引江濟(jì)淮試驗(yàn)工程膨脹巖膨脹特性試驗(yàn)研究

曹雪山，張榮寬，李國維，袁俊平，吳建濤，張坤勇

引江濟(jì)淮試驗(yàn)工程膨脹巖膨脹特性試驗(yàn)研究

曹雪山1,2，張榮寬1,2，李國維1,2，袁俊平2，吳建濤1，張坤勇2

（1.河海大學(xué) 道路與鐵道研究所，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 100084）

對(duì)引江濟(jì)淮試驗(yàn)工程的膨脹巖進(jìn)行膨脹特性試驗(yàn)研究。通過對(duì)膨脹巖重塑樣進(jìn)行無荷、有荷膨脹率及飽和直剪試驗(yàn)，探究不同初始含水率和荷載下的膨脹率變化規(guī)律；分析了膨脹率與初始膨脹速度、強(qiáng)度參數(shù)間的關(guān)系，得出初始膨脹速度與最終膨脹率成二次函數(shù)正相關(guān)，強(qiáng)度參數(shù)隨膨脹率的增大而減小。

膨脹巖；膨脹率；含水率；荷載

引江濟(jì)淮工程被列為國家近期加快推進(jìn)的172項(xiàng)重大水利工程中1號(hào)工程，號(hào)稱“安徽版南水北調(diào)工程”。為指導(dǎo)優(yōu)化引江濟(jì)淮工程膨脹土（巖）段渠道工程設(shè)計(jì)，開展了試驗(yàn)工程膨脹土（巖）項(xiàng)目研究工作，意義重大。以往學(xué)者對(duì)膨脹巖的膨脹特性基本規(guī)律已作了一些研究。溫春蓮[1]對(duì)粘土質(zhì)軟巖膨脹的影響因素進(jìn)行了原狀樣室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，得出粘土質(zhì)軟巖的最大膨脹率與初始含水率呈線性負(fù)相關(guān)、與初始干容重呈正相關(guān)、與初始載荷呈負(fù)指數(shù)關(guān)系。劉靜德等[2]對(duì)南水北調(diào)中線強(qiáng)膨脹巖重塑樣進(jìn)行了膨脹率實(shí)驗(yàn)和控制應(yīng)變的廣義膨脹力實(shí)驗(yàn)，得出強(qiáng)膨脹巖的無荷載膨脹率與干密度和初始含水率呈線性關(guān)系；廣義膨脹力隨膨脹應(yīng)變的增加而減小。朱珍德[3]等對(duì)膨脹紅砂巖的膨脹率與吸水率的相關(guān)性進(jìn)行了研究，得出吸水率在0%～6%時(shí)膨脹力增長率較大，隨后至試樣吸水飽和膨脹力增長率相對(duì)平緩。張計(jì)[4]、何曉民[5]等均通過試驗(yàn)得出膨脹巖重塑后的結(jié)構(gòu)性發(fā)生破壞，其脹縮特性比原狀樣要大得多。膨脹巖的強(qiáng)度參數(shù)受含水率影響較大，含水率越大其非飽和強(qiáng)度參數(shù)越小，非飽和強(qiáng)度參數(shù)比飽和強(qiáng)度參數(shù)大很多[6-8]。

本文針對(duì)引江濟(jì)淮試驗(yàn)段較強(qiáng)崩解性的弱膨脹巖，通過探究不同荷載和初始含水率對(duì)膨脹率的共同影響，進(jìn)一步揭示了膨脹率的變化規(guī)律；同時(shí)提出了最終膨脹率與初始膨脹速度關(guān)系，據(jù)此成果可以通過初始膨脹速度推斷膨脹率值；探究了膨脹率大小對(duì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響，為工程實(shí)際提供參考。

1 試驗(yàn)巖樣基本特性

試驗(yàn)巖樣的取樣地點(diǎn)是K41+700北岸一級(jí)坡頂，距地表約20 m。原狀巖樣顏色呈暗紅色，結(jié)構(gòu)面發(fā)育明顯，部分充填黑色鐵錳質(zhì)薄膜及少量白色鈣質(zhì)結(jié)核。遇水易軟化，失水易產(chǎn)生開裂。天然的抗壓強(qiáng)度較低，具有強(qiáng)崩解性。

