硬石膏巖膨脹力學(xué)試驗(yàn)研究進(jìn)展及展望

許崇幫，秦幼林，高曉靜，劉志國(guó)

(1.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088；2.中鐵十一局集團(tuán)有限公司，重慶 400037)

0 引言

硬石膏巖是一種典型的化學(xué)膨脹的膨脹巖，國(guó)內(nèi)外均廣泛分布。對(duì)于國(guó)外來(lái)講，硬石膏巖廣泛分布在瑞士西北部與德國(guó)西南部和西班牙等地區(qū)[1]；而在我國(guó)硬石膏巖同樣分布廣泛，并且硬石膏巖的類型復(fù)雜多樣。硬石膏巖根據(jù)礦物成分與含量劃分，其類型主要有硬石膏泥灰?guī)r、硬石膏泥巖、膏溶角礫巖、硬石膏白云巖等。

在工程實(shí)踐中，硬石膏巖體吸水膨脹極易誘發(fā)隧道底板隆起及襯砌裂損[2](見(jiàn)圖1、圖2)，例如山西長(zhǎng)治杜公嶺隧道、南呂梁山隧道、成昆線百家?guī)X隧道、湖北恩施十字埡隧道、湖北宜巴高速公路涼水井隧道、Chienberg隧道[3]、Strenger隧道[4]、Lilla隧道[5]和Stuttgart隧道[6]等，均出現(xiàn)了由硬石膏巖吸水膨脹誘發(fā)的隧道病害。

圖1 南呂梁山隧道邊墻在硬石膏巖膨脹壓力作用下襯 砌裂損Fig.1 Lining cracks on side wall of Nanluliangshan Tunnel under swelling pressure of anhydrite rock

圖2 Chienberg隧道在硬石膏巖膨脹壓力作用下底鼓[3]Fig.2 Heave of floor of Chienberg Tunnel under swelling pressure of anhydrite rock [3]

硬石膏巖吸水后導(dǎo)致巖石結(jié)構(gòu)體積增加[7]，從而引發(fā)膨脹。常溫條件下，硬石膏巖與水發(fā)生水化反應(yīng)析出鈣離子和硫酸根離子，隨后，礦物重結(jié)晶，水進(jìn)入晶格成為結(jié)晶水，石膏晶體開始生長(zhǎng)，化學(xué)反應(yīng)過(guò)程為CaSO4+2H2O→CaSO4·2H2O，石膏的體積比硬石膏的體積增加了61%[3]。對(duì)含結(jié)晶水的石膏，當(dāng)溫度達(dá)到100～120 ℃時(shí)，結(jié)晶水才會(huì)蒸發(fā)變?yōu)橛彩?，而在未達(dá)到失水溫度前石膏中的結(jié)晶水則可穩(wěn)定存在。因此，在一般工程條件下，硬石膏巖吸水轉(zhuǎn)化為石膏引發(fā)的膨脹幾乎不可逆。此外，硬石膏巖吸水轉(zhuǎn)化為石膏的過(guò)程受多種因素影響與制約，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了廣泛的試驗(yàn)研究。

1 硬石膏巖試驗(yàn)研究

對(duì)硬石膏巖膨脹問(wèn)題的研究起因是德國(guó)的Wagenburg公路隧道和瑞士的Belchen公路隧道穿越了硬石膏巖地層，引發(fā)了一系列工程問(wèn)題，由此，硬石膏巖膨脹行為受到了廣泛關(guān)注與研究。在研究初期并無(wú)專門的試驗(yàn)測(cè)試儀器，常采用土力學(xué)中的常規(guī)固結(jié)儀。1989年，根據(jù)硬石膏巖膨脹試驗(yàn)特點(diǎn)提出了一種適用于硬石膏巖膨脹試驗(yàn)的固結(jié)儀[8]，隨后，Pimentel[9]對(duì)固結(jié)儀進(jìn)行了改進(jìn)。1999年，國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)膨脹巖專業(yè)委員會(huì)對(duì)儀器標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了規(guī)定[8]。

從20世紀(jì)90年代初期開始，硬石膏巖試驗(yàn)研究隨著新興檢測(cè)技術(shù)(如礦物分析：X射線衍法、電鏡掃描、離子色譜分析、環(huán)境掃描電鏡及能譜分析等)及物理化學(xué)分析(如比表面積、化學(xué)分析手段)的出現(xiàn)逐漸上升到微觀層面。同時(shí)，學(xué)者們開始認(rèn)識(shí)到硬石膏巖實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)條件與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程條件的差距，逐漸開始實(shí)際工程的現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)。

