弱碱激发条件下磷渣-水泥复合填料路用性能试验研究

将磷渣固化后作为路基或路面基层填料是固体废弃物资源化利用的有效途径,具有广泛的经济效益和社会价值。本文通过室内和现场试验,从强度和水稳性的角度分析了磷渣-水泥复合填料的路用性能,并通过具体工程案例论证了本文固化方案的可行性。试验结果表明,弱碱激发(pH=8.0)条件下磷渣混合料在压实、固化后可作为路基填料使用,但固化体强度形成较为缓慢,7 d抗压强度约为28 d的50%。经固化后的磷渣-水泥复合填料具备了一定的耐水性,水泥熟料掺量大于7%(质量分数)时,浸泡60 d后未出现影响完整性的破坏,固化体试样的软化系数随着水泥掺量的增加而下降。在保证强度的基础上,固化剂(Na_(2)SiO_(3))的使用可以减少水泥用量,提高磷渣固化方案的经济性;而过度碱激发(pH=10.0)虽然可以提高磷渣固化体的早期强度,但对28 d强度影响并不显著。现场的工程实践表明,本文提出的弱碱激发磷渣固化方法可以有效实现磷渣的资源化再利用,在公路路基和路面基层填筑工程中具有很强的可推广性。

甘肃红层泥岩耐崩解试验与矿物夹杂效应研究

为探究干湿作用下甘肃红层质泥岩加速崩解机制,针对典型的石膏质泥岩,开展浸水及快速崩解试验,并通过与泥质砂岩、页岩和石膏岩的对比,分析了影响岩石耐久性的主要因素,对崩解过程中的矿物夹杂效应进行了讨论。研究结果表明:原状石膏质泥岩浸水自然崩解速度较慢,3 h崩解量为0.11,但高温(>163℃)干燥后夹杂的石膏矿物将完全脱水硬化,体积收缩,再次遇水后岩块于2 h内完全崩解。石膏质泥岩的二次循环耐崩解指数Id2为0.80,属于高耐久性岩石,但在干湿过程中有加速崩解的趋势,第5次循环时的相对崩解指数I5达到了0.56。岩石的耐久性受矿物成分和胶结强度影响较大,矿物膨胀驱使岩块崩解的过程中,泥质岩块易发生均匀破碎而砂质岩块易出现非均匀破碎。石膏质泥岩中黏土矿物夹杂密实,干湿作用下易崩解,所夹杂的石膏矿物具有溶蚀性,且溶蚀后崩解液显弱酸性,石膏溶蚀产生的微裂隙和酸性环境下钙质结核的脱落是导致石膏质泥岩加速崩解的主要原因。

黏土岩中水泥锚固体滑脱的有限-离散元模型初探

锚固体与围岩有效黏结是保证锚杆(索)系统正常工作的重要前提,为研究黏土岩内水泥锚固体在拉拔荷载作用下的滑移脱黏机理,开展黏土岩三轴试验、黏土岩-水泥砂浆界面直剪试验和水泥锚固体拉拔的物理模型试验,基于有限-离散元方法(FDEM),建立黏土岩-水泥砂浆的二元体模型,对水泥锚固体拉拔过程进行模拟。研究表明:黏土岩黏聚力小于黏土岩-水泥砂浆界面的切向黏结强度,低法向压力时二元体的剪切破坏多为黏土岩的剪切破坏,但黏土岩内摩擦角较大,高法向压力下界面抗剪强度低于黏土岩,二元体剪切破坏逐渐转变为界面脱黏;考虑剪切失效的双线性黏聚力模型在模拟软岩破坏时是适用的,而二元体黏结界面更适合通过黏结-摩擦模型模拟;水泥锚固体拉拔失效过程可分为黏结变形阶段,界面脱黏阶段,剪胀咬合阶段和滑移阶段4个阶段,界面脱黏后,锚固体附近黏土岩的剪切破坏也是导致锚固失效的重要因素,剪胀咬合阶段的咬合力决定了锚固体的峰值抗拔能力。研究结果对于软岩地区锚固结构设计有一定的指导作用。

