FRP锚杆在石膏岩隧道中的支护效果研究

当前穿越石膏层的隧道工程越来越多,因石膏岩具有遇水膨胀、腐蚀性等危害,传统钢锚杆支护效果不理想。FRP锚杆具有轻质高强、耐腐蚀、工艺性优良等特点,将其应用于石膏岩隧道中能够克服钢锚杆劣势。以某穿越石膏层公路隧道为依托,重点研究了FRP锚杆与传统锚杆在石膏岩隧道中的支护效果,从围岩变形、锚杆受力情况、塑性区分布、初期支护应力分布、岩体安全度等方面,对其支护效果进行对比。研究结果表明:在遇水膨胀的石膏岩中,FRP锚杆在控制围岩变形、改善塑性区分布、减少应力集中等方面优于传统锚杆,尤其是在长期运营条件下,耐腐蚀的FRP锚杆可代替传统钢锚杆作为新型支护材料应用于石膏层隧洞支护中。

高温盐溶液浸泡作用下石膏岩力学特性试验研究

为研究盐矿水溶开采或盐岩溶腔储库建造过程中,石膏岩夹层在温度与含Cl-盐溶液长时间共同作用下的力学特性,进行主要内容包括石膏岩在40℃,70℃半饱和、饱和盐溶液浸泡作用之后的单轴抗压强度、抗拉强度、抗剪强度试验,通过对比分析揭示石膏岩在这一特殊条件下的力学特性。主要结论如下:随温度升高、盐溶液浓度增大、浸泡时间的延长,石膏岩强度呈降低弱化趋势。浸泡60 d后石膏岩单轴抗压强度弱化系数为0.10～0.73;弹性模量随温度与浓度变化也呈线性规律降低,从40℃半饱和溶液中的5.92 GPa降至70℃饱和溶液中的0.21 GPa。相同条件下,抗拉强度也从在40℃环境下的0.64～0.66 MPa,降至70℃环境下的0.27～0.47 MPa。在70℃饱和盐溶液中浸泡60 d之后,石膏岩莫尔–库仑剪切强度拟合方程为τ=0.4+σtan38.9°,而相同条件下浸泡30,80 d之后的剪切强度拟合线性方程分别为τ=1.24+σtan41.3°,τ=0.65+σtan39.3°。随浸泡时间的延长,石膏岩的黏聚力与内摩擦角均呈降低趋势。为区分石膏岩在不同条件下的破坏方式及其差异,定义岩石变形破坏脆性指标——破坏刚度,将其近似为岩石单轴压缩应力–应变曲线峰后破坏段斜率。实测结果表明,在干燥、40℃半饱和到70℃饱和溶液几种条件下,石膏岩的破坏刚度分别为704.4,690.1,218.9,255.2,19.5 GPa。相应破坏方式也由脆性向脆延性、延性转变。本研究对深入揭示石膏岩水力学特性及指导层状盐岩矿床储库溶腔控制溶解建造具有重要理论意义与应用价值。

白云岩层中硬石膏岩对隧道结构危害机制研究

以杭兰公路宜巴段白云岩层中不规则发育的硬石膏岩为研究对象,采用X-衍射试验、离子色谱分析、环境扫描电镜及能谱分析等试验手段,定量研究硬石膏岩对隧道结构的危害。研究结果表明,硬石膏岩对隧道结构的危害主要表现在其水化膨胀作用、溶蚀产生的硫酸盐侵蚀及其溶出的酸性环境对白云岩溶蚀的加剧作用。在此基础上,结合区域工程地质条件,提出硬石膏岩及其与白云岩耦合溶蚀作用下的隧道混凝土防护结构劣化机制。给出以降低地下水水位及提高混凝土性能为主的类似工程治理建议。

压力水作用下硬石膏岩膨胀性研究

针对隧道工程中硬石膏围岩在压力水作用下的膨胀现象,设计加工了多功能膨胀仪。使用该仪器及MTS815岩石力学测试系统,对不同水压条件下硬石膏岩的轴向膨胀应变及侧向膨胀应力进行了测试,对压力水作用后硬石膏岩的含水状态及力学特性进行了测试。结果表明:水压越大,硬石膏岩的最大轴向膨胀应变及最大侧向膨胀应力越大,膨胀起始时间越短;随水压的增大,硬石膏岩的吸水率增大,结晶水率逐渐增大并趋于吸水率,而自由水率逐渐减小并趋于0;硬石膏岩的弹性模量和峰值强度随水压的增大而增大。这些说明水压能影响其含水状态,增强硬石膏岩的膨胀性,促进其膨胀的激活,提高其力学性能。基于试验结果,建立了压力水作用下的硬石膏岩吸水状态方程,并改进了湿度场理论体系中的膨胀本构模型。

