西宁盆地新近系膨胀泥岩膨胀特性研究

黄如玉， 孙靖杰， 李 先

(西南交通大学地球科学与环境工程学院, 四川成都 611756)

膨胀泥岩是指含有大量亲水矿物，且与水发生接触时会引起体积变化的一类岩石。大多数浸水容易崩解且易于膨胀，产生裂纹，强度很低，容易引发工程事故，给人民带来损失和不便。我国正处于高速发展铁路行业的时期，对高铁路基设计提出了更高标准和要求，重中之重就是要确保铁路泥岩路基的膨胀变形量，基于此，势必需要投入大量的研究以保证对其膨胀性能的掌握。

从Holz、Gibbs[1]最早开始研究膨胀土的胀缩效应以来，国内外开展较多的一方面是泥岩遇水作用的研究工作。水-岩作用研究[2-4]主要是研究泥岩基于吸水试验导致微观结构变化的研究，水溶液离子浓度及成分的改变对泥质岩膨胀性能的影响，泥质岩遇水之后引起岩石的抗压抗剪强度以及摩擦角变化的一系列过程。另一方面对泥岩膨胀性能影响因素做了大量研究[5-11]。但是综合四个要素对膨胀泥岩膨胀性能影响评价研究相对较少。本文主要是以西宁盆地膨胀泥岩为研究对象，综合四个因素，指定一个要素，控制其他要素，系统地分析黏土矿物含量、初始干密度、初始含水率、碎屑矿物粒径四个内在影响因素指标综合影响下对膨胀泥岩的膨胀特性影响关系，并且结合重塑试样试验研究，得出膨胀泥岩膨胀性与影响因素的成因规律。

本文对膨胀泥岩的原状岩样进行细致的描述，开展室内试验研究，利用皮尔森指数客观解释膨胀泥岩膨胀性能影响因素的关系。进一步结合重塑样试验的数据结果，得到影响膨胀泥岩膨胀性能的主要影响因素。

1 泥岩的基本调查情况

对研究区内的5组岩样主要物理参数进行试验分析，原状岩样的基本情况见表1所示，据分析结果可知：(1)新近系膨胀泥岩初始含水率主要在2 %～8 %之间，依次为：N-3>N-4>N-5>N-1>N-2；(2)岩石初始干密度偏小，多居于1.8～2.1 g/cm3，黏土矿物含量成分占比偏高，都在40 %以上。

由XRD分析结果可以看出泥岩矿物成分基本相同，以伊利石为主，含少量的绿泥石和高岭石，含量却差别较大，部分岩石的黏土矿物含量占比超过了60 %(表2)。碎屑矿物以石英为主。

表1 原状岩样的基本情况

从扫描电镜图片可以看出，黏土矿物多是颗粒状或者片状的形态。研究区泥岩以平片状的基本单元体叠聚而成。根据XRD分析的结果可知，这些平片状物质可能为伊利石矿物，形成了大量的自相集聚的以伊利石-蒙脱石为主的黏土基质，从而会使得岩石表现出较强的膨胀潜势[13]。

5个原状岩样的颗分曲线也不尽相同(图1)。据图可知，分为三类，N-1、N-3分选较好，碎屑矿物粒径较细。N-2、N-5分选较差，碎屑矿物粒径较粗。N-4介于二者之间。

对泥岩的基本物理性质摸底后，进行膨胀特性试验，泥岩膨胀率试验结果及分析见表3所示。

结果表明：结合野外调查，西宁盆地新近系膨胀泥岩普遍具有膨胀性，膨胀率的范围在1.026 %～12.539 %，依次为N-1>N-3>N-2>N-5>N-4，可以看出N-1和N-4的膨胀率相差很大。

表2 新近系膨胀泥岩XRD矿物成分[12]

图1 原状岩样颗粒级配曲线

岩样N-1N-2N-3N-4N-5膨胀率/%12.5394.4275.4651.0263.468

结合SPSS软件，对研究区膨胀泥岩影响参数进行相关性分析，其结果见表4所示。结果表明膨胀泥岩的膨胀率与黏土矿物含量，初始干密度呈正的显著性相关性(R=0.870，0.792)，与碎屑矿物粒径呈负的显著性相关性(R=-0.738)。

表4 研究区膨胀泥岩影响成分Pearson相关系数

2 重塑样试验分析

对于原状岩样总结出的单一指标对膨胀特性的影响的相关性，这其实是不准确的，每一个原状岩样都很难去遵循控制变量法，为了验证膨胀特性是否与这四个要素紧密相关，需要设置重塑样平行试验。

因为土的初始干密度在1.5～1.8 g/cm3之间，所以试样初始干密度范围应为1.5 g/cm3、1.6 g/cm3、1.7 g/cm3、1.8 g/cm3；原状岩样的初始含水率在2 %～8 %之间，在重塑试样参数选择上，为了使分析结果更具有区分度，初始含水率为8 %～20 %；碎屑矿物粒径有0.5～5 mm；黏土矿物含量为20 %～65 %的重塑试样，共计192个试样。制样是在蒸馏水饱和环境下进行实验，试验的初始含水率的控制主要是通过喷壶均匀的撒在土样上，调匀，接着密封24 h。对测试结果进行拟合，以初始干密度在其他三种因素作用下对膨胀率的影响分析(图2)为例，进行重点解析。

