邱良軍 李慧芝

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

巖石的膨脹性試驗包括自由膨脹率、側(cè)向約束膨脹率、飽和吸水率和膨脹壓力試驗。其中巖石的自由膨脹率相對容易檢測，試驗數(shù)據(jù)也相對準確。試驗方法是，將試件放入膨脹測定儀內(nèi)，上下放置透水板，上部和四側(cè)對稱安裝千分表，記錄初讀數(shù)，加入潔凈水至淹沒上透水板，并在48 h內(nèi)按規(guī)定的讀數(shù)時間讀取變形表讀數(shù)。由測得的膨脹值和試件原始尺寸分別計算軸向和徑向自由膨脹率。巖石的自由膨脹率適用于浸水不崩解的巖石。

1 工作中的難點和問題

1.1 現(xiàn)場取樣時保證巖石的天然狀態(tài)

按規(guī)范要求，巖石在工地取樣時就應保持天然狀態(tài)，然后密封送實驗室。而一般工地現(xiàn)場取樣都是用鉆機鉆取巖芯。如果干鉆，一方面容易卡鉆，另一方面鉆進時產(chǎn)生熱量也會使巖樣中的水分散失;如果水鉆，巖樣遇水產(chǎn)生膨脹，不能保證巖樣的天然狀態(tài)。

1.2 室內(nèi)加工試件時保證巖石的天然狀態(tài)

巖石芯樣送到實驗室后，要加工成規(guī)范要求的標準尺寸，怎樣加工才能保證巖石的天然狀態(tài)是一個難題。按規(guī)范要求應干鉆或干鋸，干鉆時，由于做膨脹試驗的巖芯大部分為泥巖或砂巖，強度較小，芯樣鉆好后經(jīng)?？ㄣ@，敲出來后就會破碎;另外，由于干鉆、干鋸產(chǎn)生熱量，也會使巖樣失水;如果濕鉆、濕鋸，又會破壞巖石的天然含水狀態(tài)。

1.3 千分表讀數(shù)的問題

在實驗室采用的是量程1 mm的千分表，試驗過程中，有時白天讀完數(shù)，第二天早上來一看經(jīng)常會有超過千分表量程的試件，造成讀數(shù)不準確，無法繼續(xù)試驗。

2 問題的解決

2.1 現(xiàn)場取樣

嚴禁用爆破法取巖塊和用濕鉆法取巖芯。巖樣應有良好的包裝和密封，保證結(jié)構(gòu)不受損壞，天然濕度不發(fā)生變化?，F(xiàn)場地質(zhì)人員應嚴格要求，規(guī)范取樣，保證巖石的天然狀態(tài)。有條件時不要鉆芯取樣，應采用人工開挖法，取樣后立即密封。

2.2 室內(nèi)制件

干法鉆取制件加工起來成功率極低，鉆取芯樣時80%以上的會卡鉆，或由于干鉆震動、失水，試件也會開裂;干鋸芯樣，由于芯樣的強度很小，干鋸阻力又大，也會造成試件開裂和失水。

通過大量的試驗摸索出一些經(jīng)驗，對于非泥巖(如泥質(zhì)砂巖等)，中等強度(10 MPa左右)、不易破碎、含水量也較小(＜1%)的巖石用快速濕鋸來加工試件。做膨脹試驗的巖石一般較軟，在鋸的過程中可適當調(diào)快鋸的前進速度，使試件接觸水時間較短，以減少水對試件的浸泡。在濕鋸的過程中，有的巖石會開裂崩解，巖石自由膨脹率只適用于不崩解的巖石，這樣也可初步判定巖石是否崩解，是否能進行自由膨脹率試驗，崩解的巖石則改做石粉的自由膨脹率Fs。濕鋸后巖石含水率與天然狀態(tài)相比發(fā)生了變化，可將試件先風干3～5 d，再進行試驗。因為巖石本身含水量較小，經(jīng)過現(xiàn)場的取樣再送到試驗室也基本上為風干狀態(tài)。另一方面，巖石風干后再做自由膨脹率得到的結(jié)果應該是最大的，更能反映巖石的膨脹特性。

對于純泥質(zhì)巖石，還是用干鋸法。對于這種巖石(強度在1～3 MPa左右，天然含水量＞10%，有的天然含水量能達到30%以上，類似于硬泥，天然狀態(tài)下浸水也不崩解)，遇水后強度變得更低，用濕鋸容易破碎，而鋸后如果風干后再浸水極易開裂，所以必須采用干鋸法加工試件，且加工好試件后立即試驗。