巖樣的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)及礦物成分分析結(jié)果見表1和表2。該巖樣的蒙脫石含量為44%，根據(jù)《巖石與巖體鑒定和描述標(biāo)準(zhǔn)》[9]（CECS 239-2008）蒙脫石含量20%～30%，即具有強(qiáng)～劇膨脹潛勢(shì)；自由膨脹率為30%，但根據(jù)南水北調(diào)中線干線建設(shè)管理局發(fā)布的《南水北調(diào)中線一期工程總干渠初步設(shè)計(jì)工程勘察技術(shù)規(guī)定》（NSBD-ZGJ-1-16）的規(guī)定：當(dāng)巖石自由膨脹率＜40%時(shí)，判斷為非膨脹巖。因此從不同角度分析軟巖的膨脹潛勢(shì)，得出結(jié)果相差甚大，為掌握軟巖的膨脹特性，還需通過膨脹性試驗(yàn)作進(jìn)一步分析。

2 試驗(yàn)研究方案

試驗(yàn)采用人工制備重塑樣及少量原狀樣。

重塑試樣制備制作過程是將取自現(xiàn)場(chǎng)的巖樣風(fēng)干、碾碎，過2 mm篩；測(cè)量其含水率，計(jì)算摻水量，摻水后悶料24 h，重新測(cè)取含水率值即可。每種含水率均以與現(xiàn)場(chǎng)原狀巖樣相同的干密度1.69 g/cm3計(jì)算試樣原料用量。壓樣時(shí)將固結(jié)儀上的護(hù)環(huán)套在環(huán)刀上，將試樣原料倒入后一次性壓入環(huán)刀后即完成試樣的制作。

原狀環(huán)刀樣的制備過程是在現(xiàn)場(chǎng)取回塊狀巖樣后，通過角磨機(jī)、磨石機(jī)等切削成與環(huán)刀直徑相同的圓柱樣，然后用內(nèi)壁涂抹凡士林的環(huán)刀樣套入圓柱樣，將兩側(cè)多出的巖樣切掉，即可制成原狀膨脹巖環(huán)刀樣。

有荷及無荷膨脹率試驗(yàn)的試樣含水率取11.33%、16.70%、19.47%三種，每種含水率制備8個(gè)環(huán)刀樣。每種含水率下施加上覆荷載0、1、6.23、12.5、25、50、100、200 kPa。試驗(yàn)時(shí)首先在對(duì)應(yīng)荷載下固結(jié)至每小時(shí)變形不超過0.01 mm，約7 h后加水，浸水時(shí)間24 h。前1 h每10 min讀數(shù)一次，后每1 h讀數(shù)1次。

制備含水率分別為11.33%、16.70%、19.47%的重塑樣，每種含水率4個(gè)。在1 kPa壓力下浸水24 h后進(jìn)行不固結(jié)不排水的快剪試驗(yàn)。制備初始含水率為16.7 %的膨脹巖原狀環(huán)刀樣。在 1 kPa壓力下浸水24 h后，進(jìn)行不固結(jié)不排水快剪直剪試驗(yàn)。

以上試驗(yàn)均按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》[10]（SL237—1999）的要求進(jìn)行。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 膨脹率的影響因素研究

3.1.1 初始含水率對(duì)膨脹率的影響

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)不同荷載下的膨脹率與含水率的關(guān)系進(jìn)行了擬合。圖1是不同荷載時(shí)的膨脹率-含水率擬合曲線，其中擬合參數(shù)見表3。

