瀑布沟工程定级配砾石上抗渗性能改善试验研究

本课题结合瀑布沟工程的防渗土料选择，对在坝址附近工程性质欠佳的土料，采用简单的剔除法，以提高其细粒含量；用掺合法，在粒粒含量较高的宽级配土料中按一定比例掺入细粒含量多的土料，达到改善其抗渗性能的目的。本试验研究成果已应用于瀑布沟工程土石坝防渗土料选择及初设文件中。具有较为明显的工程实际意义和社会效益。

橡胶砾石级配对筋土界面循环剪切特性的影响

橡胶砾石作为基础填料,具有低剪切刚度、高阻尼比的特性。为了研究土工格栅-橡胶砾石的循环剪切特性,利用室内动态直剪仪进行了一系列直剪试验,分析了4种橡胶砾石颗粒级配(级配不良GR1、GR4,级配良好GR2、GR3)、3种橡胶配比(10%、30%、60%)、3种竖向应力(30、60、90 kPa)下土工格栅-橡胶砾石界面的剪应力-剪切位移关系和体变特性。试验结果表明:在循环剪切过程中,各橡胶砾石级配均表现出剪切硬化的特点,但其抗剪强度与纯砾石相比均出现不同程度的降低;橡胶砾石抗剪强度随着竖向应力的增加而增大,4种级配土中GR2表现出最高的抗剪强度,但相较于纯砾石其抗剪强度约下降9%;界面最大竖向位移与竖向应力和橡胶含量成正相关,2种连续级配土GR2和GR3的界面竖向位移较小;在同一颗粒级配下,剪切频率和剪切位移幅值越大,混合土界面峰值剪应力越大;筋土界面剪切刚度随着循环次数的增加而增大,随着橡胶含量的增大而减小,而阻尼比与剪切刚度呈相反的规律。

库车山前巨厚砾石层震动控制方法的研究

库车山前巨厚砾石层软硬交错,钻进过程中钻具震动强烈,“蹩跳钻”现象严重,对钻头、地面设备等损伤严重,制约了山前主力油气区块的提速提效。为有效降低井下震动,保护井下工具、提高钻头使用寿命,文章设计了一款具有较好抗冲击、抗涡动和稳定性的PDC钻头;针对正在使用的碟簧减震器、防粘滑工具等减震工具存在的不足,研制出了震动解耦工具DDS,结合工作经验,提出了带震动解耦工具DDS的钻具组合。现场试验表明,新配置的钻具组合在井下工作时钻头处测得的震动均值平均降幅达到30.2%,震动峰值平均降幅17.4%,新研制的钻头减小了对钻头和复合片的冲击,延长了钻头的使用寿命,满足了快速钻进需求,为国内砾石层钻进过程中的震动控制提供了重要参考。

砾石覆盖下的农田土壤环境效应:研究进展与展望

砾石覆盖是旱区特有的一种保护性耕作模式。长期的农业生产实践已经证明,地表覆砂能够很好地适应旱区严酷、恶劣的自然环境,并为当地农业发展和效益提升带来极大助力。然而,砾石覆盖农田退化所带来的一系列负面效应愈加凸显,成为当地农业发展的障碍因子。文章以砾石覆盖的土壤环境效应为脉络,归纳总结了砾石覆盖对土壤水热环境、土壤盐分、土壤有机质、土壤微生物和酶活性,以及水土保持等方面的影响效应和相关机制。同时,进一步指明旱区砂田当前所面临的问题与挑战,并提出该领域未来可持续深化和拓展的方向,主要包括:(1)砾石覆盖农田退化过程中土壤环境的综合演变机制;(2)“砾石-土壤-作物”系统间的协同作用机制;(3)应对砂田退化的农业修复模式及可持续发展路径;(4)砾石覆盖对局部区域气候的影响机制。

