微生物灌浆加固裂隙岩体的渗流特性分析

裂隙岩体的防渗加固是影响工程稳定和安全的关键技术问题之一。在以往微生物加固砂土技术基础上,将微生物加固技术应用于裂隙岩体灌浆加固,研究结果表明,(1)加固前围压对裂隙岩样的水力开度影响很大,加固后裂隙被碳酸钙沉积物充填,岩样的渗流由裂隙渗流转变为孔隙渗流,单位渗流量和渗透系数由围压和渗透水压共同控制;(2)微生物灌浆加固后,不同围压和渗透水压力作用下裂隙岩样的单位时间渗流量减小了80.12%~90.04%,渗透系数可达到10–6 cm/s数量级;(3)裂隙岩样灌浆加固过程中微生物诱导产生的CaCO3沉积物具有较好胶结作用,将劈裂岩样胶结为一个整体,达到了加固防渗效果。研究成果可为裂隙岩体的灌浆加固提供较好的参考。

三轴压缩作用下断续节理砂岩力学特性研究

节理岩体的力学特性直接影响工程岩体的安全。为了研究节理岩体的各向异性力学特性和破坏特征,设计进行了0°,30°,45°,60°,75°和90°等6种角度断续节理砂岩的三轴压缩试验,详细分析了节理倾角对断续节理岩体变形强度特征和破坏模式的影响。研究结果表明:①在加载过程中,随着围压增大,断续节理砂岩应力–应变曲线的屈服阶段逐渐明显,峰值强度和残余强度逐渐提高,破坏时延性特征逐渐明显;②随着节理倾角增大,断续节理砂岩的变形模量、抗压强度、黏聚力和内摩擦角等力学参数均呈现先减小后增大的U型变化趋势;③节理对岩样破坏裂纹的形成与开展具有明显的诱导和控制作用,不同倾角岩样的破裂面均顺节理倾角方向发展,当节理倾角与岩样计算破坏角接近的时候,岩样的破裂面顺节理面开展,变形和强度参数达到极小值;④随着围压增大,不同倾角断续节理岩样的变形和强度参数差别逐渐减小,各向异性特征逐渐减弱;⑤断续节理砂岩的破坏模式可分为张拉破坏、折线型的复合剪张破坏、沿节理面剪切破坏等3种类型,节理倾角的分布决定了断续节理砂岩在加载作用下的变形破坏模式,变形破坏模式的差异决定了断续节理砂岩变形和强度参数的各向异性特征。研究成果可为工程中节理岩体的各向异性特征分析提供较好的参考。

水-岩作用下砂岩力学特性及微细观结构损伤演化

在库水位反复升降作用下,库岸边坡消落带部分岩体处于浸泡―风干循环状态,其力学特性的劣化将直接影响库岸边坡的变形稳定。以三峡库区库岸边坡消落带砂岩为研究对象,设计并进行了考虑浸泡―风干循环和水压力升降变化的水-岩作用试验。结合SEM电镜扫描,分析了水-岩作用对砂岩微细观结构的影响,采用PFC^2D离散元软件对水-岩作用下砂岩的劣化过程进行了模拟分析。研究结果发现:(1)水-岩作用下砂岩的力学性能劣化效应明显,弹性模量和单轴抗压强度总体呈现先陡后缓的劣化趋势,其中前6次的浸泡―风干循环作用导致的劣化效应尤为明显。(2)水-岩作用下砂岩的微细观结构变化特征明显,由较致密的孔隙式胶结结构逐渐向不规则的蜂窝状结构发展,宏观上就导致了砂岩变形和强度特性的劣化。(3)由PFC^2D离散元模拟分析发现:水-岩作用导致岩石内部颗粒强度和颗粒间黏结强度逐渐劣化,非均匀性增强,荷载作用下的应变局部化特征逐渐明显,整体承载能力逐渐降低,破坏模式由典型的张拉破坏逐渐转变为剪切破坏。

