节理化炭质页岩地层隧道围岩大变形及控制技术研究

某高速铁路XHS隧道穿越节理化炭质页岩地层,在施工过程中围岩大变形、失稳坍塌现象显著,现场采用强支护和仰拱加深等措施后围岩变形控制效果不佳。针对XHS隧道节理化炭质页岩地层地质条件,结合现场监测手段、离散-连续耦合数值模拟分析围岩大变形及破坏特征,基于数值模拟提出以采取地层预加固为主的围岩变形控制措施,并通过现场试验探讨该控制措施的应用效果。研究结果表明:隧道开挖后,围岩变形具有变形量大、变形速率快的特点,围岩拱部沉降量大于水平收敛量且变形具有非对称的分布特征;受三台阶法多次开挖扰动影响,围岩卸荷范围动态发育并不断向全环扩展,松动区逐渐由浅部围岩向深部转移,并呈现出非对称的破坏特征,最终引发围岩大变形;采取地层预加固后,模型中围岩变形和松动区范围明显减小,围岩非对称变形破坏也得到了有效控制;在采用地层预加固、管棚超前支护、三台阶临时仰拱法开挖的控制措施后,围岩变形得到控制,施工效果良好,隧道恢复正常施工,保证了隧道的顺利贯通;以地层预加固为主的控制措施是此类节理化炭质页岩地层围岩变形控制的有效手段。

炭质页岩路基填料的路用性能研究

炭质页岩用于路基填筑不仅能缓解炭质页岩分布区路基填料的供应难题,也符合中国基础设施建设“资源集约、节约”和“绿色化”的战略要求。然而,此类岩石性质软弱、易风化崩解、遇水强度衰减显著,充分利用须建立在深入认知其性质的基础上。该文研究炭质页岩原岩的基本性质;设计填料级配;进行填料的击实特性及击实后颗粒破碎特征研究、干湿循环条件下的RCBR(加州承载比)变化特征研究、干燥及浸水状态下填料的压缩性能及压缩后颗粒破碎特征研究以及浸水过程中路基回弹模量的现场测试。研究发现:随风化程度增加,原岩趋于黏土化,微观结构变得疏松。填料颗粒越粗,击实过程中越难调整自身位置来寻求稳定密实状态,颗粒破碎越显著。遇水后填料表现出较强的软化、崩解特性:初始RCBR为54%,随干湿循环呈现先快后慢的减小趋势,最终稳定在26%左右;压缩试验中,填料浸水后的湿化附加变形极为显著,颗粒破碎率大幅增加,最佳含水率状态下未发生破碎的粒组在浸水饱和后也发生了破碎;未浸水路基的回弹模量为140.4 MPa,浸水6 h后衰减至82.1 MPa,之后随浸水时间延长回弹模量衰减不再明显。实际应用时建议优化填料级配、控制最大粒径,采用能有效防水、控湿的路基结构,并避免将炭质页岩填料用于地表水、地下水发育部位。

炭质页岩工程特性及其边坡防护技术应用研究

文章以环江县高铁站至金禾南路一级公路为例,通过野外地质调查、取样测试等方法,对环江地区炭质页岩的崩解机理、浸水抗剪强度开展研究。结果表明:(1)炭质页岩经历干湿循环后,水分渗入原生缺陷中,岩体膨胀与收缩产生裂纹,裂纹在水岩相互作用下不断扩张、贯通,岩体由块状最终崩解成小颗粒状;(2)炭质页岩的抗剪强度随着饱水时间、含水率的增加而降低。同时,根据炭质页岩的崩解性与抗剪强度受降雨影响较大这一研究结果,提出了素混凝土临时封面+植被混凝土绿化护坡方案,对环江县高铁站至金禾南路一级公路的炭质页岩路堑边坡进行防护,并取得了良好的防护效果。

粤北地区炭质页岩填料工程特性与填筑施工技术研究

通过文献、试验和课题研究分析,开展了炭质页岩填料的工程特性的试验,梳理总结得出炭质页岩路基填料的填筑性能指标,其物理性质液限主要集中于30%~35%,塑限主要集中于22%~24%,塑限指数集中于8~11,为低液限土;其不均匀系数C>10,且曲率系数C介于1.0~3.0之间,可保证填料的粒径级配良好;同时采用5次干湿循环均可完全崩解。基于上述炭质页岩路基填料的填筑性能指标数据,开展路填筑施工技术研究,以期为国内相似炭质页岩路基填筑提供科学实践应用参考。