基于相对湿度场和变模量本构的岩土膨胀分析模型

随着含水率(湿度)的增加,红层黏土(岩)会表现出体积膨胀和吸水软化的双重特征,这是诱发红层滑坡和路基隆起等地质灾害的主要原因。为研究含水率对受荷岩土体变形的影响,本文在湿度应力理论的基础上,对含水率归一化处理,提出基于相对湿度的变模量本构,建立岩土膨胀分析模型;以固结黏土和红层黏土岩为研究对象,开展膨胀和吸水软化试验。结果表明:膨胀试验中,黏土岩和固结土的侧限膨胀率分别为0.345和0.205,膨胀应力分别为225.0和112.5 kPa,黏土岩具有更强的膨胀能力;固结土吸水效率更高,能够更快地达到膨胀平衡状态。软化试验中,干燥状态下黏土岩的压缩模量较大,但吸水过程中模量的衰减也较快,饱和状态下固结土与黏土岩的压缩模量基本相同。基于试验数据,对本文模型的稳态参数进行反演,并基于已标定的分析模型对侧限膨胀试验进行模拟,一方面,验证本文方法在稳态分析时的适用性;另一方面,给出了相对湿度场平均扩散率K的标定方法。以圆形洞室遇水问题为算例,进行了稳态理论计算和瞬态数值计算,以说明本文模型在应用于岩土膨胀大变形分析时的优越性。本文分析模型参数易获得,数值模拟结果准确性高,可为红层膨胀岩和膨胀土地区工程建设提供理论指导。

干湿作用下受荷石膏质泥岩的不可逆膨胀特征

为研究干湿作用及应力状态对石膏质泥岩膨胀性的影响,采用自行设计的试验装置对采自平-绵高速公路天水2号隧道的原状岩样进行荷载耦合的干湿循环试验,就循环过程中及干湿循环后泥岩的宏观膨胀规律和细观膨胀机制进行分析。研究结果表明:(1)该试验装置可以实现干湿循环与特定应力状态(侧限压缩)的全过程耦合,且试样无自由表面,与地下岩体真实赋存状态较为接近;(2)当法向压力小于试样膨胀应力时,第1次吸水后试样有明显膨胀变形,在排水固结后可恢复的变形比例较小,而继续干湿循环,试样的胀缩变形将不再明显;(3)第1次干湿循环后,泥岩内矿物由颗粒胶结状态退化为絮状堆积状态,黏土化趋势明显,膨胀应力下降比例超过80%;(4)增加法向压力虽然可以减小甚至消除干湿循环过程中石膏质泥岩的膨胀变形,但无法抑制其细观结构的劣化;(5)通过有荷载的干湿循环,以一定的围岩变形为代价,可以减弱石膏质泥岩的膨胀性,但需要注意干湿循环也会降低石膏质泥岩的抗剪强度。上述结论对于石膏质泥岩地区隧道建设及地质灾害防治具有一定的指导作用。

扰动冲击下弱胶结红砂岩的能量耗散与分形特征

为探索动态扰动后西部矿区软岩夹层的能量耗散规律和破坏模式,利用分离式霍普金森压杆装置对弱胶结红砂岩进行动态冲击破坏试验,分析该类红砂岩在受到不同加载速率、不同次数扰动冲击以及是否扰动的条件下,试样在相同加载速率破坏性冲击过程中的能量耗散与分形特征。试验结果表明:在不同速率扰动冲击作用下,随着扰动冲击次数的增加反射能递增而透射能和耗散能呈减小趋势,其中较高速率扰动冲击下试样的反射能高于低速率扰动冲击,耗散能则相反,且低速率扰动冲击下试样的耗散能、能量耗散率和能量耗散密度高于较高速率扰动冲击,表明低速率扰动冲击下试样的能量利用率更高;在破坏性冲击试验中,随着扰动冲击次数的增加,低速率扰动后试样的破碎程度相较于未扰动与高速率扰动更为严重,对应分形维数D_(b)低速率扰动>未扰动>高速率扰动,表明分形维数与扰动冲击次数呈正相关,与扰动冲击速率呈负相关;在相同扰动冲击次数下,低速率扰动试样的D_(b)所对应累积耗散能和耗散能密度高于较高速率扰动试样,而对应的累积反射能则相反。

