（岩土工程专业论文）膨胀岩侧限膨胀本构关系试验研究及其在红山窑工程中的应用.pdf

摘要 膨胀岩问题是工程地质和岩石力学领域中最为复杂的研究难题之一。目前关 于膨胀岩的膨胀变形试验和膨胀本构关系的研究已相对较多，但绝大多数成果都 是建立在充分膨胀的基础上。膨胀岩的膨胀机理复杂，影响膨胀变形量的因素繁 多，找出其中的主要因素，建立合理准确、简洁明了的膨胀本构关系是膨胀变形 研究的关键。本文在总结前人研究的基础上，通过大量的室内试验研究、试验资 料整理，深入分析探讨了南京红山窑水利枢纽工程区域膨胀岩膨胀变形与上部荷 载的关系、膨胀变形与含水率的关系以及膨胀力发展与含水率关系，提出了膨胀 岩在侧向约束条件下含水率、上部荷载双重影响时膨胀变形的关系，建立了本构 关系并应用于工程。论文主要做了以下几点工作： 1 _ 利用自制的膨胀仪，对红山窑膨胀岩进了侧向约束无荷载膨胀试验、侧 向约束轴向加压条件下的膨胀试验以及膨胀压力测试。 2 利用r m t - 1 5 0 b 岩石刚性伺服试验机完成了不同含水率状态的膨胀岩单 轴抗压强度试验，分析研究了膨胀岩力学参数随含水率状态的改变规律。 3 通过试验资料整理分析，深入探讨了膨胀岩的侧向约束下轴向膨胀变形 与含水率之间的关系、轴向膨胀变形与轴向荷载之间关系以及不同始末 状态膨胀压力发展规律。 4 建立了膨胀岩在侧向约束，轴向加压条件下侧限膨胀应变与含水率、轴 向荷载之间的关系。 5 用室内试验、现场试验以及南京梅山铁矿膨胀岩侧限膨胀试验的数据对 文中提出的侧限膨胀应变关系进行了验证。 6 应用本文建立的侧限膨胀应变关系对南京市红山窑水利枢纽部分建筑物 建成后可能出现的膨胀变形量进行了预测，并根据预测结果对该工程的 地基处理提出建议方案。 关键词：膨胀岩膨胀变形试验膨胀本构关系含水率 a b s t r a c t t h ed i l a t a t i o n a ls t r a i no fs w e l l i n gr o c ki so n eo ft h em o s td i f f i c u l tp r o b l e m si n t h ef i e l do fe n g i n e e r i n g g e o l o g ya n dr o c k m e c h a n i c s a tp r e s e n t ，m a n yt e s t so n d i l a t a t i o n a ls t r a i na n dr e s e a r c ho n s w e l l i n g c o n s t i t u t i v e r e l a t i o n s h i p s h a v eb e e n c a r r i e do u t h o w e v e rm o s to ft h e s et e s t sa n dr e s e a r c ha r eb a s e do np l e n t e o u sw a t e r s u p p l y b e c a u s e o ft h e c o m p l e xs w e l l i n g m e c h a n i s ma n dv a r i o u sf a c t o r sw h i c h i n f l u e n c et h ed i l a t a t i o n a ls t r a i n ，t of i n do u tt h em a j o rf a c t o r sa n dt oe s t a b l i s ha n a c c u r a t ea n ds i m p l es w e l l i n gc o n s t i t u t i v e r e l a t i o n s h i p i st h ek e yt o s w e l l i n gr o c k r e s e a r c h b a s e do nt h el a b o r a t o r ys w e l l i n g e x p e r i m e n t s ，t h ei n f l u e n c eo f w a t e rc o n t e n t a n dt h ea x i a ll o a d i n go nt h ed i l a t a t i o n a ls t r a i na n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns w e l l i n g p r e s s u r ea n dw a t e r c o n t e n to fs w e l l i n gr o c ki nh o n g s h a n y a o p r o j e c ti ss y s t e m a t i c a l l y s t u d i e di nt h i st h e s i s t h em a i nr e s e a r c hw o r ki n c l u d e s ： 1 b yu s i n gt h es w e l l i