富水地层炭质页岩隧道初期支护侵限处治技术

依托云南省勐绿高速公路金扬河隧道右线进口段,对富水地层炭质页岩隧道三台阶法施工中的初期支护侵限问题进行分析研究,从变形控制、径向注浆加固、支护加强、钢架拆换、开挖方法优化等方面,针对性地采取处治措施,结合围岩变形监测,成功解决初期支护侵限问题并确保了施工安全。

张吉怀铁路古阳隧道炭质页岩弃渣自燃机理及治理研究

张吉怀铁路古阳隧道渣场在初期堆积后发生了自燃现象,为研究其自燃机理并对渣场进行彻底整治,消除渣场自燃对周边环境的不良影响,通过现场勘查、实验测试、理论分析等方法,对古阳隧道渣场渣样的自燃倾向及矿物成分、渣场自燃形成机理进行分析,确定最终整治方案。数据表明,该渣场自燃等级为Ⅱ类,硫化铁硫Sp.ad为1.70%~3.88%,样品空气干燥基固定碳FCad为5.14%~9.61%,烧失量为10.04%~10.62%;黄铁矿通过表面吸氧氧化释放大量的热量,热量聚积温度持续升高达到着火温度T_s后渣场发生自燃。根据研究成果,确定了古阳隧道渣场“整平封闭、隔氧隔水”的治理思路。渣场整平后铺0.3 m厚生石灰,然后覆盖一层1.5 m厚黏土,最上层覆盖0.5 m种植土,渣场表面采用“撒草籽+栽植灌木”的方式防护。

刚果(金)高炭质页岩铜钴矿脱碳精矿回收铜钴试验研究

刚果(金)高炭质页岩铜钴矿脱碳精矿中由于炭质物及轻质脉石的存在,致使直接浮选处理精选富集比低,无法形成合格的铜钴精矿,所以现场将脱碳精矿排放至总尾矿中,导致铜钴金属流失严重。针对以上问题,开展了脱碳精矿样品性质研究及回收铜钴小型试验研究,确定了离心重选预处理—离心粗精矿浮选的工艺流程,有效解决了炭质物对浮选的干扰,采用该工艺处理脱碳精矿,小型闭路试验产出的铜精矿Cu品位18.45%、Co含量3.22%,达到了产品销售标准,铜、钴金属实际回收率分别提高了5.81、3.48个百分点。

千米深井锰矿炭质页岩顶板巷道围岩变形破坏特征

贵州省锰矿埋深普遍较深且巷道顶板以炭质页岩为主,层间节理、裂隙发育,导致该类巷道围岩变形破坏较为严重。为了揭示千米深井锰矿炭质页岩顶板巷道围岩变形破坏特征,以贵州铜仁某千米深井锰矿-75 m中段回风平巷为例,基于围岩力学试验及数值仿真试验方法,对不同炭质页岩厚度下中段回风平巷的变形破坏特征进行分析。结果表明:千米深井锰矿中段回风平巷炭质页岩顶板及锰矿层天然状态下抗压强度分别为70 MPa、60 MPa,炭质页岩坚固性系数为3.4~5.0;随着炭质页岩顶板厚度增加,巷道顶板及两帮位移量逐渐增大,顶板最大垂直位移量为96.7 mm,左、右两帮最大水平变形值分别为117 mm、104 mm,且两帮位移图像整体呈现出“倒V”字形分布,表现出显著差异性变形破坏特征;巷道顶板塑性区范围随着炭质页岩厚度增大而扩大,在炭质页岩厚度为3 m时,塑性区体积达到最大值,且巷道塑性区以剪切破坏为主,剪切破坏体积占塑性区总体积的93.82%。综合分析得出,随着炭质页岩厚度的增加,顶板破坏范围越大,围岩稳定性越差,故加强深井高应力锰矿炭质页岩顶板非对称冒落拱的控制是该类巷道围岩稳定性控制的关键。

