兰州富水砂卵石层土压平衡盾构渣土改良研究

兰州地铁1号线穿越(2)~(-10)和(3)~(-11)地层,主要为砂卵石层,大部分处于地下水位以下,渗透性极强。采用土压平衡(EPB)盾构施工时,除了容易出现刀盘、螺旋输送机扭矩过高,磨损严重等现象外,还极易造成螺旋输送机喷涌,酿成工程事故,因此,需要对砂卵石层进行改良以保证盾构施工的安全。采用膨润土泥浆和泡沫对砂卵石进行改良试验,得到不同改良方案渣土的塌落度、渗透系数和钢桶侧壁的摩擦系数。在塌落度满足15~20 cm要求的前提下,通过理论计算,得到了既能满足盾构和易性要求,又能使螺旋输送机保持土压平衡、防止喷涌的改良配比方案。工程实践表明,泥浆和泡沫混合掺入比分别为7%和8%的配比方案改良效果最佳,可为土压平衡盾构在兰州市富水砂卵石层施工中渣土改良和螺旋输送机防喷涌提供参考。     

土压平衡式盾构机刀盘扭矩力学模型研究

土压平衡式盾构工法逐渐成为了城市地下隧道建设的主流方法,其刀盘扭矩相对于泥水加压式盾构机的刀盘扭矩大得多,已经成为了盾构工程界普遍关注的一个问题。目前,对于扭矩的计算大多采用经验估算的办法,存在过大的扭矩估算区间,由于施工经验的缺乏以及为了工程施工安全,不得不采用扭矩的上限值来进行盾构装配扭矩的设计,从而造成较大浪费。根据刀盘扭矩的形成机制,分别探讨各组成部分扭矩计算方法,综合后得到盾构机刀盘扭矩的计算力学模型。最后通过一个地铁盾构施工实例验证盾构刀盘扭矩计算力学模型的合理性。     

泡沫改良砂卵石土的试验研究

砂卵石土具有内摩擦角大、流动性差、渗透系数大等特点,在砂卵石地层的盾构施工时会引起出土困难、刀盘磨损、地下水喷涌等问题。通过泡沫优化试验,得到泡沫半衰期及发泡倍率最优时的发泡液浓度为2%～3%。基于四川成都地铁7号线茶店子站至一品天下站区间砂卵石地层,配制卵、砾石含量为20%、40%、60%、80%的土体,掺入泡沫进行室内大型剪切试验、坍落度试验和渗透试验,发现随着泡沫注入率的增加,包裹在砂卵石土周围泡沫土的含量增加,砂石分离现象逐渐消失,抗剪强度和内摩擦角呈非线性降低,坍落度逐渐增大,抗渗性能明显提高,并得到了不同含石量砂卵石土满足盾构施工中“理想状态土体”要求的泡沫注入率。研究成果对砂卵石地层盾构掘进中的相关问题解决具有一定的意义。     

长沙板岩地层地铁盾构施工渣土改良试验研究

长沙地铁4号线土压平衡盾构掘进微风化板岩地层时,刀具磨损严重,出渣不畅。对此通过XRD、SEM及室内力学试验,研究微风化板岩矿物成分、结构与物理力学性质,再进行渣土改良坍落度试验,研究不同改良参数条件下渣土改良效果,经现场验证实用性后,提出准确、合理的渣土改良参数。结果表明,微风化板岩富含石英、长石,岩性致密,研磨性高。膨润土泥浆和泡沫溶液渣土改良实用性强、效果显著,且泥浆改良最佳坍落度为19~22 cm,泥浆浓度14%~15%,注入比14% ~17%,每环注水量5~7 m3;泡沫溶液改良最佳坍落度19~21 cm,泡沫配比4%~6%,注入比约10%,每环注水量8~10 m3。     

