岩土介质在冻融过程中的温度场研究及工程应用

基于"三区域"(已冻区、正冻区和未冻区)理论,建立岩土介质在冻融过程中的温度场数学模型,并将利用有限元数值计算方法得到的结果与V.J.Lunardini等得到的经典解析解结果进行对比,验证该数学模型的正确性和可靠性。在此基础上,探讨岩土介质在冻融过程中相变潜热和正冻区的大小对温度场分布的影响,并对西藏嘎隆拉隧道围岩温度场以及保温层保温效果进行数值仿真分析。研究结果表明:采用二衬表面附设保温材料方法对隧道衬砌及围岩温度影响效果明显,在二衬表面施作6 cm厚的福利凯保温层后,衬砌和围岩不会承受冻融破坏。该研究成果对于寒区隧道冻融圈大小的确定及防寒保温措施的选用具有重要的理论和现实意义。

钻爆法机械化施工隧道随钻地震波超前地质探测技术研究

为适应我国隧道建设机械化、智能化、无人化发展趋势,围绕钻爆法机械化施工隧道,提出以凿岩台车破岩振动为震源的钻爆法机械化施工隧道随钻地震波超前地质探测技术。针对凿岩台车多震源连续激发带来的地震数据波场混叠、有效信息难以识别问题开展相关研究,提出VMD-SVD-RobustICA三臂混合先导信号分离方法与脉冲反褶积-小波域互相关地震记录重构方法,可实现三臂混合先导信号的分离与有效反射信号的提取。工程实践证明,利用凿岩台车搭载式无线高精度探测装备,该技术可初步实现“边钻边探”,降低预报环节对钻爆法机械化施工隧道正常施工带来的影响。最后,明确该技术目前存在的问题及解决思路。

固体NaOH/Na_(2)SiO_(3)激发矿粉/粉煤灰-炉渣基注浆材料性能研究

以矿粉和粉煤灰-炉渣作为前驱体,其中粉煤灰、炉渣以质量比4:1共同粉磨制备前驱体之一,以NaOH和Na_(2)SiO_(3)配制模数为1.2的固体激发剂,制备碱激发注浆材料。研究粉煤灰-炉渣的掺量、激发剂的掺量(以Na_(2)O计)对注浆材料工作性能和力学性能的影响,并通过扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)对水化产物进行物理化学表征,使用核磁共振分析注浆材料孔结构特征。研究结果表明:粉煤灰-炉渣掺量为50%的注浆材料的28 d最大抗压强度达31.25 MPa。水化产物主要为C-A-S-H凝胶,浆液结石体内部孔隙主要为胶凝孔(孔径<10 nm)和过渡孔(孔径为[10~100) nm),占比超过90%。

HB-FRP黏结混凝土界面性能试验研究

FRP与混凝土的界面黏结效果是外贴FRP加固技术(EB-FRP)中的关键,FRP与混凝土黏结界面过早失效会使FRP的利用效率大大降低。混合粘贴纤维复合材料加固(HB-FRP)以机械锚固和胶黏结并用的手段,用以抑制FRP的过早剥离。为明确HB-FRP对界面黏结性能的影响,进行了不同锚固形式的单向剪切试验,对比研究了EB-FRP和HB-FRP锚固方式的锚固性能,分析了不同扭矩和钢扣件个数对HB-FRP试件的剥离荷载和FRP利用率的影响,基于HB-FRP组合界面黏结-滑移统一模型对试验数据进行拟合,通过试验结果验证HB-FRP组合界面剥离荷载计算模型。结果表明,相较于EB-FRP,HB-FRP试件的剥离荷载和FRP利用率均有明显提高,且随着扭矩和扣件个数的增加而提高;验证了剥离荷载计算模型的有效性,可用于计算HB-FRP组合界面的剥离荷载。