天然与饱水状态下石膏岩蠕变试验研究

石膏岩的饱水软化蠕变特性是影响石膏矿采空区安全评价的重要因素。以荆门石膏矿岩为研究对象,开展天然与饱水状态下的单试样逐级增量加载试验,分析了饱水软化作用下石膏岩的蠕变特性,选取西原模型描述石膏岩的本构关系。分析结果可得,饱水试样总蠕变量大于天然试样;饱水试样蠕变破坏强度(11 MPa)是天然试样蠕变破坏强度(21.5 MPa)的0.54倍,长期强度(10 MPa)是天然试样长期强度(19.5 MPa)的0.49倍。利用西原模型对蠕变曲线进行拟合并分析拟合参数可知,饱水试样参数E_1是天然试样的0.1~0.5倍,η_1是天然试样的0.2~0.7倍,E_2是天然试样的2~10倍。以上结论均表明饱水试样的蠕变特性更加明显。分析讨论饱水软化作用对石膏岩蠕变特性影响机制可知,荆门石膏岩软化作用主要由物理软化作用及化学软化作用耦合而成,物理软化作用主要为静水作用下的孔压效应,化学软化作用主要为石膏岩的重结晶作用。试验分析结果可为石膏矿采空区安全评价提供依据,具有重要的工程实际意义。

石膏岩淡水浸泡软化试验研究

为了研究隧道施工过程中水对石膏岩的软化作用规律,以三叠系下统嘉陵江组地层中的石膏岩为研究对象,进行了不同时间的淡水浸泡软化试验研究,对石膏岩单轴抗压强度、抗剪强度、弹性模量以及泊松比随浸泡时间的变化规律进行分析。研究发现:随着浸泡时间的增长,石膏岩的单轴抗压强度、抗剪强度和弹性模量呈负指数下降趋势,而泊松比在一定条件下呈线性增加趋势;在损伤力学基础上,推导出了基于时间因素的石膏岩软化损伤演化方程,揭示了脆性系数与软化损伤变量之间的关系,建立了石膏岩在不同淡水浸泡时间下的软化深度模型,可用于判别穿越石膏层隧道开挖过程中围岩在地下水作用下的软化区域。

干湿循环作用下石膏岩劣化效应的试验研究

选取巴东十字垭隧道的石膏岩为研究对象,室内完成了0,1,3,6,12次干湿循环试验,测得了循环过程中吸水率、孔隙度和单轴压缩的试验数据。试验表明:石膏岩的吸水率和孔隙度与干湿循环次数呈对数函数形式,并随着干湿循环次数的增多而不断增大,但吸水率、孔隙度的增加量却逐渐减少;同样,石膏岩的单轴抗压强度和弹性模量随着干湿循环次数的增多而减小,并随着循环次数的增多,单轴抗压强度和弹性模量的减少量逐渐减少。通过分析对比石膏岩劣化参数变化率,得到干湿循环作用对石膏岩各个参数的劣化效果是不同的,其排序为:吸水率>弹性模量>单轴抗压强度>孔隙度。

多因素作用下石膏岩软化特性

为了研究隧道施工过程中石膏质围岩软化特性,以三叠系下统嘉陵江组地层中的石膏岩为研究对象,进行了多因素正交软化试验研究,分析了浸泡时间、溶液温度、24SO-浓度对石膏岩软化后力学参数的影响规律。研究结果表明:石膏岩的软化系数和弹性模量随着浸泡时间的增加而减小,减小速率也随之降低;软化系数和弹性模量随溶液温度的升高而呈线性减小;在影响石膏岩软化后力学参数3个因素中浸泡时间的影响最大,权值高达80%,温度次之,权重为16%左右,而24SO-浓度对石膏岩的软化影响非常微弱;建立了浸泡时间与溶液温度两个因素耦合作用下石膏岩软化后单轴抗压强度与弹性模量变化情况预测公式。在试验数据及结论的基础上从围岩坚硬程度划分、防排水措施及支护措施等方面提出了石膏围岩隧道的施工措施及建议。