富水砂卵石地层力学特性研究

富水砂卵石地区的地铁盾构隧道工程建设中须有效掌握地层力学特性指标,以指导盾构施工参数的动态调整。针对传统地勘无法准确提供地层参数的问题,通过对成都地层分布与土质特征进行大数据统计分析,并结合室内剪切与渗透试验研究,探求富水砂卵石力学特性与细粒含量、含水率、水压力等主要参数间的影响关系。试验结果表明,随着含水率的增加,内摩擦角φ先降低后提高,咬合力C先提高后降低;当细粒含量从1%增加至6%,C和φ均出现不同程度的降低。推导出两个强度指标C值和φ角与细粒含量和含水率两个参数的变化关系表达式,以及砂卵石土的细粒含量与其饱和含水率两者的变化关系式,并通过拟合情况与实际数据验证了公式的可行性。得出卵石地层管涌型的渗透破坏类型,其渗透性随着土样细粒含量的增加有所减小。然后从开挖土层的性质分析反映出隧道掘进参数动态调整和渣土改良工艺对施工影响的内在机制。研究结果可为成都地区砂卵石土层抗剪强度进行经验公式参数选取、数值模拟取值,掘进关键技术与施工方案制定提供参考依据。     

土压平衡盾构反扭矩的分析和计算

盾构是土质隧道（洞）全断面开挖的高效、环保、安全、优质的地下工程施工机械,在国内城市地铁建设中已被广泛应用。盾构的始发掘进是盾构施工的关键技术之一,通过对盾构正常掘进和始发掘进的分析,引用土力学的基本原理,建立土压平衡盾构在这两种掘进模式下的力学模型,给出了土压平衡盾构在这两种掘进模式下的阻滞力矩计算公式,并对盾构正常掘进模式下阻滞力矩的构成和作用进行了分析。研究结果表明,正常掘进模式下,洞壁产生的阻滞力矩足以克服盾构刀盘刀具切削土体产生的反扭矩;而盾构在始发掘进时,必须在其托垫与其盾壳间采取防扭转措施。以在施工的某土压平衡盾构隧道工程为例,对所建立的公式进行了应用研究,取得了良好效果,可为土压平衡盾构的设计和应用提供参考。     

复合式土压平衡盾构刀盘失效风险分析

通过对复合式土压平衡盾构刀盘失效的事故种类及原因的分析与总结,应用故障树分析（FTA）方法对刀盘失效风险进行了研究,建立了刀盘面板、刀具和其他刀盘体系的故障树系统模型。通过定性与定量分析,讨论了各项风险事故的潜在失效模式和影响因素。结合具体工程进行了应用,并提出了针对性的控制措施。研究有助于复合式土压平衡盾构刀盘的设计、施工的决策与控制。     

ISS对不同初始含水率膨胀土的改良效果研究

离子固化剂(ISS)对膨胀土改良后,膨胀土稳定性会改善。为了分析研究不同初始含水率的膨胀土经过ISS改良效果,进行了膨胀土改良前后的剪切试验、界限含水率试验和自由膨胀率试验。通过改良前、后土体的抗剪强度、塑限、液限、塑限指数、自由膨胀率的变化规律研究,得出膨胀土的初始含水率在11%～30%区间时,改良后土体的膨胀性得到了消除,抗剪强度得到了明显提高; 初始含水率不在11%～30%区间时土样改良后仍具有一定膨胀性,抗剪强度提高不明显。这是因为,当膨胀土烘干时,靠毛细吸力吸附的固化剂量不能与所有黏土颗粒进行反应; 当膨胀土饱和时,靠溶液渗透到膨胀土表面的固化剂也不能与所有黏土颗粒进行反应。该试验结果对膨胀土现场改良时含水率的确定具有重要的指导意义。     

土压平衡盾构施工的顶进推力模型试验研究

在盾构的掘削过程中,千斤顶顶进推力是一个重要的施工参数,它不仅决定着施工速度,而且还影响着刀盘的切削扭矩、转动速度等其他参量。但是,目前对千斤顶顶进推力的变化规律,尤其是土体与盾壳之间摩擦阻力的研究还不够深入。以上海地区粉砂地层为参照原型,借助于模型试验方法,通过对盾构机工作参数和地层特性参数进行不同的组合试验,研究了土压平衡盾构推进过程中顶进推力变化的规律,以及土体与盾壳之间摩擦作用的机理及其影响因素。在此基础上推导了盾构千斤顶顶进推力的计算公式。     

