干湿循环作用下红砂岩侧限膨胀应力时程模型

　　摘要:采用湖南株洲地区的红砂岩样，进行了不同干湿循环次数和不同干燥温度影响下的侧限膨胀 应力试验。结果表明：岩石侧限膨胀应力是时间的函数，可以用快速膨胀阶段、减速膨胀阶段和 缓慢稳定阶段表征;干湿循环作用和干燥温度对红砂岩的膨胀产生显著影响，随循环次数的增大， 最大侧限膨胀应力先增大后减小;干燥温度越高，不同循环次数下的侧限膨胀应力越大。建立了 考虑循环次数与干燥温度影响的侧限膨胀应力时程模型，并验证了模型的正确性。所得结论可为 保证膨胀岩地区工程建设的安全性和稳定性提供指导。

　　关键词:红砂岩;侧限膨胀应力;干湿循环;干燥温度

　　1 引 言

　　膨胀岩是一种特殊的岩石，由于其含有一定的 亲水性黏土矿物，故其体积会随着膨胀岩含水量的 不同而发生变化[1-2]。膨胀岩受到自然界降雨与温度 频繁变化的影响，经历反复的膨胀变形，从而对膨 胀岩工程造成极大危害[3-5]。 膨胀力是岩石在充分吸水的侧限条件下，轴向 变形为零时所承受的最大轴向应力[6]，此处的膨胀 力是指最大或极限的轴向应力。而在实际工程中， 岩石并非总是完全饱和，其含水量只在一定区间内 波动，该膨胀力可称为自然膨胀力，即为岩石从初 始状态增湿至某状态时所产生的力[7]。

　　现有成果中 对极限膨胀力的研究较多，文献[8-10]对膨胀岩展开了室内试验，获取了膨胀应力与变形、含水率的关 系，并研究了吸水率与变形的关系。文献[11-14]通 过岩石膨胀性试验，获取了膨胀应力与膨胀率的关 系，并研究了岩石的膨胀本构关系。文献[15]研究 了火山岩在干湿交替条件下的膨胀性能，并指出岩 石的长期膨胀性可能高于试验测定值。文献[16]对 泥岩在干湿交替条件下进行试验，得到了随着循环 次数的增加膨胀力和膨胀率并不会持续增长，而是 存在一个界限。

　　文献[17]研究了冻融循环对改良膨 胀土 CBR 的影响。文献[18]对多裂隙发育膨胀土抗 剪强度进行了研究。 现有成果中针对岩石在一定膨胀力作用下膨 胀率及相关影响因素变化情况的研究较多，但极少 考虑干湿循环和干燥温度影响下膨胀力的变化规 律。鉴于此，本文在考虑干湿循环与干燥温度影响下对红砂岩进行膨胀应力试验研究，获取膨胀应力 随时间的变化关系，并对考虑上述因素影响的时程 模型进行研究。

　　2 膨胀应力试验

　　2.1 试样基本性质

　　红砂岩在湖南地区分布广泛，试样就近取自株 洲市某工程现场。为消除试样的离散性，试样取自 该工程同一位置。依据《岩石物理力学性质试验规 程》(DZ/T 0276.10-2015)[6]。 通过 SEM 试验得到了红砂岩的微观结构，试样颗 粒结构较为明显，颗粒间存在明显的接触缝。通过 XRD 试验，得到了红砂岩的矿物成分，红砂岩中石英的含量最多，占据了 40.85%， 膨胀性矿物(如蒙脱石、伊利石、高岭石)含量达到 10.29%。

　　2.2 试验方法

　　按照 DZ/T 0276.10-2015 国家规范[6]对红砂岩试样开展室内侧限膨胀应力试验，试样的直径为 70mm，高度为 100mm。试验采用的红砂岩样通过 岩样取芯机与切割机制成，试样的表面误差为 ±0.5mm(试验采用的红砂岩样。红砂岩 样制作完成后，通过保鲜膜封闭保存，以确保试样 的含水率不变。本试验的目的是研究干湿循环次数n(本试验分别取 n=1,2,3,4,5 进行研究)和干燥温度 K(本试验分别取 K=105℃,60℃,30℃)对红砂岩膨胀 应力的影响。