n g o d o m e t e rw em a d eo u r s e l v e s ，w eh a v ep e r f o r m e dl a t e r a l r e s t r i c t e ds w e l l i n gt e s ta n ds w e l l i n gp r e s s u r et e s t 2 b yu s i n gt h er m t 一1 5 0 bs e r v or o c kt e s t i n gs y s t e m ，w eh a v ep e r f o r m e du n i a x i a l c o m p r e s s i o n t e s ta n d a n a l y s e d m e c h a n i c a l p a r a m e t e r o f s w e l l i n gp r e s s u r e a t d i f f e r e n tw a t e rc o n t e n t s 3 b ya n a l y s i n gt e s t i n gd a t a ，w ed oas t u d yo fr e l a t i o n sb e t w e e nl a t e r a ls w e l l i n g s t r a i na n dw a t e rc o n t e n t ，b e t w e e nl a t e r a l s w e l l i n gs t r a i n a n da x i a l l o a d i n g ，a n d b e t w e e ns w e l l i n gp r e s s u r ea n dw a t e rc o n t e n t 4 al a t e r a lr e s t r i c t e ds w e l l i n gc o n s t i t u t i v er e l a t i o n s h i p ，i nw h i c ht h ee f f e c to fw a t e r c o n t e n ta n da x i a ll o a d i n ga r ec o n s i d e r e d ，h a sb e e n p r o p o s e d 5 b yu s i n g t h et e s t i n gd a t ao fl a b o r a t o r yt e s t ，f i e l dt e s t ，a n dt e s t so f s w e l l i n gr o c k o f t h e n a n j i n g m e i s h a nf e r r o u s m i n e ，t h e s w e l l i n g c o n s t i t u t i v e r e l a t i o n s h i p p r o p o s e d i nt h i st h e s i sh a sb e e np r o v e d 6 b yu s i n gt h el a t e r a ls w e l l i n gc o n s t i t u t i v er e l a t i o n s h i p ，f o u n d a t i o nd e f o r m a t i o no f b u i l d i n g sa th o n g s h a n y a oh y d r a u l i ce n g i n e e r i n gh a sb e e ne s t i m a t e da n dg r o u n d i m p r o v e m e n tm e t h o d s h a v eb e e n s u g g e s t e d k e yw o r d s ：s w e l l i n gr o c k ；s w e l l i n gt e s t ；s w e l l i n gc o n s t i t u t i v er e l a t i o n s h i p ；w a t e r c o n t e n t 第一帝绪论 第一章绪论 第一节研究课题的提出 近年来，随着国家经济建设的迅猛发展，矿产资源开发、水力能源开发、水 利工程兴建以及公路铁路交通等工程建设越来越多地向着膨胀岩地区进行，由膨 胀岩引起的工程地质问题日益严重，其复杂的工程地质性质已受到国内外工程地 质界的关注。 通常所说的膨胀岩是指一类与水发生物理化学反应而引起岩石含水量增大 且体积膨胀的岩石。工程中经常遇到的膨胀岩有两种：一种是化学转化膨胀岩， 如硬石膏( c a s 0 4 ) 、无水芒硝( n a 2 s 0 4 ) 、钙芒硝( c a s 0 4 n a 2 s 0 4 ) 等矿物， 它们吸水变相和结晶而引起岩石膨胀。硬石膏在理论上吸水后体积会增大 6 0 f 1 1 ： 硬石膏石膏 c a s 0 4 +2 h 2 0 c a s 0 4 2 h 2 0 ( 4 6 c m 3 ) ( 3 6c m 3 ) ( 7 4c n 3 ) 石膏在3 8 。