霍 濤

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430063）

1 引言

膨脹巖是指含有較多親水礦物，含水率變化時(shí)體積發(fā)生較大變化的軟質(zhì)巖石[1]，具有遇水膨脹軟化、崩解和失水收縮、開裂的特性[2-3]，是造成重大工程變形破壞或安全隱患的關(guān)鍵所在[4-6]。因此，正確判別膨脹巖，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)其膨脹性，為工程建設(shè)提供合理的設(shè)計(jì)參數(shù)和科學(xué)依據(jù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，《鐵路工程巖土分類標(biāo)準(zhǔn)》(TB 10077-2019）[7]中規(guī)定，膨脹巖的室內(nèi)判定采用自由膨脹率、膨脹力和飽和吸水率三項(xiàng)指標(biāo)，當(dāng)有兩項(xiàng)及以上符合技術(shù)要求時(shí)，則可判定為膨脹巖。對(duì)于易崩解巖石而言，采用巖石方法進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn)時(shí)，由于樣品吸水后崩解，會(huì)造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏小、結(jié)果失真，因此規(guī)范要求按照土的方法進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn)。但是對(duì)于飽和吸水率指標(biāo)，現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、鐵路標(biāo)準(zhǔn)、公路標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)方法均強(qiáng)調(diào)僅適用于遇水不崩解、不溶解、不干縮膨脹的巖石[8-10]，因此對(duì)于遇水易崩解的巖石無法得到飽和吸水率數(shù)據(jù)，如果自由膨脹率和膨脹力兩個(gè)指標(biāo)結(jié)果不一致就無法進(jìn)行膨脹巖判定，為此有必要對(duì)易崩解巖石飽和吸水率試驗(yàn)進(jìn)行研究，為膨脹巖的判定提供依據(jù)。

現(xiàn)階段對(duì)膨脹巖的吸水率試驗(yàn)研究中，曲永新等[11]根據(jù)不規(guī)則巖塊的浸水破壞形式和干燥-飽和吸水率的數(shù)值，對(duì)膨脹巖進(jìn)行判別，對(duì)膨脹勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)；何滿潮等[12]研制了軟巖水理作用試驗(yàn)系統(tǒng)，并對(duì)深井泥巖吸水特性進(jìn)行了研究；郭偉耀等[13]借鑒阿基米德原理研制出一種巖石自由膨脹率和吸水率測(cè)定裝置。但是這些研究中，巖石只能通過毛細(xì)作用吸收水分，水也只能通過重力流動(dòng)，試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，嚴(yán)重影響整個(gè)試驗(yàn)的進(jìn)程，同時(shí)，由于無法將顆粒之間的自由水完全排干，導(dǎo)致結(jié)果偏大。

針對(duì)上述問題，本文采用自主研發(fā)的易崩解巖石飽和吸水率測(cè)試裝置，測(cè)定易崩解巖石的飽和吸水率，同時(shí)分別選用巖石評(píng)價(jià)指標(biāo)(自由膨脹率、膨脹力、飽和吸水率）和土的評(píng)價(jià)指標(biāo)(自由膨脹率、蒙脫石含量、陽(yáng)離子交換量），按照《鐵路工程巖土分類標(biāo)準(zhǔn)》(TB 10077-2019）對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行膨脹性判定，并結(jié)合X射線衍射(XRD）、偏光顯微鏡、掃描電鏡(SEM）等微觀測(cè)試手段，探究樣品遇水崩解的原因。

2 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)選用不同地區(qū)、不同膨脹性的20個(gè)易崩解巖石進(jìn)行試驗(yàn)，其中遇水易崩解巖石飽和吸水率測(cè)試裝置如圖1所示。該裝置將真空飽水與真空抽濾結(jié)合起來，設(shè)置抽濾功能，能夠快速排出樣品中的自由水，提高試驗(yàn)速率，并且該裝置設(shè)有多個(gè)試驗(yàn)槽，可以在同一條件下進(jìn)行多個(gè)樣品的平行試驗(yàn)，有效減少試驗(yàn)誤差。

圖1 易崩解巖石飽和吸水率測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)示意

飽和吸水率試驗(yàn)主要步驟如下:(1）樣品制備；(2）樣品飽水；(3）樣品排水；(4）樣品抽濾；(5）稱取樣品濕重；(6）烘干后稱取樣品干重；(7）計(jì)算飽和吸水率。

膨脹力試驗(yàn)按照《鐵路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(TB 10115-2014）進(jìn)行，自由膨脹率試驗(yàn)按照《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》(TB 10102-2010）進(jìn)行，陽(yáng)離子交換量、蒙脫石含量試驗(yàn)按照《鐵路工程巖土化學(xué)分析規(guī)程》(TB 10103-2008）進(jìn)行。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 巖石膨脹性分析

巖石的膨脹性試驗(yàn)結(jié)果見圖2～圖6，圖中虛線所對(duì)應(yīng)的數(shù)值為各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)判定膨脹性的界限值。

圖2 飽和吸水率試驗(yàn)結(jié)果

圖3 自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果

圖4 膨脹力試驗(yàn)結(jié)果

圖5 蒙脫石含量試驗(yàn)結(jié)果

圖6 陽(yáng)離子交換量試驗(yàn)結(jié)果

按照《鐵路工程巖土分類標(biāo)準(zhǔn)》(TB 10077-2019）的規(guī)定，對(duì)巖石樣品分別采用巖石評(píng)價(jià)指標(biāo)和土的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行膨脹性判別，結(jié)果見表1。

