肖海軍

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300251)

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巖石側(cè)限約束膨脹力試驗(yàn)的分析與探討

肖海軍

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300251)

分析影響膨脹力試驗(yàn)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素及對(duì)策，介紹鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司中心試驗(yàn)室自行研制的多功能巖石膨脹儀在膨脹力試驗(yàn)中的優(yōu)點(diǎn)，并采用多功能膨脹儀進(jìn)行巖石的側(cè)限約束膨脹力試驗(yàn)，基于試驗(yàn)結(jié)果探討了試件尺寸對(duì)膨脹力的影響，巖石試樣采自新建濟(jì)南至青島高速鐵路。試驗(yàn)結(jié)果表明，試樣直徑相同的情況下，試樣高度越高，膨脹力越大。

石側(cè)限約束膨脹力多功能巖石膨脹儀試件尺寸

膨脹巖是一類性質(zhì)極為復(fù)雜的巖石，膨脹巖問題是當(dāng)今工程地質(zhì)學(xué)和巖土工程領(lǐng)域中最復(fù)雜的研究課題之一[1-9]。巖石的膨脹性試驗(yàn)包括自由膨脹率、側(cè)向約束膨脹率、飽和吸水率和側(cè)限約束膨脹力等試驗(yàn)。其中側(cè)限約束膨脹力可用來直接判別巖石膨脹性大小，試驗(yàn)數(shù)據(jù)直觀準(zhǔn)確，被廣大科研工作者和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)所采用[10]。巖石側(cè)限約束膨脹力是巖石試件浸水后保持原形體積不變所需的壓力，測(cè)試方法有平衡法、圖解法、脹壓法。脹壓法測(cè)試結(jié)果偏高，圖解法較切合實(shí)際，但操作繁瑣，目前國(guó)內(nèi)外采用最多的是平衡法。

基于平衡法，采用鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司中心試驗(yàn)室自行研制的多功能巖石膨脹試驗(yàn)儀進(jìn)行巖石的側(cè)限約束膨脹力試驗(yàn)研究及數(shù)據(jù)分析。該多功能巖石膨脹試驗(yàn)儀(專利號(hào)：ZL201220420352.9)可分別完成巖石自由膨脹率，側(cè)限約束膨脹率和側(cè)限約束膨脹力試驗(yàn)(如圖1所示)。

圖1　多功能巖石膨脹試驗(yàn)儀

1　樣品原狀性對(duì)巖石膨脹力的影響

保持巖石膨脹試件的原始狀態(tài)，在取樣、制樣加工過程中不受外力或水的影響是保證巖石膨脹試驗(yàn)順利進(jìn)行、成果數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠的先決條件。按照規(guī)范[10-11]的要求，膨脹性試件必須采用干鉆法取樣；同時(shí)要求試樣原始結(jié)構(gòu)不受破壞，天然濕度不發(fā)生變化。保持取樣和加工試樣過程中試樣的天然狀態(tài)非常困難，邱良軍[12]等人通過大量的試驗(yàn)探索，總結(jié)出一套膨脹試件取樣和加工的方法。除了規(guī)程中推薦的試樣φ50 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣外，考慮工程實(shí)際中經(jīng)常遇到φ89 mm和φ108 mm鉆頭形成的巖芯范圍，還采用了φ70 mm和φ90 mm的試樣，主要是為了直接利用野外鉆探巖芯。室內(nèi)加工僅對(duì)上述巖芯做橫向切割，形成上下兩個(gè)必要的平面，擴(kuò)大了試樣可選擇范圍，減少了二次加工環(huán)節(jié)和加工量。

2　試樣浸水試驗(yàn)時(shí)間對(duì)巖石膨脹力的影響

按照規(guī)范[10]的要求，采用直徑50 mm、高度不小于20 mm的試樣，浸水后總試驗(yàn)時(shí)間不得少于48 h。當(dāng)直接采用鉆探巖芯的尺寸為φ70 mm和φ90 mm時(shí)，浸水總時(shí)間應(yīng)相應(yīng)延長(zhǎng)，直到膨脹力出現(xiàn)峰值并有明顯的下降趨勢(shì)時(shí)方可結(jié)束試驗(yàn)。

