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圆截面组合桩加固滑坡的作用机理与合理嵌固深度物理模型试验研究

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安全与环境工程 2024年第1期31卷 135-149页

作者：宋成彬李长冬王贵华姚文敏贺鑫方堃中国地质大学(武汉)工程学院湖北武汉430074 中国地质大学(武汉)湖北巴东地质灾害国家野外科学观测研究站湖北武汉430074 郑州大学土木工程学院河南郑州450001 中交第四航务工程勘察设计院有限公司广东广州510230

目前在滑坡治理中,大截面人工挖孔桩因存在施工安全隐患大和效率低下等问题已在部分行业领域被限制使用,开展可机械化施工的圆截面组合桩研究已成为新的趋势,但当前对圆截面组合桩变形受力机理与合理嵌固深度的研究尚不够深入。基于自... 详细信息

目前在滑坡治理中,大截面人工挖孔桩因存在施工安全隐患大和效率低下等问题已在部分行业领域被限制使用,开展可机械化施工的圆截面组合桩研究已成为新的趋势,但当前对圆截面组合桩变形受力机理与合理嵌固深度的研究尚不够深入。基于自主研发的圆截面组合桩加固滑坡物理模型试验系统,开展了不同工况下圆截面组合桩加固滑坡的物理模型试验,分析了滑体的变形演化过程,研究了圆截面组合桩加固下滑体与抗滑桩的变形受力特征,并对比分析了不同嵌固深度和桩顶连系梁对圆截面组合桩变形特征的影响,揭示了圆截面组合桩加固滑坡的作用机理。结果表明:①滑体的变形演化过程可分为压密、匀速变形、加速变形和变形破坏4个阶段;②前后桩均存在反弯点,反弯点会随着试验进程向桩顶移动,且后桩的反弯点更接近于滑动面;③当一排桩的嵌固深度保持不变、另一排桩的嵌固深度改变时,可将36%的桩长作为合理的嵌固深度;④连系梁使后桩的最大桩顶位移减小了15.6%,而对前桩的影响不大;⑤连系梁的存在降低了滑动面处的最大桩身弯矩,从而使得桩身弯矩分布更加合理。该研究成果有望为圆截面组合桩的设计提供借鉴和参考。

关键词：滑坡加固圆截面组合桩加固机理嵌固深度物理模型试验

非钙基土壤固化剂加固机理及其应用性能研究进展

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材料导报 2022年第14期36卷 150-158页

作者：钟玉健张晓超袁锐吴学敏陈林万成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室成都610059 成都理工大学国家环境保护水土污染协同控制与联合修复重点实验室成都610059

土地退化是危及人类生存与发展的重大问题,对土壤进行加固处理一直是国内外学者的研究热点。通过强夯、纤维加筋、土工格构等物理加固措施可以实现土体加固。然而,与物理加固相比,利用土壤固化剂对土壤进行化学加固具有强度高、成本低... 详细信息

土地退化是危及人类生存与发展的重大问题,对土壤进行加固处理一直是国内外学者的研究热点。通过强夯、纤维加筋、土工格构等物理加固措施可以实现土体加固。然而,与物理加固相比,利用土壤固化剂对土壤进行化学加固具有强度高、成本低、污染小等优点,受到了众多研究者的关注。土壤固化剂可分为钙基固化剂和非钙基固化剂:传统的钙基固化剂(水泥、粉煤灰、石灰等)存在污染大、凝结时间长、破坏土壤功能等缺点,多用于道路、建筑等领域;而应用于荒漠化治理、边坡修复、水土保持等领域的土壤固化剂,除了要具有良好的固化性能以外,还需具备较好的生态性能,因此非钙基固化剂是这些应用领域的首要选择。按照化学成分,非钙基固化剂可分为聚合物类固化剂、生物酶类固化剂和离子类固化剂。各类固化剂的固化机理不同:聚合物类固化剂主要通过凝胶吸附、包裹、填充作用对土壤进行加固;生物酶类固化剂主要通过酶催化土壤颗粒表面阳离子与土壤有机质的离子交换反应进行加固;而离子类固化剂则是通过加速离子交换反应速率,降低土壤颗粒亲水性,以实现土壤加固。非钙基固化剂的应用性能分为工程性能和生态性能两个方面:工程性能主要体现为改善土壤的力学性质、提高土壤的抗侵蚀能力和抗变形能力;而生态性能主要体现在提高土壤的保水能力和间接促进植物生长的能力。本文总结了非钙基固化剂的研究进展,分类介绍了非钙基固化剂的固化机理,总结了非钙基固化剂的工程性能与生态性能的应用研究,并对非钙基固化剂未来的发展方向进行了展望。