川西龙门山前陆盆地南段前缘砾石层成因及青衣江演化过程:基于宇宙成因核素^(26)Al/^(10)Be埋藏年龄

四川西部(川西)龙门山前陆盆地自中新世以来发生强烈隆升,形成了陡峻的地形梯度带。在紧邻龙门山断裂带的四川盆地堆积一系列砾石层,其中包括名邛(名山—邛崃)砾石层、丹思(丹棱—思蒙)砾石层。名邛砾石层、丹思砾石层为古青衣江堆积砾石层,是古青衣江改道的产物,也是探究青衣江演化及该地区古环境变化的良好对象。基于龙门山前缘地区野外调查和名邛砾石层、丹思砾石层的宇宙成因核素^(26)Al/^(10)Be定年测试,发现名邛砾石层埋藏年龄为(0.6089±0.0187)Ma,丹思砾石层埋藏年龄为(0.2180±0.0941)Ma,由此推断名邛砾石层形成时间为早更新世晚期—中更新世早期(Q_(1)^(3)—Q_(2)^(1)),丹思砾石层形成时间为中更新世中期(Q_(2)^(2))。结合前人研究结果分析,两套砾石层分别对应于深海冰心δ^(18)O曲线和中国黄土序列曲线,都形成于温暖的间冰期。结合前人对该地区的砾石成分、砾径、砾向统计分析和古流向分布等研究,认为青衣江水系经历三次主要的改道事件,早期的青衣江由雅安往北北东方向流向建山,随着熊坡背斜的隆起和名邛台地的持续抬升,由南西-北东流向的青衣江被迫在草坝东南方向切断熊坡背斜从而改道南东方向。

连续降雨条件下工程堆积体产流产沙对砾石含量的响应

[目的]探究连续降雨条件下不同砾石含量对陕北沙壤土上方有来水工程堆积体坡面产流产沙的影响,为生产建设项目水土流失治理提供数据支撑和理论参考。[方法]通过室内模拟降雨试验,研究不同砾石含量(0,10%,20%,30%,40%)工程堆积体坡面土壤水动力学特性及产流产沙特征。[结果]①降雨强度相同,随砾石含量增加,工程堆积体坡面初始产流时间表现为递减趋势,减幅为27.22%~64.62%,35.09%~71.70%,47.37%~78.77%,51.75%~82.31%。次降雨径流率表现为“迅速增加—稳定波动”的变化趋势,平均径流率随砾石含量、降雨时间的增加显著增大;但产流峰值随砾石含量增加而降低,且出现时间逐渐提前。②试验各场次雷诺数的变化范围介于74.13~165.05,均小于500,水流属于层流;弗劳德数的变化范围集中在2.14~3.71,表现为急流。水流剪切力、水流功率和单位水流功率随降雨场次的增加而显著增加。③0%~40%砾石含量工程堆积体坡面侵蚀速率介于0.45~6.73,0.13~4.09,0.25~1.26,0.14~0.96,0.13~0.88 g/(m^(2)·min),各砾石含量堆积体减沙幅度分别为36.06%,49.05%,55.23%和56.62%,其中砾石高覆盖度(40%)的沙壤土工程堆积体坡面土壤侵蚀强度较小。[结论]砾石覆盖在沙壤土工程堆积体坡面的水土流失过程中可显著降低土壤侵蚀速率,从而实现拦蓄水土,保持较高的减沙效益。

砾石级配参数对砾岩力学性质和裂缝扩展规律的影响

砾岩储层结构特征差异显著,其中砾石的存在不仅导致砾岩的强非均质性,也对砾岩的力学性质和裂缝发育产生重要影响。目前,针对砾石不同粒径的组成对砾岩力学性质和裂缝发育的影响规律尚不清楚。本文引用土力学中级配的概念来表征砾石不同粒径的组成,并将曲率系数Cc和不均匀系数Cu作为级配参数对级配特征进行量化,建立了基于颗粒流PFC2D数值模拟软件的砾岩数值模型,根据应力—应变曲线、抗压强度、弹性模量和裂缝的发育状况,分析了砾石级配参数对砾岩力学性质和裂缝扩展规律的影响。结果表明:砾岩的抗压强度主要受不均匀系数Cu和砾石平均粒径的影响,抗压强度与Cu呈负相关关系。砾岩的弹性模量与砾石平均粒径相关。裂缝数目受曲率系数Cc和砾石平均粒径的影响,其中裂缝数目与Cc呈负相关关系。裂缝数目与裂缝的复杂程度呈正相关关系。研究结果为探究砾岩储层力学性质和裂缝扩展规律提供了新思路。

