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。     

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。     

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。     

硬石膏常规三轴压缩下强度和变形特性的试验研究

采用伺服刚性试验机对硬石膏进行了不同围压下的常规三轴试验,研究了硬石膏的强度和变形特性。结果表明,在低围压下硬石膏破坏方式为剪切破坏;在围压超过10 MPa时,硬石膏表现出明显的塑性流动特性。观察试验后试样发现,在围压为18 MPa时,硬石膏已经没有明显的破坏面,而是表现出明显的膨胀现象。硬石膏的峰值强度与围压近似成正比例关系。分析了峰值应变、弹性模量随围压的变化规律,其结果表明：随着围压的升高,硬石膏的的峰值应变与弹性模量均逐渐增加。根据三轴试验结果绘制了摩尔包络线,采用回归分析得到了强度准则和抗剪强度参数c、? 值,其研究结果可为地下工程提供参考与借鉴。     

石膏质岩水化特性及矿物含量确定方法研究

硬石膏和石膏的膨胀性和腐蚀性是石膏质岩隧道工程主要致害因素,查明矿物成分、水化特性、硬石膏和石膏含量是评价石膏质岩工程危害的基础,但目前尚缺乏快速简便的石膏质含量确定方法。通过测定硬石膏岩水化过程中的波速及水化深度,分析了石膏质岩的水化特性;通过对硬石膏、石膏、方解石、白云石不同配比混合物的热重分析,提出了快速测定石膏...     

考虑非饱和渗流与增湿膨胀下的膨胀土隧道稳定性分析

降雨入渗条件下,膨胀土的非饱和渗流与膨胀效应会降低隧道稳定性,研究两者对围岩变形与结构受力的影响非常必要。基于有限差分软件FLAC~(3D),根据其内置的渗流与温度场模块分别模拟降雨条件下的非饱和渗流过程与膨胀土增湿膨胀过程。通过编制相关FISH语言程序,考虑了膨胀土隧道非饱和渗流过程中基质吸力变化、土体软化和膨胀效应的影响。以某浅埋膨胀土隧道为工程背景,分析了降雨入渗时间、渗透与膨胀系数对膨胀土隧道围岩变形及支护结构受力的影响。结果表明:膨胀土隧道在降雨入渗过程中,围岩水平应力增大明显,而垂直应力变化不大;支护结构逐渐由竖向挤压变形转变为水平挤压变形;土体渗透和膨胀系数对支护结构受力影响很大,当渗透和膨胀系数增加到一定值后,衬砌弯矩显著增大,隧道安全性和稳定性大幅降低。     

增湿条件下膨胀土隧道衬砌破坏数值分析

针对小河沟膨胀土隧道降雨增湿塌方现象,以围岩含水率分布变化引起膨胀应力场为主要研究内容,展开增湿对隧道支护结构的影响研究。首先,利用热传导热能量平衡方程与孔隙渗流连续方程数学描述相似性,推导出热传导膨胀模拟增湿膨胀的替代方程。然后,结合室内试验和文献资料,率定膨胀土膨胀力及渗流参数。最后,在正确考虑地质构造影响的基础上运用有限差分软件FLAC3D热-力耦合模块进行建模计算,分别对不同膨胀力模型的增湿过程进行仿真模拟,得出支护结构受力变形随含水率分布及膨胀力大小的变化规律。分析得到了对隧道支护结构造成不良影响的关键含水率和膨胀力值。研究成果可以有效指导膨胀性黄土隧道支护设计和变形控制。     

膨胀岩的判别与分类和隧道工程

本文主要论述了国内外膨胀岩的一些判别与分类的准则和方法．列举了膨胀岩的野外地质特征，提出了隧道工程中膨胀岩的判别与分类技术指标，供隧道设计和施工人员参考．     

硬岩隧道高压气体膨胀破岩开挖试验

为了解决传统钻爆法在隧道工程中振动大的问题,引入一种新型破岩技术--高压气体膨胀破岩技术。通过在某隧道掌子面采用该技术进行现场试验,获得该技术试验时的振动速度值和试验后的破岩效果,将获得的结果与传统钻爆法得到的相应结果进行对比分析,结果表明,高压气体膨胀破岩技术在施工时产生的振动比钻爆法小,证明了将该技术应用在隧道工程中是可行的,解决了该隧道采用钻爆法施工振动风险大的问题,为类似工程破岩提供了一种新途径。     

