錢(qián)苗苗 冷先倫 張善凱 翟順 張占榮

摘要：通過(guò)對(duì)盧氏膨脹巖試樣開(kāi)展物理成分、微觀結(jié)構(gòu)和膨脹率等試驗(yàn)，研究了巖樣泡水后膨脹力的特性及其變化的微觀機(jī)理。通過(guò)X射線(xiàn)衍射試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)盧氏膨脹巖的礦物成分中黏土含量約占49.1%，其中伊利石、蒙脫石的相對(duì)含量近90%，使其表現(xiàn)為較強(qiáng)的親水性?；诩訅号蛎浄?，設(shè)計(jì)了4種不同的初始含水率和4種不同干密度，共16組96個(gè)試樣的膨脹力測(cè)試方案，探究了初始含水率和干密度對(duì)盧氏膨脹巖膨脹力的影響規(guī)律。通過(guò)多因素耦合分析方法，采用冪函數(shù)擬合初始含水率，指數(shù)函數(shù)擬合干密度，并給出了雙因素膨脹力的擬合公式。通過(guò)電鏡試驗(yàn)研究了初始含水率對(duì)膨脹力影響的微觀機(jī)理，結(jié)果表明：當(dāng)初始含水率較低時(shí)，黏土顆粒遇水膨脹后出現(xiàn)微小裂隙，導(dǎo)致膨脹力急劇增加;隨著初始含水率增加，黏土顆粒的粒徑由大變小，粗顆粒崩解，細(xì)粒含量增加，出現(xiàn)泥化現(xiàn)象，膨脹力緩慢減小。

關(guān) 鍵 詞：膨脹力; 初始含水率; 干密度; 加壓膨脹法; 微觀結(jié)構(gòu); 盧氏膨脹巖

中圖法分類(lèi)號(hào)： TU443 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.031

0 引 言

膨脹巖是一種吸水膨脹變形的特殊軟巖，由強(qiáng)親水性黏土礦物組成，當(dāng)膨脹巖的吸水變形受到限制時(shí)則會(huì)產(chǎn)生膨脹力[1]。新建蒙華鐵路運(yùn)煤專(zhuān)線(xiàn)穿越盧氏盆地，在多處以挖方形式通過(guò)，這就形成了大量的膨脹巖路塹邊坡。當(dāng)膨脹巖遇水膨脹后產(chǎn)生膨脹壓力易導(dǎo)致工程建筑物發(fā)生破壞，如路塹邊坡巖體失穩(wěn)、建筑地基因吸水體脹而發(fā)生破壞、巷道圍巖變形破壞等，這些災(zāi)害均與膨脹巖吸水膨脹特性密切相關(guān)[2-5]，因此研究膨脹巖的膨脹力規(guī)律顯得尤為重要。

針對(duì)膨脹巖的膨脹力特性，眾多學(xué)者在影響因素和變化規(guī)律等方面開(kāi)展了諸多研究。在影響因素方面：劉泉聲[6]、溫春蓮[7]、譚羅榮[8-9]等認(rèn)為干密度、飽和度及蒙脫石礦物含量等是影響膨脹力的主要因素;董柏林[10]、朱珍德[11]等認(rèn)為初始含水率對(duì)膨脹力的影響較為顯著;丁振洲等[12]通過(guò)吸濕試驗(yàn)認(rèn)為初始含水率和干密度對(duì)膨脹力影響顯著;謝云[13]、劉靜德[14]、蔡耀軍[15-16]等通過(guò)試驗(yàn)均認(rèn)為在干密度不變的條件下，膨脹力隨著初始含水率增大呈減小的趨勢(shì)，在初始含水率不變的條件下，膨脹力與干密度呈減小的趨勢(shì)。

在膨脹力變化規(guī)律研究方面：池澤成等[17]擬合了豎向膨脹力與干密度的關(guān)系;歐孝奪等[18]通過(guò)研究提出微小變形和零變形下膨脹力的變化特征，提出膨脹力與初始含水率和干密度存在線(xiàn)性和冪函數(shù)的關(guān)系，并采用MATLAB數(shù)據(jù)工具對(duì)這兩個(gè)因素對(duì)膨脹力的影響規(guī)律進(jìn)行了公式擬合。此外，在膨脹巖微觀結(jié)構(gòu)方面，李學(xué)等[19]研究了微觀結(jié)構(gòu)在整體與局部的影響關(guān)系，舒志樂(lè)[20]、張善凱[21-22]等研究了干濕循環(huán)效應(yīng)對(duì)膨脹巖膨脹特性的影響，并從微觀上闡釋了膨脹機(jī)制和變化規(guī)律。