2.3 試驗過程和千分表的調(diào)整

將試件放入自由膨脹率儀內(nèi)，在試件上下各放置一塊透水板。在試件上部和標志的四側(cè)直角對稱的中心部位分別安裝好量表，四側(cè)量表與試件接觸處應墊上一塊厚約0.2 mm的薄銅片。量表測桿浸水部分應涂有防水材料。測量表讀數(shù)，精確至0.001 mm。開始時每10 min測記一次，3次讀數(shù)不變后，緩緩的向儀器內(nèi)注水，直至淹沒上透水板。之后在開始的第1 h內(nèi)，每隔10 min測量表變形一次(膨脹量小的可延長一些，膨脹量大的要勤讀一些)，以后每隔1 h測一次，直至3次讀數(shù)差不大于0.001 mm為止，浸水后試驗時間不得少于48 h。

圖1

最好采用量程較大的千分表進行試驗。一般來說膨脹量超過1 mm的巖樣較少，大部分膨脹量大的巖樣都是崩解的或開裂的。做巖石自由膨脹率試驗一般應選在早晨剛上班時開始裝樣試驗，對一些膨脹量大的試件應勤讀數(shù)，當即將超過千分表量程時，讀數(shù)后立即重新調(diào)整千分表，讀取新讀數(shù)，以新讀數(shù)為起點再繼續(xù)讀數(shù)。開始裝樣時，千分表也要盡量調(diào)整到較小的刻度，以滿足大量程的需要。一天工作結(jié)束時應觀察千分表的狀態(tài)，如接近最大量程，應重新將千分表調(diào)零，以免造成第二天膨脹超出量程。

3 結(jié)束語

巖石的自由膨脹率試驗是測定巖石膨脹性的一項重要指標，試驗過程中的主要問題是保證巖樣試驗前的天然狀態(tài)，取樣和制件是最關鍵、也是最難達到規(guī)范要求的環(huán)節(jié)。一般來說，膨脹性大的巖石(標準試件膨脹量超過1 mm)大部分都會崩解或者開裂，而不崩解、開裂的巖石其膨脹性一般較小。經(jīng)過一些對比，對于一些不易崩解、開裂的巖石(泥質(zhì)砂巖等)做自由膨脹率試驗后烘干，再做1～2次自由膨脹率試驗，經(jīng)對比其膨脹數(shù)據(jù)無太大變化。作者認為，巖芯加工的過程中為了增加試件加工的成功率，可用濕鋸法進行加工。干鋸雖然符合規(guī)范要求，但存在很多缺點，其一，試件容易開裂，制件成功率低;其二、鋸的磨擦生熱會使巖樣中的水分散失;其三、加工過程中粉塵很大。

對于一些天然含水量較大、天然狀態(tài)浸水不易崩解、有些強度(1－3MPa)的純泥巖則必須使用干鋸法，因為其風干后再浸水極易崩解，不能進行試驗。

［1］ 張惟理，錢偉平．烏鞘嶺隧道巖石試驗成果研究［J］．鐵道勘察，2007(3)

［2］ 姚其明，郭得令，彭永良．兗石線臨沂某段巖溶路基坍塌勘察分析［J］．鐵道勘察，2011(1)

［3］ 龔興耀，尹全勇，胡惠．巖石試件縱波測試的影響因素［J］．鐵道勘察，2011(1)

［4］ 杜鐮，水運震，邢紀國，等．鉆井過程中預測鉆速的一種新方法［J］．江漢石油學院學報，1995(3)

［5］ 魯凡．巖石可鉆性分級的討論及可鉆性精確測量［J］．超硬材料工程，2007(2)

［6］ 李榮，何世明，等．鉆井工程中巖石可鉆性求取綜合研究［J］．鉆采工藝，2004(5)

［7］ 高峰，謝和平．巖石塊度分布的分形性質(zhì)及細觀結(jié)構(gòu)效應［J］．巖石力學與工程學報，1994，13(3):240-246

［8］ 張紹和，等．一種新的巖石可鉆性分級法研究［J］．探礦工程，1999(6)

［9］ TB10115—98 鐵路工程巖石試驗規(guī)程［S］

［10］尹宏錦．實用巖石可鉆性［M］．東營:中國石油大學出版社，1988

［11］鞍山黑色冶金礦山設計研究院，長沙礦山研究院．國外牙輪鉆機［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，1980