擬合曲線的表達(dá)為：

式中：δep為有荷膨脹率（%）；w為含水率（%）。

從圖1中可以看出，膨脹率隨含水率成線性遞減。這是由膨脹巖吸水膨脹、失水收縮的特性決定的。當(dāng)初始含水率較低時(shí)，蒙脫石等礦物成分處于收縮狀態(tài)，吸水膨脹的潛勢(shì)大，吸水后的膨脹率大；當(dāng)初始含水率較高時(shí)，蒙脫石等礦物成分已產(chǎn)生部分膨脹，因此吸水膨脹的潛勢(shì)相對(duì)較小，所以膨脹率也較小。

表1 巖樣物理力學(xué)性質(zhì)Tab.1 Physical and mechanical properties of rock sample

表2 巖樣礦物成分組成Tab.2 Mineral composition of rock sample 單位（%）

圖1 不同荷載時(shí)膨脹率-初始含水率擬合曲線Fig.1 Expansion ratio-water content under different pressures

表3 膨脹率-初始含水率回歸參數(shù)表Tab.3 Parameters for expansion ratio-water content

由圖1及表3可知，膨脹率與初始含水率的線性相關(guān)關(guān)系受荷載的影響。斜率a的絕對(duì)值代表膨脹率隨含水率的變化梯度。隨著上覆荷載的增加，a的絕對(duì)值隨荷載的增大而減小，表明膨脹率對(duì)含水率變化的敏感度隨荷載的增加而減弱。隨著荷載的增大，吸水產(chǎn)生的膨脹變形受到抑制，膨脹率減小，此時(shí)荷載是影響膨脹率的主要因素，因此荷載較大時(shí)不同初始含水率對(duì)膨脹率的影響較小。在自然界中，靠近表層的巖土體受大氣影響較大，含水率變化較大，同時(shí)上覆荷載較小，易產(chǎn)生較大的膨脹變形。在邊坡開挖過程中，應(yīng)保持巖石內(nèi)水分，如薄膜覆蓋等，防止因水分散失過多而造成膨脹巖遇水后產(chǎn)生較大變形，同時(shí)應(yīng)盡快施加上覆荷載，如換填土等，減小含水率變化對(duì)膨脹變形的影響。

此外，通過圖1的擬合曲線可以求出任意初始含水率時(shí)的膨脹率。當(dāng)初始含水率為0時(shí)，通過圖1的擬合曲線求得膨脹率δep值為39.05 %，該膨脹率值與烘干狀態(tài)原狀樣的無荷載膨脹率39.28 %很接近。當(dāng)初始含水率w為18.68 %時(shí)，通過此擬合曲線所求膨脹率δep值14.95 %與原狀樣在相同初始含水率下的無荷載膨脹率為4.23 %相差較大。這是由于烘干狀態(tài)下的原狀巖樣裂隙開展充分，崩解性也較強(qiáng)，水分能充分進(jìn)入巖樣，所以膨脹率與重塑樣接近。而天然狀態(tài)下的原狀樣含水率較高，無裂隙開展，水分難以進(jìn)入，同時(shí)由于結(jié)構(gòu)未受到破壞，顆粒之間的粘結(jié)性較強(qiáng)，因此膨脹率相對(duì)于重塑樣較小。由此可知，膨脹巖重塑后的膨脹率會(huì)大大增加，因此工程中不宜將此巖樣重塑后作為換填土覆蓋。3.1.2 上覆荷載對(duì)膨脹率的影響

荷載會(huì)抑制膨脹變形，荷載越大，膨脹率越小，當(dāng)荷載大于膨脹力時(shí)，甚至?xí)a(chǎn)生壓縮變形。荷載與膨脹率的具體函數(shù)關(guān)系仍需進(jìn)一步研究。由試驗(yàn)結(jié)果可知，不同含水率時(shí)膨脹率隨上覆荷載的增加近似成指數(shù)關(guān)系減小，即在荷載較小時(shí)，增加很小的荷載，就能明顯減小膨脹巖的膨脹變形。不同初始含水率下12.5 kPa時(shí)的膨脹率比0 kPa降低約65%～80%，50 kPa時(shí)的膨脹率比0 kPa降低90%～92%，其中初始含水率較高時(shí)，上覆荷載增加時(shí)膨脹率的降低比率更大。當(dāng)產(chǎn)生相同膨脹率時(shí)，初始含水率較低時(shí)需要施加較大荷載。