3　側(cè)向約束對(duì)巖石膨脹力的影響

根據(jù)巖石膨脹試驗(yàn)規(guī)程相關(guān)規(guī)定，在進(jìn)行有側(cè)向約束巖石膨脹力試驗(yàn)時(shí)，需用金屬套環(huán)對(duì)試樣側(cè)向進(jìn)行包裹緊固，使兩者緊密結(jié)合而沒有絲毫縫隙。然而，現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，每一個(gè)試樣的外徑不可能完全一樣，無法滿足多個(gè)不同直徑試樣形成側(cè)向約束力的需要。即使?jié)M足單一試樣的固定要求，當(dāng)完成膨脹試驗(yàn)后，由于巖石膨脹會(huì)與套環(huán)抱緊而難以拆分，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，甚至造成金屬套損壞。如果按照不同直徑巖石試樣分別制作不同內(nèi)徑的整體套環(huán)，會(huì)因?yàn)閿?shù)量多、占用面積大、試樣拆裝難等給生產(chǎn)管理帶來很大的實(shí)際困難。為了滿足不同直徑試樣施加側(cè)壓力的要求，考慮常用的φ50 mm、φ70 mm和φ90 mm巖芯，以φ50 mm、φ73 mm和φ93 mm作為對(duì)開試模的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)徑，然后分別用厚度0.3 mm、0.5 mm、0.8 mm、1.2 mm的不銹鋼做成外徑為φ50 mm、φ73 mm和φ93 mm的圓筒形開口環(huán)刀，裹在試件外圓，然后用對(duì)開模夾緊的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣施加無窮大側(cè)壓力的要求(如圖2、圖3所示)。

圖2　對(duì)開模

圖3　開口環(huán)刀

4　試樣尺寸對(duì)巖石膨脹力的影響

現(xiàn)階段，由于國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的巖石膨脹力試驗(yàn)的試樣尺寸并不相同，給科研成果的對(duì)比分析帶來困難。

按規(guī)程[10-11]的要求，膨脹巖試樣的直徑宜為50 mm，高度不宜小于20 mm，且應(yīng)大于巖石最大顆粒粒徑的10倍。研究了直徑為50 mm，高度分別為25 mm與100 mm泥巖的膨脹力，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1　試樣高度對(duì)巖石膨脹力的影響

注：每組試樣取于同一巖芯相近位置。

由表1可知，試樣高度為100 mm與試樣高度為25 mm的膨脹力接近，且高度越高的試樣膨脹力越大。由于直徑一樣，試樣的浸水飽和時(shí)間一樣；試樣的高度越高，試樣中有害膨脹物質(zhì)出現(xiàn)的可能性及巖石裂隙發(fā)育的概率就越大，越能代表巖芯膨脹力的大小。試樣直徑對(duì)膨脹力的影響以及尺寸對(duì)其他巖性膨脹巖的影響規(guī)律值得進(jìn)一步研究。

5　結(jié)束語

(1)多功能巖石膨脹試驗(yàn)儀采用φ70 mm和φ90 mm的試樣，直接利用野外鉆探巖芯，無須對(duì)試樣進(jìn)行再次鉆芯，室內(nèi)加工僅對(duì)巖芯做橫向切割，形成上下兩個(gè)必要的平面。不僅擴(kuò)大了試樣可選擇范圍，而且減少了試樣二次加工環(huán)節(jié)和加工量。

(2)直接利用野外鉆探巖芯，試樣直徑大于50 mm，試樣浸水總試驗(yàn)時(shí)間應(yīng)大于48 h，且直到膨脹力出現(xiàn)峰值并有明顯的下降趨勢(shì)時(shí)方可結(jié)束試驗(yàn)。

(3)對(duì)開模和開口環(huán)刀的運(yùn)用實(shí)現(xiàn)了對(duì)試樣施加無窮大側(cè)壓力的要求。

(4)試樣高度越高，試樣中有害膨脹物質(zhì)出現(xiàn)的可能性及巖石裂隙發(fā)育的概率就越大，高度越高的試樣膨脹力越大。試樣直徑對(duì)膨脹力的影響以及尺寸對(duì)其他巖性膨脹巖的影響規(guī)律值得進(jìn)一步研究。

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The Analysis and Discussion of Confined Swelling Forces Tests for Rocks

XIAO Haijun

2016-02-02

肖海軍(1989—)，男，2014年畢業(yè)于東南大學(xué)高性能土木工程材料專業(yè)，助理工程師。

1672-7479(2016)02-0070-02

TU458

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