已有的研究成果表明：影響膨脹力的主要因素為干密度、初始含水率和黏土礦物含量，膨脹力與影響因素滿(mǎn)足一定的函數(shù)關(guān)系?；诖耍疚膶⑨槍?duì)盧氏膨脹巖的膨脹力特性開(kāi)展物理特性、加壓膨脹法和微觀結(jié)構(gòu)等試驗(yàn)，研究盧氏膨脹巖的成分與微觀結(jié)構(gòu)、初始含水率和干密度對(duì)膨脹力的影響規(guī)律及其與微觀結(jié)構(gòu)的作用機(jī)制，并通過(guò)關(guān)系擬合給出影響盧氏膨脹巖膨脹力變化特征的雙因素關(guān)系表達(dá)式，為研究膨脹力對(duì)工程災(zāi)害的影響提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法與方案

為了研究膨脹巖的膨脹力特性及其影響因素以及膨脹力變化的微觀機(jī)理，設(shè)計(jì)了X射線(xiàn)衍射試驗(yàn)、加壓膨脹法試驗(yàn)和掃描電鏡試驗(yàn)。首先通過(guò)X射線(xiàn)衍射和基本物理特性試驗(yàn)測(cè)得膨脹巖的基本參數(shù)，然后再研究不同初始含水率、不同干密度等條件下膨脹巖的膨脹力演化規(guī)律，最后通過(guò)電鏡掃描從微觀結(jié)構(gòu)揭示膨脹力的變化規(guī)律和微觀機(jī)理。

1.1 基本物理特性指標(biāo)

膨脹巖試樣取至蒙西鐵路三門(mén)峽市盧氏縣境內(nèi)。將膨脹巖長(zhǎng)時(shí)間泡水泥化，重塑制樣后，測(cè)得其基本物理參數(shù)以及礦物成分含量（見(jiàn)表1）。

礦物成分試驗(yàn)采用D8Advance X射線(xiàn)衍射儀測(cè)定膨脹巖的礦物含量。試驗(yàn)取樣按照實(shí)驗(yàn)室要求，將風(fēng)化膨脹巖經(jīng)過(guò)粉碎過(guò)篩得到膨脹巖粉末。

盧氏膨脹巖巖樣粉晶X射線(xiàn)衍射分析結(jié)果表明[23]：試樣中黏土礦物的含量占49.1%，主要黏土礦物成分的相對(duì)含量分別為伊利石72.93%、綠泥石16.30%和蒙脫石10.77%。較高的伊利石和蒙脫石含量導(dǎo)致盧氏膨脹巖具有較高的膨脹性，這些黏土礦物顆粒小且親水性強(qiáng)，與水接觸后水分子極易進(jìn)入黏土礦物顆粒之間，在顆粒與顆粒之間形成極化的水分子層，引起黏土礦物的膨脹。

1.2 側(cè)限膨脹率試驗(yàn)方案

側(cè)限膨脹率試驗(yàn)采用加壓膨脹法[24]，試驗(yàn)設(shè)備見(jiàn)圖1。制樣時(shí)為減小試樣的差異性，在同一種初始含水率和干密度的條件下同一批次試樣使用同一次的混合物攪拌壓制成樣，壓制完畢后取出部分進(jìn)行干密度和初始含水率的測(cè)定，不符合條件的試樣重新制作。

具體制樣流程：按照試驗(yàn)要求，先將強(qiáng)風(fēng)化的膨脹巖通過(guò)粉碎、過(guò)篩得到直徑小于2 mm的膨脹巖粉末，再按照計(jì)算好的比例加入水得到均勻的混合物，之后在圓柱形模具中壓制成直徑為61.8 mm，高度為20.0 mm的重塑樣品。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4種不同的初始含水率（即7%，9%，11%，13%）和4種不同干密度（即1.55，1.65，1.75，1.85 g/cm3），共16組試驗(yàn)方案，每組6個(gè)試樣樣本，共計(jì)96個(gè)，具體試驗(yàn)方案如表2所列。

試驗(yàn)在固結(jié)儀上完成，將初始條件相同的6個(gè)試樣裝入固結(jié)儀中，在試樣的上端和下端分別放入濾紙和透水石以保證水分的順利貫通，然后分別在 0，12.5，25，50，100，200 kPa的上覆荷載下壓縮穩(wěn)定，再向容器內(nèi)加入蒸餾水。間隔2 h后百分表讀數(shù)不再變化后，表明該試樣在相應(yīng)荷載作用下已達(dá)到穩(wěn)定，即可得到試樣的有荷膨脹率。重復(fù)上述操作，將96個(gè)試樣分為16組完成。E5411BA3-6736-4231-8262-B0A17A3C61C0

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 有荷膨脹率試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)GBJ 112-87《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》[25]對(duì)有荷膨脹率試驗(yàn)的規(guī)定，整理數(shù)據(jù)得到不同初始條件下試樣的膨脹率-荷載關(guān)系曲線(xiàn)，并按公式A×ln（1+P）+B對(duì)離散點(diǎn)進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，以含水率7%為例擬合曲線(xiàn)如圖2所示。

