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。

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。

干湿循环下炭质泥岩软弱夹层剪切强度及渗透性演化规律研究

针对云南某露天矿边坡中的炭质泥岩软弱夹层,开展了室内干湿循环加速模拟试验、直接剪切试验和变水头渗透试验,研究了干湿循环作用下炭质泥岩软弱夹层抗剪强度和渗透性的演化规律,分析了循环次数对抗剪强度和渗透系数的影响,结果表明:干湿循环对炭质泥岩软弱夹层的抗剪强度影响显著,不同竖向荷载下,抗剪强度劣化趋势基本相同;随着干湿循环次数的增加,其内摩擦角基本不变,但黏聚力显著减小,且在干湿循环1次时黏聚力减幅最大,2~7次时黏聚力劣化速率较快,在干湿循环超过7次时,炭质泥岩软弱夹层的黏聚力变化速率趋于平缓,最终拟合得出黏聚力与干湿循环次数之间的指数函数关系模型;炭质泥岩软弱夹层的渗透系数和干湿循环次数呈正相关,循环次数在0~4次时渗透系数变化较为平缓,4次之后渗透系数显著增大,在7次循环时达到最大值,之后渗透系数基本不变。研究结果可为类似矿山边坡软弱夹层的强度和渗透系数预测提供参考。

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。

考虑炭质泥岩颗粒破碎的级配演化预测模型

为准确预测炭质泥岩在冲击荷载过程中的颗粒破碎及级配曲线的变化,建立炭质泥岩“冲击能和含水率-破碎指标-级配分布”的数学模型。通过引入一个可以描述连续级配曲线的单参数级配方程,建立单参数级配方程和颗粒破碎率B w的数学关系表达式,实现了“破碎指标-级配分布”的转换。通过设置反S型和双曲线型两种典型炭质泥岩填料连续级配,开展了一系列不同含水率和冲击能的冲击试验。结果表明:无论炭质泥岩的初始级配是双曲线型分布还是反S型分布,当冲击能一定时,炭质泥岩的颗破碎率均随着初始含水率的增大而增大;当含水率一定时,炭质泥岩的颗粒破碎率随冲击能的增加而增加,当冲击能量达到6.075 kJ后,颗粒破碎率基本保持不变,各粒组的颗粒含量相对于初始含量的变化趋于一个稳定的比例。根据炭质泥岩在冲击过程中的颗粒破碎率B w与初始含水率和冲击能的关系,建立了颗粒破碎率与含水率、冲击能的数学关系式,实现了“冲击能和含水率-破碎指标”的转换。从而以破碎指标为媒介,建立了“冲击能和含水率-破碎指标-级配参数”的数学模型,并通过验证发现该模型可以较好反映不同冲击能和含水率条件下炭质泥岩级配曲线演化规律。

干湿循环作用下炭质泥岩孔隙演化及本构模型研究

【目的】建立干湿循环作用下炭质泥岩的损伤本构方程。【方法】对0、5、10和15次干湿循环作用下的炭质泥岩进行核磁共振试验,探讨炭质泥岩孔隙演变规律,并对干湿损伤的炭质泥岩进行单轴压缩试验,研究干湿循环对岩石力学特性的影响。在此基础上,利用Weibull分布函数表征岩石损伤演化,考虑干湿损伤炭质泥岩的孔隙变形,建立炭质泥岩的损伤本构方程。【结果】随干湿循环作用次数的增加,炭质泥岩孔隙增多、尺寸增大,小孔汇合、贯通形成中孔。干湿循环加剧炭质泥岩力学性质劣化,干湿损伤后的炭质泥岩峰值应力和弹性模量减小、延性增强。损伤本构方程可以较好地描述炭质泥岩应力应变发展的全过程,特别是可以较好地反映岩石压密阶段的非线性变形。【结论】该损伤本构模型有较高的适用性,可为干湿环境下炭质泥岩边坡工程的建设提供参考。

