膨胀土工程地质特性研究进展

根据近年来国内外学者围绕膨胀土工程地质特性取得的研究成果,着重从胀缩性、裂隙性、超固结性、强度、渗透性、微观结构及工程处治技术等几个方面总结了该课题的研究现状及进展,得到如下认识:（1）胀缩性主要取决于强亲水性黏土矿物含量、水/力边界条件及初始状态,在干湿循环条件下具有不可逆性,关于胀缩机理学界存在不同的观点;（2）裂隙性是膨胀土区别于一般土体的显著特征之一,裂隙的存在会极大破坏土体的整体性,弱化力学性质,是许多工程地质问题的直接或间接原因,裂隙形成过程与膨胀土矿物成分、微观结构和干燥过程中的内应力发育状态有关;（3）超固结性使膨胀土具有较大结构强度和水平应力,易在开挖过程中引起较强的卸荷效应,是促进边坡失稳的重要因素;（4）膨胀土的强度随干湿循环次数增加而逐渐降低,并最终趋于稳定,其中裂隙发育和土结构调整在此过程中起关键作用;（5）渗透性在很大程度上受裂隙的控制,但目前关于两者之间的定量关系还缺少系统研究;（6）微观结构反应了膨胀土的形成条件和应力历史,是决定其宏观物理力学性质的主要因素,开展微观结构研究是掌握膨胀土宏观性质本质规律的重要途径。在工程处治技术上,本文重点介绍了近些年发展起来的膨胀土路堤物理处治技术和路堑边坡柔性支护技术。最后,针对该课题的研究现状,笔者提出了今后的研究重点和方向,主要包括胀缩性和力学性质的各向异性、裂隙形成的力学机理、裂隙形态特征与工程地质特性之间的定量关系、宏-微观力学模型耦合问题及多场耦合作用下膨胀土工程性质响应特征等。     

沟岸侧蚀对泥石流不稳定动力过程的影响

泥石流作为非牛顿体,屈服应力大,运动过程通常不稳定。前人建立了许多模型来研究沟床揭底和堰塞体溃决对泥石流不稳定动力过程的影响,沟岸侧蚀对泥石流不稳定动力过程的影响研究较少。通过侧蚀为主的模型和完全底蚀的模型两种水槽实验的对比,针对泥石流的动力过程展开研究。实验发现两种工况条件下泥石流正应力和孔隙水压力随着龙头高度沿程波动性的增长而相应地波动性增大,但侧蚀作用使得这种波动特征更加明显。通过力学分析,证明侧蚀作用导致泥石流龙头的阻力更大,但是龙身颗粒和龙头颗粒的速度差更大,使得龙头附加坡降更大,因此,侧蚀作用使得泥石流龙头的平均速度更快。泥石流龙头浓度和容重的不断增大,使得阻力不断增大,阻力和动力的动态平衡关系是泥石流不稳定运动的原因之一。     

CO2注入对煤储层应力应变与渗透率影响的实验研究

以沁水盆地成庄矿煤样为研究对象,利用实验室自主研发的CO₂注入与煤层气强化开采实验模拟装置进行不同有效应力和CO₂吸附压力下的煤岩渗透率测试。实验结果表明,煤岩的裂隙压缩系数受到CO₂吸附的影响,初始状态下、亚临界CO₂吸附和超临界CO₂吸附煤样裂隙压缩系数分别为0.066、0.086和0.089。引起裂隙压缩系数改变的原因主要有两方面:CO₂和煤中矿物反应提高了煤基质的不连续性;CO₂软化了煤基质同时降低了煤岩的力学性质。利用考虑吸附应变以及内部膨胀系数的渗透率模型对实测渗透率进行拟合,发现有效应力和内部膨胀系数成正比。CO₂吸附压力和有效应力的增大均提高了煤岩的内部膨胀系数,这影响了煤岩孔裂隙的开度,降低了煤储层的渗透率,并最终降低CO₂在煤储层中的可注性。      