CT尺度下冻融岩石细观损伤特性分析

为研究冻融环境下岩石细观损伤演化规律,以红砂岩为研究对象,首先进行冻融循环试验,再对经历0次,5次,10次,20次和40次冻融循环的试样进行CT扫描.采用K均值聚类算法实现了扫描图像的二维孔隙识别;通过三维重构再现了红砂岩的冻融破坏模式,确定了试样的有效承载区,在细观层面实现了对岩石冻融损伤的定量分析.结果表明:通过K均值聚类算法确定阈值,可以有效实现CT图像的二值化;三维重构后的模型可以再现红砂岩试样在冻融过程中的损伤模式以及内部孔隙的发育特征;随冻融循环次数的增加,基于有效承载区定义的损伤变量逐渐增大,并与孔隙的发育趋势一致,能有效地反映冻融循环作用下岩石的损伤演化规律,为冻融岩石细观损伤研究提供了一种切实可行的方法.

冲击作用下煤岩动态破坏机理的FDEM模拟研究

为研究煤岩的动态破坏规律,利用Φ50 mm分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)装置,开展了煤岩冲击破坏试验。基于零厚度的内聚力单元建立了煤岩有限离散元方法(finite discrete element method,FDEM),标定了模型参数;最后在LS-DYNA软件平台上模拟了SHPB冲击试验,讨论了FDEM模型在模拟动态破坏时的适用性,并对煤岩的破坏过程进行分析。研究表明:①煤岩动态抗压强度与应变率满足经验关系,当应变率为98.05 s^(-1)、119.22 s^(-1)和135.85 s^(-1)时其动态强度因子(dynamic strength factor,DIF)分别为1.92、2.08和2.23;②冲击作用下煤岩的弹性变形阶段较短,塑性变形能力较强,动态弹性模量的应变率相关性不显著;③FDEM模型通过零厚度内聚力单元的失效能够模拟岩石类材料的脆性破坏,当网格尺寸合理时,由于惯性效应的存在,通过准静态试验标定的模型参数,也适用于冲击破坏的模拟;(4)冲击作用下煤岩的破碎程度与冲击速度正相关,其破坏形式表现为压缩波引起的局部剪切破坏和泊松效应导致的整体张拉破坏。

基于损伤-虚拟张拉裂纹模型的地下爆炸围岩破坏规律研究

地下硐室作为爆炸危险物的隐蔽贮藏空间,有潜在的内爆炸风险。为研究内爆炸作用下硐室围岩的动态响应机制,提出了一种基于岩石HJC(Holmquist-Johnson-Cook)模型和节理内聚力单元的损伤-虚拟裂纹模型。分析了模拟方法的可靠性,并在此基础上,通过多物质ALE算法对球形硐室内爆炸过程进行数值模拟,分析了围岩损伤范围和分区破坏规律。研究表明:插入内聚力单元弥补了HJC模型无法模拟低静水压力下张拉破坏的不足,且尺寸效应易于处理。模拟方法同时考虑了岩体内张拉裂纹的扩展和岩石材料的塑性损伤,能够真实地反映岩石破坏的全过程。以红砂岩为例,根据数值模拟结果,填实(耦合装药)爆炸时围岩分区破坏规律明显,破碎区比例半径为0.26 m/kg^(1/3)、裂隙区比例半径为0.47 m/kg^(1/3)。随着硐室尺寸的增大,空气的间隔作用可以减小爆炸荷载对围岩的损伤作用,比例半径达到0.52 m/kg^(1/3)时,可以实现爆炸荷载的完全解耦。

