动力打桩桩周泥岩损伤特性与损伤模型

针对泥岩地基同施工场地条件下动力打入桩的承载力差异性大且部分打入桩承载力不足等异常现象,文章开展了桩周0.2m处打桩前后的桩周泥岩单轴抗压强度对比试验,和打桩后的桩端中风化泥岩三轴压缩试验,明确打桩后桩周泥岩的损伤特性,基于统计损伤理论建立考虑受打桩影响的桩周泥岩损伤本构模型,并对泥岩地基打入桩的承载性能进行探讨。研究表明:打桩后桩周0.2m处泥岩强度平均损伤28.2%,弹性模量平均损伤41.4%;桩端中风化泥岩损伤后抗剪强度参数平均值为c=217.2kPa、φ=21.6°,φ仅是同场地原状强风化和全风化泥岩的49.1%和51.4%;打桩后桩周泥岩应力-应变曲线的损伤模型计算值的与实测值吻合较好,验证模型的合理性;泥岩地基打入桩承载力异常特征为桩端受力小,但桩端沉降显著,静载破坏时桩端阻力的平均占比为5.25%;动力打桩对桩周泥岩的损伤是泥岩地基打入桩承载力异常的重要原因;泥岩地基打入桩的设计计算与数值模拟采用原状泥岩力学参数不合理,泥岩损伤后不易恢复,建议按损伤特性赋予参数。研究结果对泥岩地基打入桩的设计、施工、承载力评价有较强的参考价值。

多因素影响下预崩解炭质泥岩动回弹特性研究

为探究多因素影响下预崩解炭质泥岩的动回弹特性,通过动三轴试验研究偏应力、最小体应力、含水率、压实度和干湿循环次数对动态回弹模量的影响,并建立考虑上述因素影响的动回弹模量预测模型。研究表明:动回弹模量与最小体应力、压实度呈正相关关系,与偏应力、含水率呈负相关关系;在同一围压下,动回弹模量随偏应力增加而降低,降幅区间为14.1%~30.7%;含水率为6%时对应的动回弹模量最大;在围压和偏应力相同时,含水率从6%递增至10%,动回弹模量降幅区间为18.6%~35.5%;压实度从93%递增至96%时,动回弹模量增幅区间为4.47%~20.64%。采用干湿循环损伤因子表征干湿循环次数对动回弹模量的影响,发现损伤因子随干湿循环次数N增加可分为3个阶段,即快速增长阶段(N=0~1)、缓慢增长阶段(N=1~6)和增长稳定阶段(N=6~9)。各因素按显著性由高到低排序依次为:压实度、干湿循环、含水率、偏应力、最小体应力。建立的综合考虑约束效应、剪切效应、压实度、含水率和干湿循环的预测模型具有较高地准确性和适用性,可有效评估和预测湿热地区炭质泥岩路堤的动回弹模量。

微膨胀泥岩地基原位水分入渗响应特征试验研究

红层泥岩的膨胀性和水敏性对地区公路、高铁的建设和工后变形控制构成了长期潜在威胁。为此,依托甘肃兰州一红层泥岩路堑段,开展了微膨胀泥岩地基原位水分入渗响应特征试验,分析泥岩地基膨胀变形量、膨胀力和体积含水率时空演化规律,并讨论了室内试验和原位试验的差异性。研究结果表明:红层泥岩地基水分入渗形式包括裂隙流和孔隙流,水分场具有明显的时空分布不均匀性,岩体裂隙对渗流、膨胀具有促进作用。入渗过程中泥岩吸水膨胀具有显著的时效性,原位地基膨胀量和膨胀力均经历骤增、减速增长和缓慢增长阶段,并未能达到收敛,浸润峰后泥岩表面逐渐软化甚至泥化,会导致地基承载力下降。室内试验对原位泥岩的水分入渗响应特征反映有限。

