郭永春，趙峰先，閆圣龍，劉家志

（西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,四川 成都 610031）

紅層泥巖在我國分布非常廣泛，在西南、華南、西北等地區(qū)都有分布[1]。近年來，紅層泥巖膨脹引起的工程問題越來越嚴(yán)重，如高鐵隧道仰拱變形、襯砌開裂等[2]。雖然對紅層泥巖高鐵隧道變形問題的研究文獻(xiàn)較多，但多數(shù)集中在對隧道受力及支護(hù)設(shè)計等方面，忽視了對紅層泥巖膨脹力測試方法的反思。

按照巖石膨脹力等體積法試驗測試原理，理論上就要求試樣和容器壁緊密貼合，不允許試樣和容器之間留有縫隙，即不允許試樣產(chǎn)生膨脹變形，此時測得的膨脹力是試樣的理論膨脹力。但是，現(xiàn)有規(guī)范及有關(guān)文獻(xiàn)[3-8]中關(guān)于巖石膨脹性試驗方法，主要是傳統(tǒng)固結(jié)儀方法或類似原理的專門的單向膨脹力測試方法（以下統(tǒng)稱為傳統(tǒng)固結(jié)儀法），是將加工好的巖石試樣放入試驗裝置的套環(huán)中。從理論上來說，如果能將試樣放入套環(huán)中，那么試樣和套環(huán)壁之間就存在著一定的微小縫隙。這些微小縫隙的存在是可以允許巖石釋放變形的。由于巖石的彈性模量相對較大，微小的變形釋放就會導(dǎo)致巖石膨脹力的降低，因此，導(dǎo)致按照現(xiàn)有規(guī)范的傳統(tǒng)固結(jié)儀法得到的測試結(jié)果總體偏小。

針對巖石與容器壁有釋放變形空隙的問題，張穎鈞[9]、謝云[10]、秦冰[11]、池澤成[12]、王雄[13]等人研制的三軸膨脹力測試裝置在操作方法上較好地解決了這個問題。在這些三軸膨脹力測試裝置中，先將加工好的立方體試樣放入容器中，然后在試樣的4 個側(cè)面和頂面預(yù)加適當(dāng)荷載，形成真三軸受力狀態(tài)，使試樣和測試系統(tǒng)緊密貼合，克服傳統(tǒng)固結(jié)儀法的局限性。劉祖德[14]基于土工三軸試驗裝置，通過改制，利用橡皮膜包裹圓柱形試樣，通過三軸壓力室中有壓力的水與試樣緊密接觸，測試試樣的膨脹變形，也提供了利用三軸圍壓解決約束變形的思路。石油工程中三軸膨脹力裝置[15]與上述方法類似，但試驗裝置復(fù)雜，僅在石油鉆井工程中得到應(yīng)用，未見更多的報道。總體而言，上述三軸膨脹力測試裝置一方面提供了解決巖石與容器壁有釋放變形空隙的局限性，還實現(xiàn)了從傳統(tǒng)固結(jié)儀法到三軸膨脹力的跨越，為深入研究巖石的膨脹性提供了基礎(chǔ)。但試驗裝置還是比較復(fù)雜，還需要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)。

針對上述問題，論文結(jié)合膨脹力等體積測試原理和巖土工程實踐，研制出一套簡單實用的巖石三軸膨脹力測試裝置（以下簡稱三軸膨脹力測試方法），克服了規(guī)范中傳統(tǒng)固結(jié)儀法的局限性。通過四川成都弱膨脹土、云南呈貢強(qiáng)膨脹土、四川宜賓紅層泥巖這3 種典型膨脹性巖土三軸膨脹力測試研究，檢驗和驗證了試驗裝置的合理性，初步總結(jié)了紅層泥巖三軸膨脹力的變化規(guī)律。