冻融循环影响风化砂改良膨胀土抗剪强度室内试验研究

本文以三峡库区广泛分布的风化砂来改良膨胀土,通过在膨胀土中掺入10%、20%、30%、40%、50%的风化砂,进行1、3、6、9、12次冻融循环,最后对不同冻融循环次数作用后改良膨胀土制备样进行直接剪切试验,测定不同掺砂量及不同冻融次数下,各试样的强度参数,得出冻融循环对风化砂改良膨胀土抗剪强度指标及强度规律的影响.试验结果表明:在同一掺砂比例下,风化砂改良膨胀土的抗剪指标和抗剪强度随冻融循环次数的增大而减小,最后逐渐趋于稳定,其中黏聚力与冻融循环次数呈对数关系; 在同一冻融循环次数下,黏聚力随掺砂比例的增大而减小,内摩擦角随掺砂比例的增大而增大.     

离子土壤固化剂改性膨胀土的试验研究

利用离子土壤固化剂（ionic soil stabilizer,简称ISS）对河南安阳地区膨胀土进行化学改性试验研究,通过不同配比的自由膨胀率试验结果,结合施工成本,得出ISS溶液改良膨胀土的最优配合比为1:350。对ISS溶液最优配合比改性后土体进行收缩试验、膨胀性试验、固结快剪、高压固结及水浸泡试验。试验结果表明,改性土线缩率减小,膨胀性指标降低,抗剪强度增大,土体由亲水性变成憎水性,且能达到较好的水稳定性,即膨胀土经化学改性为非膨胀土。ISS改性膨胀土的机制可解释为,通过ISS溶液与土粒离子进行强烈的交换作用,打开土粒与水分子之间的“电化键”,降低土颗粒表面吸附水膜厚度,包裹在黏粒颗粒表面的疏水基团覆盖膜使土对水的敏感性减弱,从根本上减少了土体吸水性和膨胀性。     

压力舱土体改良对盾构开挖面稳定影响研究

在渗透性大且富含地下水的砂砾地层中进行土压平衡式盾构施工,切削下来的土体具有渗透系数大、流动性差的特点,由于地下水的渗透使压力舱内支护土压力不能有效地施加到开挖面。通过压力舱土体改良技术,降低土体渗透性和提高土体的流动性是改善压力舱土体状态和提高支护土压力的重要措施。利用能够考虑大变形破坏的快速拉格朗日有限差分计算程序研究了压力舱土体改良效果对开挖面稳定性的影响,分析了压力舱土体渗透系数的降低对开挖面支护压力的影响关系,为土压平衡式盾构施工开挖面支护压力的确定提供参考。     

碎石土细颗粒迁移特征及优先流形成路径

碎石土是一种非连续、非均质的结构性材料,由于内部含有大量碎石块,容易形成架空结构,使其内部形成复杂独特的渗流通道即优先流通道,碎石土优先流通道是包括水分运移和土体细颗粒迁移的复杂过程,但在研究其优先流路径时通常只考虑了水分的运移而忽略了细颗粒的迁移,颗粒迁移与通道形成密切相关。为此,对两种不同级配土柱(粗细颗粒连续级配和间断级配)分别进行饱和渗流-颗粒迁移试验,从细颗粒迁移的角度分析通道形成的时空发展规律。试验结果表明：细颗粒迁移一部分由于流失引起碎石土渗透性增大,另一部分由于重新沉积而堵塞局部孔隙,降低渗透性,两者作用结果最终加速优先流通道形成;连续级配的碎石土形成大面积交叉分布的管网状渗流通道,间断级配的碎石土则形成集中渗流通道;相同水力条件下,不同级配细颗粒迁移的空间分布特征不同,连续级配的碎石土细颗粒迁移不随空间位置的差异而发生变化,间断级配的碎石土细颗粒迁移随空间位置的差异而发生变化,两种级配下碎石土细颗粒主要流失量的粒径范围均在1～0.075 mm;不同水力梯度条件下,连续与间断级配试验细颗粒流失量均随水力梯度增加而增大,间断级配的碎石土破坏时水力梯度小于连续级配破坏时水力...     

