付志華

(中鐵十九局集團第一工程有限公司，遼寧 遼陽 111000)

寶雞至蘭州客運專線7標(biāo)郭家鎮(zhèn)隧道穿越第三系泥巖、砂質(zhì)泥巖地層，該套地層巖體含有較多的親水礦物，具有遇水膨脹、軟化、失水崩解、開裂的典型膨脹性特征。依據(jù)巖土試驗成果資料，粘土巖固結(jié)成巖較差，飽和單軸抗壓強度2.83MPa，屬極軟巖。泥巖自由膨脹率>30%，松散狀泥(粘土)巖自由膨脹率>40%，屬弱膨脹巖。施工時可能遇到洞室變形及地基持力層遇水膨脹問題，而且在隧道的運營過程中由于含水量的變化導(dǎo)致圍巖應(yīng)力發(fā)生變化，進而引發(fā)底鼓、二次襯砌變形等一系列嚴(yán)重危害列車安全運營的工程問題。目前，文獻[1]通過泥質(zhì)巖的膨脹試驗，分析了應(yīng)變變化對膨脹力的影響，指出泥只巖膨脹力高度依賴于試驗期間所受的應(yīng)變；文獻[2]研究了不同應(yīng)力路徑條件下泥巖膨脹力對結(jié)構(gòu)的影響；文獻[3]對南京紅山窯風(fēng)化紅砂巖進行了膨脹變形及力學(xué)特性試驗研究，得出了膨脹巖存在應(yīng)變軟化現(xiàn)象，且膨脹應(yīng)力、塑性流動以及隨濕度場而變化的屈服準(zhǔn)則等都是相互耦合的；文獻[4]對南京紅山窯水利樞紐工程中的紅砂巖抗剪強度與含水量的關(guān)系進行試驗研究后，指出膨脹巖的抗剪強度與含水量密切相關(guān)，且膨脹巖的凝聚力和內(nèi)摩擦角與含水量之間具有良好的對數(shù)關(guān)系；文獻[5]對膨脹性泥巖的非線性強度變形特性進行試驗研究后指出，泥巖的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈應(yīng)變軟化特性，峰值強度、殘余強度及殘余強度比均隨圍壓的增大而增大；文獻[6]通過原狀膨脹巖剪切性狀的直剪試驗研究， 與重塑樣的剪切性狀試驗結(jié)果進行對比， 指出膨脹巖原狀樣與重塑樣在剪切性狀上表現(xiàn)出很大的差別， 室內(nèi)重塑樣剪切試驗很難獲得準(zhǔn)確的膨脹巖土體的抗剪強度指標(biāo)， 工程上應(yīng)盡量做原狀或原位試驗；文獻[7]對南水北調(diào)中線強膨脹巖重塑樣進行了膨脹率試驗，研究了廣義膨脹力的影響因素，并推導(dǎo)出廣義膨脹力經(jīng)驗公式；文獻[8]對泥質(zhì)膨脹巖崩解物粒徑分布與膨脹性關(guān)系進行了試驗研究，判定膨脹巖膨脹性的強弱與其崩解物的最大含量粒組顆粒粒徑、有效粒徑和耐崩解性指數(shù)呈反相關(guān)關(guān)系；文獻[9]針對實際工程中膨脹巖應(yīng)力狀態(tài)的變化情況，對南水北調(diào)中線膨脹巖開展了三軸循環(huán)加卸荷試驗以及卸荷試驗，試驗結(jié)果表明，可以用一負(fù)指數(shù)函數(shù)來擬合膨脹巖應(yīng)變增加量與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系；文獻[10]采用正交試驗的方法對膨脹巖的膨脹性相似材料配比進行研究；文獻[11]對客運專線無碴軌道泥巖地基原位浸水膨脹變形進行試驗研究后指出，泥巖加荷—浸水膨脹以塑性變形為主，卸載情況下泥巖的回彈量值占總變形量的6.39%～7.00%；文獻[12]對不同膨脹狀態(tài)下的膨脹巖進行無膨脹作用的剪切蠕變試驗、膨脹與蠕變完全耦合的剪切蠕變試驗、膨脹與蠕變不完全耦合的剪切蠕變試驗、膨脹與蠕變分開耦合的剪切蠕變試驗。