热液硬石膏流体包裹体的显微测温实验研究——石膏子晶的形成对盐度和均一温度测量的影响

硬石膏是海底热液多金属硫化物矿床中常见的少数几种透明矿物之一,是流体包裹体研究的主要对象。对Juan de Fuca洋脊Endeavour段的黑烟囱样品中硬石膏流体包裹体的显微观察发现包裹体内含有石膏子晶。显微测温研究也发现包裹体冷冻到-50℃后,再放置12小时,通常会发育新的石膏子晶。通过反复测定石膏子晶生成前后冰点的变化,发现石膏的生成使得冰点大幅降低,相应地提高残留流体的盐度(上升0.32%~1.6%NaCleq.)。流体包裹体中石膏生成是硬石膏水化和硬石膏溶解造成溶液过饱和沉淀石膏共同作用的结果,其中硬石膏水化起了主要作用,溶液过饱和沉淀石膏为硬石膏水化提供了有利条件。冷冻条件下和/或储藏时间越长,硬石膏水化对盐度的影响越大。加热包裹体到130℃能使石膏分解,释放出所结合的水分子,恢复包裹体的原始盐度。而石膏的生成对均一温度的测量没有影响。     

石膏质岩的膨胀特性及防治对策研究

以宜巴高速路凉水井隧道出露的石膏质岩为研究对象,通过室内试验,分析研究了试样的自由膨胀率和无荷载膨胀率试验。在室内试验的基础上,结合石膏质岩的膨胀特性,给出了隧道工程防治石膏质岩膨胀变形的防治措施。研究表明:试样的自由膨胀率可达4.1%,无荷载膨胀率最大为5.86%;膨胀变形过程会放出较多热量,且膨胀变形周期较长;在隧道穿越石膏质岩勘查设计阶段,必须进行详细的勘查,提供准确的勘查数据;在隧道穿越石膏质岩施工支护阶段,需要选择合理的开挖方案和支护方案     

考虑膨胀应力和剪胀的深埋隧道弹塑性解

基于湿度应力场理论,推导了考虑膨胀应力和剪胀特性的圆形隧道开挖后围岩力学响应的弹塑性解。将隧道软弱围岩遇水膨胀现象视为湿度-应力耦合过程,基于Fick第二定律,推导了圆形隧洞围岩内湿度扩散非稳态解。采用非关联流动法则,获得了隧道高膨胀势区的应力和位移解答。以两种不同质量岩体开挖的隧洞为例,分析了膨胀围岩应力和变形的影响因素。结果表明,考虑膨胀应力（取决于围岩含水率变化和湿度膨胀系数）时,塑性区扩大,松动圈厚度增加,应力收敛变慢。当膨胀应力增大到一定程度时,塑性区将出现拉应力区。膨胀岩隧洞开挖遇水作用,膨胀应力增加的围岩变形远大于地应力引起的围岩变形。同时,应力剪胀对膨胀性围岩的变形影响不容忽视,尤其是在支护抗力较小的情况下,洞壁处径向位移增加显著。     