1 三軸膨脹力的測試裝置及測試方法簡介

1.1 三軸膨脹力測試裝置

基于等體積法的試驗原理，三軸膨脹力試驗借鑒真三軸試驗的方法，在立方體試樣3 個方向上施加剛性約束（圖1），使試樣在吸水膨脹過程中保持體積不變。通過機(jī)械切割和磨制的方法，將紅層泥巖加工成4.00 cm×4.00 cm×4.00 cm 的立方體試樣，墊塊（5）是3.95 cm×3.95 cm×0.20 cm 的方形剛性不透水墊塊，將試樣的膨脹應(yīng)力均勻傳遞給荷重傳感器（8）。荷重傳感器（8）截面直徑2.50 cm，加工直徑2.50 cm、厚度0.20 cm 的圓形剛性不透水墊塊（6），使之與反力螺栓（4）均勻接觸。這樣正方形試樣位于試驗裝置中間，6 個面通過剛性墊塊（5，6，7）施加反力，約束試樣體積變形，形成真三軸約束的條件。

三軸膨脹力測試裝置主要包括反力系統(tǒng)、膨脹力測試系統(tǒng)2 部分（圖1）。試驗支架（1）即充當(dāng)了容納試樣的容器，又與反力梁（2）通過固定螺栓（3）相連組成反力結(jié)構(gòu)，反力螺栓（4）通過圓形不透水墊塊（6）、荷重傳感器（8）、方形不透水墊塊（5）垂直抵在正方形試樣側(cè)面上，形成真三軸受力狀態(tài)，限制試樣體積增大。試驗時，將試驗裝置完全浸沒在水中，通過試驗裝置底部的進(jìn)水孔和透水墊塊（7），泥巖試樣（10）可以持續(xù)吸水。通過荷重傳感器的讀數(shù)裝置（圖1b）測出泥巖吸水膨脹產(chǎn)生的壓力，通過計算得到試樣的三軸膨脹力。在試驗過程中，采用先放置測試樣品，然后預(yù)加10.0 kPa 初始約束力的方式，使試樣與墊塊緊密接觸，消除了傳統(tǒng)固結(jié)儀方法中巖石樣品與容器壁有釋放變形空隙的問題，使巖石膨脹力更接近真實值。

圖1 三軸膨脹力試驗裝置示意圖Fig.1 Test device for the 3D swelling stress of the suction-water rock and soil

2 三軸膨脹力的試驗結(jié)果

試驗選取四川宜賓紅層泥巖、四川成都膨脹土、云南呈貢膨脹土3 種試樣進(jìn)行對比研究。3 種膨脹巖土的基本參數(shù)如表1所示。

表1 3 種膨脹巖土的基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of three types of the expansive rock and soils

按照《鐵路特殊巖土勘察規(guī)范》（TB 10038—2012）中的判別標(biāo)準(zhǔn)，四川成都膨脹土（自由膨脹率為58%）屬于弱膨脹土，云南呈貢膨脹土（自由膨脹率為100%）屬于強(qiáng)膨脹土。宜賓紅層泥巖（粉末自由膨脹率小于30%，傳統(tǒng)固結(jié)儀法測得的膨脹力為634.0 kPa，飽和吸水率為5.3%）屬于非膨脹巖（根據(jù)規(guī)范的定義，雖然紅層泥巖具有一定的膨脹性，是具有膨脹性的巖石，但從工程意義上來說，不屬于膨脹巖，因此將其判斷為非膨脹巖）。

試驗測得3 種膨脹性巖土的三軸膨脹力大小如表2所示。其中紅層泥巖有11 個試樣、四川成都弱膨脹土有4 個試樣，云南呈貢強(qiáng)膨脹土有5 個試樣。從表2 中可以看出，紅層泥巖三軸膨脹力的平均值在747.3～1 906.0 kPa 之間，膨脹土的三軸膨脹力平均值在76.6～353.3 kPa 之間?？傮w而言，紅層泥巖三軸膨脹力的平均值（MPa 量級）遠(yuǎn)大于膨脹土三軸膨脹力的平均值（kPa 量級），紅層泥巖的三軸膨脹力平均值1 326.6 kPa，是膨脹土的三軸膨脹力平均值215.0 kPa的6.17 倍。需要特別說明的是，由于紅層泥巖和膨脹土試樣中層理不明顯，試驗結(jié)果中x、y、z等3 個方向的數(shù)值僅作為位置的區(qū)別，不代表垂直應(yīng)力或水平應(yīng)力的含義，因此，在討論時取3 個方向的平均值進(jìn)行討論，僅代表膨脹力的大小。