Wankel泵效率表达与换算方法研究

Wankel泵是一种基于莱洛三角形的新型回转式容积泵,可同时输出较高的流量和压力,具有较好的输送性能。关于Wankel泵的效率表达及换算理论的研究仍较少,难以通过试验室内模型泵的水力试验指导应用中原型泵的设计与生产。因此,本文提出一种基于分项参数换算法的Wankel泵效率表达与换算方法。首先,分析Wankel泵的基本构成及工作原理,根据Wankel泵的缸体型线建立转子顶点的运动轨迹、速度以及加速度计算公式。其次,基于能量守恒推导Wankel泵的扬程计算方程,并分析原型泵和模型泵在相似工况下流量和扬程的相似关系。随后,基于Wankel泵的结构特点,构建泵的机械损失、水力损失和容积损失的表达式,通过分析表达式的构成,提取各损失的损失系数,并基于流量和扬程的相似关系分析各损失系数的相似换算方法。根据损失和效率之间的换算关系,建立Wankel泵总效率表达式及相似换算公式。最后,搭建Wankel泵水力试验系统,开展不同型号、不同转速Wankel泵的水力性能测试试验,采用MATLAB遗传算法对总效率表达式进行拟合分析,并依据相似工况对相似换算公式进行验证。结果表明:在不同转速下Wankel泵总效率表达式的拟合优度均大于0.80,在相似工况下相似换算公式预测结果的平均误差小于5%,泵总效率表达式及相似换算公式均具有较高的准确性。所提方法可用于预测不同转速和扬程下Wankel泵的效率性能,为Wankel泵的设计与研发提供指导。

宽幅箱梁0号块混凝土浇筑方式对水化热影响研究

针对0号块大体积混凝土因水化热引起的早龄期开裂问题,以预应力混凝土箱梁部分斜拉桥广西壮族自治区培森柳江特大桥0号块工程为背景,基于ABAQUS有限元软件,建立了三维有限元模型,分析水化模型与浇筑次数对混凝土温度和最大主应力的影响。研究结果表明:相比于一次浇筑的方式,使用分层浇筑可使混凝土峰值温度降低11.8%;相比指数型模型,双曲线模型和复合指数型模型可使混凝土峰值温度分别降低13.7%和10.8%;考虑早龄期弹性模量和抗拉强度的影响,第一主应力最大位置依次出现在新旧混凝土交接处、中腹板导角处和人孔导角处;相比于一次浇筑的方式,分层浇筑的新旧混凝土交接处、中腹板导角处和人孔导角处第一主应力分别降低的2.0%、36.7%和39.8%;考虑不同水化模型的影响,在新旧混凝土交接处和中腹板导角处,第一主应力峰值与该时刻水化热量之间近似呈线性关系。

穿越充填溶洞时单桩沉降计算方法研究

采用圆孔扩张理论提出竖向受荷桩周地层对充填溶洞的水平和竖向作用力计算方法,采用Mindlin解建立溶洞段应力增量计算方法,基于桩-土(岩)界面、桩-溶洞界面的Boxlucas1荷载传递模型提出考虑地层-溶洞-桩共同作用的穿越充填溶洞型单桩沉降迭代计算方法。通过案例分析验证本文计算方法的合理性。根据参数分析结果,研究溶洞与桩顶的距离、溶洞半径、溶洞充填物剪切强度、桩径、桩长等对单桩承载特性的影响规律。研究结果表明:本文建立的计算方法可用于分析单桩穿越单个或多个充填溶洞时的承载特性;充填溶洞距离桩端越远、半径越小、充填物剪切强度越强,单桩承载力越大。