重复剪切作用下节理强度和形貌特征劣化规律

为了分析重复剪切作用下节理面剪切力学特性及微观形貌特征劣化规律,制备了单节理砂岩试样,考虑4种法向应力分别进行了6次重复剪切试验。研究结果发现:(1)在重复剪切作用下,节理面剪应力–剪切变形曲线变化特征明显,经过2~3次剪切,不再出现明显峰值,剪切硬化现象明显,残余抗剪强度逐渐趋于稳定;(2)随着重复剪切次数增加,节理面的抗剪强度劣化趋势明显,呈先陡后缓的劣化趋势,前2次剪切的劣化幅度占总劣化值的65%以上,而且法向应力越大,抗剪强度劣化幅度和劣化速度越大;(3)在重复剪切作用下,节理面上相互咬合的微凸起和凹陷部分发生切齿、磨损和填充,节理面的凹凸起伏程度逐渐减小,使得其形貌特征参数及粗糙度系数逐渐降低,进而导致其剪切力学特性逐渐劣化;(4)建立了重复剪切作用下节理面粗糙度系数劣化方程,结合N.Barton提出的结构面抗剪强度经验公式,建立了考虑重复剪切作用的节理面抗剪强度计算公式,结果表明计算值与试验值吻合的较好。

长期浸泡作用下灌浆加固裂隙岩体劣化效应

为分析灌浆加固裂隙岩体在压力水长期浸泡作用下力学性能的劣化效应,在前期碳纤维水泥基复合灌浆材料加固裂隙岩体研究基础上开展了考虑水压力影响的灌浆加固裂隙岩体长期浸泡试验和在不同浸泡周进行直剪试验。研究结果表明,(1)压力水长期浸泡作用下灌浆加固裂隙岩样的剪应力-剪切位移曲线形态变化趋势明显,剪切刚度逐渐减小,达到峰值抗剪强度时的剪切位移逐渐增大;(2)随着浸泡周期增加,灌浆加固裂隙岩体的抗剪强度呈先陡后缓的劣化趋势,6个浸泡周期(150 d)后不同法向应力下峰值抗剪强度的劣化幅度为32.6%~39.9%,对应内摩擦角和黏聚力分别降低了19.3%、39.4%,其中前4个浸泡周期(0~90 d)抗剪强度参数劣化幅度占总劣化幅度的90%左右;(3)水压力作用下裂隙岩样发生溶解、溶蚀、润滑、软化等物理化学作用,浆体中的凝胶体被进入浆体内部的水分子软化,导致裂隙岩体和灌浆体本身的力学性质逐渐劣化,浆体与裂隙面之间的胶结作用、浆体与碳纤维之间粘结性能逐渐减弱,使得灌浆加固裂隙岩体抗剪性能逐渐劣化,剪切破坏面逐渐发展到浆体与裂隙面之间的胶结面。相关研究成果可为灌浆加固裂隙岩体的长期稳定性分析评价提供参考。

单试件重复加载法测定岩石残余强度指标

在以往单试件法基础上,结合岩石三轴压缩试验残余阶段的变形特点,研究提出了一种单试件重复加载法,测定岩石残余阶段的强度指标。研究结果表明:(1)常规多试件三轴压缩试验和单试件重复加载试验结果对比分析发现,岩样的残余强度主要由加载时的围压控制,与初始加载破坏的围压关系不明显;(2)单试件重复加载法得到的岩样残余阶段的强度指标与常规三轴压缩试验得到的结果基本一致,而且试验结果离散性明显较小,说明该方法是合理可行的;(3)为了更好地运用本文所提出的单试件重复加载法,建议在重复加载时尽量选择较大的围压值,从而保证重复加载过程中岩样的剪切破坏面处于紧密的接触状态,以更好地反映岩样在残余阶段的强度特征。

某土石坝深厚覆盖层混凝土防渗墙深度优化研究

针对某深厚覆盖层土石坝坝基进行了9种不同深度的悬挂式混凝土防渗墙方案对比计算分析,计算结果表明,防渗墙深度达到22 m时,大坝及坝基年渗流量小于坝址区多年平均径流量的2%的要求。在此基础上采用三维有限元对坝体和坝基渗流特性进行了整体分析验证,结果表明,采用沥青混凝土心墙和悬挂式混凝土防渗墙为主的防渗体系,可有效地降低坝体内部浸润线高度,浸润线在沥青混凝土心墙处骤降,大坝最高处浸润线降至排水层,下游出逸点位于下游排水体中下部;沥青混凝土心墙和混凝土防渗墙的渗透坡降均小于允许值80,坝体填筑材料和天然砂砾石层的水力梯度小于允许值0.15,均满足渗透稳定要求。