c 以下是相当稳定的，故这种膨胀在常温下可以被认为是不可逆的。 另一类膨胀岩是指含有强亲水性粘土矿物的粘土类泥质膨胀岩，强亲水性粘土矿 物主要是蒙脱石、伊利石、高岭石，尤以蒙脱石膨胀性最为显著。泥质膨胀岩属 于易风化和软化的软弱岩石，当岩体受到扰动，特别是环境湿度和应力条件发生 变化时，膨胀岩的性状常发生巨大变化，产生体积膨胀或收缩，对位于其上或内 部的工程建筑物产生有很大的危害，严重影响工程的稳定性。 膨胀岩在世界范围内分布广泛，迄今为止已发现存在膨胀岩的国家和地区达 4 0 多个，遍及五大洲【2 】。西班牙m a t o r e l l c a s t e l l b i s b a l 铁路干线第二条线路中一 条8 5 0 m 长的隧峒所经过中新世泥灰岩普遍存在膨胀现象吲。阿尔及利亚 b o u r o u m i 水利工程所经t e l l i e n n e s 山脉南部地区的隧洞中也发现存在具有膨胀 性的中新世泥灰岩口j 。日本的颈城隧道、惠那山隧道，中山隧道；意大利至奥地 利阿尔卑斯山脉铁路隧道均发现存在膨胀性软质围岩 4 】。我国也是膨胀岩土分布 广，面积大的国家之一，先后有2 0 多个省区发现有膨胀岩。我国的南昆铁路沿 线5 卜、万家寨引黄工程南干线 1 5 】、风凰山铜矿【1 6 1 1 7 】、云台山隧道 1 8 1 等均 遇到膨胀岩问题。由于膨胀岩的显著胀缩性，这些地区的各类工程建设经常遭到 麻烦。g r o b d 9 1 报导了瑞士的一些公路隧道因膨胀而引起的底鼓破坏情况，最大 河海人学硕l 学位论文 底鼓量在几月内达9 0 c m 。在美国，每年因膨胀岩土对房屋、建筑、公路和管道 的破坏所造成的经济损失高达2 3 亿美元，是台风、洪水、地震灾害所造成经济 损失总和的2 倍多【1 0 】【2 “。在苏丹，存在潜在膨胀岩土的地区占整个国土面积的 三分之一多，位于这些地区的水利灌溉系统、下水管，建筑物、道路以及其它建 筑物经常遭受严重的破坏，每年经济损失超过6 0 0 万美元【2 “。在挪威，隧道投入 运营后额外加固费用7 5 与膨胀岩土有关 2 ”。类似这样的现象在德国、瑞典、 英国等国家也时有发生卜【2 7 1 。我国的矿山、铁路和水利工程等部门的工程建设 也常有这类灾害发生阱卜 3 1 1 ，严重的甚至导致某些工程无法进行，造成了重大的 经济损失。如南昆铁路林逢镇膨胀岩试验段，路堑边坡护坡方案三次更改设计， 抗滑桩被剪断，侧沟被挤成一条缝，路线下翘上拱，刚完工的工程雨季过，这 种反复设计和施工造成的损失不仅是财力和人力上的，对南昆铁路的安全及时通 车以及运营后的维护也有极大的影响。再如沈北矿区主要巷道位于膨胀性软弱围 岩中，建矿初期采用直墙半圆或圆狐混凝碹，砌筑三个月后几乎全部破坏，6 0 年代初，由北京煤炭科学院等7 家单位进行了大量的巷道支护试验，先后采用了 l o 多种支护形式，最终得到了以料石圆碹、短段掘砌为主的支护方案，初步满 足了安全与生产的要求。近年来，由于采动的影响，使料石圆碹仍大量破坏，不 得不再次进行支护的研究工作，影响了生产的正常进行 3 2 】。在湖北、安徽、广西 的膨胀岩地区，工业、民用建筑也由于膨胀岩土的灾害而造成经济损失。初步统 计，我国每年因膨胀岩土造成的各类建筑物破坏的损失达数亿元人民币。 造成这些灾害的主要原因不仅是因为人们事先不知道膨胀岩的分布，更主要 的原因是工程界对其复杂的膨胀力学变形机制的认识还不够清楚。膨胀岩土是一 个自然历史发展的综合体系，它处于岩石圈、水圈、生物圈和人类工程相互渗透 和相互作用的地带，具有复杂的化学成份和物质结构；它是一个由固、气、液和 有机质等组成的多相体系，存在着以水热运动和相变化为主的物理运动、化学运 动、物理化学运动和生物运动等；它是一个分散系统，从数厘米的颗粒一直到胶 体、分子、原子和电子等，是一个多矿物的组合体，有着特殊的矿物成份，特殊 的结构和联结，有着吸水膨胀失水收缩的特殊工程地质性质，一个动态具有耗散 结构的开放体系。膨胀岩的性质极其复杂，充分研究需跨越地貌学、力学、沉积 学、物理化学、胶体化学、电化学领域等。自5 0 年代开始，日美等国就对膨胀 岩的工程地质灾害进行了研究，并提出了一些有效的解决办法。国际岩石力学学 会专门成立了膨胀岩专业委员会，1 9 8 1 年在东京召开的“国际软岩会议”专门 将膨胀岩列为一个专题来讨论。我国自7 0 年代末起，膨胀岩课题已经引起了我 第一帝绪论 国岩土工程界的重视，对这方面进行了系统的研究。1 9 8 8 年工程地质专业委员 会召开了首次“膨胀岩学术讨论会”，这些会议促进了膨胀岩课题研究的发展。 但膨胀岩问题仍然是工程地质界和岩石力学领域最复杂的难题之一，对此的研究 还处于起步阶段。至今为止，如何定量性的分析与判别，勘测设计与施工方案采 取何种有效措施，众说纷纭，尚未得到一个比较统一的认识，也未能列入到有关 的规范中去。因而设计与旋工对此心中无底，无章可循。 综上所述，膨胀岩问题是工程中经常遇到的极其复杂的难题之一，而我国工 程建设事业的发展越来越多的向着膨胀岩地区进行，必将会遇到更多的膨胀岩问 题，因此开展膨胀岩课题的研究无论在理论或实际两方面都是具有重大意义的。 