膨胀性泥岩铁路隧道变形机理与仰拱底鼓控制技术研究

为揭示膨胀性泥岩铁路隧道仰拱底鼓变形机理并提出对应控制措施,以西(宁)至成(都)铁路膨胀性泥岩隧道为背景,采用室内试验、数值模拟、案例调研等方法开展研究。结果发现:膨胀性泥岩在浸水后物理力学参数明显降低,随着浸水时间增加,降低速率逐渐减小,其膨胀系数为4.8%;FLAC3D中的应变软化模型通过湿度应力场与温度应力场的转化能较好模拟膨胀性泥岩浸水后的参数衰减效应,当初始含水率分别为5%、15%、25%时,膨胀力试验结果分别为37.84,123.90,189.06kPa;随着水位上升,隧周孔隙水压力逐渐增大,当地下水位分别为Z=-5 m、Z=0 m、Z=5 m、Z=10 m、Z=15 m、Z=30 m时,隧周最大孔隙水压力分别为0,100,125,200,250,350 kPa,仰拱底部随软化系数的增加由沉降逐渐变为隆起,隧底围岩软化及上部挤压造成的剪切破坏是仰拱底鼓的最大诱因;随着仰拱矢跨比增加,二次衬砌弯矩减小,拱底和墙脚位置二次衬砌弯矩减小值较大,因此仰拱底部受力得到优化;适当提高仰拱矢跨比,采用全环钢架+钢筋混凝土衬砌、加强基底排水、采用基底换填或管桩加固等措施是膨胀性泥岩铁路隧道设计关键。

掺钢渣沥青混合料体积膨胀性研究

钢渣作为中国存量较大的工业固体废弃物,目前对其利用率仅为30%,限制钢渣大规模资源化利用的主要原因在于钢渣所含的非稳定性物质在富水条件下易发生水化反应,造成钢渣体积膨胀。通过采用直线位移传感器(linear variable displacement transducer, LVDT)测试法对掺钢渣沥青混合料小梁试件膨胀率进行测定,探究钢渣掺配比例、混合料油石比以及掺入钢渣粒径对混合料膨胀率大小的影响。结果表明:混合料中钢渣掺入不超过50%,混合料实际油石比在最佳油石比基础上提高1.5%,且使用大粒径钢渣,能更有效控制混合料膨胀率。此外,钢渣中的活性物质不断进行水化反应,将导致局部膨胀和集料剥落等损害发生。

膨胀性软破岩层深竖井施工分级支护研究

境外某铜金矿千米深竖井在通过膨胀性软破岩层(泥灰岩)时,围岩遇水膨胀压力极大,先后出现两次井壁垮塌和开裂的情况,对施工进度及施工人员安全产生极大影响。为解决该问题,查找相关文献资料及国内外类似施工案例,对通过膨胀性软破岩层的井壁破裂机理进行分析,针对性地制定井壁破裂修复方案;在此基础上,进一步调查施工地点的工程地质和水文地质情况,通过分析与总结,提出深竖井不良岩层的施工及分级支护方案,对其所穿过的膨胀性软破岩层的围岩制定分级表,根据不同岩体等级分别提出相应的施工及具体支护方案。通过对两次破裂处井壁的修复,较长时间内未出现裂缝及漏水现象,修复效果良好,达到预期;此外,竖井井筒后续施工中在采用分级支护方案后,井筒顺利通过厚度超过500 m的不良岩层,且在工期、质量、安全三个方面都取得良好效果,保障该深竖井工程的施工质量与施工安全。该工程为膨胀性软破岩层中的深竖井掘进施工积累了宝贵经验,对类似工程具有一定的借鉴意义。

膨胀性软岩隧道致灾机制研究与应用

隧道建设的规模和数量迅速发展,相关理论研究却相对不足,随着隧道越来越多地穿越诸如软弱围岩、溶洞等复杂、恶劣地质区域,对施工技术和理论研究的要求也更高,如何做到规避灾害,安全施工是大家一直关注的问题。以重庆市某公路隧道为依托,对穿越膨胀性软岩段隧道,提出不良地质构造与围岩条件、水的因素、不规则地应力以及工程因素等导致隧道灾害的因素,不同因素相互关联、相互影响,根据分析结果采取相应的防治方案来规避灾害。利用Poyting-Thomoson模型计算隧道围岩变形,与现场监控量测数据相结合,对隧道膨胀性软岩段的围岩变形做出预测,得出最佳二次衬砌支护时间。同时从初支二衬间的应力角度对膨胀性软岩进行了持续监测,表明了膨胀性软岩隧道段防治方案达到了预期目标。从致灾机制来分析隧道建设,可以更好地为工程决策服务。

