湿热力作用下粉砂质泥岩开裂特性研究

为探究湿热力作用下粉砂质泥岩的开裂特性,开展裂隙演化试验,得到湿热力单因素及多因素耦合循环作用下粉砂质泥岩的裂隙演化规律,同时利用X射线衍射、扫描电镜研究其微观结构变化特征,分析宏观和微观试验结果关联性,揭示湿热力作用下粉砂质泥岩裂隙扩展机制.研究结果表明:粉砂质泥岩裂隙发育表现为增长-平缓趋势;在单因素循环作用中,湿度循环(浸水~烘干)最易造成粉砂质泥岩开裂,温度循环(5~60℃)次之,荷载循环(0~50 kPa)最弱;在多因素耦合循环作用中,裂隙发育程度排序为:湿热力>湿热>湿力>热力,验证了湿度循环致裂性最强的结论.湿热力耦合循环作用15次后裂隙率达0.92%,裂隙条数增至30条,平均长度延伸至60.58 mm,而平均宽度稳定在0.47 mm左右.孔隙率与裂隙率的灰关联度最大,为0.813,即微观结构变化中孔隙发育与裂隙扩展的关联程度最大.湿热力耦合循环作用中,湿度循环引起黏土矿物晶层间距变化,导致颗粒破碎、孔隙扩张形成微裂隙,温度循环使试样产生差异性热应力、水分分布,促使微裂隙发育贯通,荷载作用增加尖端应力,最终导致裂隙网络形成.

击实和三轴压缩条件下炭质泥岩的颗粒破碎及力学响应研究

为充分认识炭质泥岩的颗粒破碎行为及力学特性,对不同粗粒质量分数的炭质泥岩在最佳击实状态下的破碎程度进行三轴剪切试验,分析粗粒质量分数对炭质泥岩粒径级配及力学性能的影响规律,明确炭质泥岩颗粒破碎与围压、粗粒质量分数间的关系。研究结果表明:在压实过程中,炭质泥岩存在明显的颗粒破碎现象,且粗粒质量分数越高,其颗粒破碎越明显;炭质泥岩的水敏性远大于硬质岩的土石混合体的水敏性,击实曲线更陡峭,且在粗粒质量分数为60%时具有最佳的击实状态;随着粗粒质量分数增大,炭质泥岩的抗剪强度呈现出先增长后减小的趋势,且在粗粒质量分数为60%时黏聚力达到最大,内摩擦角与粗粒质量分数呈负相关;当粗粒质量分数较小时,炭质泥岩抗剪强度主要由细粒间的黏聚力及粗粒与细粒间的咬合力提供,粗粒破碎较少;随着粗粒质量分数增大,试样中颗粒破碎现象更明显,颗粒间重新分布和咬合使其内摩擦力逐渐增大,抗剪强度由粗粒破碎及粗粒与细粒间的咬合力提供,细粒间的黏聚力较小;炭质泥岩的颗粒相对破碎率随围压、粗粒质量分数的增大而增大,且相对破碎率与粗粒质量分数和围压之间存在非线性关系。

偏压小间距隧道施工力学行为及围岩破坏规律

为研究偏压小间距隧道施工力学行为及围岩破坏规律。在CD法施工下,通过建立偏压小间距隧道有限元模型,利用ABAQUS有限元软件在不同开挖顺序及不同隧道间距下对偏压小间距隧道施工过程进行了动态模拟与分析,基于强度折减法基本原理,探讨了不同隧道间距下围岩塑性破坏规律,确定了合理隧道间距。研究结果表明:①在不同开挖顺序下,先行左洞开挖方式要优于先行右洞:②随着隧道间距的增加,左洞围岩位移不断减小,右洞围岩位移先减小后增加;③随着隧道间距的增加,沿中间岩柱竖向中心线的水平位移逐渐减小;竖向应力则表现为先减小后增大的规律;④右洞开挖完成后,两洞初期支护中右拱腰处的弯矩明显大于拱顶处,而轴力则反之;⑤随着隧道间距的增加,中间岩柱塑性贯通程度逐渐弱化,安全系数不断提高,等效塑性应变逐渐减小。研究结果可为偏压小间距隧道的设计与施工提供依据。