大北1202井巨厚砾石层钻井提速技术探讨

针对山前构造盐上巨厚砾石层地层可钻性差、地层倾角大和稳定性差,造成单趟进尺少、井身质量控制难度大、钻头损坏严重和事故复杂时率高等技术难题,开展盐上巨厚砾石层钻井提速技术研究,通过建立地层可钻性分级模型、优选钻具组合和强化钻井参数等技术措施,确保大北1202井上部巨厚砾石层安全快速钻进,有效控制井身质量,砾石层段钻速创区块最优指标,为后期该区块砾石层钻井提速提供了借鉴。

宜昌—武汉长江沿岸典型砾石层对比分析

长江中游沿岸地区广泛分布的一套巨厚砾石层,是研究长江水系演化的有效素材。目前的研究多聚焦局部地区砾石层的年代学和沉积学分析,针对不同地区之间砾石层的对比分析较少。为此,文章选取宜昌市和武汉市共计11个砾石层剖面作为研究对象,对其中1616颗砾石进行形态及岩性的测量与统计,同时采集砂质透镜体粉砂样品进行地球化学元素分析,进而结合区域地质背景探讨沉积物物源。结果表明,宜昌和武汉两地砾石层中砾石的优势倾向不同;宜昌砾石层中含有花岗岩、砂岩、砾岩和部分硅质岩,武汉地区砾石岩性单一,主要为石英岩和少量燧石;而在细颗粒物质元素组成方面,宜昌地区砂质透镜体相对富集Ca和Sr,而武汉地区相对富集Fe和Al。两个研究区砾石层中砾石岩性、形态和微观粉砂元素组成对比分析均表明,武汉和宜昌两地砾石层的物源存在明显差异,宜昌地区砾石层中包含长江上游输入物源,而武汉地区砾石层则主要来自北部大别山。该研究结果为深入了解长江中游沿岸砾石层物源提供新证据。

西南喀斯特区砾石对石灰土土壤孔隙及水分入渗的影响

[目的]砾石是影响土壤孔隙和水分入渗的重要因素,明确砾石通过改变哪些土壤孔隙特征进而影响水分入渗具有重要意义。[方法]以西南喀斯特地区砾石含量高的石灰土为研究对象,采用CT扫描和室内一维土柱入渗试验,对比分析2种砾石粒径(2.0~5.0,5.0~12.5 mm)和5种砾石含量(0,10%,20%,30%,40%)条件下的土壤孔隙特征及水分入渗特性,并使用结构方程模型探究土壤孔隙特征与入渗特性之间的耦合关系。[结果](1)含砾石土壤的大孔隙度、孔隙连通率、孔隙形状因子、孔隙表面积和孔隙体积均高于无砾石土壤;且当砾石含量为20%和30%时,孔隙连通率与孔隙形状因子和无砾石土壤之间存在显著性差异(p<0.05);(2)砾石改善土壤入渗性能,粒径为2.0~5.0 mm时,砾石含量从10%到40%的稳定入渗率分别是无砾石土壤的4.02,5.00,2.88,5.14倍,累积入渗量分别是1.67,1.76,2.49,2.39倍;粒径为5.0~12.5 mm时,土壤稳定入渗率分别是无砾石的2.20,2.67,4.78,2.78倍,累积入渗量分别是1.42,1.75,2.46,2.02倍。(3)在结构方程模型中砾石含量与孔隙连通率、孔隙等效直径呈正相关关系,孔隙连通率对稳定入渗率的影响最大,孔隙等效直径对累积入渗量的影响最大。[结论]砾石含量主要通过增加土壤孔隙连通率和孔隙等效直径促进水分入渗,研究结果可为深入认识西南喀斯特地区含砾石土壤的水文过程提供科学依据与理论参考。