关键词：非钙基土壤固化剂加固机理工程性能生态性能

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纳米硅基固沙材料加固机理及抗冲蚀试验研究

水文地质工程地质 2023年第6期50卷 80-89页

作者：袁进科裴钻杨森林余浩胡孝洪刘海地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学) 四川成都610059 西藏自治区地质矿产勘查开发局第二地质大队西藏拉萨850007

为了减少荒漠化地区沙坡在降雨冲蚀作用下坡体坍塌、水土流失的发生,以西藏雅鲁藏布江河谷分布的沙质边坡为研究对象,提出采用自主研发的纳米硅基固沙材料(nano-silicon/polymer composites,NSPC)对沙坡坡面进行防护。针对NSPC固沙材料... 详细信息

为了减少荒漠化地区沙坡在降雨冲蚀作用下坡体坍塌、水土流失的发生,以西藏雅鲁藏布江河谷分布的沙质边坡为研究对象,提出采用自主研发的纳米硅基固沙材料(nano-silicon/polymer composites,NSPC)对沙坡坡面进行防护。针对NSPC固沙材料加固沙体作用效果尚不明确,基于红外光谱、黏度测试、接触试验以及模拟沙坡降雨冲蚀试验,探讨NSPC固沙材料加固沙体的作用机理,研究降雨作用下NSPC固沙材料加固沙体的抗冲蚀能力。试验结果表明:NSPC固沙材料与沙粒通过聚合、胶结作用相互交叉缠绕、联结形成立体网状结构,从而达到加固沙体的目的;NSPC固沙材料的流变性在初始1 h内属于宾汉流体,后期逐渐转变为牛顿流体;NSPC固沙材料表面张力为60.31 mN/m,与沙体接触角为48.6°,黏附力为0.040 N/m,因此具有较强的入渗能力;沙坡表面形成的加固层对雨水冲蚀具有较强的阻滞效果,并且加固层还具有一定的保水能力。本研究可为NSPC固沙材料在荒漠化地区固沙防护工程中的应用及推广提供试验支撑。

关键词：荒漠化纳米硅固沙材料加固机理抗冲蚀能力

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破碎围岩无机材料注浆加固机理及其应用研究

地下空间与工程学报 2022年第1期18卷 112-119页

作者：王晓蕾熊祖强袁印李玲吕梁学院矿业工程系山西吕梁033000 西南石油大学地球科学与技术学院成都610500 煤炭安全生产河南省协同创新中心河南焦作454000 中国石油塔里木油田分公司油气田产能建设事业部新疆库尔勒841000

巷道开挖后,围岩受采动影响及矿压作用而发生破坏,破碎的围岩严重威胁煤矿安全生产,注浆加固是消除威胁的有效手段。采用最优配比试验优选出新型无机注浆材料最佳配比,对新型注浆材料注浆加固机理和固结特性以及流动时间进行了研究,并... 详细信息

巷道开挖后,围岩受采动影响及矿压作用而发生破坏,破碎的围岩严重威胁煤矿安全生产,注浆加固是消除威胁的有效手段。采用最优配比试验优选出新型无机注浆材料最佳配比,对新型注浆材料注浆加固机理和固结特性以及流动时间进行了研究,并对新型注浆材料现场加固进行了应用分析,研究结果表明:煤体表面孔隙被絮状凝胶和水化产物充填,提高了界面胶结强度,增强了完整性与致密性;固结煤抗压强度较高,当养护8 h时可以达到13.1 MPa;浆液能够均匀分布在石子、河沙之间,三者粘结在一起,起到加固作用;注浆加固段巷道变形量整体小于未注浆加固段,注入新型无机注浆材料后提高了煤体承载力,对于保持巷道稳定性具有较好效果。