表2 3 種膨脹巖土三軸膨脹力的試驗結(jié)果Table 2 Test results of the triaxial swelling force of the three types of swelling rock

2.1 膨脹土三軸膨脹力的試驗結(jié)果

試驗選取了初始含水率15.0%和干密度1.60 g/cm3的成都弱膨脹土和呈貢強(qiáng)膨脹土進(jìn)行完全浸水條件下三軸膨脹力試驗，典型試驗曲線如圖1所示。

從圖2（a）來看，云南呈貢膨脹土試樣三軸膨脹力開始階段增長極快，在250 min 左右增長達(dá)到最大膨脹力，大致在400.0～500.0 kPa 之間；之后開始緩慢衰減，最后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定膨脹力在200.0～300.0 kPa 之間。膨脹力的變化可以分為3 個階段，即快速膨脹階段、膨脹衰減階段、膨脹穩(wěn)定階段。用固結(jié)儀測得的呈貢膨脹土膨脹力也大致在200.0～300.0 kPa 之間，與三軸膨脹力穩(wěn)定后的試驗結(jié)果接近。

從圖2（b）來看，四川成都膨脹土三軸膨脹力在開始階段增長極快，在40 min 左右增長達(dá)到最大膨脹力，大致在70.0～90.0 kPa 之間，之后逐漸趨于穩(wěn)定。成都膨脹土三軸膨脹力的變化可以分為2 個階段，即快速膨脹階段、膨脹穩(wěn)定階段。用固結(jié)儀測得的成都膨脹土的膨脹力也大致在80.0～100.0 kPa 之間，與三軸膨脹力的試驗結(jié)果接近。

圖2 典型膨脹土三軸膨脹力浸水試驗時程曲線Fig.2 Time-history curves of the triaxial expansion force immersion test for the typical expansive soil

從膨脹力上來比較，呈貢強(qiáng)膨脹土最大膨脹力為400.0 kPa 左右，成都弱膨脹土最大膨脹力為100.0 kPa左右，呈貢膨脹土的膨脹力大于成都膨脹土的膨脹力。

呈貢強(qiáng)膨脹土和成都弱膨脹土的三軸膨脹力在初始階段都有著大致相同的膨脹變化規(guī)律，即隨著吸水量的增加，膨脹力在短時間內(nèi)急劇增大。當(dāng)達(dá)到峰值后，成都膨脹土逐漸趨于穩(wěn)定。呈貢強(qiáng)膨脹土的時程曲線比成都弱膨脹土的時程曲線多了1 個膨脹衰減階段，這是由于呈貢膨脹土的膨脹力達(dá)到峰值400.0～500.0 kPa 時，在膨脹壓力的作用下，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)在膨脹過程中發(fā)生調(diào)整造成的；成都弱膨脹土的最大膨脹力較小，平均值為80.0 kPa，并不足以引起其土體結(jié)構(gòu)的調(diào)整，因而沒有出現(xiàn)膨脹力衰減階段。

呈貢膨脹土和成都膨脹土三軸膨脹力的試驗結(jié)果表明，本論文中設(shè)計的三軸膨脹力試驗裝置是合理的，適用于膨脹土。

2.2 紅層泥巖三軸膨脹力的試驗結(jié)果

試驗選取了初始含水率為2.0%、蒙脫石含量在30.00%左右的宜賓紅層泥巖試樣進(jìn)行完全浸水條件下三軸膨脹力試驗，共進(jìn)行了11 個試樣的三軸膨脹力測試，典型試驗曲線如圖3所示。

由圖3 可以看出，泥巖的膨脹過程大致分為2 個階段，即快速膨脹階段、膨脹穩(wěn)定階段。紅層泥巖的膨脹力在浸水初期迅速增大，在24 h 左右達(dá)到最大值后，逐漸趨于穩(wěn)定。對紅層泥巖試樣進(jìn)行了11 個樣品的重復(fù)試驗，試驗結(jié)果是相似的，試驗結(jié)束時測出的含水率增量較小，約為1.0%，3 個方向的平均膨脹力在747.3～1 906.0 kPa 之間。