弱膨胀性黏土膨胀力取值试验研究

依托西南地区某一膨胀土基坑边坡工程,采用单土样持续/断续吸水条件下膨胀土含水率-膨胀参数全过程曲线试验模拟不同降雨工况下的膨胀力测试。连续/断续吸水试验表明:土体膨胀力随其含水率的增加先增后减,而后逐渐趋于稳定。通过膨胀力以及膨胀率试验结果分析,拟合提出了膨胀力的简明计算公式:P=αw。

小断面膨胀性软岩隧洞一次支护及二次衬砌承载能力分析

我国在引调水及灌区工程建设过程中,各类软弱围岩隧洞已屡见不鲜。因膨胀性软弱围岩工程性质的特殊性,隧洞施工中经常面对支护结构破坏甚至失稳、大变形等难题。软弱性围岩隧洞以整体变形破坏为主,建立了一次支护数值模型,拟定了不同围岩支护时机及支护措施,通过模拟计算,隧洞围岩收敛变形在规范允许范围内,一次支护措施承载能力满足施工期安全要求,为施工期各类围岩支护时机及支护措施提供了理论依据。建立二次衬砌数值模型,考虑隧洞运行期内水外渗引起的围岩吸水膨胀,剖析不同工况下二次衬砌的力学响应特征,结果表明二次衬砌底板是受力最不利位置,可通过提高底板的厚度或配筋量,提高衬砌整体承载力。本研究可为膨胀性软岩隧洞支护衬砌结构设计提供理论指导,为同类工程设计及施工提供参考。

桂东南泥盆系莲花山组泥岩膨胀性研究

泥岩的膨胀性对边坡稳定性及其他岩土工程有重要影响。桂东南中部岑溪市区一带发育泥盆系莲花山组泥岩,主要呈小范围分布于剥蚀-溶蚀垄丘谷地地貌区低丘地带。为查明该区泥岩是否具膨胀性,对出露于山坡地带的泥岩开展了常规调查、钻探、野外试验、室内土工试验、X射线衍射等研究,厘定了泥岩的宏观特征和物理力学性质;采用宏观初判—物理力学指标定量初判—高斯过程定量详判的综合评价方法对泥岩膨胀性进行研究,选取的物理力学指标为效蒙脱石含量、<2μm的胶粒成分含量、液限、塑限指数和胀缩总率,并给出了泥岩膨胀性定量判别标准。研究区泥岩的这5个指标值分别为22%~33%、20%~33%、46.8%~78.0%、24.1~42.9、1.3%~5.2%,经综合判断,该泥岩具中等—强膨胀性。

南宁地区红层泥岩膨胀性对工程的影响分析

通过分析南宁地区红层泥岩在干湿交替环境下表现出的膨胀性,对比分析风化前后泥岩层膨胀性变化,依托南宁轨道交通工程,选取古近系、白垩系等不同时代的弱风化红层泥岩、风化层作为研究对象,对南宁地区红层泥岩及风化物膨胀性对基坑、边坡、道路工程的稳定性和安全性影响进行研究。

老挝东泰矿区膨胀性红黏土工程地质特征及评价

膨胀性红黏土是一种不良的地基土,是工程建设的难题。文中以老挝东泰矿区改扩建项目为例,通过详细的岩土工程勘察工作,查明研究区内膨胀性红黏土具有孔隙比大、高液限、高塑限的特征,物理力学性质较差,属弱膨胀土,地基胀缩等级为Ⅱ级。基于其工程地质特征,提出研究区膨胀性红黏土作为浅基础直接持力层时,可采用换土、砂石垫层、土性改良等地基处理措施;基坑工程及边坡工程应采取防排水措施与坡面封闭措施;膨胀性红黏土应对其进行土性改良后,再作为工程填料使用。

隧道底部膨胀性泥岩引起的路面病害检测与处治

为明确膨胀性泥岩这种不良地质条件下隧道路面及仰拱结构病害的有效处治思路,以某隧道工程为例,综合应用各类试验仪器对病害部位展开检测及钻芯取样试验,在全面得出病害主要类型、发生部位、严重程度的基础上,提出针对性的处治方案,并对处治效果展开模拟评价。结果表明,膨胀性泥岩工程性能复杂,对此类不良地层的检测和评价无法凭借单一思路和技术展开,必须结合工程实际采取综合性检测技术,为养护处治提供可靠依据。