第二节本课题的研究发展现状 自5 0 年代起，日美等国就对膨胀岩的工程地质灾害进行了研究，我国自7 0 年代末起，对这方面进行了系统的研究。经过各国学者几十年来的研究和探索， 对膨胀岩的膨胀变形试验方法、膨胀变形数值分析以及性状改良等方面取得了一 定的成果，并在膨胀岩地质问题的处理方法上积累了一些经验。 一、膨胀岩的试验研究 1 宏观角度的膨胀参数试验 1 9 5 4 年，h o l t z 和g i b b s 3 3 1 首先研究了膨胀粘土的工程性质，他们做了一系 列膨胀岩试验研究，如自由膨胀试验和有侧向约束条件下的膨胀试验；1 9 7 0 年， h u d e r - a m b e r g 就泥岩采用常规固结仪进行了单轴应变膨胀试验，得到了轴向膨 胀应变与轴向膨胀压力的对数呈线性关系1 。 h u d e r - a m b e r g 的这一试验得到了世界范围的公认。近2 0 年来，人们直沿 用这一试验方法和结果。针对研究影响膨胀特性的参数有所不同，包括初始含水 量、孔隙率、干密度、胶结情况3 5 1 4 0 1 等，相关的试验主要可归为以下三类： ( 1 ) 膨胀压力试验：目的在于测量试件浸入水中时，侧向约束条件下，保持试 件高度不变的最大轴向压力； ( 2 ) 膨胀应变试验：测量岩石试件浸入水中时的非约束最大自由轴向膨胀应 变； ( 3 ) 膨胀应力与轴向应变的关系。 1 9 8 4 年，f r a n k l i n 4 1 1 将膨胀仪的刚性环刀改为柔性环刀，在环y j 9 i - n 粘贴电 阻应变片，测量径向膨胀应变和应力；与此同时，我国学者孙钧、李成江【4 2 1 也做 河海人学硕士学位论文 了类似试验，环刀厚度为0 1 2 7 5 c m ，可视为均匀薄壁圆环，取得了较好的试验 结果。 国际岩石力学学会膨胀岩专业委员会1 9 8 9 年公布了“泥质膨胀岩试验的建 议方法”【4 3 】，对测量最大轴向膨胀应力、轴向和径向自由膨胀应变，以及测量轴 向膨胀应力和轴向膨胀应变关系的试验方法作了阐述，力图使之规范化，并提出 应该继续开展试验室试验研究，特别是三维试验研究的观点。1 9 9 0 年，d a v i s o n 】 在常规膨胀仪试验的基础上，发展了连续荷载膨胀试验方法，使所测得的膨胀和 固结参数更为准确，l o 【4 5 】描述了单向和双向等压条件下，同时测量三个正交方 向上应变的新方法，得出在一主方向上施加压力，不仅限制该方向的膨胀，而且 也限制了垂直该方向上膨胀应变的结论。 1 9 9 3 年，杨庆、吴顺川等在改装的土三轴剪切仪上进行了三轴膨胀试验 研究，综合考虑了吸水量及应力对膨胀的影响，测定了膨胀岩膨胀应变与三轴应 力、吸水量等之间的关系。此后，焦建奎【4 ”针对常规h u d e r - a m b e r g 试验不能量 测膨胀过程中吸水量和径向膨胀压力，对固结仪进行改造，增加吸水和侧压测量 装置，研制开发一种基于吸水过程的侧向受限膨胀试验。他得出在侧向受限状态 下，由侧向膨胀受到限制会产生很大的侧向膨胀应力，使得侧向应力不符合金尼 克条件，而是远高于轴向应力，并在整个过程中保持这种状态。 2 微观结构试验 膨胀岩的微观结构试验目的是测定岩石矿物成分和物理化学性质。测定岩石 矿物成分的试验主要有x 射线衍射、电子显微镜扫描、差热分析以及晶粒及组 织的显微分析等几种；测定岩石物理化学性质的试验包括测定离子交换量，测定 比表面积等。 1 9 8 9 年，长江科学院王幼麟f 4 目提出岩石的膨胀、软化和崩解往往是物理化 学囡素和力学因素综合的结果，对于微观而言，首要的任务是弄清楚岩石与水之 间物理化学作用的机理及其主要的影响因素，为了解决这一问题，需要进行物质 成分、结构特征、物理化学性质以及膨胀机理的研究。 1 9 9 5 年，中国矿业大学茅献彪、缪协兴等【4 卅针对膨胀性岩复杂的物理力学 特性，采用x 射线衍射、扫描电镜等方法，较为全面地分析了膨胀岩的矿物成 分和组织结构特征以及在间接拉伸、单轴压缩、三轴压缩、长期流变试验过程中 的损伤破坏规律，分析了膨胀岩遇水作用前后微结构变化情况。通过一系列细观 力学试验研究，得出膨胀岩的主要矿物成分是蒙脱石、伊利石、高岭石和伊蒙混 合层，并且存在大量的微裂隙，这些微裂隙的存在为水渗入岩体提供了通道。他 4 第一章绪论 还得出了膨胀岩的破坏特征：在单轴试验和拉伸试验中出现典型的脆性损伤破坏 特性，具体表现为绕颗粒弱结合边界面的滑移和拉伸断裂；在三轴和长期流变损 伤破坏中则出现部分韧性破坏的特征，发生颗粒细化的现象。 1 9 9 7 年，北京科技大学朱建民即1 等对小官庄铁矿软岩进行了研究，全面分 析了软岩微观特性，得出小官庄铁矿主要存在两大类软岩：一类是富含蒙脱石为 特征的具有中强膨胀的软岩，以蚀变闪长玢岩为代表：另一类是富含绿泥石或不 含粘土矿物的节理化软岩，不存在膨胀性，以闪长玢岩和绿泥化矽卡岩为代表。 从软岩的微结构分析可知，软岩的结构按疏松或定向排列方式排列，所以软岩的 性质极不稳定，易受外界影响而发生变化，宏观上表现为低强度、内聚力小、低 模量、高泊松比，压缩、剪切或遇水膨胀其结构发生变化，从而引起软岩工程性 能的改变。 