干湿循环与加载先后顺序对砂泥岩混合料压缩特性的影响

为研究干湿循环与加载先后顺序对砂泥岩混合料压缩特性的影响,针对不同干湿循环次数、浸水时间和水温处置下的砂泥岩混合料,开展先干湿循环后加载、先加载后干湿循环的单向压缩试验。结果表明,两种试验方法所得砂泥岩混合料压缩量均随干湿循环次数增加、浸水时间增长、水温增高而增大;压缩量与干湿循环次数呈对数关系、与浸水时间呈幂函数关系、与水温呈线性关系,并推导出相应的压缩量计算公式;试验结果及理论分析均得出先干湿循环后加载的压缩量大于先加载后干湿循环的压缩量。

含水率对红层泥岩填料刚度劣化特性及微观结构影响研究

为研究含水率对红层泥岩填料刚度劣化规律和微观结构的影响,开展了不同含水率下三轴不排水剪切试验、压汞试验和扫描电镜试验,基于能量守恒定律推导了填料刚度劣化与弹塑性应变能增量间的关系。结果表明:填料黏聚力随含水率增加而降低,内摩擦角则随含水率增加先增加后降低。填料结构损伤由应变能转化引起,从宏观上表现为刚度劣化。归一化刚度比值随塑性应变能增量占比增加而线性降低,随应力发展呈非线性衰减。以最优含水率为界,当试样在干侧时,填料有较好的荷载抵抗能力;湿侧填料荷载抵抗能力远低于干侧。损伤应力等值线与等含水率线构成上下界为对数曲线的状态面。填料孔隙分布在干侧为单峰形态,粒间接触较为紧密,结构稳定性好。在湿侧呈双峰结构,团聚体排列定向性程度较低。填料应在干侧压实填筑,推荐采用5%~7%作为填筑目标含水率。

高速铁路泥岩隧道仰拱底鼓控制技术研究

研究目的:为分析基底围岩劣化作用下泥岩隧道仰拱底鼓变形的控制效果,运用数值模拟的研究方法,建立高速铁路泥岩隧道有限元模型,考虑隧道开挖条件下模拟基底围岩吸湿膨胀和软化作用,选用底板与锁脚锚杆加固的控制技术,对比分析加固前后隧周围岩的竖向位移、填充层及仰拱的变形特性。研究结论:(1)锚杆加固基底可有效控制隧底围岩隆起,对隧底隆起的控制效果膨胀阶段优于软化阶段;(2)锚杆加固前后仰拱、填充层的底鼓位移曲线均呈“钟形”对称分布;(3)仰拱、填充层中心位置处的底鼓变形最大;(4)本研究结果可为高速铁路泥岩隧道仰拱底鼓病害防治与加固提供参考依据。

宝兰客专第三系泥岩物性参数与力学特性研究

研究目的:膨胀性地层中隧道施工是一个较难的工程问题,本文以宝兰客专北二十里铺隧道的膨胀性及地下水情况测试为基础,对泥岩膨胀特性等展开深入的研究,有利于明确泥岩膨胀对隧道内轨道变形的影响,完善隧道设计理论。研究结论:(1)第三系泥岩具有弱膨胀性;(2)膨胀岩的弹性模量和单轴抗压强度、单轴抗拉强度、三轴抗压强度在浸水后都呈现出明显的降低,随着浸泡时间的增加,各强度降低的速率逐渐下降;(3)单轴压缩试验表明,平均单轴抗压强度由29.18 MPa减少为4.65 MPa,衰减了84%,平均弹性模量由2.32 GPa减小为0.85 GPa,减小了63%;巴西劈裂试验表明,膨胀岩的平均抗拉强度由2.66 MPa减少为0.36 MPa,衰减了86.5%;三轴压缩试验表明,随着浸水时间的不断增加,膨胀岩的内聚力出现大幅的降低,尤其是在浸水初期下降迅速,由5.82 MPa降至1.34 MPa,减小了77%,膨胀岩的内摩擦角虽有所降低,但下降幅度不大,浸水15 d内总共降低4.07%;(4)本研究成果可为类似膨胀性泥岩铁路隧道设计提供参考。