由于目前對巖石膨脹影響因素的研究成果主要來自重塑樣品的試驗，重塑樣品破壞了巖石結(jié)構(gòu)，因而不能真實地反映巖石的力學(xué)特性。本文采用現(xiàn)場采取巖樣進行室內(nèi)試驗，得到了巖體的膨脹特性。

1 灰質(zhì)泥巖礦物化學(xué)成分分析研究

膨脹巖的主要礦物成分包括碎屑礦物和粘土礦物。碎屑礦物指的是石英石、方解石、云母以及長石等。黏土礦物指的是高嶺石、伊利石和蒙脫石，這些黏土類礦物是影響膨脹巖膨脹特性的決定性因素。與此同時，巖石的顆粒大小、膠結(jié)程度也是影響其膨脹特性的重要因素。研究表明，郭家鎮(zhèn)地區(qū)的膨脹巖主要含有的礦物成分是伊利石和高嶺石，一般屬于弱膨脹巖。

礦物成分分析采用了河北師范大學(xué)無機化學(xué)測試部的D/Max 3B型X射線衍射儀。郭家鎮(zhèn)隧道收集的部分圍巖的測試結(jié)果如表1所示。

表1 郭家鎮(zhèn)隧道礦物成分分析表

礦物成分中粘土礦物的百分含量對巖石的膨脹性起到?jīng)Q定性作用，郭家鎮(zhèn)膨脹巖的主要膨脹礦物為伊利石和高嶺石。高嶺石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了其水化作用較小，因而膨脹性能較弱。而蒙脫石離子交換能力較強，所以其親水性和膨脹性均較強。根據(jù)以上原理，由該膨脹巖的礦物組成分析可知，郭家鎮(zhèn)隧道的膨脹巖屬于弱膨脹巖。

2 膨脹巖膨脹特性試驗試樣的制備

由于膨脹巖的抗擾動能力很差，遇水后產(chǎn)生崩解。如果吸水量較小時，巖體尚未達(dá)到崩解程度，但已經(jīng)產(chǎn)生了很大的變形，應(yīng)力釋放較大，將導(dǎo)致試驗無法得到可靠的結(jié)果。由于膨脹巖遇水軟化的特點，給原狀巖試樣的取芯工作帶來很大的困難。在取芯過程中，鉆頭不能通過通水來冷卻，所以要采用耐高溫的軟巖專用鉆頭，同時在取芯之前還要取部分巖石做天然含水率試驗，若含水率過高會導(dǎo)致巖芯卡到鉆頭中無法取出。此時需對天然巖塊進行烘干，但烘烤時間不能過長，否則將導(dǎo)致巖石含水量過低，造成取芯過程中出現(xiàn)巖芯斷裂現(xiàn)象。由于膨脹巖的取芯難度高，所以目前國內(nèi)大部分有關(guān)膨脹巖的研究中，均采用巖石的重塑樣代替原始巖石來進行膨脹試驗和力學(xué)試驗。具體做法是用較大的完整試塊制樣制作原狀巖石試樣，將其它不完整的巖石磨碎后，制作成重塑樣。在隧道現(xiàn)場采取巖石后，現(xiàn)場加工出工整試塊，使用SC-200型自動取芯機(見圖1)進行無水鉆芯，之后用砂紙打磨等手工操作把兩斷面加工成誤差不超過0.5mm的原巖試塊。以破碎巖體加工成重塑試樣。

