摘要:采用湖南株洲地區的紅砂巖樣，進行了不同干濕循環次數和不同干燥溫度影響下的側限膨脹 應力試驗。結果表明：巖石側限膨脹應力是時間的函數，可以用快速膨脹階段、減速膨脹階段和 緩慢穩定階段表征;干濕循環作用和干燥溫度對紅砂巖的膨脹產生顯著影響，隨循環次數的增大， 最大側限膨脹應力先增大后減小;干燥溫度越高，不同循環次數下的側限膨脹應力越大。建立了 考慮循環次數與干燥溫度影響的側限膨脹應力時程模型，并驗證了模型的正確性。所得結論可為 保證膨脹巖地區工程建設的安全性和穩定性提供指導。

　　關鍵詞:紅砂巖;側限膨脹應力;干濕循環;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，經歷反復的膨脹變形，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限條件下，軸向 變形為零時所承受的最大軸向應力[6]，此處的膨脹 力是指最大或極限的軸向應力。而在實際工程中， 巖石并非總是完全飽和，其含水量只在一定區間內 波動，該膨脹力可稱為自然膨脹力，即為巖石從初 始狀態增濕至某狀態時所產生的力[7]。

　　現有成果中 對極限膨脹力的研究較多，文獻[8-10]對膨脹巖展開了室內試驗，獲取了膨脹應力與變形、含水率的關 系，并研究了吸水率與變形的關系。文獻[11-14]通 過巖石膨脹性試驗，獲取了膨脹應力與膨脹率的關 系，并研究了巖石的膨脹本構關系。文獻[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測定值。文獻[16]對 泥巖在干濕交替條件下進行試驗，得到了隨著循環 次數的增加膨脹力和膨脹率并不會持續增長，而是 存在一個界限。

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

　　2 膨脹應力試驗

　　2.1 試樣基本性質

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

　　2.2 試驗方法

　　按照 DZ/T 0276.10-2015 國家規范[6]對紅砂巖試樣開展室內側限膨脹應力試驗，試樣的直徑為 70mm，高度為 100mm。試驗采用的紅砂巖樣通過 巖樣取芯機與切割機制成，試樣的表面誤差為 ±0.5mm(試驗采用的紅砂巖樣。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。本試驗的目的是研究干濕循環次數n(本試驗分別取 n=1,2,3,4,5 進行研究)和干燥溫度 K(本試驗分別取 K=105℃,60℃,30℃)對紅砂巖膨脹 應力的影響。

　　目前測取膨脹力的方法諸多，本試驗 采用加荷平衡法測定。試驗中保持巖石高度不變， 當巖石發生膨脹、引起千分表變化時，轉動絲桿加 壓以平衡所產生的膨脹應力，使千分表回到初始基 準讀數。 本試驗通過在干濕循環作用下使試樣充分吸 水膨脹的方法測定紅砂巖樣的側限膨脹應力，詳細 試驗方法為：①獲取試驗前巖樣的尺寸和質量等參 數，將巖樣分別放在對應溫度的烘箱中 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 脹壓力試驗儀中，先施加約 4.5N 預壓，然后間隔 1/6h 觀察一次千分表讀數，將該讀數基本不變時的 數值作為初始值并記錄。③向膨脹儀的水槽中注滿 水，并使得每次試驗時水槽中的液面等高;膨脹應 力試驗持續 2d 以上時間，將試驗初始時間設為 0h， 則在 0h~1h 內，間隔 1/6h 觀察一次千分表讀數，當試驗時間大于 1h 時，每隔 60min 觀察一次千分表， 當千分表讀數基本不再變化時即可停止試驗。然后 反復進行 5 次上述試驗。

　　3 試驗結果及分析

　　為增強試驗結果的可靠性，本文的側限膨脹應力試驗每個重復進行三次，考慮篇幅原因，試驗結果中僅選取其中 1 次試驗結果進行研究。不同干燥溫度影響下最大側限膨脹應力與循環次數的關系曲線。

　　工程論文投稿刊物：巖土工程學報已是我國巖土工程領域中具有重要影響的學術期刊，是巖土工程理論和實踐的重要論壇，是我國從事水利、建筑和交通事業的勘測、設計、施工、研究和教學人員發表學術觀點、交流實踐經驗的重要園地。

　　4 結 論

　　1) 膨脹應力時程曲線可分為三個階段：① 迅速增長段，巖石迅速發生膨脹變形，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 緩慢穩定段，該段巖石達到飽和，曲線呈平行于 x 軸的直 線，巖石膨脹達到穩定。

　　2) 膨脹應力隨著循環次數的增加先增加后逐漸減 小。干燥溫度為 30℃，最大膨脹應力出現在干濕循 環第 2 次;而在 60℃和 105℃的干燥溫度下，最大 膨脹應力在第 3 次循環達到最大值后，隨著循環次 數的增加逐漸減小，并在第 4 次和第 5 次循環中趨 于穩定。

　　3) 干燥溫度越高，最大膨脹應力越大。當干燥溫 度從 30℃增大到 60℃時最大膨脹應力的增量并不 大，而干燥溫度為 105℃時的最大膨脹應力遠大于 30℃和 60℃。 4) 建立了紅砂巖側限膨脹應力與時間的關系式， 在此基礎上推導了含有循環次數和干燥溫度影響的 側限膨脹應力時程模型，并驗證了模型的正確性。

　　參 考 文 獻 (References)

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　　[2] 范秋雁，張波，李先.不同膨脹狀態下膨脹巖剪切蠕變試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報，2016，35(增刊 2)：3734-3746.(FAN Qiuyan， ZHANG Bo ， LI Xian.Experimental research on shear creep properties of a swelling rock under different expansive states[J]. Chinese journal of rock mechanics and engineering，2016，35(S2)： 3734-3746(in Chinese)).

　　[3] 劉靜德，李青云，龔壁衛.南水北調中線膨脹巖膨脹特性研究[J]. 巖土工程學報，2011，33(5)：826-830.(LIU Jingde，LI Qingyun， GONG Biwei.Swelling properties of expansive rock in middle route project of South-to-North Water Diversion[J].Chinese journal of geotechnical engineering，2011，33(5)：826-830(in Chinese)).

　　[4] 蒲文明，陳釩，任松，等.膨脹巖研究現狀及其隧道施工技術綜 述[J].地下空間與工程學報，2016，12(增刊 1)：232-239.(PU Wenming，CHEN Fan，REN Song，et al.Research of swelling rock and summarize of tunnel construction[J].Chinese journal of underground space and engineering，2016，12(S1)：232-239(in Chinese)).

　　[5] 陳釩，吳建勛，任松，等.基于濕度應力場理論的硬石膏巖膨脹 試驗研究[J].巖土力學，2018，39(8)：2723-2731.(CHEN Fan， WU Jianxun，REN Song，et al.The swelling tests of anhydrite based on the humidity stress field theory[J].Rock and soil mechanics， 2018，39(8)：2723-2731(in Chinese)).

　　作者：張宗堂 1,2 高文華 2 黃建平 3 張俊麒 4 楊期君 2