究[J].人民长江，2019，50（增1）：107-111，214.

[3] 黄淦成，方平，王述明，等.膨胀土边坡稳定性分析及治理研究[J].人民长江，2019，50（增2）：100-102，107.

[4] 刘信勇，李振灵，陈艳.南水北调西线工程亚尔堂坝址板岩膨胀特性研究[J].人民长江，2010，41（9）：39-41，72.

[5] 崔蓬勃，王国安，董薇，等.膨胀力对运营期间隧道二次衬砌结构影响研究[J].公路，2020，65（2）：320-325.

[6] 刘泉声，王志俭.砂-膨润土混合物膨胀力影响因素的研究[J].岩石力学与工程学报，2002，21（7）：1054-1058.

[7] 温春莲，陈新万.初始含水率、重度及荷载对膨胀岩特性影响的试验研究[J].岩石力学与工程学报，1992，11（3）：304-311.

[8] 谭罗荣，张梅英，邵梧敏，等.膨胀土的某些力学行为及影响因素[C]∥第七届土力学及基础工程学术会议论文集.北京：中国建筑工业出版社，1994.

[9] 谭罗荣，孔令伟.膨胀土膨胀特性的变化规律研究[J].岩土力学，2004，25（10）：1555-1559.

[10] 董柏林，黄华慧，裴沛雯，等.碎石改良膨胀土膨胀特性实验研究[J].地下空间与工程学报，2018，14（5）：1213-1217.

[11] 朱珍德，邢福東，刘汉龙，等.红砂岩膨胀力学特性试验研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24（4）：596-600.

[12] 丁振洲，郑颖人，李利晟.膨胀力变化规律试验研究[J].岩土力学，2007，28（7）：1328-1332.

[13] 谢云，陈正汉，孙树国，等.重塑膨胀土的三向膨胀力试验研究[J].岩土力学，2007，28（8）：1636-1642.

[14] 刘静德.南水北调中线工程膨胀岩一维膨胀力试验研究[J].长江科学院院报，2009，26（11）：23-26.

[15] 蔡耀军，王小波，李亮，等.膨胀岩湿化崩解特性及膨胀性快速鉴别研究[J].人民长江，2015，46（7）：44-47.

[16] 王小波，蔡耀军，李亮，等.南水北调中线膨胀土开挖边坡破坏特点与机制[J].人民长江，2015，46（1）：26-29.

[17] 池泽成，陈善雄，周哲，等.合肥重塑膨胀土三向膨胀力试验研究[J].岩土力学，2017，38（增1）：381-386.

[18] 欧孝夺，唐迎春，钟子文，等.重塑膨胀岩土微变形条件下膨胀力试验研究[J].岩石力学与工程学报，2013，32（5）：1067-1072.

[19] 李学，张鹏，宋晶.饱和细粒土固结过程中微观结构研究[J].人民长江，2019，50（9）：180-186.

[20] 舒志乐，陈昱东，宋钇宏.干湿循环作用下膨胀土膨胀特性试验研究[J].人民长江，2020，51（6）：200-205.

[21] 张善凯，冷先伦，盛谦，等.卢氏膨胀岩在干湿循环作用下的胀缩特性研究[J].岩土力学，2019，40（11）：4279-4288.

[22] 张善凯.考虑干湿循环效应的膨胀岩边坡稳定性分析[D].北京：中国科学院大学，2019.

[23] 张善凯，冷先伦.卢氏膨胀岩膨胀和强度试验研究[J].公路工程，2020，45（3）：67-72.

[24] 曾志雄.延吉风化膨胀岩的工程力学特性及其干湿：冻融循环效应[D].北京：中国科学院大学，2016.

[25] 中华人民共和国住房和城乡建设部.膨胀土地区建筑技术规范：GBJ 112-87[S].北京：中国计划出版社，1989.

[26] 张善凯，冷先伦，盛谦.卢氏膨胀岩湿胀软化特性研究[J].岩土力学，2020，41（2）：561-570.

（编辑：郑 毅）E5411BA3-6736-4231-8262-B0A17A3C61C0