1.1 硬石膏巖含水率試驗(yàn)研究

含水率對(duì)于硬石膏巖物理力學(xué)性質(zhì)及膨脹能力有著重要影響。

針對(duì)硬石膏巖膨脹過(guò)程中含水率問(wèn)題，劉艷敏等[10]以白云巖層中不規(guī)則發(fā)育的硬石膏巖重塑樣為研究對(duì)象，試驗(yàn)研究表明，硬石膏巖水化膨脹力的大小與試樣初始含水率有關(guān)，初始含水率越高，試樣吸水率越低；膨脹力隨著初始含水率的增加而減小，隨吸水率的增加而增加；并且，膨脹力與吸水率近似成線性關(guān)系。陳釩等[11]對(duì)不同初始濕度的硬石膏巖進(jìn)行了膨脹試驗(yàn)，研究結(jié)果表明，隨吸水率增加，軸向最大膨脹應(yīng)變和抗拉強(qiáng)度呈增大趨勢(shì)，原因是膨脹過(guò)程中生成的結(jié)晶水能填充巖石內(nèi)部孔隙，并且增大內(nèi)部顆粒之間的黏聚力。任松等[12]以硬石膏巖作為研究對(duì)象進(jìn)行了試驗(yàn)，研究結(jié)果表明，硬石膏巖單軸抗壓強(qiáng)度隨吸水率的增大而減小。

祝艷波等[13]以涼水井隧道的硬石膏巖為研究對(duì)象，分別制備干燥狀態(tài)、一定含水率狀態(tài)、飽水狀態(tài)的試樣，開展了不同含水率下硬石膏巖單軸壓縮試驗(yàn)。不同含水率試樣的強(qiáng)度與變形指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 不同含水率試樣的強(qiáng)度與變形指標(biāo)[13]Tab.1 Strengths and deformation indicators of samples with different moisture contents[13]

綜上，硬石膏巖的變形及強(qiáng)度指標(biāo)隨含水率變化十分敏感，遇水軟化特性顯著；試樣的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、變形模量都隨著含水率的增大而降低；遇水軟化，變形增加，泊松比隨著含水率的增大而近似呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

上述試驗(yàn)的不足在于僅考慮到含水率或吸水率單一因素對(duì)膨脹的影響，試驗(yàn)中應(yīng)該考慮硬石膏、石膏的含量及水化率等因素共同耦合的作用使試驗(yàn)與實(shí)際情況更相符。為研究硬石膏巖浸水后抗壓強(qiáng)度與硬石膏含量、硬石膏水化率的關(guān)系，許崇幫等[14]對(duì)不同含量的硬石膏巖試件進(jìn)行了浸水試驗(yàn)，得到的硬石膏巖巖石的單軸抗壓強(qiáng)度與硬石膏含量、水化率三者間空間關(guān)系如圖3所示。由圖3可得，巖石單軸抗壓強(qiáng)度與硬石膏含量、硬石膏水化率三者在空間上呈現(xiàn)“飛魚”狀的不規(guī)則曲面關(guān)系，而并非僅與某一單一因素有關(guān)。

圖3 單軸抗壓強(qiáng)度與水化率、硬石膏含量間關(guān)系[14]Fig.3 Relationship of uniaxial compressive strength with hydration rate and anhydrite content[14]

從以上試驗(yàn)研究得出，水是導(dǎo)致硬石膏巖強(qiáng)度和物理力學(xué)等性質(zhì)降低及產(chǎn)生膨脹力和膨脹變形的最直接因素。因此，在實(shí)際工程中，做好防排水工作是隧道穿越硬石膏巖地層施工的重要措施，如在穿越硬石膏巖地段采取反坡施工利于排水的措施，硬石膏巖地層和透水層的交界處注漿形成止水帷幕，硬石膏段襯砌背后防水采用高分子噴涂材料的噴膜防水層新技術(shù)，隧道開挖后立即噴射混凝土封閉洞壁以及掌子面等措施。此外，在做好防排水工作的同時(shí)應(yīng)盡量減小膨脹力，保證襯砌結(jié)構(gòu)的安全性。眾多研究表明，硬石膏巖膨脹變形增加時(shí)膨脹應(yīng)力降低[15]，允許相對(duì)較小膨脹變形的產(chǎn)生，可以顯著降低隧道襯砌所受膨脹應(yīng)力。初支采用可縮性鋼架[16-17]及圍巖與襯砌之間填充柔性變形材料作為緩沖層，優(yōu)化斷面形式，優(yōu)化施工工法及二次襯砌施作時(shí)間，預(yù)留變形量[16]等措施容許一定量的膨脹變形，達(dá)到減小膨脹壓力的效果。