　　目前测取膨胀力的方法诸多，本试验 采用加荷平衡法测定。试验中保持岩石高度不变， 当岩石发生膨胀、引起千分表变化时，转动丝杆加 压以平衡所产生的膨胀应力，使千分表回到初始基 准读数。 本试验通过在干湿循环作用下使试样充分吸 水膨胀的方法测定红砂岩样的侧限膨胀应力，详细 试验方法为：①获取试验前岩样的尺寸和质量等参 数，将岩样分别放在对应温度的烘箱中 1d 以上，待 从烘箱中取出的岩样在干燥器中完全冷却后再将其 称重。②将试样置于所示的 HYP-A 型岩石膨 胀压力试验仪中，先施加约 4.5N 预压，然后间隔 1/6h 观察一次千分表读数，将该读数基本不变时的 数值作为初始值并记录。③向膨胀仪的水槽中注满 水，并使得每次试验时水槽中的液面等高;膨胀应 力试验持续 2d 以上时间，将试验初始时间设为 0h， 则在 0h~1h 内，间隔 1/6h 观察一次千分表读数，当试验时间大于 1h 时，每隔 60min 观察一次千分表， 当千分表读数基本不再变化时即可停止试验。然后 反复进行 5 次上述试验。

　　3 试验结果及分析

　　为增强试验结果的可靠性，本文的侧限膨胀应力试验每个重复进行三次，考虑篇幅原因，试验结果中仅选取其中 1 次试验结果进行研究。不同干燥温度影响下最大侧限膨胀应力与循环次数的关系曲线。

　　工程论文投稿刊物：岩土工程学报已是我国岩土工程领域中具有重要影响的学术期刊，是岩土工程理论和实践的重要论坛，是我国从事水利、建筑和交通事业的勘测、设计、施工、研究和教学人员发表学术观点、交流实践经验的重要园地。

　　4 结 论

　　1) 膨胀应力时程曲线可分为三个阶段：① 迅速增长段，岩石迅速发生膨胀变形，曲线的增长近似直 线;② 减速增长段，岩石膨胀速率放缓，曲线呈下 凹状，该段基本完成了岩石的吸水膨胀;③ 缓慢稳定段，该段岩石达到饱和，曲线呈平行于 x 轴的直 线，岩石膨胀达到稳定。

　　2) 膨胀应力随着循环次数的增加先增加后逐渐减 小。干燥温度为 30℃，最大膨胀应力出现在干湿循 环第 2 次;而在 60℃和 105℃的干燥温度下，最大 膨胀应力在第 3 次循环达到最大值后，随着循环次 数的增加逐渐减小，并在第 4 次和第 5 次循环中趋 于稳定。

　　3) 干燥温度越高，最大膨胀应力越大。当干燥温 度从 30℃增大到 60℃时最大膨胀应力的增量并不 大，而干燥温度为 105℃时的最大膨胀应力远大于 30℃和 60℃。 4) 建立了红砂岩侧限膨胀应力与时间的关系式， 在此基础上推导了含有循环次数和干燥温度影响的 侧限膨胀应力时程模型，并验证了模型的正确性。

　　参 考 文 献 (References)

　　[1] 范秋雁.膨胀岩与工程[M].北京：科学出版社，2008.(FAN Qiuyan.Explosion rock and engineering[M].Beijing：Science Press， 2008(in Chinese)).

　　[2] 范秋雁，张波，李先.不同膨胀状态下膨胀岩剪切蠕变试验研究[J]. 岩石力学与工程学报，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] 刘静德，李青云，龚壁卫.南水北调中线膨胀岩膨胀特性研究[J]. 岩土工程学报，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，陈钒，任松，等.膨胀岩研究现状及其隧道施工技术综 述[J].地下空间与工程学报，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] 陈钒，吴建勋，任松，等.基于湿度应力场理论的硬石膏岩膨胀 试验研究[J].岩土力学，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：张宗堂 1,2 高文华 2 黄建平 3 张俊麒 4 杨期君 2