塔里木盆地西南凹陷古新统巨厚海相石膏岩沉积特征及环境意义

塔里木盆地(简称塔,下同)西南凹陷古新世阿尔塔什组发育巨厚层海相石膏岩,夹薄层泥岩、粉砂岩及灰岩,是塔西南凹陷断续海侵环境下多期次蒸发沉积的产物。野外调查显示,该层海相石膏岩出现于皮拉里、阿尔塔什、麻扎塔格及大山口地区的阿尔塔什组露头剖面。石膏岩在凹陷内分布广泛,在西昆仑山前、南天山山前及麦盖提斜坡带均有发育且沉积厚度比较稳定。石膏岩中主要盐类矿物为石膏、硬石膏。扫描电镜分析发现,石膏岩中尚含石盐、钙芒硝及含钾镁的硫酸盐等;石膏岩样品中石盐、石膏、硬石膏等多呈细晶或自形微晶,推测阿尔塔什组沉积期,古盐湖曾出现过富钾卤水;通过对皮拉里剖面石膏岩样品进行地球化学分析,揭示该地区古新世古盐湖演化过程中出现2个相对富钾峰值。在古盐湖演化过程中,由于多期次特提斯海水的侵入,凹陷内部阿尔塔时期发育了碎屑岩—巨厚层石膏岩—碎屑岩的沉积韵律,古盐湖卤水表现为淡—咸—淡的变化规律。伴随着阿尔塔时期4次大规模的海侵,石膏岩沉积从西昆仑山前扩展到麦盖提斜坡地带,海侵范围也逐渐扩大。在阿尔塔什组顶部发育中厚层灰岩,显示在阿尔塔什组沉积晚期,塔西南凹陷沉积环境从●湖相逐渐向浅海相环境演变。

礼让隧道石膏岩段防排水措施分析

近年来,随着我国公路、铁路建设事业的发展,许多隧道工程面临穿越石膏岩层的问题。石膏岩是一类特殊的软岩,在地下水的作用下,表现出膨胀性和对混凝土结构的腐蚀性,会严重危害隧道工程的稳定性。因此,做好防排水工作,防止腐蚀性地下水与石膏围岩和衬砌结构的接触,是从源头上解决石膏岩隧道工程问题的方法。以礼让隧道石膏段为背景,分析了该段的水文地质条件,研究了该段的防排水设计,并提出了一系列具体的措施,能很好地指导现场施工。

山西临汾奥陶系石膏岩的成因及形成环境

山西临汾奥陶系石膏岩可分为原地沉淀型、异地沉积型、成岩交代型和脉状充填型四种。原地沉淀型石膏岩形成于浅水台地地势相对低洼的盐湖中;成岩交代型石膏岩形成在浅水台地地形相对隆起的部位,交代作用发生于大气淡水渗流带;异地沉积型石膏岩的形成环境介于低洼的盐湖和较高的隆起之间;脉状充填型石膏岩是充填在白云岩中的石膏脉,其形成与石膏-硬石膏相互转化时,脱水产生异常高压和吸水膨胀有关。

安徽向山铁硫矿区硬石膏岩热水沉积特征及成因意义

安徽向山地区铁、硫矿床中存在大片硬石膏岩 ,其Cu、Pb、Zn、As、Sb等元素含量都比较高 ,Sr元素含量在 0 .0 5 %～ 0 .6 0 %之间 ,且具有稀土总量低 ,铈、铕元素明显亏损等特征。据对其岩石学、岩石化学和硫同位素等特征综合研究表明 :矿床附近的硬石膏岩属热水成因 ,硫可能来源于下伏地层及深部。

石膏岩地区隧道病害成因分析及处治措施

我国幅员辽阔,隧道工程地质条件复杂多变,各地运营隧道的病害种类及其诱因也具有较大的差异。对于石膏岩地区的隧道工程而言,受人们认识程度所限,对隧道运营中的病害特征、病害成因和病害处治等方面的经验尚少。本文以某石膏岩隧道工程的病害为例,分析了石膏岩地区隧道病害特征、病害成因及其病害处治建议措施,供今后石膏岩地区隧道的病害处治工程借鉴。

基于扩容准则确定蠕变性硬石膏岩地层钻井液安全密度

为了解决深层蠕变性硬石膏岩地层钻井液密度难确定的问题,为套管类型选择及油气高效钻探提供依据。通过设计三轴实验对蠕变性硬石膏岩应力-应变曲线变化特征进行分析,对扩容点进行了定义。利用扩容准则描述了最大八面体剪应力分布特征。硬石膏岩三轴测试中扩容边界的八面体剪应力与平均应力间满足指数关系,钻进中若要地层维持稳定,最大八面体剪应力应位于扩容边界以内。利用扩容准则及Mogi-Coulomb准则确定了单井目的层钻井液安全密度,并与实际值进行对比,结果表明:基于扩容准则方法确定的钻井液安全密度与实际值极为相符,且纵向离散度小。由于常规Mogi-Coulomb准则方法所需待定参数较多,参数非确定性较强,因而最终确定的钻井液安全密度与实际值偏差较大。扩容准则方法可作为备选方案,对指导油气高效钻探具有重要参考价值。