為了防止試件內(nèi)天然水分的喪失，試樣加工完成后應(yīng)立即用保鮮膜，錫箔包裹，再用石蠟封嚴(yán)，在陰涼干燥處進行保存。

3 膨脹巖的膨脹率測定

3.1 自由膨脹率測定

進行自由膨脹率試驗的目的是測量無側(cè)向約束條件下， 巖石的軸向自由膨脹率和徑向自由膨脹率。 試塊采用直徑為50mm的圓柱體， 高徑比為1∶1。由于膨脹巖具有遇水崩解的特性，而自由膨脹率試驗適用于遇水不易崩解的巖石，需要對已加工試塊的形狀進行預(yù)加固的同時，又不能影響巖石在水中的膨脹性。所以用保鮮膜(表面具有透水孔)對巖石進行了包裹，以達(dá)到防止膨脹巖在水中崩解的目的。將試件放入YZP-1型自由膨脹率試驗儀(見圖2)中，在試塊上、下斷面放置等于試塊直徑的透水板，透水板通過皮筋綁定保鮮膜。在頂部放置一塊500g的金屬薄板。然后在試塊的上部和巖石側(cè)向?qū)?yīng)位置安裝千分表，千分表表頭與試塊的接觸面間夾有薄銅板。同時防止千分表表腳陷入試塊中影響試驗精度。每隔10min記錄千分表讀數(shù)一次，若連續(xù)3次試驗讀數(shù)不變則表明試塊安裝妥當(dāng)，可以進行注水。加水時一次性將水加到透水石以上，在整個試驗過程中要保持水位處于試塊上方，溫度變化不得超過2℃，在試驗開始的10min內(nèi)每隔2min讀數(shù)一次，之后每隔10min讀數(shù)一次，1h后每隔30min讀數(shù)一次，直到相鄰3次讀數(shù)差值不大于0.001mm即認(rèn)為穩(wěn)定，總的浸水時間不小于48 h。整個試驗過程中試驗臺不得發(fā)生震動，并及時加入蒸餾水保證水位不變。泥巖自由膨脹率的試驗記錄如表2所示。

圖1 SC-200型自動取芯機

圖2 YZP-1型自由膨脹率試驗儀

無側(cè)向約束自由膨脹率的計算公式為

(1)

(2)

式中：Vd為徑向自由膨脹率，%；H為試件高度，mm；D為試件直徑或邊長，mm；Uh為試件軸向變形量，mm；Ud為試件徑向變形量，mm。

表2 泥巖自由膨脹率試驗記錄

試驗前含水率為2.33%，試驗后含水率為26.4%，經(jīng)測算，含水率增大24.07%。根據(jù)三組平行試驗，求出膨脹量的算術(shù)平均值，平均軸向自由膨脹率為5.4%，平均徑向自由膨脹率為2.3%，膨脹率較大。泥巖軸向膨脹率隨時間變化關(guān)系曲線如圖3所示，徑向膨脹率隨時間變化關(guān)系曲線如圖4所示。

圖3 泥巖軸向膨脹率隨時間變化關(guān)系曲線

圖4 泥巖徑向膨脹率隨時間變化關(guān)系曲線

由圖3～4可知，從巖石測定的膨脹率與時間的關(guān)系來看，在無約束的條件下，試驗開始的前3h內(nèi)，膨脹率急劇增加，4h后徑向膨脹曲線增長緩慢并且逐漸趨于常量，膨脹巖軸向膨脹率在前3h內(nèi)增長較大，之后經(jīng)過較長時間的緩慢增長，到15h后基本趨于穩(wěn)定。

3.2 側(cè)向約束膨脹率測定

巖石側(cè)向約束膨脹率指的是，試樣受側(cè)向約束，且軸向施加固定荷載(5kPa)條件下，浸水后試樣軸向變形與原高度的比值。

試塊為現(xiàn)場采取，并保持天然含水狀態(tài)。采取的試樣為直徑50mm，高度20mm的圓柱體試塊。首先在側(cè)向約束試驗儀器的金屬套環(huán)內(nèi)側(cè)涂抹凡士林(防止巖石與金屬環(huán)發(fā)生摩擦影響試驗結(jié)果)，試樣上下放置濾紙和金屬透水板，頂部安裝金屬荷載板與千分表。金屬荷載板對試塊產(chǎn)生5kPa的壓力，即金屬荷載板的質(zhì)量為1kg。然后在金屬荷載板上安裝千分表，千分表表頭與試塊的接觸面間夾有薄銅板。同時防止千分表表腳陷入試塊當(dāng)中影響試驗精度，每隔10min記錄千分表讀數(shù)一次，若連續(xù)3次試驗讀數(shù)不變則表明試塊安裝妥當(dāng)，可以進行注水。加水時將水一次性加到透水石以上，在整個試驗過程中保持水位始終處于在試塊上方，溫度變化不超過2℃，在試驗開始的10min內(nèi)每隔2min讀數(shù)一次，之后每隔10min讀數(shù)一次，1h后每隔30min讀數(shù)一次，直到相鄰3次讀數(shù)差值不大于0.001mm即認(rèn)為穩(wěn)定，總浸水時間不得小于48 h。整個試驗過程中試驗臺不得發(fā)生震動，并及時加入蒸餾水保證水位不變。