庐枞盆地泥河铁矿床中硬石膏微量元素特征、沉淀机制及其对铁成矿作用的制约

泥河铁矿床是长江中下游成矿带庐枞火山岩盆地中典型的磁铁矿-磷灰石型铁矿床。硬石膏是矿床中的主要脉石矿物,在矿床的各个阶段均有发育。本文在详细的野外地质工作和岩相学观察基础上,系统的对矿床各成矿阶段硬石膏开展LA-ICP-MS分析测试工作对硬石膏形成机制进行了分析,初步探讨了硬石膏在铁成矿过程中的作用及意义。矿床中的硬石膏分为三类:与透辉石、磁铁矿、黄铁矿、磷灰石等矿物共生的紫色板状硬石膏(Type Ⅰ);与黄铁矿共生的白色板状硬石膏(Type Ⅱ)以及呈独立脉状产出的白色糖粒状硬石膏(Type Ⅲ)。Type Ⅱ和Type Ⅲ硬石膏REE含量远低于Type Ⅰ硬石膏,Type Ⅱ和Type Ⅲ硬石膏的稀土配分模式相似,二者与Type Ⅰ硬石膏具有很大差别。泥河铁矿床硬石膏中REE含量受结晶学因素的影响较小,主要影响因素为温度、流体的演化过程以及络合物阴离子的类型和数量。早期高温热液中REE主要以Cl络合物形式迁移,矿床中较早沉淀的富稀土矿物捕获了大量REE,使体系中REE含量大幅度减少,致使Type Ⅱ和Type Ⅲ硬石膏稀土含量偏低。晚期流体盐度的降低导致了Cl-/SO42-比值变低,热液中稀土元素的减少以及络合物配位体的改变导致了Type Ⅱ和Type Ⅲ硬石膏稀土配分模式趋于平滑。此外Type Ⅲ硬石膏个别点显示出轻稀土富集的特征,说明热液晚期可能存在硬石膏的溶解再沉淀过程,该过程会改变硬石膏中的稀土配分模式。硬石膏的加入可以提高体系氧逸度,提高热液中铁元素的形成磁铁矿的比率从而利于形成大规模铁矿体。     

激发剂对天然硬石膏水化作用的影响

以安徽省含山县天然硬石膏(Ⅱ型无水石膏)为主要原料,研究了5种化学激发剂(K2SO4、FeSO4.7H2O、CaO、Na2C2O4、煅烧明矾)对天然硬石膏水化作用的影响。采用重量法测定了不同掺量时硬石膏的水化率,用X射线粉末衍射和扫描电子显微镜分析了硬石膏水化产物组成及其微观结构,探讨了天然硬石膏水化活性的激发机理。研究结果表明,激发剂可以明显提高硬石膏的水化率,且水化硬化体的微观结构也有显著改善;掺加5.0%的煅烧明矾时,硬石膏的水化效果最好,28d后,水化率可达74.32%。     

隧道水平冻结施工引起地表冻胀的历时预测模型

隧道水平冻结施工过程中,土体冻结引起体积膨胀,进而会在地表产生冻胀现象。实际工程一般采用多根冻结管形成冻结壁。冻结壁交圈前,地表冻胀由多个冻土柱的叠加膨胀变形引起;冻结壁交圈后,地表冻胀则由整个冻结壁的膨胀变形引起。鉴于此,考虑冻结壁的形成过程,基于随机介质理论,建立了隧道水平冻结施工引起地表冻胀位移的历时预测模型。同时对冻结外锋面半径和冻胀区域外半径这2个关键参数的取值方法进行了相关探讨。最后针对两个工程案例,采用该计算模型对地表冻胀位移进行分析,得到地表冻胀位移随时间的变化规律,并与现场实测结果相比较,验证了模型的可靠性。该模型应用于隧道水平冻结施工前、冻结期内任意时刻的地表冻胀位移预测,可为工程冻结实施方案的合理确定提供有效依据。     

硬石膏的高温相变和结构研究

本文研究了煅烧硬石膏的结构及硬石膏的高温相变。发现不同温度煅烧的硬石膏晶体结构及显微形态是相同的,仅存在不同程度的晶格畸变和晶粒尺寸的差异。硬石膏的高温相变是可逆相变,二者的转变温度略有差异。     

石膏及其热转变产物的红外光谱

本文给出了石膏及其热转变产物－－烧石膏和硬石膏的红外光谱。在晶体结构资料基础上，对石膏和硬石膏分别进行了因子群分析和位置群分析，其结果清楚地表明，理论预测的光谱与实测光谱相当一致。根据烧石膏的红外光谱和位置群分析的结果可以肯定。SO4^2-离子的位置对称性不可能是D 2，只能为C2或C1。热转变产物的红外光谱表明，石膏－－烧石膏和烧石膏－硬石膏之间的热转变温度分别为80－100℃和350－400℃。     