半航空瞬变电磁探测敏感区域研究与影响因素分析

接地线源半航空瞬变电磁具有探测深度大、工作效率高、适用复杂地形的优点,得到广泛关注.然而,该方法的理论研究仍处于初步阶段,研究接收点信号与下方地质体关联性对半航空瞬变电磁数据正确解释至关重要.借鉴航空电磁中的footprint方法对上述问题展开研究.首先通过张量格林函数积分推导了地下离散电流单元对空中接收点二次磁场响应的贡献,分析了半航空瞬变电磁footprint时间-空间变化规律;之后,研究了飞行高度、偏移距对半航空瞬变电磁探测敏感区域的影响.研究结果表明有效探测区域的时变特征与地下感应电流场的扩散特性有关,并受接收点位置的影响;早期探测敏感区域主要集中在发射源正下方,随着感应电流场的扩散逐渐向接收点方向偏移,同时接收点下方区域的贡献占比逐渐增加;研究发现晚期贡献最大的部分集中在接收点两侧近地表处,该发现对基于电阻率成像的半航空瞬变电磁具有重要价值.

气孔杏仁状玄武岩随机三维模型构建与单轴压缩力学行为研究

为了研究初始孔隙对气孔杏仁状玄武岩力学行为的影响规律,提出了一种考虑计算孔隙率、体积参数、形状参数、角度参数和构造参数的气孔杏仁状玄武岩随机三维模型构建方法,基于建立的随机模型开展了五因素五水平的单轴压缩正交数值模拟,分析不同模型的应力-应变曲线、破坏模式和破坏特征。结果表明:计算孔隙率、角度参数和构造参数对于岩石的单轴抗压强度和弹性模量有较大影响,岩石的单轴抗压强度和弹性模量均与计算孔隙率、角度参数呈负相关,与构造参数呈正相关,与其余因素相关性较弱;随着模型孔隙率的增加,气孔杏仁状玄武岩应力-应变曲线中塑性应变占比随之增加,破坏模式由单剪切破坏面、多剪切破坏面转为局部粉碎状破坏,岩石由脆性破坏逐渐转为延性破坏,5%和12.5%可近似作为强脆性―脆性―延性转换的临界孔隙率;建立的损伤统计本构方程能够根据初始孔隙特征较好地预测气孔杏仁状玄武岩的力学行为,对于玄武岩地层中多孔岩石力学性质的确定具有重要意义。

管道-裂隙型岩溶地下水水位变化特征室内试验研究

岩溶区管道-裂隙的发育特征影响着含水层水位面分布。可视化的物理模型,是研究不同试验条件下含水层的水位面特征,并揭示管道-裂隙发育特征影响规律的有效工具之一。为揭示不同裂隙组合、裂隙开度、裂隙发育程度、管道流量等因素对含水层水位面的影响规律,采用自主设计研发的管道-裂隙型双重导水介质物理模型,开展管道、裂隙发育特征对含水层水位面变化规律的影响研究。研究结果表明:在岩溶管道-裂隙发育地区,横向裂隙的主要导水特征是运输或传输,而竖向裂隙的主要导水特征是排泄;管道流量对含水层水位具有主控作用,而裂隙特征具有调控作用,且影响程度由大到小为横、竖向裂隙差异性、横向裂隙开度、裂隙发育程度、竖向裂隙开度;管道和裂隙发育特征对沿水流方向的水力坡降值产生影响,但裂隙特征的影响程度随管道流量的减小逐渐降低。研究结果能够为岩溶区管道、裂隙发育特征的揭露及区域地下水资源开发与保护提供参考。

分布式三维广域电磁法在山东齐河—禹城李屯厚覆盖区富铁矿勘查中的应用

近年来,山东齐河—禹城李屯厚覆盖区富铁矿勘查取得了重大进展,但该区新生界厚度大(900~1100 m)、磁铁矿体埋藏深,矿体引起的地球物理异常弱,找矿难度大。为了揭示李屯富铁矿深部地质构造,开展了分布式三维广域电磁探测,应用高阶2n序列伪随机信号,一次发射49个频率并同时接收,实现分布式滚动测量,获得了地下2000 m以浅地电特征,并对地下地质结构进行解释,构建了重点研究区的三维地质模型,解释结果与已有的二维地震和钻探信息吻合度较高,为重磁联合反演提供有效的地质结构约束,结合重磁场特征和成矿规律圈定新的找矿靶区。结果表明,分布式三维广域电磁法是获取厚覆盖地区深部地质结构的有效探测方法,具有良好的应用前景。