高铁泥岩隧道围岩蠕变对仰拱底鼓的影响

研究目的:针对泥岩地区高铁隧道修建过程中出现的仰拱底鼓病害,本文采用参数反演与数值模拟相结合的方法,全面分析围岩蠕变对仰拱底鼓的影响,并采用锚杆支护与仰拱加强的工程措施对仰拱底鼓进行治理。研究结论:(1)Burgers模型能较好地符合泥岩表现出的明显的衰减蠕变和稳定蠕变特征;(2)随着时间的增加,围岩不断向洞内发生变形,且隧道拱顶沉降、水平收敛和拱底隆起一直在增大,并经历了三个阶段:瞬时变形阶段、衰减蠕变阶段与稳定蠕变阶段;(3)仰拱结构内力随着蠕变时间增加同样在增大,并在蠕变一定年限后,仰拱填充中心的拉应力将超过混凝土的抗拉强度,导致仰拱填充沿中心位置开裂;(4)锚杆支护的最优长度为5 m,最佳间距为0.9~1.2 m,在此基础上通过加强仰拱来进一步抑制仰拱底鼓变形,并且建议仰拱支护强度选用C30~C40;(5)本研究结果可为类似工程的建设与施工提供建议与参考。

塔里木盆地巴什布拉克铀矿床黑色泥岩成因及其对铀成矿的指示

巴什布拉克矿床是塔里木盆地重要的铀矿床,具有蚀变类型多样、矿石品位高、矿体呈多层板状等特点。铀矿化的分布与地沥青关系紧密,但地沥青的形成时间及其与铀成矿的关系仍不清楚,影响了矿床成因的认识和勘查方向的选择。文章选择以灰黑色泥岩和泥砾为研究对象,通过野外观察、岩石矿物学和X荧光光谱仪测量等,查明黑色泥岩的特征,厘定地沥青的发育时间及其与铀成矿的关系。结果表明,黑色泥岩产于砂砾岩层内部,呈薄夹层状产出,主要由泥晶白云石、半自形黄铁矿和大量团块状地沥青组成;铀矿物以铀石-细晶黄铁矿和UO_(2)/TiO_(2)混合物-地沥青矿物组合赋存在黑色泥岩矿石中,且U与Pb、Zn、Cu等同步富集。地沥青为下部油气逸散运移至近浅表地层中氧化分解的产物,形成于克孜勒苏群沉积-早成岩阶段,其形成与早白垩世的末期(115~113 Ma)塔西南地区岩浆活动造成的区域热事件有关。克孜勒苏群沉积-早成岩阶段的富U烃类流体是形成该矿床的关键因素,富U烃类还原性盆地流体与盆浅层地层水的流体混合作用导致U和Pb、Zn、Cu、Se等矿质的大规模沉淀,也为后期地表的氧化改造提供基础。

粉砂质泥岩蠕变特性与非线性黏弹塑性本构模型

针对边坡、隧道工程中粉砂质泥岩长期稳定性问题,采用DZSZ-150型多场耦合岩石三轴压力试验机,利用粉砂质泥岩相似材料试样,开展不同围压下粉砂质泥岩蠕变试验。根据蠕变试验结果建立可描述粉砂质泥岩蠕变全过程的非线性黏弹塑性本构模型,以7 MPa围压下蠕变试验结果为例,对所提出的蠕变本构模型进行合理性和可行性验证。结果表明:试样的稳态蠕变速率与偏应力大小有关,随着偏应力的增加,试样稳态蠕变速率与偏应力之间符合指数函数关系;在加速蠕变阶段的蠕变速率相对低偏应力水平下减速蠕变和稳态蠕变速率明显要增大很多,且非常短时间内就发生了蠕变破坏;提出一种描述粉砂质泥岩全蠕变过程的非线性黏弹塑性本构模型,该模型能描述粉砂质泥岩蠕变-破坏全过程的蠕变变形规律,反映了粉砂质泥岩在不同偏应力水平作用下的蠕变特性,克服了经典模型中无法准确描述加速蠕变过程的难题。