关键词：矿业工程新型注浆材料加固机理固结特性

隧道浅埋段软弱围岩高压旋喷桩地表加固机理及现场试验方案设计

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公路 2022年第8期67卷 403-409页

作者：娄健徐华韩富庆郭国和杨明兴陈壮广东云茂高速公路有限公司广州市510623 西南交通大学土木学院成都市610031

为防止隧道浅埋段软弱围岩开挖过程中发生大范围的坍塌和涌水突泥地质灾害,以广东省云茂高速公路新屋隧道浅埋段为依托工程,提出以地表高压旋喷桩进行预加固的方案,探讨隧道浅埋段高压旋喷桩地表加固机理,系统开展现场试验及加固效果检... 详细信息

为防止隧道浅埋段软弱围岩开挖过程中发生大范围的坍塌和涌水突泥地质灾害,以广东省云茂高速公路新屋隧道浅埋段为依托工程,提出以地表高压旋喷桩进行预加固的方案,探讨隧道浅埋段高压旋喷桩地表加固机理,系统开展现场试验及加固效果检测方案设计。隧道浅埋段软弱围岩高压旋喷桩地表加固机理包括高压浆液喷射流对岩土体加固作用和对隧道浅埋软弱围岩的整体改善作用,其中高压浆液喷射流对岩土体的加固作用为切割置换、搅拌混合、挤压渗透、固结成桩;对隧道浅埋段软弱围岩的整体改善作用包括桩土复合体土拱效应、掌子面防塑性挤出作用以及帷幕阻水作用。为获得浅埋段的地层特性、合理设计参数、最优施工参数等,对于大型和重要工程需进行现场试验,主要内容包括:合理桩间距布置、施工工艺对比以及最优施工参数正交试验等。隧道浅埋段地表加固的主要目的是改善围岩整体性和强度、降低围岩渗透性,建议了加固效果的综合检测方法及标准。

关键词：隧道工程浅埋段高压旋喷桩法加固机理现场试验

全风化花岗岩地层注浆扩散规律与加固机理研究

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全风化花岗岩地层注浆扩散规律与加固机理研究

作者：刘旭中南林业科技大学

学位级别：硕士

全风化花岗岩广泛分布于我国南方地区,是隧道施工过程中穿越频率较高的一类地层。该类地层因具有风化程度高、自稳性差、遇水易崩解等特性,隧道施工时极易造成掌子面失稳、坍塌等工程事故,工程上往往诉求于超前预注浆加固。然而,由于缺... 详细信息