生物聚合物改良预崩解炭质泥岩水稳性及冲刷试验研究

为提高炭质泥岩边坡坡面水稳性及抗冲刷能力,本文利用瓜尔胶生物聚合物改良表层预崩解炭质泥岩。通过开展不同掺量下瓜尔胶改良预崩解炭质泥岩的无侧限抗压强度试验、渗透试验、持水特征试验、崩解试验及边坡冲刷模型试验,分析瓜尔胶对预崩解炭质泥岩力学性能、持水特征、渗透系数、水稳性及坡面抗冲刷能力的影响,并探讨瓜尔胶改良预崩解炭质泥岩微观机理及生态护坡机理。研究结果表明:瓜尔胶可有效增强预崩解炭质泥岩的力学性能,随着瓜尔胶掺量增加,试样无侧限抗压强度增大,养护8 d后,其增幅可达206%;改良预崩解炭质泥岩的含水率及失水速率均随瓜尔胶掺量增大而逐渐减小;瓜尔胶减小了预崩解炭质泥岩的渗透系数,改良后预崩解炭质泥岩渗透系数仅为改良前的4.30%~42.58%;瓜尔胶掺量越大,改良预崩解炭质泥岩崩解率及最终崩解率越小;随着瓜尔胶掺量增加,坡面冲刷速率明显减小,仅为最初的1.0%~6.9%。由此可见,瓜尔胶可有效提升炭质泥岩边坡表层预崩解炭质泥岩的力学性能、持水特性、水稳性及抗冲刷性能,减小其渗透系数,是一种新型、环保的炭质泥岩边坡表层防护材料。

基于深度学习技术的公路隧道围岩分级方法

通过深度学习技术提取公路隧道掌子面图片中的围岩分级相关信息。训练以掌子面图片和特征标签为数据集的深度卷积神经网络模型,识别围岩的节理、裂隙、破碎程度、粗糙程度、光滑程度、泥夹石和涌水等分布式特征;结合深度学习技术和岩体裂隙图像智能解译方法统计围岩节理组数和间距来描述结构面完整程度;再利用色彩模型确定岩石种类描述出岩石坚硬程度;最后将围岩分级各判别因子转换为BQ值进行分级,获得围岩分级最终结果。结果表明：深度学习模型适用于识别围岩不同形态特征,利用图像识别技术获取的围岩分级参数能够实现对公路隧道围岩等级的综合判定。该处理结果与传统BQ分级结果相吻合,验证了深度学习围岩分级的可行性和准确性。

基于图像识别的掌子面节理参数研究

公路隧道掌子面节理裂隙几何特征是评价岩体完整程度是影响重要因数。在对掌子面图像进行大量实验的基础上,针对掌子面节理裂隙图像的分割,并运用机器视觉原理,对掌子面图像进行去噪和形态学处理,以便获取节理裂隙完整、杂质区域较少的二值化图像;对节理裂隙特征定量化研究,通过分析掌子面节理裂隙集合特征,确定提取特征参数。

不同pH条件下红层泥岩崩解特性研究

研究红层泥岩在不同酸碱环境中的崩解特性对保障红层泥岩人工边坡、地基工程的安全性十分重要。通过开展pH为3,7,11条件下红层泥岩的崩解试验,深入了解了红层泥岩在不同酸碱环境下的崩解现象,分析了干湿循环后红层泥岩粒径级配特征、不均匀系数、曲率系数、比表面积增量及崩解率及崩解比的变化规律,揭示了红层泥岩在不同pH条件下的崩解机制。研究表明:pH=3时,红层泥岩崩解现象最剧烈,裂缝出现最早,贯通速率最快;干湿循环后粒径级配均表现出大颗粒减小,小颗粒增多;与pH=7相比,pH=3和11的环境对红层泥岩崩解后颗粒的不均匀系数及曲率系数影响更加明显,增长幅度更大;红层泥岩崩解率与崩解比的变化速率在不同酸碱环境中从大到小依次为pH=3>pH=11>pH=7;在酸性条件下,红层泥岩的比表面积增幅最快,远高于碱性和中性环境。研究成果可为红层泥岩边坡及地基的稳定性分析及工程实践提供参考。