科里奥利力对河流两岸砂、砾石储量差异特征的影响——以杭埠河舒城县段为例

通过对杭埠河舒城县段两岸的浅钻勘探,估算出北岸砂的体积储量是南岸的2.67倍;北岸砾石的体积储量是南岸的84.34%,略低于南岸。北半球自西向东的河流受科里奥利力的影响,水流在南岸的水动力比北岸更大,冲刷力度强于北岸,因此南岸沉积了较多大颗粒的砾石,而北岸较南岸易于形成细颗粒砂及粘土的堆积。杭埠河两岸的砂及砾石的储量数据很好地验证了科里奥利力对河流沉积物的影响。

护盾式TBM隧道管片壁后豆砾石分布规律

作为管片与围岩间的连接层,TBM隧道中的豆砾石对管片受力具有重要意义。受施工技术、地质条件等影响,豆砾石填充不密实、分布不均匀的现象时常发生,导致管片出现错台、开裂、渗漏水等灾害,故探明豆砾石分布特征是分析管片受力的基础。对此,依托青岛地铁TBM隧道项目,采用地质雷达对管片壁后豆砾石分布特征进行现场测试,并进行单环管片豆砾石吹填数值模拟,分析了隧道直行段、转弯段豆砾石在管片壁后的迁移过程,讨论了地质条件、吹填压力、塌方等因素对吹填质量的影响规律。结果表明:在TBM隧道施工中,拱顶、隧底及转弯段外侧下部为豆砾石空洞多发部位,拱顶与隧底空洞长度大于1m,主要表现为层间脱空,转弯段外侧下部豆砾石空洞规模较小且不密实;地质条件越差,豆砾石出现空洞的概率及规模越大,强风化地层表现最为明显;塌方通过阻碍豆砾石迁移路径、增加碰撞耗能影响豆砾石吹填质量,但影响范围仅在塌方处;提升豆砾石吹填压力可以改善拱顶和隧底豆砾石填充状态,地质条件越好,改善程度越明显,强风化地层豆砾石吹填质量改善不明显;管片壁后豆砾石空洞按照形成原因分为3类:碰撞耗能、塌方掉块和转弯段间隙变小,并给出了3类空洞的多发部位、特征及施工控制建议。

基于文献计量的土壤环境对砾石响应研究进展

砾石广泛分布于土壤内部和表面,显著影响着土壤特性和生态系统功能。为系统了解土壤环境对砾石响应相关领域研究进展,探究其研究热点与未来发展趋势,基于Web of Science核心数据库(WoS)和中国知网数据库(CNKI),借助Citespace和VOSviewer可视化软件,从发文数量、发文作者、发文国家、发文机构、刊载期刊、关键词共现及其演变进程等方面对2000-2022年国内外土壤环境对砾石响应相关领域研究进行定量综述和可视化分析。结果表明:国内外在该领域发表文献数量呈快速增长态势,且中文文献发文量高于英文文献;中国、美国、比利时、英国是英文文献发文量排名前四的国家,中国学者发表论文数量最多,占英文文献总量的47.34%,是土壤环境对砾石响应研究领域的主力军;国内外对该领域的研究主要聚焦在砾石单一特征(砾石覆盖度、砾石尺寸、砾石位置等)对水文过程、生态演替及环境效益等影响。因此,未来应继续加强土壤水文过程对砾石响应机制、营养元素在砾石-土壤-植物之间的迁移机制以及“砾石-微生物-植物”系统内部互作效应等方面的研究。可为全球具有相似土壤情况的生态系统服务和农业生产提供新思路、新方法,从而实现节水、高效、高产的农业生产目标,为水土保持等生态服务提供理论依据。