基于时间效应的富水泥质板岩隧道围岩膨胀本构模型研究

针对原有三维膨胀本构模型的局限性,以富水泥质板岩隧道围岩的膨胀问题为出发点,采用侧向约束下的膨胀特性试验,修正了泥质板岩侧向约束下的轴向膨胀率与吸水时间的关系及膨胀过程中的一维本构关系;基于金尼克条件,考虑整个膨胀过程以及最大和最小膨胀应力对膨胀本构方程的贡献,以最大体积膨胀率对应的时间为临界时间,分段描述泥质板岩基于时间效应的三维膨胀本构模型。研究结果表明:泥质板岩在膨胀过程中轴向应力和膨胀率之间呈负对数函数关系;当吸水时间小于或等于临界时间时,侧向约束下的轴向膨胀率与吸水时间之间的关系式服从指数函数,体积膨胀率服从含时间效应的三维膨胀本构模型;当吸水时间大于临界时间时,侧向约束下的轴向膨胀率不再随时间变化,等于侧向约束下的最终轴向膨胀率,且体积膨胀率不再服从本构模型,等于定值(最大体积膨胀率)。研究成果可为解决富水软岩隧道围岩的膨胀问题提供理论参考。     

四川盆地三叠系杂卤石的时空分布、显微特征及成因研究

四川盆地是我国重要的成盐聚钾盆地,三叠系嘉陵江组、雷口坡组发育大量的杂卤石,具分布广泛、层数多、累计厚度大的特点。前人对杂卤石的微观结构及成因机制研究较少,影响了四川盆地杂卤石钾盐资源的勘查及深部化学开采。本次研究通过野外调查,结合薄片、电子探针、定量光谱分析及蒸发试验等方法,开展杂卤石的微观组构特征及成因机制研究。研究发现四川盆地杂卤石的分布与盐岩分布并不一致,杂卤石主要分布在广安—武胜、邛崃—浦江、长寿—垫江地区,四川盆地以发育“硬石膏—岩盐—杂卤石—岩盐—硬石膏”、“硬石膏—杂卤石—硬石膏”两种成钾序列为主,微观形态以 ① 呈块状、片状、集合体状、不规则粒状与石盐、硬石膏共生;② 呈放射状、纤维状、花瓣状与硬石膏共生;③ 呈星点状、碎片状、港湾状与硬石膏共生三种为主。研究认为杂卤石主要有原生沉积及后生交代两种成因,“硬石膏—岩盐—杂卤石—岩盐—硬石膏”型的杂卤石应为从饱和含钾卤水中直接析出,“硬石膏—杂卤石—硬石膏”型杂卤石为交代成因,杂卤石交代硬石膏,具明显的交代残余结构,钾石膏可能作为交代过程的中间产物。盐类矿物在沉积成岩—埋藏变形变质—差异隆升改造等漫长的过程中会出现溶解、交代、重结晶等改造和重塑,形成现今四川盆地含盐剖面的组合特征。     

考虑围岩软化特性和应力释放的圆形隧道黏弹塑性解

将围岩的塑性应变软化特性引入到考虑应力释放的圆形隧道黏弹塑性解中,并且在围岩的软化和残余强度阶段考虑围岩的塑性体积膨胀特性,提出了考虑塑性软化以及塑性体积膨胀和围岩应力释放的圆形隧道弹塑性解。当软化系数k = ∞、膨胀系数h = s时,该解转化为黏弹-脆塑性解;当k = 0、h = s时,则转化为黏弹-理想塑性解,进一步令h = s = 1,则转化为不考虑塑性体积膨胀的黏弹-理想塑性解。通过具体实例计算,分析了掌子面与研究断面间距x、围岩的软化系数k、膨胀系数h和s、支护结构等对围岩塑性区、破碎区半径和变形的影响。当开挖面与研究断面间距x在(0~4)D（D为隧道直径）范围内,随着时间增加塑性圈和破碎区迅速增大;超过4D,塑性区和破碎区半径增量逐渐变小,趋于稳定值;围岩中包含塑性区和破碎区时,二者半径的比值只取决于围岩的性质,与支护结构无关,但支护结构可以限制塑性区及破碎区的范围;考虑应变软化和塑性体积膨胀时,围岩径向位移和塑性区及破碎区半径均大于不考虑应变软化和塑性体积膨胀时的结果;软化系数k增大,围岩位移、塑性区和破碎区半径增加、塑性区半径和破碎区半径之间的比值变小。得到的结果对于隧道工程设计和施工具有一定的指导性和参考价值。