側(cè)向約束條件下膨脹率的計算公式為

(3)

式中：Vhp為徑向自由膨脹率，%；H為試件高度，mm；Uhp為試件直徑或邊長，mm。

試驗前含水率為4.72%，試驗后含水率為23.5%，經(jīng)測算，含水率增大了18.78%。試驗進行了三組平行試驗，試驗記錄如表3所示，試驗前巖石堅硬，試驗后顏色加深且土質(zhì)松軟。

表3 膨脹巖側(cè)向約束膨脹率試驗記錄表

由表3求出三組平行試驗膨脹量的算術(shù)平均值，膨脹率V為4.5%，其膨脹率較小。軸向膨脹率隨時間的變化關(guān)系如圖5所示。

圖5 軸向膨脹率隨時間的變化關(guān)系

由圖5可知，從巖石測定的膨脹率與時間的關(guān)系來看，在有側(cè)向約束的條件下，在開始的1h內(nèi)，膨脹率急劇增加，4h后，膨脹曲線增長緩慢并且逐漸趨于常量，側(cè)向約束情況下巖石的最大軸向膨脹率為4.5%。

4 膨脹力測定

膨脹巖的膨脹力是導(dǎo)致西部地區(qū)隧道發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的主要原因，是巖土界到目前為止尚未解決的世界性技術(shù)難題。膨脹力的準(zhǔn)確測定對研究膨脹巖的力學(xué)性質(zhì)、膨脹機理有重要意義。

巖石膨脹壓力按下式計算

(4)

式中：Ps為膨脹壓力，MPa；P為軸向荷載，N；A為試件截面積，mm2。

繪制膨脹壓力Ps與時間t的關(guān)系曲線，確定最大膨脹壓力。膨脹壓力試驗的記錄如表4所示。

本次試驗采用了15組試樣進行膨脹力試驗，分別設(shè)定其初始含水率為1%、5%、10%、15%、20%。通過測定膨脹力和膨脹率，得到結(jié)果如表4所示。

表4 泥巖膨脹壓力試驗成果表

由表4可知，巖石膨脹力隨初始含水率的不同而不同。天然含水率巖石最大膨脹力大小范圍為 45.56～56.23kPa，平均值為 50.60kPa；屬于弱膨脹巖最大膨脹力范圍之內(nèi)。

不同初始含水量試樣的膨脹壓力隨時間變化關(guān)系曲線如圖6所示。由圖6可知，根據(jù)膨脹力隨時間變化關(guān)系，試樣在前期較短時間內(nèi)產(chǎn)生了較大的膨脹力，到接近極限膨脹力后，變化非常緩慢。說明，膨脹巖隧道遇水造成危害的特點是迅速，且危害大。

圖6 不同初始含水量試樣的膨脹壓力隨時間變化關(guān)系曲線

試樣最大膨脹力與初始含水量關(guān)系曲線如圖7所示。

圖7 試樣最大膨脹力與初始含水量關(guān)系曲線

由圖7可知，膨脹力Ps與初始含水率W成反比例關(guān)系，通過對數(shù)據(jù)進行線性回歸，得到兩者之間存在如下方程

Ps=aw2+bw+c

(5)

式中：a、b、c為試驗參數(shù)，a=0.282 7，b=-10.019，c=99.479。其相關(guān)系數(shù)為 0.982 8，具有較好的相關(guān)性。

由式(5)可得

F(Ps,W%)=Ps-0.282 7w2+10.019W-

99.479=0

(6)

5 結(jié)論

(1)巖石膨脹力為10.30～95.61kPa，小于100kPa；徑向自由膨脹率大小范圍為 0.8%～1.0%，軸向自由膨脹率大小范圍為 4.8%～6.8%，兩者均小于 10%。根據(jù)軟巖的定義，巖石試樣單軸抗壓強度小于 25MPa，粘土顆粒含量大于25%，自由膨脹率約為5%，得出該泥巖屬于弱膨脹性軟巖。

(2)軸向膨脹率隨著膨脹力的增加而增大；膨脹力越大試樣破壞程度越高；膨脹力與初始含水率成線性的反比例關(guān)系；由最大膨脹力得出郭家鎮(zhèn)隧道膨脹巖屬于弱膨脹巖。

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