改进的砂泥岩地层中断裂封闭性评价SGR法及应用

SGR法评价断裂在砂泥岩地层中侧向封闭性时,通常采用统计得到的常数作为下限值,导致评价结果与勘探实践存在着较大的偏差。针对上述问题,采用断裂倾角、断层岩压实成岩时间、目的储层泥质含量和压实成岩时间,确定断裂在砂泥岩地层中侧向封闭所需的最小断层岩泥质含量。研究表明:最小断层泥质含量是基于封闭机理所求的一个变值,解决了SGR法统计采用常数值存在偏差的问题,有效提高了侧向封闭性评价的准确性。将该方法应用于海拉尔盆地贝尔凹陷西部呼和诺尔构造带F3断裂在南二段砂泥岩储层的侧向封闭性评价,获得了测点5、7、8和12—15处F3断裂在南二段砂岩储层内侧向封闭,而其余测点处侧向不封闭的重要认识。该认识与油气主要分布在测点7、8、12、14处的情况吻合。研究成果对含油气盆地砂泥岩地层断层型油气藏分布特征及指明油气勘探方向具有重要借鉴意义。

断裂破坏区域性泥岩盖层程度研究方法的改进

为了更加准确地研究断裂破坏区域性泥岩盖层程度,基于断裂破坏区域性泥岩盖层机理及程度的影响因素,通过断层岩和区域性泥岩盖层压实成岩程度代替其排替压力,改进了断裂破坏区域性泥岩盖层程度的研究方法,并将改进前后方法分别应用于研究海拉尔盆地贝尔凹陷呼和诺仁构造F1断裂破坏大一下段区域性泥岩盖层程度。结果表明:改进前后方法研究均得到测点9处F1断裂破坏大一下段区域性泥岩盖层程度最大,测点13处最小,其余测点介于二者之间,在测点1~8和12~15处有利于南一段源岩生成油气在大一下段区域性泥岩盖层之下南二段聚集与保存,但测点1~6无油气发现,是由于其构造位置低,油气供给不足,未充满所致,与目前F1断裂处南二段已发现油气分布相吻合。改进前方法研究成果虽与改进后方法研究成果具有相同的变化规律,但其值相对较大,低估了F1断裂破坏大一下段区域性泥岩盖层程度,表明改进后方法研究结果可能更符合地下实际,而且方便易行。

冻融循环下裂隙性泥岩的力学特性与细观损伤规律

冻融循环作用是加速岩石材料性能劣化的重要环境因素之一,也是影响露天矿边坡稳定性与安全性的重要隐患。为研究冻融循环作用下裂隙性泥岩的力学强度衰减特性和损伤效应,分别对经过0、5、10、20、50次冻融循环处理后的泥岩试样进行了单轴压缩试验和计算机层析CT扫描试验。同时,开展了扫描电镜试验对泥岩的微观损伤机理进行探究。试验结果表明:泥岩单轴抗压强度和弹性模量随冻融循环次数的增加逐渐降低,且衰减速度在0~10次冻融循环时最为显著,随后衰减速率逐渐变缓;二维CT图像显示冻融循环使泥岩试样的孔隙结构不断发育,孔隙率与循环次数和弹性模量分别呈指数关系和负线性相关,该现象说明泥岩细观结构损伤的累积与宏观力学特性衰减程度显著相关;在冻融循环作用下,裂隙性泥岩内部微观结构的损伤程度逐渐加深,裂隙的拓展和颗粒接触关系的改变是导致泥岩强度下降的重要因素。上述分析对于裂隙性泥岩分布地区的露天矿山边坡设计与施工有一定的参考意义。