前人关于膨胀岩研究的试验已做了很多，除了以上所述宏观角度的膨胀参数 试验，微观角度的微观结构试验之外，还有现场进行的原岩现场抗压、剪切试验 以及模拟工程实物破坏的模型试验等等，这里不再详述。 二、膨胀本构模型 材料的本构关系，可认为是应力应变关系，它反映了物质的一种本性。吸水 膨胀变形是膨胀岩土最显著的工程地质特性，也是引起工程危害最常见的根源。 膨胀岩的膨胀本构关系是指膨胀岩在一定的应力和吸水条件下，产生膨胀应变的 规律。 1 9 7 0 年，h u d e r 和a m b e r g 3 4 1 利用常规固结仪对一种膨胀性泥灰岩进行了加 压膨胀后再卸载膨胀的应力路径的膨胀试验，得出轴向膨胀应变与轴向压力的对 数呈线性关系的结论。1 9 7 2 年，g r o b 又定量地表示了这一膨胀本构关系： ，、 ：k l l 一坐1 ll o g c r o 式中：s 轴向膨胀应变： “最大膨胀压力； a 膨胀压力； k 口= 0 1 m p a 时轴向膨胀应变。 目前，h u d e r - - a m b e r g 试验结果和g r o b 给出的膨胀本构关系得到了世界范 围内的公认。该项试验已成为隧道工程领域中测定岩石膨胀和反拱设计的基本试 验。 然而，h u d e r - - a m b e r g 膨胀本构存在两个较明显的缺陷：一是它没有考虑侧 河海大学硕二l 学位论文 限压力，表示的是一维关系，而不是三维关系；二是它只反映了膨胀稳定时的应 变与荷载的关系，而事实上应变是随吸水量和时间而增长的。针对以上缺陷，有 些学者分别对其作了改进。 上世纪7 0 年代，e i n s t e i n ( 1 9 7 2 ) 和w i t t k e ( 1 9 7 6 ) 在h u d e r - - a m b e r g 试验结果 基础上，提出了三维膨胀本构关系【5 5 】。假定侧向应力符合金尼克条件，即： , t 以2 0 y2 高盯z 则体积膨胀应变和体积膨胀应力的关系为： 铲足1 _ 矧 o - ，。最大体积体积膨胀应力； 泊松比； 足参数。 在上式中，e i n s t e i n 和w i t t k e 认为，膨胀应变是一种体积应变，是由于应力 第一不变量的改变引起的。在h u d e r - a m b e r g 试验中，如果固结仪上的环刀采 用薄壁环刀，环刀外贴应变片就可测出径向膨胀应变和应力。1 9 8 5 年，孙均和 李成江在对复合膨胀渗水围岩流变机理的研究中，就利用这种方法，对一种普通 泥质砂岩进行了单轴膨胀试验。通过分析，得到以下几点结论4 2 】： ( 1 ) 轴向膨胀应变，与轴向应力盯，呈半对数线性关系： 一：a 1 n 鱼 仃。 式中：最大膨胀压力；a 参数；该式实际上是g r o b 所提公式的变式。 ( 2 ) 侧向膨胀压力c r r 与轴向压力盯，程对数线形关系： 】n q = 口+ b i n 盯： 式中：a ，b 回归参数。 ( 3 ) 体积膨胀应变s 。与应力不变量1 1 及1 3 呈半对数线性关系。试验结果 表明，f 。与1 ni l 和i n1 3 之间的线性相关性都非常高，但由于通过回 归关系式= o 3 3 8 0 5 0 0 0 2 5 7 2 1 n i 3 所得到的最大膨胀压力与实际试 6 第一章绪论 验值较为一致，故认为体积膨胀应变是应力第三不变量的函数更合理 一些。 ( 4 ) 借鉴弹性理论广义虎克定律的思想，认为在某一方向上的膨胀会削弱 其它方向上的膨胀，于是通过引入膨胀泊松比。，把一维试验结果 推向三维，提出在膨胀应力应变的主向上满足： t 2 曲詈一般a t n 詈- , u , a l n 嚣，面历= 函 由此推得体积膨胀本构关系为： 毛= ( 1 - 2 z ，) a i n 拿， 1 3 并结合结论( 1 ) 和( 3 ) ，推得了膨胀泊松比从的值，并认为实际应用时可 采用弹性泊松比的值。 e i n s t e i n 和孙均提出的两种体积膨胀本构关系都不是建立在三轴膨胀试验基 础上的，雨是通过一定的假设，在单轴膨胀试验基础上摧得的。1 9 9 4 年，杨庆 等学者把三轴应变仪改制成三轴膨胀仪，对某膨胀岩原状样和重塑样进行了单轴 和三轴膨胀试验，提出了一种体积膨胀本构的表达式m 】 7 9 1 ： y ：a + 曰里一c l n 瓯 d ” 式中：“体积膨胀应变； 仃体积应力； 吸水量； a b ，c _ 与材料有关的膨胀系数。 傅学敏、潘清莲借助与扫描电镜的观察，分析了膨胀过程中岩石内部颗粒结 构的微观变化特征，并做了大量的试验来研究膨胀过程的宏观显现规律，提出了 用膨胀元件、弹性元件、粘性元件和塑性元件并联组合，来模拟软岩膨胀的力学 行为( 如图1 - 1 ) ，其本构模型为8 0 ： o ：e e + ? e + a 。 式中：a 某一时刻膨胀应力； s 某一时刻膨胀应变； 一。材料的屈服极限应力； ”粘性系数； e 材料的弹模。 河海大学硕十学位论文 并导出动变区( 应力是时间的函数) 和稳变区( 应力为常量) 的膨胀应变数 学表达式： s = 吉【吾r 一( a ，+ 詈南( 1 - e - ；) 】 f 图1 - 1岩石膨胀结构模型 陈宗基认为膨胀是物理化学和力学过程联合作用的结果，其本构为【8 1 】： 。