1.2 硬石膏巖試驗(yàn)溶液溫度、浸泡時(shí)間、離子濃度研究

實(shí)際工程中的硬石膏巖不同程度地含有硬石膏和石膏以及其他礦物成分，硬石膏巖中僅含硬石膏與硬石膏巖中夾雜石膏表現(xiàn)出不同的力學(xué)和水理性質(zhì)，所以，研究石膏的性質(zhì)對(duì)于理解硬石膏巖膨脹是必要的。梁衛(wèi)國(guó)等[20]對(duì)石膏礦床石膏巖(CaSO4·2H2O含量接近100%)在半飽和濃度0.175 g/mL、飽和濃度0.35 g/mL的NaCl鹽溶液進(jìn)行了20 d的浸泡試驗(yàn)，研究結(jié)果表明，石膏巖在NaCl鹽溶液中浸泡后，強(qiáng)度并沒(méi)有下降，試件的質(zhì)量也基本沒(méi)有變化，表明幾乎沒(méi)有水分子和離子進(jìn)入石膏巖內(nèi)部。原因在于，常溫條件下石膏在水中的溶解度很低，在一定濃度的鹽溶液中溶解度將會(huì)更低。并且，石膏結(jié)構(gòu)十分致密，內(nèi)部微裂隙等結(jié)構(gòu)面極不發(fā)育，溶液很難進(jìn)入到石膏內(nèi)部，即使有少量溶液浸入試件內(nèi)部，由于常溫條件下CaSO4·2H2O自身晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，也不會(huì)與NaCl發(fā)生鹽溶液發(fā)生離子交換化學(xué)反應(yīng)。因此，在常溫條件下，鹽水中浸泡之后的石膏強(qiáng)度和質(zhì)量基本保持不變。但是，石膏巖浸泡NaCl鹽溶液后，石膏巖的彈性模量降低，變形增大。

高紅波等[21]以石膏礦床石膏巖(CaSO4·2H2O含量接近100%)在不同溫度(40，70 ℃)與不同濃度的NaCl鹽溶液(半飽和溶液0.175/mL、飽和溶液0.35 g/mL)條件下進(jìn)行不同時(shí)長(zhǎng)(30，60，80 d)的浸泡試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨NaCl鹽溶液溫度和濃度的增加，石膏巖單軸的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和彈性模量呈線性降低趨勢(shì)，這種降低趨勢(shì)隨時(shí)間增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。同時(shí)，隨著溶液濃度的增加，單軸壓縮時(shí)破壞方式由脆性向脆延性、延性轉(zhuǎn)變。浸泡60 d后，不同條件下石膏巖力學(xué)特性對(duì)比分析見(jiàn)表2。

表2 不同條件下石膏巖力學(xué)特性對(duì)比[21]Tab.2 Comparison of mechanical properties of gypsum rock under different conditions[21]

根據(jù)表2可知，在時(shí)間和溶液濃度相同的情況下，溶液溫度由40 ℃上升到70 ℃時(shí)，石膏巖的抗壓強(qiáng)度分別下降了33%(半飽和溶液)和84%(飽和溶液)。由此可見(jiàn)，溫度對(duì)于石膏的強(qiáng)度起著至關(guān)重要的作用。溫度的作用解釋了梁衛(wèi)國(guó)等[20]的試驗(yàn)中，在實(shí)驗(yàn)室常溫條件下(約20 ℃)，石膏巖在半飽和NaCl鹽溶液和飽和NaCl鹽溶液強(qiáng)度浸泡20 d后，強(qiáng)度基本沒(méi)有下降的現(xiàn)象。但是，溫度的升高導(dǎo)致石膏熱膨脹，孔隙增大，石膏晶體晶鍵可以吸收足夠的熱能，降低晶鍵的穩(wěn)定性，使石膏晶體之間的黏結(jié)能力削弱[18]，溶液中的離子可以進(jìn)入原本結(jié)構(gòu)十分致密的石膏，從而導(dǎo)致石膏軟化，強(qiáng)度與彈性模量均下降。