圖3 泥巖三軸膨脹力浸水試驗時程曲線Fig.3 Time history curves of the mudstone triaxial expansion force immersion test

紅層泥巖三軸膨脹力的試驗結(jié)果一方面說明了三軸試驗裝置和試驗方法的合理性與可行性，另一方面也說明三軸膨脹力測試裝置是適用于巖石膨脹性測試的。

3 綜合討論

3.1 三軸膨脹力測試方法與傳統(tǒng)固結(jié)儀法的對比

選取四川宜賓紅層泥巖試樣，分別加工成邊長4.00 cm 的立方體試樣和標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀試樣，將三軸膨脹力與傳統(tǒng)固結(jié)儀法膨脹力進(jìn)行了對比測試，檢驗了三軸試驗裝置和試驗方法的合理性。試驗結(jié)果如表3所示。

表3 紅層泥巖膨脹力試驗結(jié)果簡表Table 3 Summary table of the swelling force test results of the red mudstone

由表3 可知，三軸浸水膨脹試驗和傳統(tǒng)固結(jié)儀法浸水膨脹試驗測試得到的膨脹力大小差異顯著。11 個立方體試樣三軸膨脹力的平均值為1 326.7 kPa。4 個環(huán)刀狀試樣傳統(tǒng)固結(jié)儀法膨脹力變化范圍414.0～855.0 kPa，其平均值為586.0 kPa。三軸膨脹力平均值是傳統(tǒng)固結(jié)儀法膨脹力平均值的2.26 倍，分析其原因主要是三軸試驗方法克服了試樣和容器壁之間的空隙引起的變形釋放問題。

傳統(tǒng)固結(jié)儀法膨脹力試驗是將制好的環(huán)刀樣放入容器中。這種操作方式將不可避免地在試樣和容器壁之間存有空隙。同時，泥巖彈性模量是較大的，微小的變形就將釋放較大的膨脹力。根據(jù)作者的試驗研究，試驗用紅層泥巖試樣的彈性模量約為2.0 GPa，浸水膨脹應(yīng)變小于1.00%，膨脹變形的絕對值小于0.50 mm。試樣和容器壁之間的微小空隙為泥巖釋放變形提供了空間，因而導(dǎo)致傳統(tǒng)固結(jié)儀法測試的膨脹力總體偏小。

三軸試驗方法是將加工好的試樣放在試驗裝置后，在試樣的3 個方向都預(yù)加10.0 kPa 的壓力，確認(rèn)試樣和試驗裝置系統(tǒng)之間是緊密聯(lián)結(jié)在一起的。然后將試樣浸泡在水中進(jìn)行膨脹力測試試驗，克服了試樣和容器壁之間空隙的問題。因此，三軸試驗方法測試得到的膨脹力普遍大于傳統(tǒng)固結(jié)儀法。

2 種試驗方法的對比分析表明，三軸膨脹力試驗方法克服了傳統(tǒng)固結(jié)儀法的局限性，使泥巖膨脹力測試結(jié)果更接近于實際情況。

3.2 紅層泥巖膨脹力大小的討論

綜合本次試驗結(jié)果和文獻(xiàn)調(diào)查結(jié)果，紅層泥巖膨脹力大小的變化范圍可以從幾十kPa 到幾MPa，變化幅度較大。根據(jù)查閱到的文獻(xiàn)資料，泥巖膨脹力的測試主要有3 種方法，一種是在現(xiàn)有的巖石試驗規(guī)范中采用的傳統(tǒng)固結(jié)儀法，根據(jù)作者的統(tǒng)計，西南地區(qū)紅層泥巖測試得到的傳統(tǒng)固結(jié)儀法的膨脹力大致在2.2～680.0 kPa 之間變化，平均值約為341.1 kPa。第二種是本文研制的三軸試驗裝置，紅層泥巖的膨脹力多數(shù)在800.0～2 000.0 kPa 之間變化，平均值約為1 400.0 kPa。第三種是石油工程中研制的泥巖三軸膨脹力的測試裝置，是利用水做圍壓，抑制巖石膨脹變形而使水壓力升高，通過測試水壓力的變化得出巖石的膨脹壓力。根據(jù)文獻(xiàn)資料[13]，石油工程中三軸膨脹力試驗測得的軸向膨脹壓力在2 000.0～10 000.0 kPa 之間，側(cè)向膨脹壓力為3 000.0～5 000.0 kPa。綜合而言，這2 種三軸試驗方法結(jié)果說明，紅層泥巖的膨脹力是比較大的，大致在MPa 的量級上。