由圖2可知：隨著上覆荷載的逐級(jí)增加，有荷膨脹率先快速下降而后逐漸穩(wěn)定。這是由于上覆荷載增大導(dǎo)致黏土顆粒吸水膨脹過(guò)程中遇到的阻力變大而吸附的水分子能力減小所致;初始含水率對(duì)有荷膨脹率影響明顯，在相同上覆荷載的情況下，有荷膨脹率具有隨初始含水率的增大而減小的規(guī)律。當(dāng)膨脹率為0時(shí)，回歸曲線(xiàn)上對(duì)應(yīng)的上覆荷載即為該初始含水率下的膨脹力，本次試驗(yàn)得到的膨脹力結(jié)果如表3所列。

3 膨脹力變化規(guī)律的微觀機(jī)理

膨脹力的變化規(guī)律與其微觀結(jié)構(gòu)有內(nèi)在的聯(lián)系。為進(jìn)一步揭示不同初始狀態(tài)下膨脹巖膨脹力變化規(guī)律的微觀機(jī)理，對(duì)吸水前后的膨脹巖進(jìn)行了電鏡掃描試驗(yàn)。

對(duì)初始含水率條件下的試樣在進(jìn)行膨脹力試驗(yàn)前進(jìn)行電鏡掃描試驗(yàn)，吸水后的試樣是使用做完膨脹力試驗(yàn)的試樣進(jìn)行電鏡掃描。電鏡試驗(yàn)試樣制作方法相同。具體步驟如下：① 制樣。從原樣上直接敲下或鋸下小塊樣，注意標(biāo)記掃描面，磨平底部。② 標(biāo)記。做好各種標(biāo)記，分組裝好試樣。③ 將試樣進(jìn)行洗油和噴金。④ 測(cè)試。

圖6和圖7分別給出了膨脹巖在吸水前和吸水后的微觀結(jié)構(gòu)的變化對(duì)比圖。圖6和圖7均為放大800倍電子顯微鏡掃描圖像。

泡水前膨脹巖結(jié)構(gòu)致密，膨脹巖黏土顆粒之間的聚集形式以面-面和邊-面相疊為主;顆粒邊界、孔隙特征不明顯，微裂隙基本不可見(jiàn)。由于圖6（a）的干密度大于圖6（b），微觀結(jié)構(gòu)更為致密，水分不易進(jìn)入，當(dāng)吸水后由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的致密孔隙少，膨脹巖膨脹時(shí)內(nèi)部消耗膨脹少，表現(xiàn)為膨脹力變大。

吸水后巖樣可以發(fā)現(xiàn)裂縫發(fā)育明顯，微裂隙增加顯著，這為水的進(jìn)入提供了良好的通道;微裂隙的發(fā)育也使得水分更易與巖樣中的膨脹性黏土顆粒接觸[26]。圖7中紅線(xiàn)為較大的裂隙，黃色區(qū)域?yàn)檩^大的泥化溶孔。當(dāng)初始含水率較低時(shí)，試樣由于水的作用發(fā)生較為明顯的膨脹變形，隨著含水率的增加，試樣中裂隙越來(lái)越多，黏土顆粒粒徑由大變小，粗顆粒崩解，細(xì)粒含量增加，出現(xiàn)泥化現(xiàn)象，此時(shí)膨脹力增長(zhǎng)緩慢，導(dǎo)致初始含水率越高的試樣其膨脹力越小。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)盧氏膨脹巖開(kāi)展X射線(xiàn)衍射試驗(yàn)、加壓膨脹法試驗(yàn)和掃描電鏡試驗(yàn)，從物理成分、微觀結(jié)構(gòu)研究了膨脹巖巖樣的膨脹力特性及其變化規(guī)律，得到如下結(jié)論：

（1） 盧氏膨脹巖的礦物成分分析中，黏土礦物含量占49.1%，其中伊利石和蒙脫石的相對(duì)含量近90%，是盧氏膨脹巖具有較強(qiáng)的親水性和吸水性的主要原因。

（2） 盧氏膨脹巖膨脹力的主要影響因素為干密度和初始含水率，膨脹力的大小與初始含水率呈冪函數(shù)關(guān)系，與干密度呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)擬合給出了考慮雙因素的膨脹力計(jì)算公式。

（3） 初始含水率在低值變化時(shí)（初始含水率7%增至9%時(shí)），膨脹力急劇減小，約減小了50%，在較高值變化時(shí)（初始含水率從9%增至13%），膨脹力變化幅度較小，約減小了5%～10%;膨脹力隨干密度的增加呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

（4） 當(dāng)初始含水率較低時(shí)，試樣泡水后出現(xiàn)微小裂隙，膨脹變形較為顯著。隨著含水率增加，黏土顆粒粒徑由大變小，粗顆粒崩解，細(xì)粒含量增加，出現(xiàn)泥化現(xiàn)象，膨脹力緩慢減小，導(dǎo)致巖樣的初始含水率越高其膨脹力越小。

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（編輯：鄭 毅）E5411BA3-6736-4231-8262-B0A17A3C61C0