總的來(lái)說(shuō)，浸泡時(shí)間對(duì)結(jié)構(gòu)致密的石膏的抗壓強(qiáng)度影響很小，對(duì)彈性模量影響較大。溶液溫度的影響與溫度的高低有關(guān)，當(dāng)溶液溫度較低時(shí)，溫度對(duì)于硬石膏與石膏影響均較??；當(dāng)溶液溫度較高，導(dǎo)致巖石水理、化學(xué)性質(zhì)變差，裂縫增大，晶體晶鍵不穩(wěn)定，溶液分子的布朗運(yùn)動(dòng)的加快，快速降低硬石膏和石膏的力學(xué)性質(zhì)。在常溫條件下，浸泡時(shí)間對(duì)于硬石膏含量較高的硬石膏巖的軟化、抗壓強(qiáng)度、彈性模量具有非常大的影響，浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，硬石膏巖力學(xué)性質(zhì)下降越明顯，因此，在隧道內(nèi)應(yīng)設(shè)置集水坑匯集洞內(nèi)水流，在洞口設(shè)計(jì)集水井防止洞外水流進(jìn)入隧道內(nèi)[16]，硬石膏巖地層段嚴(yán)禁任何形式的積水以減小硬石膏巖的浸泡時(shí)間。

1.3 硬石膏巖膨脹與溫度關(guān)系試驗(yàn)研究

在不同礦物共存的系統(tǒng)中，溶解度較低(即平衡濃度低)的礦物代表穩(wěn)定相[23]，即平衡濃度低的礦物會(huì)穩(wěn)定存在。在穿越含硬石膏巖地層時(shí)，與水接觸的硬石膏會(huì)源源不斷地析出鈣離子和硫酸根離子，直到孔隙中溶液的離子濃度達(dá)到硬石膏的平衡濃度。但是，常溫條件下，石膏的平衡濃度低于硬石膏的平衡濃度，達(dá)到硬石膏的平衡濃度之前先達(dá)到石膏的平衡濃度，石膏會(huì)穩(wěn)定存在；硬石膏水化析出的鈣離子和硫酸根離子轉(zhuǎn)化為石膏，硬石膏則無(wú)法穩(wěn)定存在。所以，常溫條件下，硬石膏的平衡濃度高于石膏的平衡濃度，AGT(硬石膏吸水轉(zhuǎn)化為石膏過(guò)程)發(fā)生。影響溶液平衡濃度的因素有很多，如水活性、孔隙水壓力和地應(yīng)力、孔隙水中鹽類的數(shù)量和類型、孔隙大小、溫度等[24-25]。其中，溫度是影響二者平衡濃度(特別是硬石膏)最顯著的因素[3]。

Flatt[25]對(duì)硬石膏巖進(jìn)行不同溫度下的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，溫度高于50 ℃時(shí)，硬石膏不會(huì)轉(zhuǎn)化為石膏，即不會(huì)發(fā)生AGT。Serafeimidis[23]利用熱力學(xué)定律計(jì)算得到，當(dāng)溫度超過(guò)48.8 ℃時(shí)，硬石膏的平衡濃度小于石膏的平衡濃度(見(jiàn)圖4)，不會(huì)發(fā)生AGT，該結(jié)論與Flatt的試驗(yàn)結(jié)果幾乎完全吻合。

圖4 硬石膏和石膏的平衡濃度與溫度的關(guān)系[23]Fig.4 Relationships between equilibrium concentrations of anhydrite and gypsum and temperature[23]

由圖4可以得到，硬石膏的平衡濃度隨溫度的升高而降低，而石膏的平衡濃度隨溫度的升高變化較小。溫度從0 ℃上升到60 ℃時(shí)，石膏的平衡濃度從15.0 mol/m3增加到16.1 mol/m3，而硬石膏的平衡濃度由32.7 mol/m3下降到13.8 mol/m3。溫度在48.8 ℃時(shí)，兩種平衡濃度均為15.7 mol/m3，過(guò)渡溫度為48.8 ℃(圖4中的A點(diǎn))。

Huber[26]以Belchen隧道的硬石膏巖為研究對(duì)象，進(jìn)行了硬石膏巖的側(cè)限膨脹試驗(yàn)。需要說(shuō)明的是，為了防止鉆孔用水引發(fā)膨脹，所有硬石膏巖巖樣均為空氣沖洗，機(jī)械切割而成。由試驗(yàn)結(jié)果得到的側(cè)限膨脹試驗(yàn)膨脹應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系見(jiàn)圖5。

圖5 側(cè)限膨脹試驗(yàn)膨脹應(yīng)變-時(shí)間曲線[26]Fig.5 Swelling strain-time curves of confined swelling test[26]