岩体裂隙面形貌特征对其渗流特性的影响研究

岩体裂隙面的形貌特征直接影响其渗流特性,为了分析二者的相关关系,采用劈裂法制备了单裂隙砂岩试样,进行了裂隙面扫描分析和渗流试验,基于分形维数在定量表达不规则曲线形貌特征方面的优势,提出了考虑裂隙面形貌各向异性特征的分形维数计算方法。研究结果表明:(1)基于矩阵理论的裂隙面综合分形维数,相当于用矩阵网格去覆盖整个裂隙面,可以较好地反映裂隙面的整体形貌特征;(2)裂隙面的形貌特征对其渗流特性影响显著,随着裂隙面综合分形维数逐渐增大,裂隙岩体的渗透系数逐渐减小,而且侧向应力越大,渗透系数的减小趋势越明显;(3)分析建立了裂隙岩样渗透系数kf与裂隙面综合分形维数■的相关关系,验证分析表明,该公式计算得到的裂隙岩样渗透系数与试验结果吻合较好。相关研究成果可为裂隙岩体渗流特性分析提供参考。

某土石坝悬挂式混凝土防渗墙深度优选

在深厚覆盖层上修建土石坝,坝体和坝基的防渗效果直接关系大坝的安全。根据西南地区某土石坝坝址区工程地质条件,坝体采用沥青混凝土心墙防渗,深厚覆盖层采用悬挂式混凝土防渗墙方案,重点对悬挂式混凝土防渗墙深度进行了6种方案对比分析,确定防渗墙深度22 m时,大坝及坝基年渗流量和渗透比降满足要求。在此基础上,进行了多个工况的校核分析,计算结果表明,采用以沥青混凝土心墙和防渗墙为主的防渗体系,有效降低了坝体内部浸润线高度,浸润线在沥青混凝土心墙处骤降,下游坝坡内部孔隙水压力较小,最大坝高处浸润线降至排水层,下游出逸点位于下游排水体中下部,沥青混凝土心墙和混凝土防渗墙的渗透比降均小于允许值80,坝体填筑材料和天然砂砾石层的渗透比降均在允许渗透比降范围内,坝体、坝基渗流稳定,不会发生渗透破坏。

一株本源产脲酶细菌的分离培养及其在裂隙岩体加固中的应用

微生物诱导碳酸盐沉淀是岩土工程领域一种新型绿色环保加固技术,为了研究工程环境中原位提取产脲酶细菌的加固效果,从三峡库区典型岸坡土体中分离提取了一种高效产脲酶菌种,经鉴定为蜡样芽孢杆菌。为了分析其加固效果,首先通过正交优化确定了蜡样芽孢杆菌的最佳培养条件,然后采用蜡样芽孢杆菌和巴氏芽孢杆菌进行了砂柱和裂隙岩体固化试验。结果表明:(1)相比于巴氏芽孢杆菌,蜡样芽孢杆菌固化的砂柱孔隙的填充更为密实,抗渗性更好,碳酸钙生成量更高,说明蜡样芽孢杆菌具有较好的成矿作用;(2)蜡样芽孢杆菌加固后裂隙岩样的渗透系数降低了3个数量级,内摩擦角和黏聚力分别增加了48.09%、85.10%,说明蜡样芽孢杆菌可有效改善裂隙岩体的渗透性能和抗剪性能,而且相比巴氏芽孢杆菌具有更好的加固效果。相关研究思路和结果可为工程岩体绿色加固提供较好参考。

边坡安全系数计算及稳定性分析方法

本文主要研究边坡稳定的初步预测问题,利用MATLAB软件完成以下工作:①考虑影响边坡稳定的6个内在因素参数,采用多元二项式回归中的完全二次法进行拟合,并对该拟合的多项式进行验算,验算结果表明:在实际工程中,可以根据边坡的土体力学参数快速直接计算边坡的安全系数。②理论上,边坡安全时,边坡安全系数大于1;边坡破坏时,边坡安全系数小于1。针对与理论相反的实际工程情况,运用可拓学原理、层次分析法建立边坡稳定性评价指标体系,提出边坡稳定综合权重判断法:当权值总和>0,安全系数>1,综合指标>1.5时,边坡处于稳定状态。该计算方法具有较广泛的适用性,可为类似问题提供借鉴。