= 3 0 t h h = h oe x p ( 妒r t ) 式中：s 。体积膨胀应变； a 取决于膨胀过程中出露面的当时比表面积参数，是一种力学 因素的量度； h 用于粘土矿物之类膨胀活动性很强的物质参数； p 激活能； r 绝对温度； r 气体常数。 一些学者从有效应力的观点出发，把不饱和泥岩中产生的间歇空气压力和间 歇水压力，以及吸水膨胀压力总括起来用膨胀压力表示，并把膨胀压力看作为内 部应力，如果将岩石视为各向同性的均质体，则关于土结构的有效应力理论对这 类岩石也认为是适用的。有效应力o - 可以用全应力一和膨胀压力p 的差来表示， 即： 口，= o x p y = 口y p d z = 口= 一p 从而可以建立以下关系： 铲i 1 【o x - 2 ( 咿叫卜半p 一 竿。 仁 第一章绪论 旷i 1 【o y - - 加：帆) 卜半尸 铲彭1 吁肿，嵋) - 半j p 三、膨胀位移预测及有限元分析 将试验总结出来的膨胀数学模型耦合到有限元程序中分析膨胀岩工程的稳 定性、计算膨胀岩地基的变形等是膨胀岩课题研究的主要任务。 据k o v a r i 5 1 峙艮导，g r o b 于1 9 7 2 年首次提出了一种预测洞室围岩竖向膨胀底 鼓的近似计算方法，认为底鼓围岩内任一点产生的径向膨胀应变与洞室开挖引起 的卸载符合h u d e r - a m b e r g 试验规律，对由径向应力的变化引起的膨胀应变进行 积分，其值即为即为底板的最大底鼓量，这是一种非常近似的计算方法，没有考 虑与膨胀发展方向相垂直的切向应力的影响，并假设巷道围岩处于饱水状态，其 计算公式为： l o g 旦办 盯” h 底板的最大底鼓量； r 0 巷道底板中点距巷道中心的距离； r 一一巷道底板以下一点距巷道中心的距离； k h u d e r _ a m b e 曙试验参数； 最大轴向膨胀应力； t 距巷道中心距离为r 点的径向应力。 h a m b e r t 5 3 根据现场的实际湿度剖面图，以及荷载与土吸力之间的应力变化 量测法，对某些点作了隆起预测。 k o d a n d a r a m a s w a m y 5 4 1 提i t i t 粘土的位移随时间变化呈双曲线变化关系： 丛一( a 。+ 6 。f ) 式中： a m , b 。n - 一均为材料常数； s 膨胀量。 当t 一。时，得到最大膨胀量为： 丛。，= l i m a s = 1 b 。 k o v e f i l 5 1 1 假设巷道底鼓仅发生在距巷道底板一倍巷道跨度的范围内，即在距 巷道底板为一倍跨度处膨胀应变为零，并假设这一范围的膨胀应变规律符合 一 m茁 f r r = ，n 中式 河海大学硕二l 学位论文 h u d e r - a m b e r g 试验规律，认为巷道底板的底鼓量与跨度和膨胀应变的形状系数 成正比，与支护反力的对数成反比。计算公式为： u 。= k d ( a b l o g 只) 式中： u 。，广- 底板中点的最大底鼓量： p 厂支护反力； d _ 一巷道跨度； k 膨胀应变曲线形状系数； a ，b 一围岩的膨胀特性参数。 g y s e l 1 5 6 1 根据单轴膨胀应变仪试验结果，在一定假设条件下给出了考虑围 岩膨胀因素的圆形洞室近似计算解。该方法利用弹性理论，首先求出围岩应力分 布和衬砌内力，然后按上面提到的g r o b 预测模型求出径向附加变形。1 9 8 7 年， g y s e l 5 7 1 又对该方法进行了修正，以便适用于弹塑性问题的计算。史维汾根据围 岩膨胀率算出围岩膨胀体积，来计算因物理化学作用膨胀所引起的洞壁的径向位 移，并对支护设计提出了一些看法。 e i n s t e i n 等人认为膨胀是应力第一不变量的变化所致，因为弹性阶段，应力 第一不变量和体积应变成正比5 8 1 。w i t t k e ( 3 5 1 根据这一假设，并引入了第二条假设， 以便将体积膨胀应变分离到所选择的三个主方向上，编制了有限单元法计算程 序。首先经弹性计算求得围岩应力分布，据此进行附加膨胀变形的迭代计算， w i t t k e 并将该法用于分析西德的s t u g a t t 地铁环形隧道。k o v a r i 采用了相同的概 念，编制了有限元程序r h e o s t a u b ，该程序可耦合考虑流变效应。r i c h a r d s 5 9 】 曾将荷载一变形特性和水流过程相耦合，用初应力法编制了膨胀粘土体积变化的 有限元程序，计算过程中未考虑时间因素的影响。j u s t o 6 川采用参数法进行有限 元分析，所采用参数是根据加荷作用下浸水曲线获得，他认为其他传统方法低估 了底鼓量。该方法只考虑垂直荷载，认为膨胀只在垂直方向发生，这与实际情况 是有一定差距的。 孙均和李成江提出了一种从流变学角度出发，进行膨胀性围岩计算的有限元 分析方法，并考虑了应力场和渗流场的相互影响，该方法根据改进h u d e r - a m b e r g 膨胀试验量测手段所得的试验结果，建立了多维应力状态下膨胀与流变相耦合的 力学模型【6 2 1 。 四、湿度应力场理论 1 9 9 3 年，中国矿业大学北京研究生部缪协兴等叫提出湿度应力场理论，类 1 0 第一章绪论 似温度应力场的概念，这是膨胀岩体受水作用而产生的应力应变场的新理论。