根據(jù)不同初始含水率時(shí)的膨脹率試驗(yàn)結(jié)果，取荷載的自然對(duì)數(shù)作為橫軸，膨脹率為縱軸進(jìn)行半對(duì)數(shù)關(guān)系擬合，得到了膨脹率與荷載的半對(duì)數(shù)關(guān)系曲線，相關(guān)性較好。擬合曲線及參數(shù)見圖2和表4。

擬合曲線表達(dá)式為：

式中：δep為有荷膨脹率（%）；P為上覆荷載（kPa）。

膨脹率與荷載的半對(duì)數(shù)關(guān)系與土體壓縮固結(jié)曲線[11-14]有一定的相似性，表明巖土體的壓縮與膨脹均在荷載較小時(shí)對(duì)荷載的變化相對(duì)敏感。

圖2 膨脹率與荷載的對(duì)數(shù)擬合曲線Fig.2 Fitted curves of expansion ratio-logarithm of load

表4 膨脹率與荷載的自然對(duì)數(shù)回歸參數(shù)表Tab.4 Parameters for expansion ratio-logarithm of load

由表4可看出，斜率c的絕對(duì)值與截距d均隨著含水率的增加而降低，但不同含水率下的半對(duì)數(shù)線性相關(guān)性均較好，表明不同含水率下膨脹率與荷載均成半對(duì)數(shù)關(guān)系。在實(shí)際工程中，淺層巖石若無上覆回填土層或其他加固措施，則易發(fā)生較大的膨脹變形。

3.2 膨脹率與膨脹速度的關(guān)系

膨脹巖浸水飽和后的最終膨脹率值δep除與初始含水率、上覆荷載、干密度、礦物成分、結(jié)構(gòu)狀態(tài)等因素相關(guān)外，與浸水膨脹的過程量初始膨脹速度ν也存在一定的相關(guān)性。初始膨脹速度是膨脹初始時(shí)階段的速度。由于初始階段的速度相對(duì)較大且有波動(dòng)，因此宜用平均膨脹速度代替，這里采用前10分鐘內(nèi)的平均膨脹速度作為初始膨脹速度。

圖3是初始膨脹速度ν與最終膨脹率δep的關(guān)系曲線。曲線包括每個(gè)含水率、荷載條件下的膨脹速度和最終膨脹率，且增加了原狀樣烘干狀態(tài)下的無荷載膨脹率38.25%及其初始膨脹速度0.498 mm/min。為了能更清楚的展現(xiàn)初始膨脹速度與最終膨脹率的關(guān)系，將初始膨脹速度放大100倍，與最終膨脹率進(jìn)行關(guān)系擬合。由擬合結(jié)果可知，初始膨脹速度隨著最終膨脹率的增大而增大，二者近似成二次函數(shù)關(guān)系。

圖3 初始膨脹速度與最終膨脹率關(guān)系曲線Fig.3 Curve of the initial expansion rate-final expansion ratio

初始膨脹速度與最終膨脹率呈正相關(guān)是由于初始膨脹速度在一定程度上反映了巖樣的膨脹潛勢(shì)。膨脹潛勢(shì)較大時(shí)，初始膨脹速度也較大。在工程監(jiān)測(cè)時(shí)，為了能通過短時(shí)間的監(jiān)測(cè)，得出試驗(yàn)結(jié)果，就可以通過建立初始速度與最終膨脹率的關(guān)系來推斷最終膨脹變形量大小。

3.3 膨脹率與飽和強(qiáng)度參數(shù)的關(guān)系

膨脹巖的抗剪強(qiáng)度與含水率狀態(tài)、飽和度等密切相關(guān)。當(dāng)發(fā)生一定的膨脹變形后，膨脹巖的干密度、含水率、飽和度等均產(chǎn)生變化，因此強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生變化。