阿拉伯树胶改性预崩解炭质泥岩路用性能及改性机制

为提升预崩解炭质泥岩路用性能以用作路堤填料,采用阿拉伯树胶对预崩解炭质泥岩进行改性,分析改性后预崩解炭质泥岩的路用性能及改性机制。开展加州承载比(CBR)、回弹模量、无侧限抗压强度(UCS)及单轴抗拉强度试验,研究阿拉伯树胶掺量与养护龄期对改性预崩解炭质泥岩路用性能的影响,并通过崩解性、酸碱度(pH)、电导率、溶解性固体总量(TDS)及Zeta电位试验分析改性前后预崩解炭质泥岩理化特性的变化,结合扫描电镜(SEM)、X射线能谱分析(EDS)与傅里叶变换红外光谱分析(FTIR),探讨阿拉伯树胶对预崩解炭质泥岩的改性机制。研究结果表明:阿拉伯树胶能有效改善预崩解炭质泥岩的路用性能,且随掺量与养护龄期增加,路用性能改善程度逐渐增大;结合经济性考虑,阿拉伯树胶掺量为4%时路用性能改性效果最佳,CBR与回弹模量分别提升495%和427%,UCS与单轴抗拉强度均提升230%以上;掺入阿拉伯树胶可大幅降低预崩解炭质泥岩的崩解率、pH值、电导率、TDS及Zeta电位绝对值,改善预崩解炭质泥岩的水稳性;阿拉伯树胶通过降低预崩解炭质泥岩碱性、提供阳离子与颗粒表面离子发生离子交换并吸附在颗粒表面的方式,优化改性预崩解炭质泥岩内部结构性,通过胶结预崩解炭质泥岩颗粒、填充内部孔洞与孔隙的方式提升黏聚力与整体性,并包覆在颗粒与团聚体表层,阻隔外部环境直接作用。研究结果可为预崩解炭质泥岩再利用提供思路,并为阿拉伯树胶用作其他岩土材料的改性剂提供参考。

基于掌子面结构量化的公路隧道围岩分级方法

公路隧道围岩级别的划分是指导隧道设计、施工及地下工程岩体稳定性评价和安全风险控制的重要依据,目前在设计和施工中对隧道围岩级别的判定方法具有较多的经验性因素,且在实际隧道工程中各级围岩的稳定性情况极为复杂,即使是同一级别的围岩,隧道稳定性也不尽相同。为了实现施工阶段围岩分级的可操作性与准确性,通过研究在公路隧道开挖时采集的隧道掌子面图像,利用MATLAB编程建立了照相测量围岩分级系统。根据岩体块度指标RBI的概念,向隧道轮廓线依次布设19条虚拟测线,以掌子面径向19个方位的RBI值综合评价了掌子面岩体结构的差异性。考虑结构面分布特征,结合掌子面节理玫瑰花图获取岩体结构综合量化指标Z-RBI,对掌子面进行了综合评价,得出了Z-RBI与岩体结构类型对应关系。综合考虑岩体坚硬程度、Z-RBI、地下水条件、初始地应力状态等主要分级指标,利用层次分析法,提出了隧道围岩BT分级方法及评价标准。实际工程应用表明:与传统的BQ法相比,BT分级方法获取的围岩等级更符合开挖后掌子面围岩的实际等级,且各等级可靠指标的延续性可对隧道施工过程中地质属性的变化情况进行定量表征,有助于工程地质人员据此对围岩质量的渐变过程进行动态评估。