試驗(yàn)分別在實(shí)驗(yàn)室常溫條件下(溫度為20 ℃)和烤箱中(溫度為50 ℃)進(jìn)行。從圖5中觀察到，硬石膏巖巖樣浸水后立刻快速膨脹。BH3 4.4～4.5 m試樣(編號(hào)4,5,10)大約1個(gè)月后應(yīng)變停止增加，基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。試件BH3 3.1～3.4 m(編號(hào)1，3)和Tm762 2.5 m(編號(hào)6，7，8，11)的應(yīng)變?nèi)栽谠黾印Ｇ€(編號(hào)14-2)是烤箱中試件的試驗(yàn)曲線，試件浸水后也立刻表現(xiàn)出快速膨脹，但是，在浸水1～2 d后，膨脹應(yīng)變達(dá)到20%，膨脹突然停止(與在實(shí)驗(yàn)室常溫條件下測(cè)試的試樣相反，常溫條件下的膨脹應(yīng)變一直在增加)，將烤箱中的試樣移至實(shí)驗(yàn)室常溫條件下后，膨脹立刻再次被激活，最終膨脹應(yīng)變與始終在室溫下的膨脹應(yīng)變基本相同。

對(duì)于BH3 4.4-4.5 m的試件(曲線12-15-13-9)，首先在烘箱中浸水后進(jìn)行試驗(yàn)，浸水1～2天后膨脹停止，與烤箱中12，13，14試驗(yàn)曲線類似。試件在烘箱中放置大約1個(gè)月后，膨脹沒(méi)有發(fā)展，變形沒(méi)有增加，將試件移至常溫條件下，試件膨脹再次迅速開始。大約1周后，在常溫條件下，應(yīng)變達(dá)到約50%時(shí)；此后該試件再一次被移至烤箱內(nèi)，膨脹迅速停止；4 d后，再次將該試件移至常溫條件下，膨脹又再次開始。

試驗(yàn)結(jié)果表明，常溫條件下，硬石膏巖的膨脹不只有AGT引發(fā)的膨脹，還包含黏土礦物吸水的膨脹，二者耦合在一起。烤箱內(nèi)溫度為50 ℃，在烘箱發(fā)生的膨脹必然不是由AGT膨脹引起的(溫度高于48.8 ℃便不會(huì)發(fā)生AGT)，而是由黏土礦物吸水膨脹引起的，并且可以分析得到，黏土礦物膨脹并不受溫度影響以及黏土礦物引起的膨脹在較短時(shí)間內(nèi)完成。當(dāng)烘箱內(nèi)黏土礦物膨脹完成后，將試樣切換到室溫后發(fā)生的膨脹是由AGT引起的。

硬石膏巖研究的一大難點(diǎn)是，黏土礦物膨脹與AGT膨脹耦合在一起。有了溫度這個(gè)AGT“開關(guān)”之后，可以將硬石膏巖中的黏土礦物膨脹和AGT膨脹分離開來(lái)，單獨(dú)研究目前認(rèn)識(shí)不足的AGT膨脹。

1.4 硬石膏巖水壓作用下特性試驗(yàn)研究

針對(duì)硬石膏巖膨脹過(guò)程中水壓對(duì)膨脹影響的問(wèn)題，任松等[27]設(shè)計(jì)加工了多功能膨脹儀，對(duì)不同水壓條件下硬石膏巖進(jìn)行了膨脹試驗(yàn)，研究了水壓對(duì)膨脹性的影響。不同水壓條件下膨脹應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 不同水壓條件下軸向膨脹應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系[27]Fig.6 Curves of axial swelling strain vs. time under different water pressures[27]

圖7 不同水壓條件下側(cè)向膨脹應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系[27]Fig.7 Curves of confined swelling stress vs. time under different water pressures [27]

研究結(jié)果表明，水壓能影響其含水狀態(tài)，吸水率及結(jié)晶水率隨水壓的增大而增加，水壓的增加促進(jìn)其膨脹的激活，導(dǎo)致硬石膏巖的膨脹性增加。

王超等[28]以硬石膏巖為研究對(duì)象，模擬了不同水壓對(duì)于硬石膏巖力學(xué)性質(zhì)影響的試驗(yàn)研究。隨著水壓的增大，硬石膏試件的彈性模量和峰值強(qiáng)度都增大，但當(dāng)硬石膏巖巖樣在水中長(zhǎng)期浸泡時(shí)，強(qiáng)度會(huì)逐漸減低。

以硬石膏巖為研究對(duì)象研究發(fā)現(xiàn)，作用在巖石上的應(yīng)力和孔隙水壓力pw對(duì)硬石膏巖的硬石膏和石膏平衡濃度亦會(huì)有影響[23]，見(jiàn)圖8。

圖8 硬石膏和石膏的平衡濃度與孔隙水壓力Pw和 應(yīng)力的函數(shù)關(guān)系[23]Fig.8 Equilibrium concentrations of anhydrite and gypsum as function of stress and pore water pressure Pw[23]