冲击荷载作用下煤岩动力特性试验研究

为研究陕北地区硬质煤岩的动态力学性能,利用应力加载系统和分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,对煤岩试件进行了基础的动、静力学特性试验,研究了其破坏机理。结果表明:静载作用下,煤岩试件多为单一裂纹破坏;而动载作用下,破坏形式比较丰富,如低应变率时的劈裂破坏和较高应变率下的压碎破坏;弹性模量与峰值应力的率相关性显著,而峰值应变的率相关性较弱;在动态加载方式下,由于加载速度过快,试件内部孔隙、裂隙、颗粒间距等缺陷闭合压实时间过短,宏观上表现为应力-应变曲线压密段缺失。

西部弱胶结软岩细观结构及水理特性试验

为准确掌握西部弱胶结软岩的水理特性,对采自陕北矿区的红砂岩进行水理及力学特性试验,并基于电镜(SEM)扫描图像分析细观结构特性,建立岩石细观结构与其宏观水理特性间的联系。试验表明:红砂岩具有明显的饱水软化和吸水膨胀特性,其软化系数为0.64;无压力水侵蚀和干湿循环作用下饱水红砂岩性能将进一步劣化,宏观上表现为强度和弹性模量的减小和质量损失率的增大;细观上,红砂岩颗粒间的联系比较松散,具有明显的弱胶结结构特征。总体来说,亲水矿物溶解与弱胶结结构破坏的耦合作用,导致红砂岩特殊的宏观水理特性。研究结果可为类似地区软岩夹层工程治理提供借鉴。

西部白垩系富水软岩动力学特性试验分析

为研究西部白垩系富水软石的动力学特性,使用50 mm直径分离式霍普金森压杆装置对干燥及饱水的陕西地区红砂岩进行不同应变率条件下的冲击压缩试验。研究了红砂岩的动态破坏特征、应力-应变关系,分析了其峰值应力与弹性模量的应变率效应。结果表明:(1)随着应变率的增加,试样破坏形式由多裂纹张拉型破坏逐渐转变为整体压碎破坏;(2)红砂岩动态应力-应变曲线压密段缺失,且饱和试样在峰后段表现出特殊的软化特性;(3)红砂岩动态抗压强度有明显的线性应变率相关性,而随着应变率的增加,干燥试样的弹性模量变化不大,饱和试样弹性模量则出现了一定程度的增加。分析认为孔隙水对于白垩系弱胶结岩石动力学性能具有较大影响。

煤岩液态二氧化碳爆破开采实践与模拟

为准确把握煤岩液态CO2爆破开采的技术特点,通过动、静力学特性试验测定了煤岩力学参数,采用有限元数值模拟与工程实践相结合的手段,研究了原煤液态CO2爆破开采的效果及特点。结果表明:受到致裂装置释放器的约束,相较于常规爆破手段,液态CO2爆破过程中能量释放较为平缓,应力波峰值水平较低,实际爆破有效范围较小,以57型致裂装置为例,其爆破效果仅为换算当量的28.6%。但液态CO2爆破具备传统爆破技术所不具备的安全性,同时实践也表明了液态CO2爆破能有效提高块煤率,实际产煤质量高。就安全环保与清洁高效的发展理念而言,液态CO2爆破技术的使用前景优于传统炸药爆破。

水环境中高压水射流成孔的数值模拟

为研究水环境中射流速度对成孔深度、成孔直径及射流周边岩体的影响,基于岩石Holmquist-Johnson-Cook(HJC)模型,采用有限元显式动力分析软件LS-DYNA建立了水域中高压水射流成孔的数值模型,模拟了射流成孔过程。结果显示:随着射流速度的增加,成孔深度从最开始的显著增加,转变为缓慢增加,最后稳定;成孔直径与射流直径之比受射流速度影响不大,始终保持在1.5～1.8;水环境中应力波衰减速度快,射流过程对其周边岩体影响较小。研究结果对于高压水射流技术的水下应用有指导作用。