钻孔多参量指标预测冲击地压危险性的试验研究

为准确预测预报冲击地压危险性,提出一种通过监测钻孔过程中钻杆推力、钻杆扭矩与钻屑量等钻孔多参量指标变化规律来预测冲击危险性的方法。利用自主研制的钻孔多参量一体化测试装置,在实验环境下对不同煤体应力状态下的多参量指标进行测试分析,发现钻杆扭矩与钻屑量均随着煤体应力的增大而增大,钻杆推力随着钻进时间的增加呈现先增大再减小,并出现波谷随后增大最后减小的规律。在相同钻机及钻具条件下,进行井下原位钻孔试验,结果表明:随着钻进深度增大,钻杆扭矩与钻屑量变化规律呈现较好一致性,在5 m深度前均先增大随后减小;钻杆推力在1~4 m内呈上升趋势,在5 m处下降至波谷位置,随后推力值再次上升,最后呈稳定趋势。对此区域应力分布带情况进行划分,可确定应力峰值点大致在孔深5 m处,并利用SPSS数据分析软件初步确定此试验点钻杆推力临界指标为7.5 kN,钻杆扭矩临界指标为50.0 N·m。研究结果可为冲击地压等煤矿动力灾害危险性的预测预报提供理论基础与工程指导。      

初始含水率与竖向应力对弱膨胀土残余强度的影响

通过残余强度试验仪对合肥地区弱膨胀土进行四次反复剪切,可以证明弱膨胀土残余强度受初始含水率和竖向应力的影响。试验结果显示:初始含水率越高,竖向应力越大,残余强度下降幅度越大,高达60. 4%。竖向应力为100k Pa、200 k Pa作用下,初始含水率与弱膨胀土残余强度呈线性关系;竖向应力为300 k Pa、400 k Pa作用下,初始含水率与弱膨胀土残余强度呈指数关系。研究发现,初始含水率较低时,通过反复剪切试验可以得到弱膨胀土稳定的残余强度;初始含水率较高时,通过反复剪切试验不能得到稳定的残余强度,建议采用环剪试验。合肥地区弱膨胀土初始含水率分布范围在主要集中在18%～21%,可采用反复直剪试验测得弱膨胀土残余强度。该试验结果对合肥地区膨胀土边坡稳定性分析以及滑坡防治等具有重要意义。 更多还原     

四川盆地喜马拉雅期张扭性断裂构造特征及形成机制

前人对四川盆地盆缘冲断带及川中高-磨地区断裂系统进行了系统性研究,但对于盆地其他区块断裂发育特征、形成演化及应力背景的认识尚不充分.发现了梓潼-成都-威远-华蓥山-广安地区震旦系-下三叠统地层中发育的一套区域性张扭性断裂,主要自震旦系及以下地层向上延伸切穿二叠系地层,多为高陡、小断距正断层,部分形成负花状构造.根据该断裂系统的剖面产状、纵向穿层特征及盆地范围内体现出的分异性,推断该断裂系统形成于喜马拉雅期.物理模拟实验研究发现该断裂体系应发育于扭张性应力环境中,该断裂体系的发育指示了四川盆地内部新生代存在南西-北东向张应力,可能与四川盆地新生代发生的逆时针旋转有关.      

库车前陆盆地东部侏罗系逆冲构造变形及应力演化分析

逆冲构造是较为常见的构造形式,其由弱到强的变形过程及应力定量分布状态目前还不是很清楚。以库车前陆盆地东部逆冲构造为例,基于构造剖面的解析,将逆冲构造活动分为4个阶段:初始期、发展期、成熟期和改造期,并运用有限元计算分析方法对不同阶段剖面进行了精细数值模拟计算。研究表明:逆冲构造的扩展并不是一个简单线性发展的过程,而是前翼、后翼不断往复迁移推进的历程。简单的逆冲断褶带发育于逆冲构造初始期,应力主要集中在后翼;变形向后翼扩展,转折端范围不断增加对应逆冲构造发展期,应力主要集中于转折端;变形向前翼扩展,前翼范围开始增大对应逆冲构造成熟期,应力主要集中于转折端和前翼靠近转折端区域;后翼掀斜,前翼竖直,前翼前缘大量新的逆冲断层发育对应逆冲构造改造期,应力主要集中于前翼前缘。理清逆冲构造变形过程及应力集中分布范围的差异,可为后期指导裂缝发育部位以及超压异常发育带的预测奠定较好的基础。     

