摘要:采用湖南株洲地區(qū)的紅砂巖樣，進(jìn)行了不同干濕循環(huán)次數(shù)和不同干燥溫度影響下的側(cè)限膨脹 應(yīng)力試驗(yàn)。結(jié)果表明：巖石側(cè)限膨脹應(yīng)力是時間的函數(shù)，可以用快速膨脹階段、減速膨脹階段和 緩慢穩(wěn)定階段表征;干濕循環(huán)作用和干燥溫度對紅砂巖的膨脹產(chǎn)生顯著影響，隨循環(huán)次數(shù)的增大， 最大側(cè)限膨脹應(yīng)力先增大后減小;干燥溫度越高，不同循環(huán)次數(shù)下的側(cè)限膨脹應(yīng)力越大。建立了 考慮循環(huán)次數(shù)與干燥溫度影響的側(cè)限膨脹應(yīng)力時程模型，并驗(yàn)證了模型的正確性。所得結(jié)論可為 保證膨脹巖地區(qū)工程建設(shè)的安全性和穩(wěn)定性提供指導(dǎo)。

　　關(guān)鍵詞:紅砂巖;側(cè)限膨脹應(yīng)力;干濕循環(huán);干燥溫度

　　1 引 言

　　膨脹巖是一種特殊的巖石，由于其含有一定的 親水性黏土礦物，故其體積會隨著膨脹巖含水量的 不同而發(fā)生變化[1-2]。膨脹巖受到自然界降雨與溫度 頻繁變化的影響，經(jīng)歷反復(fù)的膨脹變形，從而對膨 脹巖工程造成極大危害[3-5]。 膨脹力是巖石在充分吸水的側(cè)限條件下，軸向 變形為零時所承受的最大軸向應(yīng)力[6]，此處的膨脹 力是指最大或極限的軸向應(yīng)力。而在實(shí)際工程中， 巖石并非總是完全飽和，其含水量只在一定區(qū)間內(nèi) 波動，該膨脹力可稱為自然膨脹力，即為巖石從初 始狀態(tài)增濕至某狀態(tài)時所產(chǎn)生的力[7]。

　　現(xiàn)有成果中 對極限膨脹力的研究較多，文獻(xiàn)[8-10]對膨脹巖展開了室內(nèi)試驗(yàn)，獲取了膨脹應(yīng)力與變形、含水率的關(guān) 系，并研究了吸水率與變形的關(guān)系。文獻(xiàn)[11-14]通 過巖石膨脹性試驗(yàn)，獲取了膨脹應(yīng)力與膨脹率的關(guān) 系，并研究了巖石的膨脹本構(gòu)關(guān)系。文獻(xiàn)[15]研究 了火山巖在干濕交替條件下的膨脹性能，并指出巖 石的長期膨脹性可能高于試驗(yàn)測定值。文獻(xiàn)[16]對 泥巖在干濕交替條件下進(jìn)行試驗(yàn)，得到了隨著循環(huán) 次數(shù)的增加膨脹力和膨脹率并不會持續(xù)增長，而是 存在一個界限。

　　文獻(xiàn)[17]研究了凍融循環(huán)對改良膨 脹土 CBR 的影響。文獻(xiàn)[18]對多裂隙發(fā)育膨脹土抗 剪強(qiáng)度進(jìn)行了研究。 現(xiàn)有成果中針對巖石在一定膨脹力作用下膨 脹率及相關(guān)影響因素變化情況的研究較多，但極少 考慮干濕循環(huán)和干燥溫度影響下膨脹力的變化規(guī) 律。鑒于此，本文在考慮干濕循環(huán)與干燥溫度影響下對紅砂巖進(jìn)行膨脹應(yīng)力試驗(yàn)研究，獲取膨脹應(yīng)力 隨時間的變化關(guān)系，并對考慮上述因素影響的時程 模型進(jìn)行研究。

　　2 膨脹應(yīng)力試驗(yàn)

　　2.1 試樣基本性質(zhì)

　　紅砂巖在湖南地區(qū)分布廣泛，試樣就近取自株 洲市某工程現(xiàn)場。為消除試樣的離散性，試樣取自 該工程同一位置。依據(jù)《巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī) 程》(DZ/T 0276.10-2015)[6]。 通過 SEM 試驗(yàn)得到了紅砂巖的微觀結(jié)構(gòu)，試樣顆 粒結(jié)構(gòu)較為明顯，顆粒間存在明顯的接觸縫。通過 XRD 試驗(yàn)，得到了紅砂巖的礦物成分，紅砂巖中石英的含量最多，占據(jù)了 40.85%， 膨脹性礦物(如蒙脫石、伊利石、高嶺石)含量達(dá)到 10.29%。