卸荷损伤泥岩应力松弛特征及本构模型研究

软弱岩体开挖卸荷形成的损伤对其支护加固后的应力松弛特性影响不可忽视。以红层泥岩为研究对象,开展了不同卸荷损伤程度泥岩的单轴应力松弛破坏试验,研究了不同应变水平及卸荷损伤程度对泥岩松弛特性的影响规律。结果表明:卸荷损伤泥岩在破坏前后的分级应力松弛试验中应力曲线均表现为不完全松弛,应力松弛曲线主要包含减速及稳定松弛两阶段,且各级应变水平下松弛量和松弛时间均随卸荷损伤程度增加呈线性增大趋势。基于分数阶微积分理论,选取R-L分数阶弹黏性元件(F元件),提出考虑黏滞系数时变特征的弹黏性时变元件(FT元件),然后引入卸荷损伤程度因子,提出考虑卸荷损伤的分数阶弹黏性时变元件(UFT元件),最后将该元件引入传统Burgers模型,建立了基于分数阶的非线性松弛本构模型。基于不同分数阶元件的理论本构模型计算值与试验数据对比表明,基于UFT元件的松弛本构模型具有更高的精确性,且不同应力水平及卸荷损伤程度下的模型理论计算成果与试验数据均较吻合,表明该松弛本构模型能够精确地描述卸荷损伤泥岩松弛特征。

红层泥岩填料的力学特性及本构模型研究

在红层泥岩地区进行道路工程施工时,考虑到材料短缺和成本问题,常常采用就地取材的方式作为路基填料。为了研究红层泥岩填料的适用性,选取甘肃省永登县某工点的风化红层泥岩填料为研究对象,在室内开展一系列三轴CU剪切试验,探究含水率、围压和压实度对应力-应变曲线、峰值(残余)强度、抗剪强度指标的影响,并对不同类型的应力-应变曲线,分别采用相应的模型进行拟合。研究结果表明:含水率、围压和压实度对其物理力学特性具有显著影响;对符合应变软化型规律的曲线,采用沈珠江的双曲线模型拟合的规律一般;对符合应变硬化型规律的曲线,采用Duncan-Chang模型拟合的规律较好。研究结果可以为甘肃省红层泥岩路基的病害处治与维修提供参考依据。

西北地区红层泥岩崩解特性试验研究

针对西北地区红层泥岩设计了一套自由浸水崩解装置,对不同质量的红层泥岩试块进行自由浸水试验。考虑试块的吸水过程,将试块吸水率作为崩解试验结果的补偿,研究不同质量红层泥岩试块的崩解率、崩解速率随时间变化规律。结果表明,测试红层泥岩膨胀性矿物含量较少,其崩解的前30%时间内崩解率可达45%~75%,前50%时间内崩解率可达68%~90%,崩解总时间T与试块质量m满足T=a*(1-e^(-b*m)) 关系。随着试块质量增加,试块崩解速率越大,且崩解的前50%时间内崩解率增加显著。

滇中红层泥岩剪切蠕变特性及其本构模型

为保障滇中红层泥岩所在区域隧洞工程的施工及长期运营安全,本文以“滇中引水工程”狮子山隧洞段的红层泥岩为研究对象,首先,采用分级加载剪切蠕变试验方法,研究其蠕变特性;其次,基于非线性流变力学理论,分别构建了触发式非定常加速元件、非线性弹性元件及复合型黏性元件;第三,通过各元件的合理组合,建立了滇中红层泥岩的非线性、非定常蠕变模型;最后,对所建模型进行参数估计,与试验结果进行对比,验证理论模型的适用性。研究结果表明:在较低应力状态下,岩样主要表现为衰减蠕变,其中蠕变变形在总变形中的占比可达85%;而在较高应力状态下,岩样发生从衰减蠕变、等速蠕变直至加速蠕变破坏的全过程蠕变,其中蠕变变形在总变形中的占比达87%。剪应力对岩样蠕变变形具有显著影响,剪应力越高,衰减蠕变达到稳定状态所需的时间越长,蠕变变形在总变形中的占比越高。在全过程蠕变中,岩样的蠕变变形以稳态蠕变为主,其蠕变时间占总蠕变时间的80%,蠕变量占总蠕变量的51%。该蠕变模型既能完整地描述岩样从衰减到等速直至加速蠕变的全过程,同时又能克服传统模型参数取值随应力而不断变化的问题,通过一组参数就可以描述岩样在各应力状态下的蠕变变形特性。理论模型得到的结果与试验结果吻合较好,说明所建模型对于滇中红层泥岩具有较好的适用性。