降雨作用下含炭质泥岩夹层边坡的变形破坏机理

为揭示降雨诱发含炭质泥岩夹层边坡的变形破坏机理,通过对株洲市蓝天花园小区边坡进行降雨量、地下水位和深层土体水平位移的监测,发现边坡不同部位地下水位变幅受降雨影响差异显著,将单孔地下水位变幅按从大到小的顺序排列,依次为滑坡后缘(变幅0.1~1.6 m)、坡体(变幅0.4~1.1 m)、坡脚(变幅0.1~0.6 m);边坡滑动面在全风化炭质泥岩夹层所在的位置。在此基础上,开展不同含水率的炭质泥岩直剪试验和边坡数值分析,结果表明:随着含水率的增加,炭质泥岩的黏聚力和内摩擦角均有所减小,夹层含水率增加和坡脚开挖均是边坡变形破坏的重要原因;随着含水率的增大,边坡塑性区面积逐渐增大,并由坡脚到软弱夹层底部再到坡顶发展贯通;最大水平位移随着夹层含水率的增大而增大,最大水平位移由第三级边坡坡脚向第二级边坡坡脚再向软弱夹层转移;坡脚开挖后,塑性区和最大水平位移的变化规律与开挖前的一致,但边坡的塑性区和最大水平位移增加得更为明显。

羟基纤维素改良预崩解炭质泥岩工程特性研究

为探究羟基纤维素对预崩解炭质泥岩工程特性的改良效果,开展了无侧限抗压强度、干湿循环以及理化特性的试验,以分析掺量、养护时间、干湿循环次数对预崩解炭质泥岩力学和理化特性的影响,并结合扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)技术揭示了羟基纤维素改良预崩解炭质泥岩的微观机制。结果表明:在养护时间相同的情况下,改良后的预崩解炭质泥岩的无侧限抗压强度随羟基纤维素掺量的增加呈现出先增大后减小的趋势,且当掺量为4%时,其无侧限抗压强度达到最大值;当羟基纤维素的掺量保持不变时,随着养护时间的增加,改良后的预崩解炭质泥岩的无侧限抗压强度也随之增加,并在养护14 d后趋于稳定;在干湿循环作用下,经羟基纤维素改良后的预崩解炭质泥岩的无侧限抗压强度变化符合指数函数规律;改良后的预崩解炭质泥岩的pH基本保持不变,而TDS值、电导率及盐度均有所降低;羟基纤维素主要通过胶结颗粒和填充孔隙的方式来增强预崩解炭质泥岩的力学性能。

炭质泥岩隧道岩类力学性质分析及变形控制措施

广西贺巴高速公路永靖隧道为全Ⅴ级围岩,长690 m,以炭质泥岩、页岩、砂岩互层为主,流水量与降雨量成正比,掌子面围岩松散、易发生大面积坍塌。文章通过对炭质泥岩、煤岩、泥岩的物理力学性质进行对比分析,总结出永靖隧道炭质泥岩松散性、脆性、膨胀性的工程特殊性,并针对围岩的特殊性制定相应的施工技术措施,经过工程验证有效控制了隧道变形,取得良好效果。

干湿循环下预崩解炭质泥岩孔隙结构特征

以预崩解炭质泥岩为研究对象,基于马尔可夫链-蒙特卡洛法(MCMC)和原始SEM图像,重构不同干湿循环次数下的二维图像和三维孔隙模型,重构结果以孔隙率为控制条件,分别与原始图像、压汞试验结果比较,验证重构模型的可靠性。结果表明,随着领域范围的扩大,重构二维图像孔隙含量及孔隙形态与原始SEM图像的适配度均增大,不同干湿循环次数下的孔隙率误差率最大为1.77%,最小为0.91%;干湿循环后,预崩解炭质泥岩孔隙分布曲线整体向右、向上移动,6次干湿循环后,曲线呈现四峰特征,0.1~2μm范围内峰值增大至0.120 6%;重构的三维孔隙模型整体孔隙率分别为10.887%,25.176%,31.259%,31.838%,与原始图像的孔隙率误差最大为3.316%,与压汞试验结果相差值最大为3.96%;将重构的三维孔隙模型均分为5层,每层的孔隙率与压汞试验得到的每层孔隙率误差最大为3.28%。重构的预崩解炭质泥岩三维孔隙模型可靠性较强,可用于研究预崩解炭质泥岩在不同干湿循环次数下的强度、渗流特性等数值模拟试验。

基于简化Janbu法的夹炭质泥岩软弱层的溶蚀峰丛斜坡边坡稳定性分析

通过对因开挖导致溶蚀峰丛斜坡陡坡段出现破坏裂缝影响区域的补勘,获取破坏区主要岩土力学参数,并借助简化Janbu法对夹炭质泥岩软弱层的溶蚀峰丛斜坡进行滑移稳定性分析,采用反算法反算已滑坡裂缝区的抗剪强度指标,用于指导边坡修复和加固,同时给予安全合理的支护建议,以期为类似边坡失稳和支护问题提供科学的参考依据。