表1 巖石膨脹性判定統(tǒng)計(jì)

從表1中結(jié)果可以看出:對(duì)于遇水易崩解的巖石而言，采用兩種評(píng)價(jià)方式進(jìn)行膨脹性判定，試驗(yàn)結(jié)果整體一致性較好；在膨脹性判定過程中，采用飽和吸水率數(shù)據(jù)進(jìn)行有效評(píng)價(jià)的結(jié)果占比達(dá)到95%，僅有5%的飽和吸水率數(shù)據(jù)與巖石膨脹性判定結(jié)果不符，相關(guān)性較高，因此通過采用該方法得到的飽和吸水率數(shù)據(jù)能夠有效地識(shí)別膨脹巖，從而避免采用試驗(yàn)過程復(fù)雜、操作難度大、對(duì)試驗(yàn)人員技術(shù)要求高的蒙脫石含量和陽(yáng)離子交換量試驗(yàn)進(jìn)行膨脹性判別。

3.2 礦物成分分析

為了進(jìn)一步探究膨脹性產(chǎn)生的原因，對(duì)典型巖樣(編號(hào)7、18）采用偏光顯微鏡和X射線衍射分析，并選取一個(gè)不易崩解的巖樣(編號(hào)21）進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，表2為三個(gè)典型巖樣的礦物成分分析結(jié)果，圖7～圖9分別為三個(gè)巖樣對(duì)應(yīng)的X射線衍射圖譜和偏光顯微照片。

圖7 7號(hào)巖樣X射線衍射圖譜和偏光顯微照片

圖8 18號(hào)巖樣X射線衍射圖譜和偏光顯微照片

圖9 21號(hào)巖樣X射線衍射圖譜和偏光顯微照片

從礦物成分分析可以看出，除21號(hào)樣品外，其他兩組樣品均含有蒙脫石、伊利石等粘土礦物，這些粘土礦物的存在是其吸水后崩解破壞的內(nèi)因所在。

表2 三種典型巖樣的礦物成分

3.3 微觀結(jié)構(gòu)分析

為了進(jìn)一步研究樣品微觀結(jié)構(gòu)，了解樣品吸水破壞的原因，采用掃描電鏡對(duì)樣品表面形貌進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)掃描電鏡觀察，18號(hào)樣品在天然狀態(tài)下具有較好的完整性，巖石顆粒間緊密膠結(jié)，孔隙率低，巖石以鱗片狀層狀結(jié)構(gòu)面-面接觸緊密排列，具有定向性(見圖10a）。該樣品在飽和吸水后，表面顆粒脫落、流失，形成孔隙，為水的侵入和黏粒的進(jìn)一步流失提供通道，顆粒逐漸從面-面接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊?邊接觸、邊-邊接觸，孔隙數(shù)量和尺寸逐漸增加(見圖10b），最終以鱗片狀的形式剝落、崩解、破壞(見圖10c）。

圖10 18號(hào)樣品飽水前后SEM圖像及崩解圖

從7號(hào)樣品的掃描電鏡結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，其天然狀態(tài)下顆粒之間呈無序堆積，孔隙率較大，結(jié)構(gòu)疏松，為水的貫通提供了快速通道(見圖11a），飽水后在水的作用下顆粒間粘聚力進(jìn)一步降低，部分顆粒吸附水后形成水膜，引起體積膨脹，加速結(jié)構(gòu)的破壞(見圖11b），最終以碎屑狀形式崩解、破壞(見圖11c）。

圖11 7號(hào)樣品飽水前后SEM圖像及崩解圖

對(duì)不易崩解的21號(hào)樣品進(jìn)行的掃描電鏡測(cè)試中可以看出，該樣飽水前結(jié)構(gòu)非常致密，整體連接性好，水不易侵入內(nèi)部(見圖12a），飽水后僅在表面可以觀察到細(xì)微的裂紋，但裂紋對(duì)巖石整體結(jié)構(gòu)并無影響(見圖12b），飽水后的樣品宏觀照片(見圖12c）也可以看出樣品飽水后結(jié)構(gòu)完整，表面致密，未發(fā)生崩解現(xiàn)象，兩者相吻合。

圖12 21號(hào)樣品飽水前后SEM圖像及崩解圖

4 結(jié)論

本研究采用抽濾的原理設(shè)計(jì)制備出一種易崩解巖石飽和吸水率測(cè)試裝置，該裝置可以有效解決易崩解巖石飽和吸水率試驗(yàn)無法進(jìn)行的問題，同時(shí)結(jié)合其他膨脹性試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行了分析研究，得出以下結(jié)論:

(1）研制出的易崩解巖石飽和吸水率測(cè)試裝置可以集真空飽水和真空抽濾于一體，在將崩解巖石收集起來的同時(shí)通過真空抽濾的方式達(dá)到縮短飽和面干狀態(tài)的時(shí)間。

(2）通過對(duì)樣品同時(shí)進(jìn)行自由膨脹率、膨脹力、飽和吸水率、蒙脫石含量、陽(yáng)離子交換量試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)采用該方法得到的易崩解巖石飽和吸水率數(shù)據(jù)對(duì)巖石膨脹性進(jìn)行判定具有較高的一致性，可以對(duì)巖石的膨脹性進(jìn)行有效判定。

(3）對(duì)典型樣品進(jìn)行的微觀測(cè)試結(jié)果表明，試樣的礦物組成、結(jié)構(gòu)特征、膠結(jié)狀態(tài)、孔隙率能夠很好地反映其膨脹崩解性特性。