缓凝型水泥浆液配合比优化及锚孔浆岩界面特性影响研究

针对预应力锚杆后张法施工中自由段浆液流动性和缓凝效果差的工程难题,提出使用标准型聚羧酸减水剂作为掺加剂以实现水泥浆液缓凝并提高其工作性能,探究其对锚孔浆岩界面特性的影响。采用室内试验、SEM电镜扫描等手段,结合Matlab多目标优化等方法,对掺加减水剂的缓凝型水泥浆液的锚固性能及配合比优化展开研究,得出适用于预应力锚杆自由段的注浆材料及其最优配合比,并与现行规范推荐配合比进行锚孔横断面结石特性对比试验。研究结果表明:1)随着水灰比增大,水泥浆液的流动度和凝结时间增大,体积结石率和抗压强度减小;随着减水剂掺量的增大,水泥浆液的流动度和凝结时间增大,体积结石率减小,减水剂对浆液抗压强度影响较小;2)未掺加减水剂时,浆液结石体致密性随着水灰比的增大而降低,掺加减水剂使得浆液结石体表面局部存在相对较大尺度的孔或孔隙,对宏观结石体强度有一定影响;3)通过Matlab多目标优化方法推荐了缓凝型水泥浆液最优配合比为水灰比0.3,减水剂掺量1.85%,相关性能参数符合规范要求,且流动度与抗压强度较规范推荐配合比分别提升了72.3%和107%;4)浸水围岩会弱化浆岩界面的抗剪强度,因此在锚杆灌浆过程中保证横断面结石率有利于提高浆岩界面的抗剪强度,本文提出的最优配合比浆液抗剪强度优于规范推荐配合比浆液。

高功率激光水平辐照花岗岩致裂成孔特性及成孔能效评价

针对当前硬岩隧道钻爆法施工钻孔速度慢、钻头损耗大的工程难题,使用高功率激光水平辐照硬岩快速成孔替代传统PDC钻头钻孔,开展高功率激光水平辐照花岗岩成孔的可行性试验,分析高功率激光水平辐照花岗岩的致裂成孔特性;通过单轴压缩试验、扫描电子显微镜(SEM-EDS)和X射线衍射仪(XRD)衍射试验分析激光作用前后岩石的力学性能和微观物相演变;综合对比激光射孔与PDC钻头钻孔的破岩速度和比能。研究结果表明:岩石表面在激光持续辐照后形成“类爆炸坑”,产生的熔融物在重力作用下堆积在孔底,吸收了孔底处大部分的激光能量,抑制了孔底岩石的热裂反应;岩石的纵向破坏受重力影响导致上下孔壁熔融物分布不均匀,随着激光持续辐照,岩孔中心将不断向下偏离光斑入射点;经功率为4.5 kW的激光水平辐照10 s后,岩样的单轴抗压强度从63.31 MPa降低至42.36 MPa,其原因是钠长石分解引起岩样中黑云母的质量分数增加;功率为4.5 kW激光射孔的破岩速度较PDC钻头钻孔的破岩速度提高95.03%,比能增加15.3%,证明了高功率激光水平辐照硬岩成孔的有效性。

机制砂混凝土隧道衬砌结构裂损机理研究

为明确铁路隧道机制砂混凝土衬砌结构边墙环向开裂原因,开展了模筑混凝土短柱承载特性试验,利用基于损伤力学的有限元方法,结合模筑混凝土收缩形变试验,分析了机制砂混凝土的收缩变形特征和偏心短柱的承载特性。借助DIANA10.4程序进一步建立机制砂混凝土隧道衬砌结构的三维数值仿真模型,综合考虑围岩荷载、机制砂混凝土收缩效应以及隧道衬砌结构整体受力状态,探讨了机制砂混凝土隧道衬砌结构裂损机理。研究结果表明:随着混凝土强度等级的提高,机制砂混凝土构件与河砂混凝土构件承载能力与抗裂能力均逐步增强,但延性呈逐渐下降趋势;在模筑混凝土短柱承载特性试验中,混凝土强度等级较低构件(C20、C25、C30)破坏特征呈延性,混凝土强度等级较高构件(C35、C40)破坏特征呈脆性;混凝土强度等级相同的情况下,机制砂混凝土构件抗裂与承载能力较河砂混凝土构件虽有所提高,但由收缩效应产生的收缩应力较大,易导致结构裂损;收缩效应是导致机制砂混凝土隧道衬砌结构边墙处出现环向裂缝的主要原因;在保证结构安全的条件下,应适当减小混凝土强度等级、加强养护,降低机制砂混凝土收缩率,以减少衬砌结构裂损现象的出现。研究结果为解决机制砂混凝土隧道衬砌环向开裂问题提供了参考。

基于低碳减排的隧道水封爆破优化效果研究

为积极落实“碳达峰碳中和”战略,在隧道建设中,优化炮孔装药结构是钻爆法隧道实现绿色降碳的有效途径。通过现场试验和数值模拟对比研究水封爆破相对于常规爆破的降碳效果,并在工程实践中量化分析二者在碳排放评价上的优劣。首先,分析隧道爆破施工全过程的3个主要碳排放源,包括乳化炸药用量、风钻钻孔与炸药运输消耗的油品和通风降尘消耗的电力,并建立基于生产过程的隧道爆破碳排放计算模型。其次,通过有限元软件LS-DYNA分别建立空气、水与炸药轴向耦合爆破的数值分析模型,进一步探讨水封爆破破岩机理,由于水介质良好的低压缩性和更优的传能效率,水与炸药耦合装药结构加强了应力波正相作用时程和应力波峰值。因此,应力波叠加效应对岩体造成的损伤区域更大,岩体深部裂缝更加均匀。最后,依托贵州省董当特长隧道Ⅲ级围岩试验段,根据隧道爆破碳排放计算模型核算了水封爆破和常规爆破的碳排放量。研究结果表明,炮孔内水垫层雾化降低了烟尘浓度从而通风时间仅需15 min左右,施工通风消耗的电力能源是爆破开挖碳排放的主要贡献源,而水封爆破节省的炸药用量次之。本案例中,水封爆破每循环进尺减少碳排放量约63.065 kgCO_(2 eq)。本文研究成果可为相应隧道工程的绿色低碳减排优化提供参考。

纤维水泥搅拌桩数值模拟分析

采用FLAC3D软件,分别建立水泥搅拌桩和纤维水泥搅拌桩的基坑支护三维数值计算模型。计算结果表明:开挖引起基坑底部隆起,基坑底部中心处的隆起量最大;桩体水平位移沿深度近似线性分布,最大位移量发生在桩顶处;相较于水泥搅拌桩,采用纤维水泥搅拌桩进行基坑支护,基坑最大水平位移、最大沉降及桩体最大水平位移分别下降了81.3%,89.3%和74.0%。