气体密度和初压对炸药爆炸压力衰减的影响

为研究气体密度和初压对爆炸压力的影响,以球形装药为例,在LS-DYNA中模拟不同气体密度、环境初压和真空度条件的TNT炸药爆炸,分析空气冲击波的形成过程和衰减规律。研究结果表明:在爆炸初期冲击波的波阵面位于爆炸产物边界,产物压力与冲击波压力存在强耦合作用;随着爆炸产物自身压力下降,其膨胀速度减慢,冲击波开始与爆炸产物分离,当产物中心压力下降为环境初压时,冲击波与爆炸产物彻底分离,其后以空气冲击波的形式独立传播。降低气体密度可以通过抑制冲击波形成,大幅降低爆炸压力;减小环境初压则通过加快冲击波的衰减速度,也可以在一定程度上降低爆炸压力。相较于单独改变密度和压力,提高真空度对冲击波压力的减小效果更好;近真空环境下无法形成空气冲击波,爆炸压力衰减速度快。

基于剪切和张拉试验的水泥砂浆–黏土岩二元体界面影响区模型

黏土岩隧道常采用喷射水泥砂浆的方法进行初次支护,若支护与岩体黏结强度不足将产生巨大的安全隐患。以水泥砂浆–黏土岩二元体为研究对象,开展界面的剪切和张拉试验,首先分析黏土岩初始含水率对二元体黏结强度的影响,然后根据二元体的宏观破坏模式和细观的孔隙特征,提出一种确定界面影响区厚度的方法,最后建立界面影响区模型,进行偏压状态下界面脱黏的数值模拟。研究表明:(1)张拉和剪切破坏时,砂浆–黏土岩二元体的破坏面均位于浇注界面附近的黏土岩中,该区域的力学性能较差,为二元体的界面影响区。(2)二元体界面抗剪刚度Ks和残余摩擦因数k与法向应力无关,随含水率增加而减低。(3)二元体浇注过程中浆液向黏土岩渗入和水泥凝结过程中水分向砂浆侧的迁移会引起黏土矿物的胀缩,在影响区内产生大量的初始微裂隙,根据这一特殊的孔隙特征,基于计算机层析扫描(CT)和数字图像处理技术,可以对影响区厚度进行无损伤识别。(4)本文提出的界面黏结模型,考虑了界面在法向和切向的黏结效应及切向的摩擦效应,可以准确地模拟二元体张拉及剪切破坏时的应力–位移关系。(5)当界面处于偏压状态时,砂浆–黏土岩界面的脱黏荷载随荷载与界面法线夹角的增大而较小,因此偏压隧道的支护结构更易脱黏,施工时宜采取加强措施。

干缩、湿胀作用下黏土岩崩解的FDEM模拟

黏土岩是常见的工程岩体之一,其遇水后的软化和胀缩变形是诱发滑坡、崩岸等地质灾害的重要内因。为深入理解干缩、湿胀过程中黏土岩力学参数的劣化规律和胀缩裂纹的扩展模式。首先,在湿度应力场理论的基础上,推导基于水头的湿度应力瞬态分析方法,其次,开发一种湿度相关的黏聚力单元(可进行湿度扩散计算,且黏聚力单元参数与湿度相关),并通过实验数据对其主要参数进行标定,最后,基于有限离散元方法(FDEM)对黏土岩受荷膨胀和干湿崩解进行模拟,通过与试验对比,验证本文模拟方法的可靠性。研究表明:(1)黏土岩吸水膨胀过程中,也表现出吸水软化的特点,饱和黏土岩单轴抗压强度和弹性模量仅为干燥试样的22%和25%,在进行岩土膨胀分析时不能忽略力学参数受含水率(湿度)的影响;(2)黏土岩吸水膨胀在时效上滞后于吸水软化,在较大荷载(大于膨胀应力)作用下,侧限状态的黏土岩会出现压缩恢复的现象;(3)干湿过程中胀缩裂纹是诱发黏土岩崩解的主要因素,外侧裂纹易贯通形成碎块,内部裂纹则导致试样出现不可逆损伤。本文提出一种新的岩土体胀缩模拟方法,对于膨胀岩地区的边坡、隧道和库岸的工程计算有一定的指导作用。