石膏岩隧道衬砌支护设计方案优化研究

在地下工程建设过程中常会遭遇到大量不良地质区段,尤其是石膏岩等软弱膨胀性岩层,会对隧道衬砌产生极大危害。为此,迫切需要进行石膏岩隧道衬砌支护优化设计研究,建立相关评价方法。建立了围岩和支护稳定性评价办法及衬砌结构安全性评价办法,衬砌结构安全性通过钢筋混凝土结构的强度安全系数进行评价,围岩与支护稳定性通过强度折减法的系数评价。并基于某特长隧道石膏岩段工程案例,模拟原支护方案并采用该评价方法对衬砌支护进行优化。运用该评价方法可指导设计和施工的进行,使设计方案的稳定性、可靠性得到定量分析和较为准确的评价。

基于湿度应力场理论的硬石膏岩膨胀试验研究

传统的湿度应力场理论处理硬石膏围岩膨胀问题时,未反映膨胀特性与湿度状态之间的时变关系。以该理论为基础,设计硬石膏岩膨胀试验:不同初始湿度下的膨胀,不同浸水时间的膨胀,以及膨胀后的抗拉强度测试。试验发现:随初始湿度的增加,硬石膏岩膨胀持续的时间增长,最大膨胀应变和应力增大,终止时的吸水率和结晶水率增加,而自由水率近于0;相同初始湿度下,随浸水时间增加,其吸水率先快速后缓慢增加,结晶水率逐渐增大到接近于吸水率,自由水率逐渐减小到接近于0;随吸水率的增加,其最大轴向膨胀应变、最大侧向膨胀应力和抗拉强度都呈增大趋势。根据试验结果,建立了湿度状态时变系列方程以及含时间效应的膨胀本构模型。

酸腐蚀条件下石膏岩分数阶蠕变本构模型研究

为探究地下水对岩石的侵蚀损伤,通过开展酸腐蚀条件下的石膏岩单轴压缩蠕变试验和扫描电镜试验,研究了不同pH条件下石膏岩单轴压缩蠕变特性以及酸腐蚀前后试样的微观变化。结果表明:酸腐蚀加快了试样的蠕变速度,酸性越强,蠕变速率越快;试样主要以劈裂和剪切破坏形式为主,端部出现损伤破坏的现象,酸性越强,损伤破坏越明显。微观上,干燥试样结构完整;而酸腐蚀后的试样,随着酸性增强,孔隙增多、增大,结构疏松。为描述酸腐蚀条件下石膏岩蠕变过程,通过引入酸腐蚀劣化衰减系数β对变系数Abel黏壶进行改造,用改造后的变系数Abel黏壶元件代替西原体中黏塑性体部分的牛顿黏壶,建立了考虑酸腐蚀条件下的分数阶蠕变本构模型。通过试验数据与所建立的模型进行参数拟合,确定了模型中的参数,并对引入的参数β进行了敏感性分析。研究表明,所提出的模型能够很好地反映酸腐蚀条件下石膏岩的蠕变三个阶段,尤其是加速蠕变阶段。

石膏岩干湿循环细观模拟及损伤本构模型

为研究干湿循环作用下石膏岩劣化效应,并对其劣化损伤进行数学描述,采用颗粒流软件进行了细观力学模拟,并基于Weibull分布建立了统计损伤本构模型。研究表明:随着干湿循环次数的增加,试件裂纹数量不断增加,拉裂纹增加数量尤为显著;进行相同次数干湿循环时,随着围压不断增大,试件的拉裂纹数量逐渐减少,剪切裂纹数量不断增多。干湿循环作用对石膏岩细观强度参数影响效应大小不一,其强弱关系为:摩擦系数>抗拉强度>内摩擦角>节理模量>黏聚力。模型模拟值和试验值较为吻合,表明该模型能表征岩石破裂过程中的应力应变关系。

西宁石膏岩对水工建筑物危害的探讨

西宁石膏岩赋存于第三系中新统西宁组中段，分布于南、北两山的前山带。为了确保水工建筑物的安全和效益，在水工建筑物及其基础分布处，必须隔离石膏岩体与水体，尽量不让两者直接接触，防止石膏岩被溶蚀及由此产生渗漏而造成溃坝事故。（１）西宁石膏岩的溶蚀性石膏岩体...

金顶铅锌矿区硬石膏岩的特征

金顶铅锌矿中,硬石膏岩与铅锌矿共生,而且可以独立构成大型矿床,硬石膏主要分布在下含矿带灰岩角砾岩型铅锌矿中。前人对本区硬石膏岩的特征描述了较少,对于已受改造后的硬石膏进行正确鉴定,有助于恢复其形成环境和铅矿的成因分析。