鄂西炭质页岩动态拉伸力学特性试验研究

为探索湖北省西部地区郑万高铁湖北段苏家岩隧道炭质页岩段围岩动态拉伸力学特性,从而为层状岩体地层隧道爆破破岩机理研究提供依据,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,同时借助高速摄像及数字图像相关技术(DIC),开展0°、30°、45°、60°和90°共5种不同冲击角度(冲击加载方向与试样层理面夹角)下鄂西炭质页岩动态巴西劈裂试验,每个冲击角度工况采用0.1 MPa、0.2 MPa及0.3 MPa共3种冲击气压进行动态加载来达到不同冲击速率,以研究冲击角度和冲击速度对炭质页岩动态抗拉强度及动态拉伸破坏模式的影响规律。研究结果表明:不同冲击速度下,随着冲击角度增加炭质页岩动态抗拉强度整体呈现出先减小后增大的趋势,且冲击角度为30°时最小,冲击角度为90°时最大,页岩动态抗拉强度呈现出显著的各向异性特征,且随着冲击速度增加页岩动态抗拉强度各向异性程度也随之降低;随着冲击速度增加,炭质页岩动态抗拉强度均相应增大,且动态抗拉强度与冲击速度具有显著的线性关系;此外,冲击角度和冲击速度均对页岩动态拉伸破坏模式有较大的影响。

炭质页岩填料利用与路堤结构设计研究

针对某公路炭质页岩填料利用与处治难题,开展炭质页岩崩解软化机理分析与路用性能试验,分析填料强度的湿化衰减特性。试验结果表明:炭质页岩的微观结构、亲水矿物、含硫矿物是造成其易崩解软化、植物难以生长的主要原因;经历2次干湿循环后炭质页岩崩解已大部完成,随着干湿循环次数的增加,炭质页岩崩解率逐渐稳定在12%左右;炭质页岩填料中石料含量对密实度的提高影响不大,但对填料承载比CBR值的提升非常显著,CBR值随含石率的增加近似呈线性增长;中风化炭质页岩填料浸水前的工程性质较好,受水浸泡6小时后填料回弹模量衰减41.5%,受水浸泡24小时后填料回弹模量衰减47.0%。并探讨公路路基炭质页岩利用部位及其典型结构形式。

干湿循环作用下炭质页岩声发射特征试验研究

为研究干湿循环对炭质页岩力学特性的影响,开展了在不同干湿循环作用下的炭质页岩单轴压缩试验,并采用声发射技术监测其受载过程中的声发射信号。研究结果表明:干湿循环会加速岩石的初始损伤,随着干湿循环次数的增加,岩样的峰值强度和弹性模量呈递减趋势,声发射峰值振铃计数和累计振铃计数逐渐减小;声发射振铃计数呈现平静期、发展期、爆发期和跌落期四个阶段,与应力-应变特征具有较好的一致性。因此,可以将声发射峰值振铃计数作为岩石破坏前兆的依据。

高速公路炭质页岩路基结构设计

为进行炭质页岩路堤填料路用性能及路堤稳定性研究,以某位于我国西南地区的高速公路K41+215—K52+441合同段为例,在分析其炭质页岩路基填料基本物理性能和崩解特性的基础上进行室内试验,并引入分形维数对炭质页岩击实次数和碾压方式进行研究;最后提出填方路段、软岩挖方路段、横向及纵向填挖交界处等路基典型结构形式,分析过程及结果可为同类工程提供参考。

考虑降雨入渗的炭质页岩路堑边坡失稳预警方法研究

考虑降雨入渗对炭质页岩路堑边坡稳定性影响的基础上,基于尖点突变理论,建立炭质页岩路堑边坡降雨触发的尖点突变模型,推导出在边坡临界稳定状态下的充水高度及降雨强度计算公式。结合工程实例,采用Geo-Studio有限元分析软件研究不同降雨强度对边坡稳定性的影响,探索降雨强度对边坡影响的规律,验证了模型对边坡失稳预警的可行性。结果表明数值模拟所得的结果和模型计算所得的结果较为吻合,可供类似工程参考。