膨胀性火山灰泥岩隧道大变形控制关键技术

膨胀性火山灰泥岩隧道逆层施工时围岩变形严重,以印尼雅万高铁6号隧道2号斜井为例,介绍膨胀性火山灰泥岩隧道大变形控制关键技术,旨在为类似隧道工程施工提供参考,以进一步提高项目建设的质量和安全。

高速铁路路基微膨胀性填料改良

高速铁路建设取得了长足的发展,但也面临路基微膨胀导致的上拱变形等一些技术问题亟待解决。部分高铁线路由于采用的填料中含有微膨胀性组分(如蒙脱石、高岭石等),这些组分在湿润环境下会发生微量但持续的胀缩变形,长期累积后会严重影响路基的整体稳定性。如何改良这类微膨胀性填料,提高其力学性能和长期稳定性,是保障高铁安全运营的重要课题。

不同干密度下方解石含量对红层泥岩膨胀性能的影响

基于国外研究水中钠离子与钙离子的浓度对岩体膨胀性有一定影响,参考其思路研究方解石含量在红层泥岩膨胀性中造成的影响,设计了控制方解石含量的重塑土样品进行无荷膨胀率试验,并设计了对比试验,结果表明方解石含量对于重塑样的膨胀性具有明显的抑制性,同时还发现干密度的变化也对这种抑制性存在影响。

公路膨胀性泥岩隧道施工技术研究

膨胀岩在高速公路隧道建设中构成了显著的技术挑战,特别是随着我国交通随着工程规模的不断扩大、密度的增大,膨胀性泥岩隧道的建设越来越多。针对这一现状,为了保证工程的安全性,防止出现质量问题,应结合工程实际,对施工方案进行适当的选取与制订。文章对膨胀性泥岩的特点、施工应遵循的原则及具体的施工工艺进行了较为详尽的论述,并结合一条高速公路膨胀性泥岩隧道的施工工艺进行了较为详尽的分析,以期对同类工程的施工起到一定的借鉴作用。

膨胀性岩土条件下盾构隧道开挖面稳定性研究

膨胀性岩土遇水体积会增大,进而对周围的地质结构产生应力。为了探究此类岩土条件对盾构隧道开挖面稳定性的影响,结合某地铁项目的工况参数,利用ABAQUS软件建立隧道模型、设置初始条件,引入自由膨胀率、无载荷膨胀率、有载荷膨胀率等工程特性指标,对膨胀岩土作用下的隧道开挖面进行数值模拟。在0~1.0的内梯度设置支护应力比,观察开挖面中心点水平位移量和地表沉降量,进而确定最小支护应力比。研究结果显示:该地铁隧道的最小支护应力比为0.5。

理想膨胀性非饱和土UH模型

膨胀性非饱和土具有吸水膨胀和浸水强度降低的特点,容易引发地基不均匀沉降导致建筑物开裂破坏。构建了与土体干密度和超固结度相关的膨胀式,并将其融入已有的非饱和土UH模型,从而能够合理地描述理想膨胀土湿化过程中体积膨胀与强度降低的特性。与已有模型相比,提出的模型所需参数少,可以更合理地考虑超固结度和初始干密度对膨胀土应力应变关系的影响,同时可以体现膨胀土在超固结状态下的应力软化特性和剪胀特性。该模型在不考虑土体膨胀式时可以退化成已有的非饱和土UH模型。通过与已有膨胀性非饱和土的试验结果对比分析,验证了模型在定量描述膨胀性超固结非饱和土应力应变特性上的合理性。

初始含水率对膨胀性红黏土胀缩及崩解特性的影响

为研究膨胀性红黏土胀缩及崩解特性,开展了不同初始含水率下红黏土的胀缩和崩解试验,利用视频照片与扫描电子显微镜(SEM)从细微观角度分析了产生崩解差异性的原因。本文以甘肃庆阳的某高速铁路隧道红黏土为例,以5%为含水率变化梯度,研究了3%、8%、13%、18%含水率下弱膨胀性红黏土的胀缩、崩解变化及其微观机制与分维特性。结果表明:膨胀总率与含水率呈分段函数关系,含水率在11.6%时胀缩变化最小;含水率越低其崩解时间越早且速度较快,崩解裂隙度随浸水时间具有快速增长、缓慢增长、趋于稳定的规律,3%含水率时裂隙度最高可达4.6,而最大裂隙宽度则随着浸泡时间呈现先增大后减小的趋势;低含水率下较分散的凝聚体单元和较高含量的微孔隙是导致宏观结构破裂的主要原因,孔隙分形维数与含水率成二次函数正相关关系,分形维数越低其结构破裂越快、泥化程度越高,崩解也更完全。