多源固废基土体固化剂研发及固化机理研究

为实现工业固体废弃物的再利用,本文通过正交试验,以水泥、碱激发剂、硅酸盐固废材料和硫酸盐固废材料为固化材料制备了多源固废基土体固化剂(MSSA)。针对MSSA固化粉土与固化黏土,开展了无侧限抗压强度(UCS)试验、水稳性试验、电镜扫描(SEM)试验和X射线衍射(XRD)试验,得到了MSSA固化土的力学性能、水稳性、微观结构和物相组成。采用孔隙识别与分析系统软件(PCAS)分析得到概率熵和面积概率分布指数。结果表明:MSSA中各组分的最优配比为水泥:碱激发剂:硅酸盐固废材料:硫酸盐固废材料=6:1:3:2。MSSA固化粉土与黏土的28d无侧限抗压强度分别为2.18MPa和2.45MPa,水稳性系数均大于80%。MSSA水化生成的C-S-H、C-A-H提高了固化土无侧限抗压强度,水滑石、硬柱石和钙矾石等改善土体的内部孔隙结构,提升固化土水稳性。MSSA可消纳大宗工业固体废弃物,减少水泥用量,符合国家双碳政策,且具有显著的经济和环保效益。

地下工程涌突水注浆止水浆液扩散机制和封堵方法研究

涌突水是地下工程的主要地质灾害之一。实践表明,注浆是治理涌突水的有效技术手段,但相关的动水注浆理论发展尚不成熟,尤其是裂隙动水条件下的浆液扩散和封堵机制研究不足。针对上述问题,研发准三维裂隙动水注浆模型试验台,进行裂隙岩体涌突水的动水注浆模型试验研究,通过对200余组试验数据进行分析,提出浆液的U形扩散规律和水泥浆液的分层分区扩散机制,得到浆液的快速析水沉积原理和沉积留核扩散规律,实现浆液扩散和封堵效果的定量评价。在此基础上,形成以浆水流量比为核心控制因素的裂隙涌水注浆封堵方法。室内涌水注浆封堵试验和龙固煤矿高压涌水现场注浆封堵试验进一步验证研究成果的正确性,这对发展动水注浆理论和指导工程实践有一定作用。

地下工程动水注浆速凝浆液黏度时变特性研究

注浆法是地下水害治理的主要方法,而浆液的黏度时变特性是注浆治理的关键因素,因此浆液黏度时变特性研究十分必要。针对地下工程动水注浆中常用的2种速凝浆液,水泥-水玻璃浆液和高聚物改性水泥浆液,开展室内试验并对试验数据进行拟合分析。采用振动式黏度计测试其黏度时变性和反应温度变化,分析2种材料在不同水灰比和不同混合体积比下的黏度和温度时变特性,根据黏度时变特性将浆液反应过程划分为3个阶段,并分析不同阶段的黏度特性,对数据进行分析得到不同水泥浆水灰比和不同浆液混合体积比下的黏度时变方程,在此基础上得出速凝注浆材料的适用性。

示踪试验分析方法在地下工程水害治理中的应用研究

为查明地下水补给与运移规律,指导地下工程涌水注浆治理设计与施工,将用于大区域水文特征研究的水文示踪试验方法引入到地下工程涌水治理中。研究紫外光谱扫描精确测定超低浓度有色示踪剂的试验方法与数据分析技术,提出地下工程涌水区域的水力连通时间、补给相关系数、裂隙空间体积、地下水流速及压力等水文信息的获取方法;基于水文示踪试验数据分析结果,建立注浆治理中注浆材料选择依据与注浆参数确定方法。以某铁矿涌水工程治理为例,详细阐述水文示踪试验在涌水工程治理中的应用方法、数据处理过程及应用效果,希望对类似工程具有一定的借鉴意义。