3 種試驗方法都是采用等體積法測試原理，在不考慮其他因素的前提下，本文三軸測試方法測得的膨脹力平均值（1 326.7 kPa）大約是傳統(tǒng)固結(jié)儀法（341.1 kPa）的3.89 倍，差異較大。通過對試驗原理和試驗方法的對比分析，三軸試驗測試方法的試驗結(jié)果更接近紅層泥巖膨脹力的理論值，紅層泥巖的三軸膨脹力應(yīng)在MPa 的量級上。

3.3 紅層泥巖膨脹機(jī)制的新認(rèn)識

根據(jù)紅層泥巖的膨脹機(jī)理，引起膨脹的是其中的黏土礦物成分，尤其是其中蒙脫石含量的多少。對于具體的紅層泥巖樣品來說，其黏土礦物成分的含量是確定的，那么其最大的膨脹潛能也就是確定的，也就是說紅層泥巖的最大膨脹變形或膨脹力是個定值，根據(jù)泥巖吸水程度的多少，決定了泥巖能釋放出多少的膨脹力或膨脹變形。

呈貢膨脹土和成都膨脹土浸水后2～3 h 膨脹力逐漸趨于穩(wěn)定，試驗結(jié)束后將試樣剖開，試樣被水充分浸透，是飽和的，說明膨脹土的浸水膨脹是充分、徹底的，也說明黏土礦物含量的多少決定了膨脹土膨脹性能的大小。

紅層泥巖的浸水膨脹力在2～3 d 后也逐漸趨于穩(wěn)定，在短期內(nèi)的膨脹變形也逐漸趨于穩(wěn)定。由于紅層泥巖的滲透性極低，因此在48 h 內(nèi)的吸水量極為有限，本文中11 個紅層試樣試驗后吸水量僅為1.0%左右，產(chǎn)生的膨脹力或膨脹變形也是有限的而不是全部。將三軸試驗和傳統(tǒng)固結(jié)儀法試驗結(jié)束后的巖石試樣破開，發(fā)現(xiàn)里面是干燥的，產(chǎn)生膨脹的只是巖石表層部分，根據(jù)肉眼觀察小于0.10 cm，也就是說紅層泥巖完全濕透需要的時間是很長的。

由于紅層泥巖的孔隙很小，滲透性極低，根據(jù)作者的統(tǒng)計，西南紅層泥巖的滲透系數(shù)一般在1.0×10-7～1.0×10-9cm/s 的量級。滲透系數(shù)的實質(zhì)就是水在巖土空隙中的運(yùn)動速度，暫取紅層泥巖樣品的滲透系數(shù)為1.0×10-8cm/s，取單位長度（1.00 cm）進(jìn)行估算，滲透1.00 cm 的長度大概需要1.0×108s，即1 157 d。如果考慮泥巖中發(fā)育有微裂隙，將滲透系數(shù)提高到1.0×10-7cm/s，也需要116 d 才能將巖石浸透。大致估算的數(shù)據(jù)說明，要將致密的紅層泥巖浸透需要的時間是很長的，膨脹巖產(chǎn)生的膨脹問題是滯后的、長期的、潛在的。