圖4是飽和強(qiáng)度參數(shù)與膨脹率的關(guān)系曲線，可以看出隨著膨脹率的增加，粘聚力和內(nèi)摩擦角均減小，抗剪強(qiáng)度減小。當(dāng)膨脹率由9.2%增加到17.7%時(shí)，粘聚力由50.98 kPa減小到40.03 kPa，約衰減21%；內(nèi)摩擦角由4.5°衰減到3.26°。這是由于發(fā)生膨脹后，干密度、孔隙比減小，含水率增大，巖樣顆粒間的膠結(jié)力和摩阻力減小，造成強(qiáng)度參數(shù)減小。

圖4 飽和強(qiáng)度參數(shù)與膨脹率的關(guān)系曲線Fig.4 Curves of saturated strength parameterexpansion ratio

由實(shí)驗(yàn)測(cè)得初始含水率為16.7%時(shí)原狀樣飽和后的粘聚力為76.85 kPa，內(nèi)摩擦角為31.57°，二者均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于重塑樣的強(qiáng)度參數(shù)，其中粘聚力是重塑樣的1.67倍，內(nèi)摩擦角是重塑樣的6.07倍。表明原狀樣重塑后抗剪強(qiáng)度會(huì)大大減小。這是由于原狀巖經(jīng)過長期的固結(jié)成巖，膠結(jié)力較強(qiáng)。而重塑樣雖然與原狀樣的干密度接近，但重塑樣破壞了原狀樣的結(jié)構(gòu)，膠結(jié)力降低，顆粒間的摩阻力也大大減小，因此重塑樣的強(qiáng)度參數(shù)遠(yuǎn)小于原狀樣。

4 結(jié)論

1）膨脹率與初始含水率呈線性正相關(guān)，膨脹率對(duì)含水率的敏感度隨荷載的增加而減小，即荷載較大時(shí)，初始含水率對(duì)膨脹率的影響較小。

2）不同含水率下膨脹率與上覆荷載均呈半對(duì)數(shù)線性相關(guān)關(guān)系。

3）初始膨脹速度ν與最終膨脹率δep呈正相關(guān)，用二次函數(shù)擬合相關(guān)性較好，在工程中通過應(yīng)用此關(guān)系可由短期監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)長期膨脹變形量。

4）膨脹率與飽和抗剪強(qiáng)度參數(shù)呈負(fù)相關(guān)。重塑樣的膨脹率及強(qiáng)度參數(shù)均大于原狀樣，不宜將此膨脹巖重塑后作為回填土覆蓋。

[1]溫春蓮.初始含水率、容重及載荷對(duì)膨脹巖特性影響的試驗(yàn)研究.[J]巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào).1992，11(3)：304-311.

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（責(zé)任編輯 王利君）

Test research of swelling properties of swelling rock in the Project of Diversion of Water from Yangtze to Huaihe River

CAO Xueshan1,2，ZHANG Rongkuan1,2，LI Guowei1,2，YUAN Junping2，WU Jiantao1，ZHANG Kunyong2
(1.Institute of road and railway, Hohai University, Jiangsu Nanjing 210098, China；2.Key Laboratory of Geomechanics and Embankment Engineering, Ministry of Education, Hohai University, Jiangsu Nanjing 100084, China)

The swelling properties of remodeled swelling rock were carried out in the test section project of leading water from Yangtze to Huaihe River. By the test of free swelling ratio, swelling ratio under different pressure and saturated direct shear test, the properties of swelling ratio under different initial water content and different pressure were explored; the relationship between expansion ratio with initial expansion rate was analyzed. The conclusion show that initial expansion rate is quadratic positive correlated with expansion ratio, the strength parameters are negative correlated with expansion ratio.

swelling rock; expansion ratio; water content; pressure

TU411.3

A

1673-9469（2017）02-0026-04

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.02.006

2017-01-18

河海大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(2010B03414)；引江濟(jì)淮試驗(yàn)工程項(xiàng)目(20168011716)

曹雪山（1970-），男，江蘇海門人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事膨脹巖土、崩解巖、路基工程方面的研究。