图2 初始干密度在其他三种因素作用下对膨胀率的影响分析

对初始干密度在其他三种因素作用下对膨胀率的影响进行分析，得出y=ax+b的拟合公式，拟合参数a0.6>a1>a2.5>a4>0，a12%>a8%>a16%>a20%>0，a50%>a65%>a35%>a20%，a均大于0，说明为一增函数，初始干密度的增大对膨胀率始终是促进作用。即无论在何种条件下，初始干密度的增大会使膨胀率变大。

对黏土矿物含量在其他三种因素作用下对膨胀率的影响进行分析，得出y=ax+b的拟合公式，拟合参数a值均是大于0，说明为一增函数，即无论在何种条件下，黏土矿物含量的增加对膨胀率都起到促进作用。并且初始干密度增大会使得a值增大，碎屑矿物粒径减小也会使得a值增大，初始含水率在12 %时，曲线坡度最陡。说明了初始干密度增大，碎屑矿物减小，会加剧膨胀率随黏土矿物含量增大的趋势，初始含水率在12 %时，加剧的趋势最为明显[12]。

对初始含水率在其他三种因素作用下对膨胀率的影响进行分析，得出初始含水率均在12 %时取得最大膨胀率，说明初始含水率的增大对膨胀率并不是单纯的促进或者抑制的作用。从折线上来看，本身并没有存在很好的相关性，因此没有对其图像进行拟合。越过12 %这个点之后，很明显的规律是初始含水率的增大对膨胀率起到抑制的作用。初始含水率为12 %是个极其重要拐点，初始含水率在拐点前起到促进作用，在这之后则是抑制作用。

对碎屑矿物粒径在其他三种因素作用下对膨胀率的影响进行分析，得出y=ax+b的拟合公式，a值均小于0，为一减函数，说明无论何种情形下，碎屑矿物粒径的增大对膨胀率起到的均是抑制作用。当黏土矿物含量为50 %时，对膨胀率随碎屑粒径下降的趋势减弱最明显。

3 讨论与分析

结果讨论：初始含水率对膨胀特性的影响存在一个临界值，在临界值之前，黏土矿物在低初始含水率的情况下黏土矿物膨胀势能释放的少，膨胀潜势较大。而随着初始含水率的增大到临界值，黏土矿物和碎屑矿物的膨胀势能逐渐被平衡。越过这个临界值后，初始含水率对膨胀率的影响恢复正常，随着初始含水率的增大，黏土矿物势能释放的越多，膨胀率越小，起到抑制作用。而本研究初始含水率为12 %时，刚好达到了黏土矿物势能和碎屑矿物势能的平衡点。

初始干密度的增大始终对膨胀率起到促进作用，相同体积下，干密度越大，意味着黏土矿物越多，对膨胀率起到促进作用，因此初始干密度对膨胀率的促进作用，本质上还是黏土矿物含量起到的作用。

碎屑矿物粒径的增大始终对膨胀率有抑制作用，碎屑矿物的粒径越小，膨胀率越大，虽然碎屑矿物粒径不会改变黏土矿物的膨胀势能，但是碎屑矿物越小，黏土矿物与碎屑矿物相互依存，起到胶结作用越良好，接触更加紧密并且均匀。而碎屑矿物粒径越大，黏土矿物跟碎屑矿物接触不好，当侵入水分时，黏土矿物随水流带走，碎屑矿物失去胶结、塌软，向底部沉积，丧失骨架，从而导致膨胀率的增长趋势没有碎屑矿物粒径小的试样的膨胀率大。

4 结 论

(1)试验结果发现，膨胀泥岩的膨胀率与黏土矿物含量、初始干密度的关系呈现显著的正相关关系，而与颗粒粒径呈显著的负相关关系，并且是良好的线性相关。

(2)影响西宁盆地膨胀泥岩膨胀率的根本因素是黏土矿物含量，黏土矿物含量的增大始终对膨胀泥岩膨胀率起到促进作用，原因在于黏土矿物含量越高，泥岩具有的膨胀势能越大。初始干密度的增大始终对膨胀泥岩膨胀率起到促进作用，影响机制本质上和黏土矿物含量影响机制相同。

(3)初始含水率及碎屑矿物粒径对膨胀泥岩膨胀率影响机制不同，初始含水率的增大会释放掉部分黏土矿物的膨胀势能从而影响膨胀率的变化趋势，而碎屑粒径的增大是从结构上影响黏土矿物膨胀势能，进而影响膨胀率的变化趋势。

(4)本文还未对温度压强作用对黏土矿物膨胀势能的影响进行分析，接下来还应做进一步研究。