湿 度应力场理论的基本思想是：( 1 ) 膨胀岩石吸水后产生体积膨胀和软化，恰好类 似与材料的温度效应。一般材料当温度升高时会产生体积膨胀和软化。( 2 ) 当物 体受到某个热源作用时，体内会形成一个受热传导方程控制的温度变化场。而当 围岩受到某个水源( 或湿空气) 作用时，围岩内也会形成一个受水份扩散方程控 制的湿度( 含水率) 变化场。( 3 ) 根据以上两点，由于湿度场变化产生的应力场 相似于温度应力场，而在分析温度应力场方面，目前已建立了较为完备的数学力 学基础。因而对于湿度应力场问题，可以采用温度应力场理论中的应力应变分析 和计算方法。湿度应力场理论控制方程包含两个部分，即湿度场控制方程和应力 应变场控制方程。缪协兴等人假设膨胀岩体在遇水作用前后都是均匀各向同性 的；湿度场和应力场是祸合的；湿度应力应变关系近似成线弹性关系；变形在小 变形理论可计算的范围内。这样，湿度应力场控制方程的表达形式如下： 1 吸水作用力和含水率及体积变形关系为 a 1a a 已 m 口o ob t 式中： 为吸水作用力；t 为时间；卢为单位体积含水量与体积变化系数，与应力 状态有关；0 为单位体积含水量；e 表示体积应变。 2 湿度应力场的平衡微分方程为 鲁。f p v , 一杀 嚣 - o 式中：为总应力分量；e 为弹性模量；为泊松比；口为线膨胀系数；p 为岩 体的质量密度。 上述方程，再加上几何方程和协调方程及边界条件等，就构成了湿度和应力 场的控制微分方程组。由此可求得湿度场、应力场、应交场和位移场。当然这是 极为复杂的微分方程系统，如不加简化，很难求得解析解，一般需要采用数值解。 卢爱红、茅孝献硝根据湿度应力场理论和温度应力场理论控制微方程中存在的相 似性，利用温度应力场理论的有限元软件来分析湿度应力场问题。其两者相似性 来自共同的线膨胀形式。温度变化产生的应变s 可表示为 = 8 i 式中：为温度线膨胀系数；t 为温度变化量。 湿度变化产生的应变f 可表示为 s = a w 河海大学硕士学位论文 式中：口为湿度线膨胀系数；w 为湿度变化量。联立以上两式可得 = 孚 这样，t 即可转化为是湿度场参数对应的温度场参数。借助于通用有限元软 件a n s y s 中的温度应力场分析模块来模拟湿度应力场问题，对圆形峒室遇水作 用进行数值分析，得出的结果与实际情况较为吻合。 五、膨胀岩土改性试验研究 铁道部科学研究院王小军惭1 等以生石灰作为改良剂，对南昆线、梅七线和候 月线路段膨胀岩进行室内研究，从强碱环境和多次干湿循环的无侧限抗压强度两 方面综合考虑，确定了上述路段的生石灰最佳掺入量在8 1 2 范围内。用生 石灰改良过的膨胀岩塑性降低，亲水性大大减弱，自由膨胀率急剧降低，基本消 除胀缩特性，一般可降到天然膨胀岩样的2 4 6 0 ， 湿化性得到改善，力学 性质也有较大提高。 河海大学李国华m 7 】等进行了某些有机阳离子改善膨胀岩土的试验，某些有机 阳离子进入粘土矿物晶层削弱了层问负电斥力并使晶层发生收缩，阻止了水分子 的进入，从而有效抑制了蒙脱石等粘土矿物的水化膨胀现象。驷马山膨胀岩土经 化学处理后，试样的自由膨胀率大大下降，其含水率和膨胀力也相应降低，并且 抗剪强度和压缩性能也得到有益的改善，此方法与生石灰、水泥、水玻璃等固结 土壤的方法相比，有机阳离子化学改性的方法能较好的保持岩土的原始孑l 隙和排 水性能。 邢忠信等【6 目进行了南水北调河北段的膨胀岩土改性试验研究。试验结果表 明，该地区膨胀岩土改性的最佳掺灰量在6 8 之间。膨胀岩土掺入不同比 例的生石灰后，所产生的石灰效应使其工程性能发生了明显改善，具体表现为 ( 1 ) 物理性质发生了变化。随着生石灰掺量的增加，混合土的最大干容重减小， 而最优含水量增加，且击实试验的击实曲线变得平缓，这意味着可使混合 土在一较宽的含水量范围内达到要求的击实度，而有利于施工中控制含水 量；混合土的液限减小而塑限增大，从而导致塑性指数显著降低；混合土 的粘粒含量降低，粗粒度成分增加。 ( 2 ) 膨胀收缩性能发生了显著变化。混合土的自由膨胀率随生石灰掺量的增加 降低。混合土的线缩率、体缩率、收缩系数均随生石灰掺量的增加而减小。 ( 3 ) 混合土强度增大。饱和直剪强度指标中值随生石灰掺量的增加而显著增 大，且养护后的强度增加量大于末养护的。 第一章绪论 膨胀岩土的改良方法主要缺点是工程量大，施工复杂，工程费用高，应用范 围受到限制，特别在河流水道等水利工程中必须考虑对水质和人类健康的影响。 为慎重起见，采用化学方法治理膨胀岩地基时，需进行环境污染的监测。 第三节本文主要内容 膨胀岩膨胀性能的研究主要有宏观和微观两种途径。微观研究从膨胀岩结构 入手，认为膨胀压力是岩石吸入水的离子浓度、吸附阴离子化合价、a t t e r b e r g 限、膨胀矿物含量以及结构等的函数，研究膨胀性能与这些结构参数之间的关系。 这种研究方法所涉及的参数繁多，有时很难分清主次。本文中采用宏观研究的方 法，即针对某种对于实际膨胀岩，直接做宏观的膨胀试验和力学试验，来研究膨 胀力学的规律。 前文的研究现状指出，当前反映膨胀岩膨胀变形系中，大多认为水分补给是 充足的，主要只考虑压力对膨胀的影响，而没有考虑水分补给条件。