根據(jù)以上試驗(yàn)分析得出，硬石膏巖所受壓力增加，硬石膏和石膏平衡濃度隨之增加?？紫端畨毫?duì)于硬石膏的平衡濃度幾乎沒(méi)有影響；但是，由于水壓的作用，硬石膏巖巖樣的微裂隙等結(jié)構(gòu)面在水壓作用下閉合，提高了硬石膏巖的彈性模量和峰值強(qiáng)度?？紫端畨毫ψ兇?，石膏的平衡溶度變小。水壓增加對(duì)于硬石膏巖不利在于水壓增大，硬石膏和石膏平衡濃度增大，平衡濃度越大則硬石膏溶解越容易，膨脹會(huì)愈發(fā)快速和劇烈。水壓過(guò)大，水更易進(jìn)入硬石膏巖，從而沖刷硬石膏巖的內(nèi)部，并且導(dǎo)致孔隙水壓隨之增大，石膏的平衡溶度變小，溶液濃度先達(dá)到石膏的平衡濃度，石膏開始沉淀，消耗鈣離子和硫酸根離子，直到所有硬石膏溶解，硬石膏最終全部轉(zhuǎn)化為石膏為止。

1.5 硬石膏巖自封閉性試驗(yàn)研究

自封閉性是硬石膏巖具有的一種特殊性質(zhì)。Huber[26]以Bex和Leisigen石膏采石場(chǎng)的下層硬石膏板(硬石膏含量在96%～99%)以及Bozberg隧道鉆孔巖芯(硬石膏含量約為94.5%)加工為9 mm×23 mm×65 mm的矩形平板板作為試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行了2組對(duì)比試驗(yàn)。兩組試驗(yàn)試件均浸泡約30 mL的水中，一組試驗(yàn)在常溫條件(20 ℃)下進(jìn)行，一組試驗(yàn)在冷藏箱(5 ℃)中進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果表明，20 ℃下的所有試樣表面裂縫里都會(huì)產(chǎn)生清晰的(長(zhǎng))針狀物，在5 ℃下進(jìn)行試驗(yàn)的試樣被一層非常細(xì)、更小的石膏針“絨毛”所覆蓋。雖然石膏沉淀的形狀(長(zhǎng)針狀和石膏針)略有不同，也不是以平整層的形式出現(xiàn)，但是，試件切薄片光學(xué)測(cè)定發(fā)現(xiàn)，硬石膏巖表面出現(xiàn)的密封層大大減緩了內(nèi)層硬石膏的繼續(xù)溶解，并且，溫度越低，密封層越致密，密封性能越好。

Anagnostou[29]基于Huber[26]試驗(yàn)提出了硬石膏同時(shí)溶解和石膏同時(shí)沉淀的模型，運(yùn)用模型計(jì)算得到，幾厘米厚的硬石膏層幾乎不膨脹。石膏層(根據(jù)厚度和孔隙率)附著在硬石膏表面時(shí)會(huì)減緩硬石膏的進(jìn)一步溶解，原因在于溶解的離子必須首先通過(guò)石膏的多孔層，然后才能進(jìn)行擴(kuò)散。石膏沉淀通過(guò)封堵連通的孔隙和裂縫來(lái)密封硬石膏，阻止硬石膏進(jìn)一步溶解。對(duì)于厚的硬石膏層，密封起著重要作用，因?yàn)楫?dāng)石膏厚度達(dá)到阻止硬石膏溶解擴(kuò)散的臨界值時(shí)，只有很小比例的硬石膏會(huì)水化。這也是地下工程在穿越較厚、硬石膏含量較高的硬石膏巖地層時(shí)反而不會(huì)出現(xiàn)大的工程問(wèn)題的原因，因?yàn)檩^厚的硬石膏表面生成了結(jié)構(gòu)致密的石膏層，阻止了膨脹進(jìn)一步發(fā)生，從而硬石膏巖不會(huì)表現(xiàn)出太大的膨脹變形[30]。另一方面，Anagnostou也指出，對(duì)于硬石膏以脈狀纖維狀形式存在的硬石膏巖在石膏層達(dá)到臨界厚度前，大多數(shù)硬石膏已經(jīng)溶解，對(duì)于這種情況，密封的效果幾乎可以忽略不計(jì)。