含水率对层状砂岩劈裂抗拉强度影响研究

为了研究含水率对层状岩体劈裂抗拉强度的影响,特选取层理显著的砂岩为研究对象,考虑5种含水率,进行顺层理弱面的劈裂抗拉强度试验,结合岩样劈裂破坏面的微观形貌特征和能量参数变化规律进行综合分析。研究结果表明:(1)随着含水率的增加,层状砂岩的抗拉强度逐渐减小,总体呈现先陡后缓的降低趋势,在饱水度低于80%左右时,抗拉强度降低幅度明显较大,而后抗拉强度降低趋势逐渐趋于缓慢;(2)岩样劈裂破坏面的高度参数和纹理参数都随着饱水度的增加而逐渐增大,呈先陡后缓的增长趋势,岩样抗拉强度与劈裂面微观形貌参数存在较好的线性相关性;(3)随着含水率的增加,加载过程中岩样吸收的总能量、弹性应变能逐渐减小,呈现与抗拉强度类似变化趋势,弹性应变能占总能量的比值逐渐减小,耗散能占总能量的比值逐渐增大;(4)层理弱面既是层状岩体结构的薄弱面,也是水分吸收和运移的主要空间和通道,含水率增加,首先是影响岩样层理弱面力学性状和孔隙水的分布,改变岩样加载过程中的裂纹扩展规律,进而影响加载过程中的弹性应变能和耗散能的分配比例,从而导致岩样劈裂破坏面形态趋于复杂,抗拉强度降低,水对岩样抗拉强度的影响是一个从微观结构变化导致宏观力学特性劣化的过程。

碳纤维水泥基复合材料加固节理岩体试验

为了研究碳纤维水泥基复合材料对节理岩体的加固效果、加固机理及最优碳纤维掺量值,在超细水泥、粉煤灰、矿粉、硅灰等修复材料中,考虑0、0.25%、0.50%、0.75%、1.00%这5种不同的碳纤维掺量,对加固前、后节理岩样分别进行了直剪试验。研究结果表明:加固前、后节理岩样的剪切力-剪切位移曲线变化特征明显,由无峰值强度曲线转变为有峰值强度曲线,并出现明显的应变软化阶段和残余强度阶段;碳纤维掺量(质量分数)从0增加到1.00%时,节理岩样的峰值抗剪强度、残余抗剪强度在5种法向应力下分别提高13.0%~54.1%和0.61%~44.7%,剪切刚度增大32.4%~216.8%,黏聚力和摩擦角分别增大127.3%~266.5%和4.3%~20.4%;当碳纤维掺量为0.75%左右时,节理岩样加固后抗剪性能的综合增强效果最为明显;结合节理面形貌特征和加固后剪切破坏面特征分析发现,水泥浆复合材料对节理面具有较好的充填作用和胶结作用;在水泥基材中掺入碳纤维时,一方面类似于"加筋"材料,可在纯水泥浆的基础上进一步提高浆体的强度和整体性,限制节理面剪切过程中微裂纹的开展,另一方面碳纤维对受剪浆体提供了较好的"锚固"作用,进一步增加浆体与节理面的粘结性能,使得浆体本身、浆体与节理面之间胶结面的抗剪性能明显增强,从而显著提升加固后节理岩体的综合抗剪性能。

干湿循环作用下节理面剪切力学特性演化规律

在库水位周期性升降作用下,库岸边坡消落带岩体处于干湿循环状态,消落带节理、裂隙充分发育,直接影响库岸边坡的变形和稳定。设计进行岩体节理面的干湿循环作用试验,提出节理面单试件多周期重复剪切试验方法和数据修正方法。试验结果表明:(1)在干湿循环作用下,节理面的剪切力学特性劣化效应明显,随着干湿循环周期的增加,剪切应力-剪切变形曲线整体逐渐下移,弹性阶段和塑性硬化阶段的斜率逐渐减小,达到剪切屈服点的切向位移逐渐增大;(2)随着干湿循环作用周期的增加,修正前、后节理面的抗剪强度呈先陡后缓的劣化趋势,前8次干湿循环作用导致的抗剪强度劣化幅度较大;(3)节理面抗剪强度的劣化规律与干湿循环作用的进程密切相关,水的润滑、软化、钙质胶结物的溶解、溶蚀和各种长石矿物的水-岩物理化学作用导致了节理面力学特性的劣化。相关研究成果可为库岸边坡长期变形稳定分析提供较好的依据。