膨胀性土壤干缩裂隙对入渗产流影响

膨胀性土壤具有吸水膨胀,失水干缩开裂的特性,其中土壤裂隙对降雨入渗和产流过程均会产生重要的影响。为探究膨胀性土壤干缩裂隙对入渗产流的影响规律,以青海湖流域常见的栗钙土为膨胀性土壤,针对土壤干缩过程,设置不同土壤初始含水量开展室内降雨入渗产流试验,研究在不同初始含水量下土壤干缩裂隙对土壤累计入渗量、径流强度和土壤含水量等的影响。结果表明:随着土壤初始含水量的降低,土壤干缩裂隙发育程度提高,土壤累计入渗量、初始入渗率、平均入渗率和稳定入渗率均增大;土壤表面裂隙率和裂隙线密度与累计入渗量相关程度较好,相关系数均大于0.85,表面裂隙面积率和线密度越大,裂隙对入渗的作用越显著;土壤干缩裂隙发育程度越高,土壤产流滞后时间越长,产流量越小,径流强度达到稳定的时间越长;土壤干缩裂隙有利于优先流形成,裂隙发育程度越高,土壤水分对深层土壤的补给能力越强。试验探究了膨胀性土壤干缩裂隙对入渗产流的影响,为膨胀性土壤降雨入渗产流规律提供了补充。

化学老化生物炭对土体膨胀性和压缩性的影响及其机制

近年来,生物炭作为一种绿色环保的土体改性材料逐渐得到应用。土中的化学环境会改变生物炭理化性质,从而影响改性土体的体变特性。为掌握化学老化生物炭对膨胀土膨胀性和压缩性的影响,采用柠檬酸酸化法模拟木质生物炭在植物有机酸作用下的化学老化,并借助微观结构分析(扫描电镜和傅里叶红外光谱)对其机理进行了解释。结果表明:(1)生物炭老化作用对土体膨胀性的影响与生物炭粒径和掺量有关。当生物炭粒径较小时(<0.25 mm),化学老化仅能进一步增强高掺量生物炭对膨胀土膨胀性的促进作用;而随着生物炭粒径的增加(0.25~1 mm),这种影响在低掺量条件下也会出现;(2)生物炭改性膨胀土压缩性对生物炭化学老化不敏感,其对生物炭掺量和粒径的变化较为敏感。生物炭加入膨胀土后可以显著降低其压缩性,并且这种降低随着生物炭掺量的增加和粒径的减小变得更加显著;(3)化学老化通过改变生物炭的比表面积和官能团数量影响膨胀土的亲水性,进而改变膨胀性;而外部荷载对膨胀土的压缩主要体现在孔隙的压密上,因此土体压缩对生物炭的化学老化不敏感。

基于电阻率静力触探的膨胀土膨胀性原位评价应用研究

现行的膨胀土膨胀性能评价手段费时、复杂且难以反映膨胀土场地地基的真实状况,亟需发展先进的原位测试方法和技术,实现现场快速、准确的膨胀土膨胀特性评价。结合前期研究,本文以电阻率静力触探(RCPT)作为原位评价技术,采用商用高岭土和膨润土按质量比拌合配置人工膨胀土进行定量分析,并以两种天然膨胀土进行验证。开展室内四电极法电阻率测试,探明膨胀土自由膨胀率随电阻率的变化规律,通过电阻率影响因素之含水量变化指数b作为中间参数,构建了基于电阻率指标的膨胀土膨胀性能评价模型。采用自主研发的电阻率CPT标定罐贯入系统,研究了原位实测电阻率参数评价膨胀土膨胀性能的适用性,并验证了室内四电极法和原位电阻率CPT测得的电阻率之间呈1∶1的线性关系,电阻率CPT可以作为原位膨胀土膨胀性能评价技术。研究表明,膨胀土的电阻率参数随自由膨胀率的增加而增加;膨胀土电阻率与自由膨胀率之间呈指数定量关系;电阻率指标可以作为原位膨胀土膨胀性能表征指标。