岩溶裂隙水探查方法优化与工程治理研究

在岩溶裂隙涌水治理中,含水构造的三维空间展布规律、水力连通关系难以探明是制约治理工期和经济成本的关键因素。为解决地质雷达探测在岩溶富水区域存在的受干扰强、多解性、信号失真等难题,基于概率学理论,提出了雷达测线布置的网格法;基于电磁波传播理论,研究了电磁波在含水构造界面上的反射和折射能量分配规律,分析了含水薄层对雷达低频反射信号的作用机制,讨论了在岩溶裂隙富水区雷达探测含水裂隙的判识标准。结合湖北沪蓉西高速公路恩利段齐岳山隧道底板岩溶裂隙涌水工程治理实例,阐述了地质雷达探测在探明含水裂隙空间展布规律和最佳注浆孔的确定中的应用。研究成果的应用产生了良好的生态、安全和经济效益,对类似工程具有一定的借鉴作用。

超大断面炭质千枚岩隧道新型支护结构长期稳定性研究

针对兰渝铁路两水隧道岩质软、跨度大的特点,采用加厚初喷、二衬和双层型钢拱架的新型支护方式。通过对现场岩样的室内三轴蠕变试验,研究炭质千枚岩蠕变特性。试验结果表明,伯格斯蠕变模型能比较准确地描述其长期流变行为。运用大型岩土工程分析软件FLAC3D,结合现场新型支护方式,模拟隧道建成后DK357+976处围岩的流变力学行为,分析隧道在运营过程中围岩的变形和支护结构的受力情况。结果表明:在隧道100 a的使用期限内,二次衬砌能有效地减小围岩蠕变变形,支护结构中仅拱顶初喷在后期产生破坏,现场支护方式可以保证隧道的长期稳定性。

新型岩土相似材料的力学试验研究及应用

介绍了国内外近几十年来岩土工程地质力学模型试验相似材料的研究现状,并分析了它们的优缺点。结合西部几个重大的隧道及地下厂房的地质力学模型试验研究,给出了一种新型的岩土工程相似材料,由铁精粉、重晶石粉、石英砂、松香酒精溶液等材料经一定的配比研制而成。通过实验室的单轴抗压强度试验、假三轴试验、巴西试验等经典力学试验研究这种复合材料在不同配比条件下的力学特性,从而使这种复合材料能用于不同工程的物理模型试验,并成功用于某大型分岔式隧道的三维地质力学模型试验中。试验结果证明,这种新型岩土相似材料能很好的满足不同工程物理模拟的需要,值得在以后的模型试验中得到推广。

岩土工程监测信息管理与数据分析网络系统开发及应用

针对目前水电边坡工程海量的监测信息和监测数据,为减轻监测信息管理与数据分析的劳动强度,提高劳动生产率,采用Microsoft Visual C++网络编程技术和SQL Server网络数据库开发出具有先进性、可靠性、通用性和可扩充性的岩土工程安全监测信息管理与数据分析远程可视化网络系统。将该系统应用于龙滩水电站大坝左、右岸边坡及导流洞监测资料的分析处理,实现了监测信息和数据的远程实时共享及网络化的管理和分析,使监测分析成果能够及时、准确地反馈给设计人员,对规避设计和施工风险、保证边坡施工和运行安全起到了重要的作用。

深部重大工程灾害监测与防控技术研究现状及发展趋势

在系统整理国内外资料的基础上,分别从深部工程强突涌水、高强度岩爆、软岩大变形、巨石垮塌和煤矿冲击地压灾害等问题出发,探讨其灾变机理、监测预警方法及防控关键技术。研究结果表明:解决相关重大工程灾害防控难题需重点开展孕灾地质判别、灾变机理明晰和靶向精细调控等几方面研究,重点突破方向在于岩体信息高精度探查、灾变过程演化信息捕捉、监测模式设计、监测预警装备智能化与信息化等方面,为深部重大工程灾害预防与控制领域的研究提供参考。