煤岩HJC模型参数确定及液态CO_(2)爆破特性研究

Holmquist-Johnson-Cook(HJC)本构模型在冲击爆炸工程数值模拟中广泛应用。为了探寻煤岩体合理的模型参数,确定液态CO_(2)爆破的实际效果和致裂范围,以陕北神木某矿区CO_(2)爆破开采为依托,由静力学特性试验和分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)冲击试验得到该矿煤岩的基本物理力学参数;运用正交实验法,采用基于LS-DYNA3D平台的数值模拟方法再现了SHPB冲击压缩试验的全过程,用Person相关系数判定试验与模拟应变信号的吻合度,反演得到HJC模型的主要敏感参数B和N;引入*MAT-ADD-EROSION失效条件,采用抗压、抗拉失效准则,真实再现CO_(2)爆破中裂纹萌生、扩展、贯通直至形成裂隙区的全过程,较好地模拟了爆破冲击岩体的碎裂特征,有效反映工作面煤岩体的几何非线性特性;对比分析了液态CO_(2)爆破和原始炸药爆破的裂纹扩展特征及爆破效果;研究了液态CO_(2)爆破应力波衰减规律,给出压碎区和裂隙区的范围。结果表明:液态CO_(2)爆破应力波衰减及能量释放过程较为持续平缓,在裂隙区主要产生细长型裂纹,裂隙区面积远大于炸药爆破;相同当量下,液态CO_(2)爆破范围大于炸药爆破范围,且CO_(2)爆破压碎区面积减小、裂隙区面积增大,煤岩主要表现为块状破碎。将研究结果应用于该矿区CO_(2)爆破开采工业性试验中,考虑4个致裂器同时作用,采取方形布孔方式,计算确定爆破孔距及排距均为0.7 m,试验结果表明,实际爆破效果良好,块煤率较炸药提高了38.5%。

基于水-岩共同受荷机理的饱和岩石粘弹性损伤模型

使用分离式霍普金森压杆装置对饱和红砂岩进行了冲击压缩试验,研究了饱和岩石的动力特性和水-岩共同受荷机理。结果表明:由于孔隙水的存在,饱和红砂岩具有特殊的峰后软化特性,抗压强度和弹性模量具有更加显著的应变率相关性。从孔隙水承压的角度提出了基于水-岩共同受荷机理的粘弹性损伤模型,给出模型参数的确定方法,得到的理论曲线与试验曲线一致性较好。

富水卵石层重力式锚碇选型及稳定性分析

富水卵石地层中由高承压水头导致的悬索桥重力式锚碇稳定性不足问题突出。文中依托宜都长江大桥南岸锚碇工程,采用简化理论计算和三维数值模拟相结合的方法,重点研究承压水头变化对其稳定性和沉降变形的影响,并结合实际工况提出基础形式优化方案。结果表明,枯水期浅埋扩大基础锚碇造价低,易于施工,具有可推广性。然而,扩大基础底面积大,承压水头增高时,基底压力减小、摩擦减弱会显著降低其抗滑安全系数。通过基底齿坎或阶梯构造夹持卵石的方法,可以有效增强锚碇的整体稳定性。针对文中案例,保持基底面积不变,增加10 m×10 m的齿坎后,高水头条件下其抗滑稳定性系数由1.99增大为2.21,安全性显著增加。