基于离散元方法的卵砾石地层条件下水泥土搅拌桩机钻头结构参数研究

卵砾石地层可压缩性低、抗剪强度大,水泥土搅拌桩工法在应用于卵砾石地层时存钻进困难、钻具磨损大等问题。为确定卵砾石地层条件下钻头形式的最优布置,基于离散元法(DEM),对不同切削叶片数量、切削叶片角度、截齿布置形式、钻头中心底部布置形式、机械压力工况下,搅拌桩机钻头钻进卵砾石地层的物理过程进行三维动态仿真模拟,并分析研究了不同钻头布置形式对钻进效果的影响。计算结果表明:钻头切削叶片数量的增加会提高钻进阻转矩,但是会增强钻头的定心能力。设置截齿的钻头钻进阻力矩并无明显提高,但钻进速度有一定程度的提高。钻头切削叶片角度的提高会增加钻进阻力矩,但过低或者过高的切削叶片角度均会降低钻进速度。适当提高钻进压力可提高钻进速度,但须考虑动力装置的功率及扭矩输出能力。三切削叶片、高切削叶片角度、设置三截齿的高效率钻头在应用于北京市某项目卵砾石地层时效果良好,文章提出的方法可以为其他工程的施工机械选型提供参照依据。

酶诱导碳酸钙沉淀技术加固TBM壁后吹填豆砾石最优配比试验及机制研究

TBM(tunnel boring machine,简称TBM)隧道中豆砾石作为管片与围岩填充层对管片承载及抗渗具有重要意义,水泥浆液流动性差,无法充满回填层进而导致壁后空洞、灌浆不密实等缺陷,酶诱导碳酸钙沉淀(enzyme-induced calcium carbonate precipitation,简称EICP)技术是作为一种环保高效的加固方法,灌浆材料均为液体具有很好的流动性和扩散性,用于豆砾石回填层灌浆施工有望解决上述问题。为实现吹填豆粒石EICP灌浆最优效果,尝试将标准砂与豆砾石共同作为回填骨料,为定量化分析二者的最优配合比,开展了不同豆砾石与砂的配合比(0.5、0.75、1.0、1.25、1.5)和不同灌浆次数(9、12、15次)的砂柱固化试验。通过无侧限抗压测试、渗透性测试、碳酸钙含量测定、超声波速测定、扫描电镜(scanning electron microscope,简称SEM)试验,从宏观和微观角度分析不同石砂配合比对EICP固化效果的影响。结果表明:EICP加固豆砾石混合砂的最优配比为1:1.5,经15次灌浆加固后,试样单轴抗压强度最高可达4.55 MPa,渗透系数达1.72×10^(-5)m/s;对于含砂量较高的试样,颗粒间孔隙易被碳酸钙晶体填充密实,碳酸钙晶体有效胶结比例较高,结石体无侧限抗压强度较高。研究成果可为EICP技术加固隧道掘进机壁后吹填豆粒石的工程应用提供理论依据。

TBM豆砾石回填灌浆层性能与密实度对支护效果的影响

双护盾TBM采用预制管片、回填豆砾石和灌浆的方式进行支护施工,豆砾石回填灌浆层的性能和密实度是影响TBM隧洞工作性能的重要指标。以西北某双护盾TBM施工的引水隧洞为工程依托,基于室内试验研究了不同部位豆砾石回填灌浆层的力学性能,并通过数值模拟分析了豆砾石回填灌浆层性能与密实度对支护效果的影响。结果表明:受灌浆密实度不均匀的影响,豆砾石灌浆体的弹性模量和单轴抗压强度存在较大差异;在衬砌与豆砾石不存在脱空状态的条件下,豆砾石回填灌浆层参数取值不同对衬砌受力分布规律影响不大,但衬砌各个部位的应力有所变化;衬砌与豆砾石脱空部位受力状态与不脱空时存在显著差异,在脱空部位管片出现了较为明显的受力情况,部分区域应力超过衬砌混凝土的抗拉强度设计值,衬砌混凝土可能出现裂缝。在隧洞施工中应重点关注衬砌与豆砾石之间结合是否紧密,加强豆砾石回填、灌浆的质量监督。