炭质泥岩地层隧道瓦斯突出成因及处治措施研究

为解决炭质泥岩地层隧道瓦斯突出问题,依托兰州至海口国家高速公路重庆至遵义段(贵州境)扩容工程桐梓隧道,通过现场调查和理论分析,总结了该隧道瓦斯突出动力现象及特点,分析了其瓦斯突出的规律以及影响因素,提出了钻孔泄压方案及处治措施。结果表明:经处治后,炭质泥岩施工掌子面的动力现象有了明显减少和减弱,工程施工基本不受影响,表明了该处治措施的效果较好。研究结果可供炭质泥岩地层及其他非煤系地层瓦斯隧道的设计和施工参考。

红层泥岩填料蠕变特性及分数阶五元件非线性蠕变模型研究

为揭示红层泥岩填料的蠕变力学特性,对甘肃红层泥岩填料开展分级加载三轴CU蠕变试验,分析不同含水率和偏应力水平下红层泥岩填料的轴向蠕变、蠕变速率、应力-应变等时曲线等蠕变特性。基于红层泥岩填料蠕变曲线特征分析,引入分数阶微积分,构建适用于甘肃红层泥岩填料的分数阶五元件非线性蠕变模型,并对模型参数进行辨识和分析。研究结果表明:甘肃红层泥岩填料存在明显的蠕变特性,呈非线性衰减蠕变,随含水率与偏应力水平增大,蠕变变形明显增大;应力-应变等时曲线呈现出非线性特征,存在明显拐点,甘肃红层泥岩填料的长期强度为瞬时强度的0.6~0.8;所构建的模型可以准确地描述甘肃红层泥岩填料的蠕变特性,对试验结果的拟合效果明显比Burgers和Merchant模型拟合效果好。

粉煤灰改良红层泥岩填料静三轴试验研究

红层泥岩的吸水软化和体积膨胀特性易造成路基翻浆冒泥现象及路基不均匀沉降等病害,在作为公路路基填料时应对其进行改良。本文选用粉煤灰作为改良剂,通过室内X射线衍射试验、化学成分测试和易溶盐等试验,分析红层泥岩和粉煤灰的成分组成及离子含量;通过无侧限抗压强度试验、室内变水头渗透试验和固结等试验分析了试样改良前后物理力学特性;通过常规三轴UU试验,研究了不同粉煤灰掺量对改良试样剪切应力-应变及抗剪强度的影响;分析了粉煤灰掺量为10%时,养护龄期对改良试验抗剪强度参数的影响。结果表明:该地区红层泥岩属低液限黏土,其易溶盐溶液中的SO42-离子含量最高,pH值呈碱性;三轴剪切试验中,改良和未改良试样均呈塑性破坏,试样粉煤灰掺量和龄期均对试样抗剪强度提高具有促进作用,且黏聚力增长幅度远大于内摩擦角;粉煤灰掺量为10%龄期28 d时,试样黏聚力较未改良未养护试样和10%掺量未养护试样分别提升37.9%和6.9%,内摩擦角分别增大了1.2°和0.7°。试样的静力学试验均验证了粉煤灰改良的可靠性。