Kontrec[31]以硬石膏巖為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行了硬石膏的水化溶解試驗(yàn)，Serafeimidis[3]根據(jù)Kontrec試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了一種模型，以確定密封對(duì)硬石膏溶解的影響。他們的研究結(jié)果表明，當(dāng)石膏直接在其表面生長(zhǎng)并開始封閉硬石膏時(shí)，硬石膏的溶解速率降低。研究還發(fā)現(xiàn)，隨著石膏的孔隙率減小和硬石膏層的厚度的增加，硬石膏的水化溶解時(shí)間可能會(huì)增加許多數(shù)量級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)隧道的正常使用壽命(100年)。Anagnostou[7]研究指出在不考慮密封影響時(shí)，厚度為100 mm的純硬石膏板在大約200年后完全溶解；若考慮密封的影響時(shí)，100 mm厚的純硬石膏板則需要在5 000年后才能完全溶解(假設(shè)石膏層的孔隙率為0.1)。

工程實(shí)踐驗(yàn)證了較厚硬石膏的自封閉性。純硬石膏巖隧道建造的經(jīng)驗(yàn)表明，純硬石膏巖地層建造隧道膨脹現(xiàn)象并不會(huì)嚴(yán)重[32-33]，原因是純硬石膏的滲透性很低[34]，以及生成的致密石膏層起到了阻水作用，硬石膏水化停止[35]。Wiesmann[36]在瑞士建造Hauenstein隧道時(shí)觀察到硬石膏的密封效果；Gassmann[37]在Canaria隧道邊墻和鉆孔中同樣觀察到了硬石膏的自封閉性；Madsen[38]對(duì)Canaria隧道99%的硬石膏和1%的石膏組成的鉆芯進(jìn)行2年的試驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)，最終膨脹應(yīng)力僅有0.05 MPa，膨脹應(yīng)變也僅只有1%，即基本未發(fā)生膨脹。Simplon隧道平導(dǎo)未施工噴射混凝土及襯砌，該平導(dǎo)中空氣相對(duì)濕度達(dá)到100%(附近有一個(gè)天然的熱水井)，但是，沒(méi)有觀察到圍巖的膨脹；同樣，斯圖加特城市鐵路隧道[6]某段全部位于硬石膏地層中，遠(yuǎn)離隧道圍巖形成了石膏層密封圈，地下水無(wú)法通過(guò)該密封層，隧道開挖后立即采用3～5 cm的噴射混凝土封閉圍巖，保持隧道近處圍巖干燥，且未進(jìn)行灑水除塵和鉆孔施工錨桿，開挖一年后施作襯砌，安裝在襯砌不同橫截面上的監(jiān)測(cè)裝置幾乎沒(méi)有測(cè)量到位移[39],該隧道內(nèi)襯安裝30多年后，內(nèi)襯沒(méi)有損壞。

2 討論

(1)含水率增加、圍巖浸泡時(shí)間增加會(huì)降低硬石膏巖的力學(xué)性質(zhì)，水壓過(guò)大則會(huì)加速膨脹。因此，地下工程建設(shè)中，對(duì)于地下水的處理應(yīng)采取以排水為主的措施，降低硬石膏圍巖的含水率，減小圍巖浸泡時(shí)間?；蛘卟捎脟鷰r注漿，減小硬石膏圍巖的裂隙，封堵地下水滲漏通道，減少圍巖與地下水接觸浸泡時(shí)間。

(2)地下工程如隧道底部屬于匯水區(qū)域，因此，硬石膏巖隧道底部圍巖含水率較高，隧道底部常表現(xiàn)出明顯的隆起。為防止隧道底部的隆起，應(yīng)特別注意隧道底部的排水措施和降低地下水水位的措施，采比如設(shè)置縱向中心排水溝或者泄水廊道。

(3)溫度升高對(duì)于穿越硬石膏巖的工程危害巨大。硬石膏巖的軟化系數(shù)、彈性模量和單軸抗壓強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)均隨著溫度的上升而減小，特別是溫度超過(guò)40 ℃，溫度的升高對(duì)硬石膏巖力學(xué)性質(zhì)及膨脹的影響越來(lái)越大。高溫還使施工作業(yè)環(huán)境、運(yùn)營(yíng)服務(wù)環(huán)境變差。所以，穿越硬石膏巖的地下工程在選址時(shí)，應(yīng)盡量避開地?zé)岚l(fā)育、埋深大的地段；當(dāng)選址無(wú)法避開硬石膏巖地段時(shí)，若環(huán)境溫度過(guò)高，應(yīng)加強(qiáng)通風(fēng)散熱或采取相應(yīng)措施降低圍巖環(huán)境溫度。