作者曾將15.00 cm×15.00 cm×15.00 cm 的新鮮紅層泥巖浸泡在水中40 d，取出后試樣僅表層是濕潤的，濕潤厚度0.10～0.20 cm，巖塊內(nèi)部仍是干燥的。在一次探索性的試驗中，作者在對紅層泥巖吸水330 d 的膨脹力測試過程中，膨脹力緩慢增加至700.0～800.0 kPa，但試驗結(jié)束后，巖石試樣中心部分仍是干燥的，再次說明紅層泥巖吸水膨脹過程的長期性。

新鮮紅層泥巖浸水試驗結(jié)果表明，浸泡2 d 左右試樣表面就出現(xiàn)泥化現(xiàn)象，膨脹逐漸趨于穩(wěn)定，說明在試驗條件下，試樣的滲透過程極為緩慢，膨脹過程也是極為緩慢的，膨脹泥化范圍也是極為有限的。當(dāng)將試樣表層的泥化層剝蝕掉，將試樣烘干后，再次浸水，膨脹變形將會繼續(xù)，持續(xù)2～3 d 再次出現(xiàn)停滯現(xiàn)象，但膨脹力隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加逐漸降低。

這些試驗事實說明，新鮮完整紅層泥巖的膨脹是一個長期的過程。短期的浸水膨脹只是表層的黏土礦物成分吸水膨脹、表面泥化，形成膠體泥膜，阻止外部的水分進(jìn)入泥巖巖石內(nèi)部。需要借助外力（如列車的振動抽吸作用、風(fēng)化剝落、施工開挖等）將泥膜剝蝕，使泥巖的新鮮面出露，再和水接觸，才會再次發(fā)生膨脹?；蛘呤墙?jīng)歷干濕循環(huán)作用、冷熱循環(huán)作用，使巖石崩解，表面產(chǎn)生裂隙，使水侵入巖石內(nèi)部，促使巖石內(nèi)部產(chǎn)生膨脹，宏觀上表現(xiàn)為崩解碎裂，體積膨脹。

因此，紅層泥巖的吸水膨脹機(jī)制可能有2 種形式。第一種是對于新鮮完整的紅層泥巖，浸水后，僅表層泥化膨脹，形成泥膜包裹泥巖，抑制吸水膨脹的進(jìn)一步發(fā)生，直至表層泥膜被破壞，水與新鮮巖石表面接觸，再次吸水膨脹，如此反復(fù)的吸水膨脹、泥膜抑制、泥膜破壞，泥巖再次吸水膨脹。第二種是已經(jīng)具有裂隙的巖石，由于裂隙和孔隙的存在，為水侵入巖石內(nèi)部創(chuàng)造了條件，在毛細(xì)水楔的作用下，水滲入巖石內(nèi)部，黏土礦物吸水膨脹在表面和內(nèi)部同時發(fā)生，整體表現(xiàn)為吸水膨脹、泥化崩解、體積增加、巖石破壞。

4 結(jié)論與建議

（1）3 種膨脹性巖土浸水膨脹力試驗結(jié)果表明，本文研制的三軸膨脹力測試裝置及其測試方法是合理可行的，可以適用膨脹土和膨脹巖三軸膨脹力的測試。

（2）研制的三軸膨脹力測試方法能夠克服現(xiàn)傳統(tǒng)固結(jié)儀方法的局限性，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，操作簡單，具有較好的實用性。

（3）三軸膨脹力測試方法和傳統(tǒng)固結(jié)儀法的試驗結(jié)果對比表明：紅層泥巖三軸膨脹力大于傳統(tǒng)固結(jié)儀法的膨脹力，紅層泥巖的膨脹力大小多數(shù)在MPa 的量級，更新了現(xiàn)有對泥質(zhì)膨脹巖膨脹力較小的認(rèn)識。

（4）通過對試驗結(jié)果的分析和膨脹后試樣的觀察，發(fā)現(xiàn)紅層泥巖的膨脹機(jī)制與膨脹土的膨脹機(jī)制是不同的。紅層泥巖主要是新鮮巖石表層吸水膨脹、泥化崩解，泥化層剝蝕后，新鮮面再次吸水膨脹、泥化崩解，這是一個逐層循環(huán)膨脹的過程。膨脹土主要是在浸水飽和過程中，黏土礦物充分吸水膨脹，最終達(dá)到最大膨脹變形。