　　2.2 試驗(yàn)方法

　　按照 DZ/T 0276.10-2015 國家規(guī)范[6]對紅砂巖試樣開展室內(nèi)側(cè)限膨脹應(yīng)力試驗(yàn)，試樣的直徑為 70mm，高度為 100mm。試驗(yàn)采用的紅砂巖樣通過 巖樣取芯機(jī)與切割機(jī)制成，試樣的表面誤差為 ±0.5mm(試驗(yàn)采用的紅砂巖樣。紅砂巖 樣制作完成后，通過保鮮膜封閉保存，以確保試樣 的含水率不變。本試驗(yàn)的目的是研究干濕循環(huán)次數(shù)n(本試驗(yàn)分別取 n=1,2,3,4,5 進(jìn)行研究)和干燥溫度 K(本試驗(yàn)分別取 K=105℃,60℃,30℃)對紅砂巖膨脹 應(yīng)力的影響。

　　目前測取膨脹力的方法諸多，本試驗(yàn) 采用加荷平衡法測定。試驗(yàn)中保持巖石高度不變， 當(dāng)巖石發(fā)生膨脹、引起千分表變化時，轉(zhuǎn)動絲桿加 壓以平衡所產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力，使千分表回到初始基 準(zhǔn)讀數(shù)。 本試驗(yàn)通過在干濕循環(huán)作用下使試樣充分吸 水膨脹的方法測定紅砂巖樣的側(cè)限膨脹應(yīng)力，詳細(xì) 試驗(yàn)方法為：①獲取試驗(yàn)前巖樣的尺寸和質(zhì)量等參 數(shù)，將巖樣分別放在對應(yīng)溫度的烘箱中 1d 以上，待 從烘箱中取出的巖樣在干燥器中完全冷卻后再將其 稱重。②將試樣置于所示的 HYP-A 型巖石膨 脹壓力試驗(yàn)儀中，先施加約 4.5N 預(yù)壓，然后間隔 1/6h 觀察一次千分表讀數(shù)，將該讀數(shù)基本不變時的 數(shù)值作為初始值并記錄。③向膨脹儀的水槽中注滿 水，并使得每次試驗(yàn)時水槽中的液面等高;膨脹應(yīng) 力試驗(yàn)持續(xù) 2d 以上時間，將試驗(yàn)初始時間設(shè)為 0h， 則在 0h~1h 內(nèi)，間隔 1/6h 觀察一次千分表讀數(shù)，當(dāng)試驗(yàn)時間大于 1h 時，每隔 60min 觀察一次千分表， 當(dāng)千分表讀數(shù)基本不再變化時即可停止試驗(yàn)。然后 反復(fù)進(jìn)行 5 次上述試驗(yàn)。

　　3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

　　為增強(qiáng)試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，本文的側(cè)限膨脹應(yīng)力試驗(yàn)每個重復(fù)進(jìn)行三次，考慮篇幅原因，試驗(yàn)結(jié)果中僅選取其中 1 次試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行研究。不同干燥溫度影響下最大側(cè)限膨脹應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線。

　　工程論文投稿刊物：巖土工程學(xué)報已是我國巖土工程領(lǐng)域中具有重要影響的學(xué)術(shù)期刊，是巖土工程理論和實(shí)踐的重要論壇，是我國從事水利、建筑和交通事業(yè)的勘測、設(shè)計、施工、研究和教學(xué)人員發(fā)表學(xué)術(shù)觀點(diǎn)、交流實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的重要園地。

　　4 結(jié) 論

　　1) 膨脹應(yīng)力時程曲線可分為三個階段：① 迅速增長段，巖石迅速發(fā)生膨脹變形，曲線的增長近似直 線;② 減速增長段，巖石膨脹速率放緩，曲線呈下 凹狀，該段基本完成了巖石的吸水膨脹;③ 緩慢穩(wěn)定段，該段巖石達(dá)到飽和，曲線呈平行于 x 軸的直 線，巖石膨脹達(dá)到穩(wěn)定。

　　2) 膨脹應(yīng)力隨著循環(huán)次數(shù)的增加先增加后逐漸減 小。干燥溫度為 30℃，最大膨脹應(yīng)力出現(xiàn)在干濕循 環(huán)第 2 次;而在 60℃和 105℃的干燥溫度下，最大 膨脹應(yīng)力在第 3 次循環(huán)達(dá)到最大值后，隨著循環(huán)次 數(shù)的增加逐漸減小，并在第 4 次和第 5 次循環(huán)中趨 于穩(wěn)定。

　　3) 干燥溫度越高，最大膨脹應(yīng)力越大。當(dāng)干燥溫 度從 30℃增大到 60℃時最大膨脹應(yīng)力的增量并不 大，而干燥溫度為 105℃時的最大膨脹應(yīng)力遠(yuǎn)大于 30℃和 60℃。 4) 建立了紅砂巖側(cè)限膨脹應(yīng)力與時間的關(guān)系式， 在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了含有循環(huán)次數(shù)和干燥溫度影響的 側(cè)限膨脹應(yīng)力時程模型，并驗(yàn)證了模型的正確性。

　　參 考 文 獻(xiàn) (References)

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　　作者：張宗堂 1,2 高文華 2 黃建平 3 張俊麒 4 楊期君 2