粉土改良膨胀土的路用性能与现场试验

为探究粉土对膨胀土的改良效果,对不同粉土占比改良膨胀土进行了胀缩特性、路用性能和微观结构测试。研究表明：掺入粉土改变了膨胀土土体颗粒成分及结构,抑制了膨胀土的胀缩潜势;随着粉土颗粒的增加,膨胀土的密实度和无侧限抗压强度均先增大后减小,最大干密度在粉土占比为40%时达到1.889 g/cm³,无侧限抗压强度在粉土占比为10%时最大,加州承载比(CBR)值持续显著提高,回弹模量呈下降趋势,均满足规范要求;验证了粉土改良膨胀土的可行性,确定了最佳配合比为粉土掺量40%。为便于现场施工,并考虑现场拌和均匀程度,先掺入3%低剂量石灰对膨胀土进行“砂化”,降低膨胀土黏性使其破碎。在此基础上,采用粉土掺量40%对膨胀土进行改良后用于高速公路路堤填筑,并开展了现场压实度、CBR值、弯沉值等测试。现场试验结果表明：现场填筑联合改良试验段和单一石灰改良对照段整体压实质量良好,但试验段压实度易受粉土均匀程度影响而降低;试验段路基CBR值和路基弯沉与对照段相当,粉土改良有效弥补了相对于对照段减少的2%石灰所提供的强度。     

云南某铁路冰碛土大型直剪强度特性试验研究

冰碛土是由冰蚀作用产生的碎屑物质和冰川产生以前就已存在的岩屑、碎石等松散堆积物,被冰川搬运并在冰川融化时沉积下来而形成的碎石类土,具有独特的侵蚀、搬运与沉积特征。由于冰碛土块石、碎石、角砾、砂土混杂,呈无胶结或泥质半胶结状态,水稳定性差、遇水易软化崩解,常常成为工程处治的难题。准确把握冰碛土强度特性是解决问题的关键,但必须以大试样尺寸、且不失冰碛土本身结构为前提。基于此,进行了原状冰碛土和相同干密度、不同含水率下的重塑冰碛土大型直剪试验,结果表明,原状冰碛土具有一定的结构性强度,重塑冰碛土强度将随着含水率的增加而降低。     

淋洗剂乙二胺四乙酸对重金属污染土工程特性的影响

以重金属铅（Pb2+）污染土和淋洗剂乙二胺四乙酸（EDTA）为研究对象,通过批次试验研究了不同浓度EDTA的淋洗对Pb2+污染土的渗透特性、持水特性、压缩特性、抗剪强度等工程特性的影响,为淋洗修复后土壤的二次利用提供参数支持。基于矿物成分、孔隙结构等微观试验,揭示了土壤工程特性变化的内在机制。研究结果表明,当淋洗剂EDTA浓度从0增加到0.15 mol/L,经淋洗修复后的污染土壤pH值从7.94下降到5.12,渗透系数降低超过一个数量级,黏聚力降低50%以上,而内摩擦角增大,持水性能提高,孔隙比从0.81下降到了0.76。微观试验的结果表明,随着淋洗剂浓度的增大,土壤中的蒙脱石、钠长石和伊利石矿物含量减少,石英矿物含量增加,其中蒙脱石含量从7.87%下降到了0.07%,而石英矿物含量增加了11.09%;淋洗后土壤单位质量进汞量由0.22 ml/g降低到0.15 ml/g,土壤总孔隙体积减少。重金属污染土淋洗修复工程在考虑重金属去除率及经济性指标的同时,还应考虑淋洗剂对土壤工程特性的弱化。     