(4)硬石膏含量較高、較厚的硬石膏巖，表面生成致密的石膏保護(hù)層，對(duì)于隧道工程穿越該類條件的硬石膏巖地層時(shí)，硬石膏巖上部生成石膏保護(hù)層起到阻水作用，可選擇隧道穿越下部的硬石膏巖層以減小工程難度和工程投資。相反，隧道穿越脈狀纖維狀的硬石膏巖地層時(shí)，則應(yīng)引起足夠的重視，采取相應(yīng)的工程措施防止施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程出現(xiàn)膨脹引起的工程問(wèn)題。

(5)地下水的運(yùn)輸作用除了可能帶走工程結(jié)構(gòu)物附近硬石膏巖(如隧道硬石膏巖圍巖)析出的部分鈣離子和硫酸根離子，還可能帶來(lái)相對(duì)較遠(yuǎn)處硬石膏巖析出的鈣離子和硫酸根離子。這對(duì)于實(shí)際工程最壞的工況是地下工程附近圍巖本身不是硬石膏巖圍巖，在地下工程施工前，圍巖未擾動(dòng)，地下水并不一定將遠(yuǎn)處硬石膏巖析出的部分鈣離子和硫酸根離子帶到此處，導(dǎo)致施工前并未探清此類情況。地下工程建設(shè)完成后，地下水將遠(yuǎn)處的硬石膏巖析出的大量鈣離子和硫酸根離子運(yùn)輸和堆積在工程結(jié)構(gòu)物處，石膏生長(zhǎng)，引發(fā)膨脹。

(6)對(duì)于硬石膏巖進(jìn)行的試驗(yàn)多數(shù)都是在試驗(yàn)室內(nèi)封閉系統(tǒng)中進(jìn)行。實(shí)際工程的工程條件復(fù)雜，屬于開放的系統(tǒng)，改變實(shí)驗(yàn)室內(nèi)現(xiàn)有的試驗(yàn)條件，提高試驗(yàn)條件與實(shí)際工程環(huán)境條件契合性或者進(jìn)行一定數(shù)量和高質(zhì)量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是必要的。

(7)硬石膏巖實(shí)驗(yàn)室內(nèi)試驗(yàn)多為靜水條件下的試驗(yàn)，與實(shí)際工程的工程環(huán)境切合性較差。因此，不應(yīng)該僅只進(jìn)行靜水情況下的試驗(yàn)研究，考慮地下水運(yùn)輸與動(dòng)水流動(dòng)的沖刷作用，對(duì)于研究硬石膏巖力學(xué)性質(zhì)是至關(guān)重要的。

3 未來(lái)展望

(1)對(duì)硬石膏巖研究及認(rèn)識(shí)不足，研究中有很多問(wèn)題亟待解決，如滲流狀態(tài)的影響、運(yùn)輸過(guò)程的影響、黏土基質(zhì)的作用。硬石膏巖研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足的情況下，硬石膏巖是今后研究膨脹巖的重要方向之一。

(2)實(shí)際工程中，硬石膏吸水轉(zhuǎn)化為石膏的過(guò)程往往持續(xù)數(shù)十年，導(dǎo)致普通工程措施難以長(zhǎng)期有效解決地下工程硬石膏圍巖吸水膨脹的工程問(wèn)題。若采取措施使一定范圍內(nèi)的硬石膏圍巖表面生成保護(hù)層，效果如石膏自封閉性一樣，阻止水與保護(hù)層內(nèi)的硬石膏圍巖接觸，硬石膏圍巖遇水引發(fā)的膨脹工程問(wèn)題便可解決。因此，考慮研發(fā)可使硬石膏巖與水接觸表面生成防水保護(hù)層并對(duì)環(huán)境友好的試劑是另外一種研究思路。

(3)對(duì)于含黏土礦物的硬石膏巖，以往無(wú)法將黏土礦物引起的膨脹和硬石膏轉(zhuǎn)變?yōu)槭?AGT)引發(fā)的膨脹分離開來(lái)，二者耦合作用導(dǎo)致AGT的研究一直沒(méi)有較大進(jìn)展。根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，通過(guò)溫度控制可以將黏土礦物和AGT引發(fā)的膨脹分離開來(lái)，因此加深溫度對(duì)于硬石膏巖膨脹的影響是必要的。

(4)對(duì)于硬石膏巖吸水膨脹，膨脹機(jī)理復(fù)雜且持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致膨脹應(yīng)變與膨脹應(yīng)力的本構(gòu)關(guān)系研究，尤其是AGT引起的應(yīng)力和應(yīng)變量及相關(guān)關(guān)系研究進(jìn)展較小。膨脹應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系對(duì)于設(shè)計(jì)、施工至關(guān)重要，因此，研究AGT的膨脹本構(gòu)模型是一個(gè)重要且必要的研究方向。