地下综合管廊穿越活动地裂缝变形与内力的响应分析

由于场地条件限制,西安城市地下综合管廊建设需以不同角度穿越地裂缝,必将受到地裂缝活动作用的影响。建立地下综合管廊穿越活动地裂缝的三维有限元模型,模拟了地下综合管廊穿越地裂缝时,设置了5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm和30 cm 6种不同沉降量工况以及正交、斜角60°与斜角30° 3种穿越角度。研究结果表明,地下综合管廊的变形与轴向应力随地裂缝活动量的增加而不断增大,管廊的水平轴向位移、竖向位移以及轴向应力均集中在地裂缝两侧一定范围内,管廊上表面轴向应力峰值大于下表面。管廊与地裂缝交角越小,管廊的水平轴向位移越小,竖向位移的影响范围越大,管廊水平轴向应力越大,实际工程中应避免管廊不设缝小角度穿越活动性强的地裂缝。研究成果对土体与地下综合管廊之间的相互作用机理分析以及对防灾减灾工作有一定的参考价值。     

钙质砂颗粒破碎对临界状态影响的试验研究

钙质砂的颗粒易碎性是造成其变形和强度特性不同于石英砂的重要性质。本文基于临界状态理论,通过一系列试验定量地描述钙质砂临界状态线随颗粒破碎的演化规律。本文试验分两个阶段进行:第1阶段研究了60~2000 kPa围压条件下钙质砂的力学特性和颗粒破碎特征;第2阶段以不同破碎率的试样为母本重塑制样,在100~300 kPa围压条件下,剪切至破碎临界状态线。试验结果表明:在较小围压(<300 kPa)条件下,松砂和密砂均表现出明显的剪胀和应变软化特性;而高围压(>1 MPa)条件下,显著的颗粒破碎会造成试样的持续剪缩;颗粒破碎存在明显围压阈值,对于松砂而言,在围压小于300 kPa条件下,颗粒基本不发生破碎;在e-lg p'平面内,破碎临界状态线的截距Δe_Γ和斜率λ_c均会随着修正相对破碎率B_r*的增大而减小,即颗粒破碎会使临界状态线发生下移和逆时针转动;而在q-p'平面内,钙质砂的临界状态点落在同一条直线上,即存在唯一的临界状态应力比M_cr和临界摩擦角φ_cr。     

考虑形貌特征和级配影响的钙质砂压缩破碎力学特性研究

针对岛礁大型构筑物修建过程中由于高应力而导致作为地基材料的钙质砂发生破碎,进而引发地基沉降变形问题。本文采用高压固结仪对钙质砂开展了一系列终止压力为16 MPa的侧限压缩试验,研究了高应力水平下钙质砂的压缩破碎特性。同时基于显微图像采集和处理技术对钙质砂颗粒的形状参数(圆度和完整度)进行了定量化表征,研究了钙质砂的形状分布规律。最终分别探讨了级配特征(如平均粒径、不均匀系数)、形貌特征等因素对钙质砂压缩和破碎特性的影响。结果表明:随着平均粒径的增大,钙质砂颗粒的形状不规则程度逐渐增加,其棱角也越发育。随着竖向应力的增大,在e-logp平面内,不同粒径钙质砂的压缩曲线逐渐会聚并相交于一条直线,初始粒径对其压缩特性的影响逐渐减小以致消失。而不同级配钙质砂的压缩曲线也发生会聚,但未相交于一条直线。当试样的不均匀系数(C_u)相近时,其压缩破碎量随着平均粒径(d₅₀)的增大而逐渐增加,当试样的d₅₀相近时,其压缩破碎量随着C_u增大而逐渐减小。上述研究成果将对南海岛礁大型工程建设提供重要科学依据。