不同垂直荷重对风化砂改良膨胀土抗剪强度影响研究

本文以风化砂改良膨胀土的抗剪强度指标为研究对象,通过室内直接剪切试验,研究了在不同垂直荷重作用下,不同掺砂比例及不同含水率对改良膨胀土抗剪强度指标c、值的影响规律及各种不同垂直荷重下的-关系。影响直接剪切试验结果的两个关键因素是试验时的垂直荷重和剪切速率,而现行规范对剪切速率是有明确规定的,但对垂直荷重只有一个推荐性的取值。本文对膨胀土掺入了10%、20%、30%、40%、50%的风化砂,分别配以6%、8%、10%、12%、14%的水,然后在I级垂直荷重(12.5～50kPa)、Ⅱ级垂直荷重(62.5～100kPa)、Ⅲ级垂直荷重(100～400kPa)作用下,进行剪切试验。通过试验研究得知:垂直荷重对改良后膨胀土抗剪强度指标影响较大,随着垂直荷重的减小,掺砂后的膨胀土内摩擦角逐渐增大,黏聚力逐渐减小; 在各级垂直荷重下,在同一含水率状态下,黏聚力均随着掺砂比例的增大而逐渐减小,而内摩擦角均是先增大后减小; 在同一掺砂比例下,黏聚力及内摩擦角均随着含水率的增大而先增大后减小。本试验的研究成果为风化砂改良膨胀土用作公路路基填料提供了试验依据。     

超大直径土压平衡盾构土舱压力和开挖面水土压力分布特性研究

土压平衡盾构土舱压力的设定对于控制盾构掘进对周围环境影响意义重大。结合某超大直径隧道工程,在土舱隔板和盾构掘进断面上埋设水、土压力计,对土压平衡盾构土舱内和开挖面上的水、土压力的分布和变化情况进行研究。监测结果揭示了土压平衡盾构掘进过程中土舱压力和开挖面水、土压力分布和发展特性。结合盾构施工参数进行研究,发现土舱压力增量可以通过螺旋机转速、盾构掘进速度等施工参数计算得到。开挖面上水、土压力无法完全传递至土舱隔板,土舱压力增量约为开挖面总应力增量的76.3%。研究成果为超大直径土压平衡盾构的土舱压力设定提供了有价值的参考。     

掺绿砂改良膨胀土室内试验研究

绿砂高额的处理费用与其具有的再利用潜力相比,使绿砂再利用的研究得到重视,尤其对公路路基改良具有很大的利用潜力。针对膨胀土路基的胀缩问题,围绕绿砂及膨胀土-绿砂混合物进行一系列室内土工试验,探讨绿砂作为公路膨胀土路基改良剂的可行性。在不同含水率及不同配比条件下,对绿砂以及绿砂改良后膨胀土的基本物理性质、击实特性、力学特性等进行室内对比试验分析。分析结果表明,绿砂改良膨胀土试样的强度主要取决于试样的含水率、掺砂率;随着掺砂率的增加,塑性指数逐渐降低,最佳含水率也随之减小,最大干密度增大的幅度变化很小,无侧限抗压强度先降低而后提高,其后又降低。     

重金属污染物侵入对土体强度影响的试验研究

通过三轴试验、压缩试验和直剪试验对重金属污染土进行了研究,在100、200、300KPa围压条件下,对5种重金属含量不同的污染土试样:一般土、污染土(重金属元素质量比分别为:1%、3%、5%、7%)进行三轴对比试验,试验结果表明:污染土的强度随着重金属元素的含量的增加显著降低,围压增大对重金属含量低的污染土的强度的影响不显著,质量比小于3%时,峰值强度降低10%~15%,质量比大于5%时,峰值强度降低40%~50%;直剪试验结果表明:质量比小于3%的污染土抗剪强度-垂直压力曲线基本平行,垂直压力与抗剪强度成正比,抗剪强度降低幅度为5%~10%,质量比大于5%的污染土抗剪强度-垂直压力曲线表现为不规则,抗剪强度降低45%~55%左右;压缩试验结果表明,污染土与一般土的压缩量差别较大,质量比超过5%以上时对压缩性的影响尤为显著。