强嵌挤ATB-30沥青稳定砾石级配设计及路用性能研究

为研究西北干旱荒漠地区破碎砾石制备ATB-30混合料的可行性及其路用性能,首先,采用逐级填充法和变I法,分别以最小空隙率和最优力学性能为判断标准设计粗集料级配和细集料级配;其次,研究不同砂浆用量(m_(砂)、1.03m_(砂)和1.06m_(砂))下各0~4.75 mm集料与4.75~9.5 mm集料质量比(2∶1、3∶1和4∶1)对ATB-30沥青稳定砾石力学强度的影响规律,提出ATB-30沥青稳定砾石的强嵌挤骨架密实级配;最后,对其进行高温车辙试验、低温弯曲试验、冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验,并与规范级配中值进行对比,评价其路用性能的提升效果。结果表明:I=0.75时的细集料级配最佳,19~37.5 mm集料和9.5~19 mm集料质量比为7∶3时的粗集料级配最佳;在砂浆用量为1.03 m_(砂)下,0~4.75 mm集料和4.75~9.5 mm集料质量比为3∶1时的力学指标最优,此时粗细集料比例约为7∶3,与规范级配中值相比,提出的强嵌挤骨架密实级配ATB-30沥青稳定砾石的高温车辙性能、低温抗裂性能和水稳性能可分别提高约21%、9%和3%。

湿陷性黄土–砾石集料流态固化土工程特性试验研究

针对传统回填方法与回填材料存在的缺陷,结合湿陷性黄土地区特点,提出了一种基于湿陷性黄土–砾石集料的预拌流态固化土。通过开展流动性试验与无侧限抗压强度试验,对比分析了不同土石比、水固比和胶集比对该预拌流态固化土工作性和力学性能的影响;同时借助渗透性试验与黄土湿陷试验讨论了所提出材料固化后遇水的性能变化情况。主要得出以下结论:(1)胶凝材料用量固定时,拌合物为满足流动性要求所需用水量随着湿陷性黄土用量的增加而增大,但试样强度整体呈下降趋势;(2)胶凝材料用量的增大提高了试样强度,但降低了拌合物的流动性,且对土石比较大和水固比相对较低的配合比的流动性影响显著;(3)满足流动性和强度要求的湿陷性黄土–砾石集料预拌流态固化土,其抗渗性和湿陷性也均满足相关规范要求;(4)调整水固比满足基本流动性要求后,土石质量比取1.50~1.86,胶集质量比不小于0.06的湿陷性黄土–砾石集料流态固化土具有良好的工作性能和力学性能。

生态砾石床+碎石湿地在城市劣五类水体治理中的应用

为解决北方寒冷地区城市劣Ⅴ类河道的问题,采用“生态砾石床+碎石湿地系统”的组合工艺,将来水引入湿地进行净化。结果表明:该工艺对北方城市劣V类水体处理效果明显,系统具有较强的耐冲击能力,可降低冬季气温对湿地运行的影响。原水COD≤80 mg/L、NH_(3)-N≤3.0 mg/L、TP≤0.6mg/L时,该工艺系统对COD、NH_(3)-N、TP的平均去除率分别可达59.54%、60.62%和33.42%,出水主要指标满足《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅴ类水体限值。运行后每年削减COD排放量为1204.50 t,NH3-N排放量为40.15 t,TP排放量为8.03吨,明显改善了河道的生态环境。

皖南厚砾石层覆盖区页岩气地震勘探方法应用与效果

皖南地区地形多为山间盆地与河谷平原,中浅层多为山前冲积物,沉积较厚的卵砾石层。卵砾石地层区地震勘探成井难度大,地震勘探激发、接收效果差,向来被视为地震勘探的“禁区”。针对此类地形存在的问题,采用多种措施,保证了成孔深度及采集质量,合理选择有利的激发参数,加强资料采集、处理监控措施,取得了良好的地震勘探效果。