动力湿化作用下炭质泥岩路堤填料崩解及强度特性试验

为研究动力湿化作用下预崩解炭质泥岩路堤填料崩解规律及强度变化特性,对不同含水率及动力作用下的预崩解炭质泥岩路堤填料进行动力加载试验和点荷载试验,研究含水率w、动荷载F和加载次数N对颗粒崩解及破碎强度的影响。研究结果表明:在动力湿化作用下,预崩解炭质泥岩路堤填料崩解形式为表面破裂;在崩解过程中,粒径d为2~5 mm的颗粒质量分数下降幅度最显著,粒径d≥2 mm的颗粒质量分数随w、F和N增加而降低,粒径d<0.5 mm的颗粒质量分数变化趋势则相反;崩解率S_(DRE)与N、F和w呈正相关,但S_(DRE)增加幅度随着N增加而逐渐降低,w越低,N和F对S_(DRE)的影响越小;w、N和F对级配分形维数D的影响与S_(DRE)对分形维数D的影响类似,根据D与w、N和F的拟合函数计算泥岩极限分形维数D_(ult)为2.58。N和F对颗粒破碎强度σ_(f)影响较小,w和特征粒径d_(e)与σ_(f)呈负相关,w越小,σ_(f)受d_(e)影响越大,而w增加引起σ_(f)减小的幅度随d_(e)增大而逐渐降低;当w≥7%,d_(e)≥20 mm时,炭质泥岩σ_(f)处于w和d_(e)的非敏感区。

干湿循环作用下预崩解炭质泥岩微观结构及持水特性研究

为研究预崩解炭质泥岩持水特性在长期大气环境影响下的演变规律,通过扫描电镜和压汞试验研究干湿循环作用下预崩解炭质泥岩的微观结构及孔隙分布特征,并开展预崩解炭质泥岩土水特征曲线试验和渗透试验。基于Van Genuchten模型建立考虑干湿循环作用的预崩解炭质泥岩土水特征曲线修正模型,并预测预崩解炭质泥岩非饱和渗透系数。研究结果表明:干湿循环可促进预崩解炭质泥岩继续崩解,导致大孔隙体积及孔隙率增加,土体结构变得松散,但在干湿循环作用6次后孔隙率趋于稳定;干湿循环对预崩解炭质泥岩的持水特性影响显著,土水特征曲线随干湿循环次数增加整体向左偏移,土体进气值减小;在高基质吸力阶段,不同干湿循环作用下Van Genuchten修正模型预测得到的预崩解炭质泥岩的土体非饱和渗透系数曲线基本重合,说明干湿循环作用对其渗透性影响较小。

干湿循环作用下预崩解炭质泥岩强度特性及其劣化机制

为明确干湿循环对预崩解炭质泥岩强度特性和微观结构的影响,通过三轴剪切、扫描电镜试验,分析其强度特性和微观结构参数随干湿循环次数的变化规律,并结合强度指标和微观结构参数之间的联系,揭示预崩解炭质泥岩强度劣化机制。研究结果表明:6次干湿循环后,预崩解炭质泥岩黏聚力和内摩擦角降幅分别达60.10%和8.83%;随干湿循环次数增加,圆形小孔的数量始终最高且呈增大趋势,平均面积最大为0.010μm^(2),同时,部分发育汇集成细长形大孔,平均面积最小为0.626μm^(2);颗粒定向频率Fi(α)整体经历均匀分布、大区间局部优先分布、小区间局部优先分布3个阶段;颗粒定向概率熵、三轴几何平均径降幅分别为4.95%、24.27%;黏聚力主要受小孔、大孔面积影响;内摩擦角主要受颗粒的定向概率熵、三轴几何平均径影响;在干湿循环下,叠聚体反复胀缩,内部应力更加集中,孔隙不断发育,导致黏聚力显著降低;内摩擦角因颗粒定向化及破碎而降低;黏聚力和内摩擦角不同程度的衰减引起预崩解炭质泥岩强度降低。