文献m 1 中提 出的本构关系考虑了水份补剂因素对膨胀变形，但也是从重塑试样的膨胀变形试 验中得出的。 本文中研究对象为南京市红山窑水利枢纽工程中的膨胀性风化砂岩，并且是 以膨胀岩原状试样膨胀力学性能试验展开的。论文中主要进行的工作有： l 利用自制的膨胀仪，对红山窑膨胀岩进了侧向约束无荷载膨胀试验、侧 向约束轴向加压条件的膨胀试验以及膨胀压力测试。 2 利用r m t 一1 5 0 b 岩石刚性伺服试验机完成了不同含水率状态的膨胀岩单 轴抗压强度试验，分析研究了膨胀岩力学参数随含水率状态的改变规律。 3 通过试验资料整理分析，深入探讨了膨胀岩的侧向膨胀变形与含水率之 间的关系、膨胀变形与轴向荷载之间关系以及不同始末状态膨胀压力发 展规律。 4 建立了膨胀岩在侧向约束，轴向加压条件下侧限膨胀应变与含水率、轴 向荷载之间的关系。 5 用室内试验、现场试验以及南京梅山铁矿膨胀岩侧限膨胀试验的数据对 文中提出的侧限膨胀应变关系进行了验证。 6 应用本文建立的侧限膨胀应变关系对南京市红山窑水利枢纽部分建筑物 建成后可能出现的膨胀变形量进行了预测，并根据预测结果对该工程的 地基处理提出建议方案。 河海大学硕士学位论文 第二章膨胀岩胀缩机理及工程性质 第一节常见几种膨胀性指标 膨胀岩土工程实践和研究中，常见的几种膨胀性指标有膨胀量、膨胀力、胀 限含水率。本文在此作简要介绍。 一、膨胀量 膨胀量又称膨胀率，是指一定体积的膨胀岩体，在一定条件下与水相互作用， 其体积增量与初始体积之比。根据试验条件和方法的不同，又分为以下几种指标。 1 体膨胀量：是指原状或击实重塑试样在既无荷载又无侧限的条件下吸水 膨胀稳定后，体积增量与初始体积之比。 2 线膨胀量：是指原状或击实试样在无荷载有侧限的条件下，吸水膨胀稳 定后沿垂直方向的高度增量与初始高度之比。 3 自由膨胀率：是指经过风干样粉碎过o 5 m m 筛后一定一定体积的松散颗 粒在水中没有任何限制条件下充分吸水自由膨胀后体积增量与初始体积 之比。 以上三个指标由于没有考虑荷载或侧限等条件，因而从工程角度来讲，他们 的工程实际意义不大。但他们能在一定程度上反映粘土矿物的矿物成分、粒度成 分、交换阳离子成分等基本性质，同时试验操作简便易行，所有目前国内外仍然 利用这些指标来粗略衡量岩土的一般膨胀性，并作为膨胀岩土的定性判别分类指 标。为了模拟岩土体承受一定荷载的情况下，所产生的实际膨胀变形，常常用到 下面的有载荷膨胀量指标。 4 有载荷膨胀量：是指原状或击实试样在侧限和上部有一定垂直荷载的条件 下，吸水膨胀稳定后沿垂直方向膨胀的高度增量与初始荷载压密后试件的 高度之比。 该指标表明了膨胀与荷载之间的密切相关性，因而有着重要的工程实际意义，是 工程中经常测定和采用的膨胀性指标。此外，在膨胀本构的研究中，还经常用到 膨胀应变的概念，其与有荷载膨胀量略有差异：不局限于侧限条件、竖直方向上 以及膨胀稳定三方面的限制条件，是指原状或击实试样在一定条件下，吸水膨胀 过程中某一方向上变形增量与初始长度之比。若用体积变化来表示，则称为体积 第二章膨胀岩胀缩机理及工程性质 膨胀应变。显然，该指标不仅包含了荷载条件，也包含了水分补给条件对变形的 影响。 二、膨胀力 膨胀压力、膨胀应力、最大膨胀压力等都是与膨胀力相似的含义，这些指标 目前使用有些混乱。在膨胀力概念的使用上，有特指和泛指之分。特指含义就是 最大膨胀应力，即岩土体吸水时保持体积不变时所需要的最小压力。广义上的膨 胀压力就是泛指岩土体吸水膨胀时所产生的内应力或者说对约束体产生的作用 力。最大膨胀压力的测定对于构筑物的设计以及防止岩土体的膨胀变形有着十分 重要的意义。 三、胀限含水量 胀限含水量又称为膨胀极限含水量，是指一定荷载下岩土体吸水膨胀稳定后 的最大含水量，即试样吸水膨胀稳定后岩土体中所含水分的重量与固体颗粒重量 之比。胀限含水量的意义在于：当含水量增加到接近胀限含水量时，表明岩土的 膨胀变形已经接近基本完成，此时水分再增加，产生的膨胀却十分有限，当含水 量增加到胀限时，岩土的膨胀也就终止，即使含水量再增加，其体积也保持不变。 研究表明，膨胀岩的胀限含水量与其矿物成份、胶结状况以及所处的应力条件密 切相关。 第二节膨胀岩的胀缩机理及影响因素 膨胀岩产生膨胀与收缩的原因是很复杂的，它是膨胀岩土与水之间发生的一 种物理化学反应和力学作用过程的综合体现。研究膨胀岩的变形问题，应当首先 对膨胀岩吸水膨胀和失水收缩的原因和机理有一个比较清晰的了解，只有这样， 才能为分析胀缩变形问题树立一个正确的研究方向。膨胀岩之所以产生膨胀与收 缩，其一是必须具备岩土体本身能够膨胀与收缩的内因，其二是要有水分转移的 外部条件，两者缺一不可。就某一种膨胀岩而言，其膨胀程度则取决于其初始物 理状态以及外部的环境条件。 一、膨胀岩的胀缩机理 泥质膨胀岩一般富含膨胀性粘土矿物，本身具有能够膨胀和收缩的内部因 素，但对其水分转移的机理，目前还没有很清楚的认识。为了解释膨胀岩在水分 转移过程中产生的现象及其过程的本质原因，许多学者作了多种假说，但迄今为 河海大学硕j ：学位论文 止，已有的理论都没有对膨胀岩的胀缩机理作出全面的、圆满的解释，而多是从 学术的角度上针对胀缩机理问题的某一方面进行探讨。现有理论中，分子膨胀机 制和胶