炭质页岩填料路基压实施工及质量控制技术探讨

文章以某高速公路工程为例,在充分了解其路用性能的前提下,选取试验路段,对炭质页岩填料路基压实施工技术及施工质量控制进行试验分析。试验结果表明:炭质页岩填料致密性优良,适用于低频率、弱振动压实施工,采用沉降法对其压实度进行检测,规律明显;通过试验明确不同松铺厚度条件下的填料压实施工技术要点和质量控制参数;总结基于沉降差法的路堤压实施工技术要点及质量控制措施,为进一步开发碳质岩渣资源提供技术借鉴。

软弱破碎围岩隧道炭质页岩蠕变特性试验研究

采集贵广铁路天平山隧道典型软弱破碎围岩岩样,在室内开展三轴常规压缩和三轴压缩蠕变试验。基于岩石试验成果,分析炭质页岩的蠕变力学特性,低应力水平条件下岩石仅出现减速蠕变和等速蠕变阶段,在更高的应力水平条件下,岩石并未出现加速蠕变的现象,但围压在一定程度上提高岩石的屈服强度,弹性模量亦有随着围压增加而增大的趋势。据此,建立依托工程炭质页岩蠕变全过程的黏弹塑性应变软化蠕变力学模型,推导该蠕变力学模型在三维应力状态下的本构方程,并确定模型的参数,运用最小二乘法对模型的参数进行辨识。通过与试验曲线对比显示,所建蠕变模型能够描述依托工程炭质页岩的蠕变力学特征,可以用来研究该隧道软弱破碎围岩的蠕变性质和稳定性。

炭质页岩路堤变形特性研究

炭质页岩组成复杂且具有遇水软化崩解特性,导致其用于路基填筑材料时工程性质差和不稳定。对炭质页岩组成成分、物理力学性质、承载比等路用性能进行试验研究,通过三轴剪切排水试验模拟炭质页岩填料路堤应力——应变特性,得到炭质页岩路堤填料Dun-can-Chang模型参数。利用大型有限元计算软件ABAQUS二次开发模拟不同压实度下路堤沉降规律。研究表明:崩解稳定的炭质页岩完全可用作下路堤填料,且随着压实度的提高,路堤沉降量呈减少趋势,并与实测数据对比,两者较为吻合。

炭质页岩软弱夹层路堑边坡稳定性分析

炭质页岩遇水软化易崩解,且强度低,作为夹层其软化特性对边坡稳定性有重要影响。通过室内试验研究了炭质页岩物理力学性质,运用Ansys建模,并将模型导入有限差分软件FLAC 3D,对炭质页岩夹层水软化下的边坡稳定性进行了数值模拟。重点分析了炭质页岩水软化下边坡塑性区分布、边坡最大位移及安全系数变化规律。结果表明:随着炭质页岩剪切面含水量的增大,路堑边坡稳定性随之降低;对于坡比为1∶1的炭质页岩路堑边坡,当炭质页岩剪切面含水量达到10%时,边坡失稳。

鄂西地区炭质页岩隧道围岩变形规律研究

以鄂西地区沙子垭炭质页岩隧道围岩施工监控量测数据为基础,分析层状构造的炭质页岩隧道围岩随时间的变化规律,并提出相应的变化规律方程式,为指导施工与修改设计提供科学依据,也为该地区类似隧道建设提供参考。

炭质页岩及矿化炭质页岩中锇钌的测定

由于炭质页岩及矿化炭质页岩中有较高的碳、硫及有机物 ,无法直接用过氧化钠熔融 ,因此将样品与NH4 Cl、(NH4 ) 2 CO3按 10∶1∶1混合 ,再覆盖一层氢氧化钠作锇、钌保护剂 ,于 5 0 0℃灼烧 ,加速碳、硫及有机物的分解 ,再用过氧化钠分解样品 ;采用一次蒸馏As(Ⅲ ) -Ce(Ⅳ )体系催化光度法测定锇、钌。该方法回收率大于 95 %。

炭质页岩型钒矿热压氧化浸出钒新工艺研究

研究了采用热压氧化浸出新方法从贵州某炭质页岩型钒矿石中提取钒。试验结果表明:在矿石细度为-0.15mm占70%、浸出剂GZ-1#用量为矿石质量的15%、液固体积质量比1︰1、浸出温度180℃、浸出氧气压力0.8MPa、浸出时间3h条件下,钒浸出率达90.83%。该新方法不需对矿石进行焙烧,浸出剂用量低,浸出时间短,无环境污染和资源浪费等问题。