考虑应力变化的炭质泥岩粗粒土微观结构特征研究

为了探究炭质泥岩粗粒土的强度特性及微观结构变化特征,该文通过开展压汞试验和电镜扫描试验,对不同荷载作用下的炭质泥岩粗粒土微观结构进行分析。研究结果表明:炭质泥岩粗粒土在不同荷载作用下的微观结构变化主要体现在颗粒排列方式,随着围压的增加,其颗粒排列状态由疏松向密实转变,孔隙体积呈先降低后上升趋势,孔隙多为开放型和半封闭型。相同级配的炭质泥岩粗粒土随着围压的增大,孔隙圆形度先增大后减小,分形维数则先减小后增加,对应的孔隙形态面积减小;4种试样在不同围压下的丰度均为0.46~0.51,试样孔隙呈扁圆形态。该研究成果可为炭质泥岩粗粒土路基强度控制提供参考。

炭质泥岩粗粒土动态回弹模量及预估模型研究

【目的】为研究炭质泥岩粗粒土动态回弹模量在荷载、级配和含水率影响下的变化规律,【方法】开展室内三轴试验,探究不同应力状况、分形维数和含水率条件下炭质泥岩粗粒土的动回弹特性。【结果】试验结果显示:炭质泥岩粗粒土动态回弹模量随体应力的增大而增大,随动偏应力和含水率的增大而减小;含水率对动态回弹模量影响较大,在含水率较小时,回弹模量随分形维数的增大而减小,随着含水率的增大,回弹模量逐渐随分形维数的增大而增大。【结论】采用三参数复合模型对试验结果进行回归分析,试验结果与模型有较好的拟合效果,并提出了基于含水率和分形维数的三参数经验预估模型,可有效预估炭质泥岩粗粒土动态回弹模量。

炭质泥岩环境下低碳钢锚杆的腐蚀特性

复杂岩土环境下低碳钢锚杆的腐蚀破坏对锚固工程的整体安全性具有极大威胁。为研究炭质泥岩边坡中低碳钢锚杆的腐蚀行为和揭示不同腐蚀时间下低碳钢锚杆的腐蚀特性与机理,以炭质泥岩浸泡得到的液体为腐蚀溶液,低碳钢锚杆为腐蚀试件,开展溶液腐蚀、电化学腐蚀及微观试验。结果表明,炭质泥岩环境下低碳钢锚杆产生明显的电化学腐蚀,随着腐蚀时间的延长,腐蚀产物的颜色逐渐加深,腐蚀面积逐渐增大。在腐蚀初期(0~10 d),单位面积腐蚀速率迅速加快,低碳钢锚杆表面会形成一层薄的氧化膜,随着低碳钢锚杆表面的Fe离子被氧化,氧化膜逐渐被破坏,导致腐蚀产物在低碳钢锚杆表面堆积,整个反应过程由电荷转移和物质转移共同主导。

油井山地区陶瓷土矿勘查区炭质泥岩可利用性评价

概要介绍了宁夏中卫市油井山地区陶瓷土矿勘查区黑色泥岩特征。通过对黑色泥岩送样进行化学分析及工业分析,从黑色泥岩层中,圈定可供开发利用的碳质泥岩。为此,在勘查区布设了钻探工程,基本查明了勘查区范围内可开发利用炭质泥岩规模,估算出了资源量。从炭质泥岩赋存层位、岩层厚度、开采条件、物理化学性质、经济价值等方面对其可利用性进行评价。

预崩解炭质泥岩路用性能及其基于三轴CT试验的力学特性

为研究预崩解炭质泥岩的路用性能及其在三轴应力条件下的力学特征,利用室内基本物理力学实验与三轴CT同步扫描实验对其进行试验研究。研究结果表明:炭质泥岩矿物组成主要为伊利石、石英、高岭石,压实度是控制回弹模量的主要因素,具有与土相似的性质,不同工点所取试样具有不同的CBR;试件压实度越高,峰值强度越大,偏应力陡增段CT扫描层CT数增大速率比应力应变曲线平缓段的大,表明试验前期试件密度增大速率比试验后期的大;试验前,试件具有较多细小孔洞及裂纹,密度存在较大差异,随着试验的进行,密度差异性降低,炭质泥岩颗粒在围压及偏应力的作用下存在挤密、错动、融合的现象。

炭质泥岩泥化夹层的流变特性及长期强度

通过分析炭质泥岩泥化夹层的直剪流变实验成果,表明炭质泥岩泥化夹层的法向应力和剪应力为线性关系,存在统一的蠕变加速阶段来临时的极限应变量。基于老化理论,建立了适合弱层流变特性的流变力学模型,该模型可以描述初始蠕变、等速蠕变和加速蠕变三个阶段过程。依据蠕变加速阶段来临时的极限应变量得到了长期强度方程,从而为边坡变形分析和滑坡中长期预报提供了可靠的依据。