全风化花岗岩广泛分布于我国南方地区,是隧道施工过程中穿越频率较高的一类地层。该类地层因具有风化程度高、自稳性差、遇水易崩解等特性,隧道施工时极易造成掌子面失稳、坍塌等工程事故,工程上往往诉求于超前预注浆加固。然而,由于缺乏对全风化花岗岩地层注浆扩散规律与加固机理的深入认识,注浆工程实践时很难达到加固要求,致使工程灾害频发。本文依托国家自然科学基金(NO.52108389)、博士后面上基金(NO.2022M713654)、湖南省自然科学基金(2021JJ41086)、湖南省教育厅优秀青年课题(20B596)等课题,通过采用模型试验、理论分析、图像识别等研究手段,明确了全风化花岗岩地层注浆扩散模式,探明了全风化花岗岩地层注浆扩散规律,揭示了全风化花岗岩地层注浆加固机理,并将研究成果成功应用于工程实践。主要研究内容和结论如下:(1)获取典型全风化花岗岩土样并开展了室内物理性质测试,明确了全风化花岗岩的工程特性;自主研发了全风化花岗岩地层的注浆模拟试验装置,并且通过设计9组室内模型试验明确了全风化花岗岩地层注浆扩散模式,探究了黏性土颗粒含量、含水率对全风化花岗岩地层注浆扩散模式的影响机制。具体而言:全风化花岗岩地层注浆过程可划分为渗透扩散、挤密软化、劈裂扩散三个阶段,且各阶段表现出特有的扩散特征;含水率的增大会使得全风化花岗岩地层注浆压力峰值减小,黏性土颗粒含量的增加使得注浆压力峰值增大。研究成果可为后续注浆扩散规律与加固机理研究奠定基础。(2)通过开展三因素三水平的正交试验,探明了全风化花岗岩地层注浆扩散规律,并通过图像识别技术揭示了全风化花岗岩地层注浆扩散特征。具体而言,注浆压力对浆液扩散距离影响最大,浆液水灰比次之,地层含水率影响最小;拟合了浆液扩散距离与水灰比、注浆压力、全风化花岗岩含水率3个因素之间的回归方程,可用于指导注浆施工设计;随着浆液水灰比与注浆压力的增大,注浆加固体形态呈现出“椭球状”、“应力薄弱面”以及“片状”等扩散特征。研究成果可为全风化花岗岩地层注浆设计提供理论支持。(3)通过开展三因素三水平的正交试验,揭示了全风化花岗岩注浆加固机理,提出了基于多目标规划的注浆参数确定方法。具体而言,注浆压力是影响加固体抗压强度的主要因素,浆液水灰比是影响注浆加固体抗剪强度的主要因素;拟合注浆加固体的性能指标(抗压强度、抗剪强度、浆脉厚度)与注浆参数(浆液水灰比、注浆压力、全风化花岗岩含水率)之间的关联方程,提出了一种基于全风化花岗岩注浆加固需求的注浆参数预测方法,可快速获取不同含水率地层下最优的注浆压力与浆液水灰比,解决了全风化花岗岩地层注浆加固目标与注浆参数之间难以匹配的实际问题。(4)将研究成果成功应用于某全风化花岗岩地层隧道注浆加固工程,提出合理的注浆施工方案指导工程实践,并开展注浆效果检查。现场应用表明,基于研究成果设计的掌子面超前注浆方案可行,计算获取的注浆参数合理;隧道开挖时掌子面稳定,形成了延展性较好的主干浆脉与分支浆脉,且后续进行开挖施工过程中围岩稳定、未发生隧道塌方、围岩失稳等事故;采用施工方案设计的注浆施工参数进行施工后的拱顶沉降最大为9.36mm,满足施工安全要求。研究成果以期为全风化花岗岩地层注浆理论与试验研究提供参考,也可以为类似工程实践提供借鉴与指导。

关键词：全风化花岗岩注浆扩散规律加固机理工程应用

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MICP加固粉土的力学特性及加固机理研究

MICP加固粉土的力学特性及加固机理研究

作者：朱同宇北京建筑大学

学位级别：硕士

针对黄泛区粉土水稳定性差、强度弱的问题,采用了环境适应性好的微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）方法。首先,提出了适用黄泛区粉土的加固方法;其次,通过三轴渗透试验和固结不排水剪切试验,分析了MICP加固粉土的渗透特性和强度特性;然后,... 详细信息

针对黄泛区粉土水稳定性差、强度弱的问题,采用了环境适应性好的微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）方法。首先,提出了适用黄泛区粉土的加固方法;其次,通过三轴渗透试验和固结不排水剪切试验,分析了MICP加固粉土的渗透特性和强度特性;然后,借助盐酸溶解试验和微观结构分析试验,阐述了碳酸钙产量和孔隙面积比的变化;最后,宏微观相结合,解释了MICP的加固作用机理。主要成果如下:（1）渗透特性方面:随着胶结液浓度、加固轮数、围压和渗水压力的增加,渗透系数显著减小。四种加固变量中,加固轮数的影响最大,甚至达到了隔水的要求;围压和渗水压力的影响次之;胶结液浓度的影响最小。（2）强度特性方面:当加固轮数或围压变大时,加固土的峰值强度和峰值强度时的轴向应变提高。加固土的粘聚力、内摩擦角均随加固轮数、胶结液浓度、碳酸钙产量的增加而升高,随平均孔隙面积比的减小而线性增大。（3）微观结构方面:随着加固轮数或胶结液浓度的增大,碳酸钙产量升高、孔隙面积比减小。局部碳酸钙沿土体高度方向分布不均匀,胶结液浓度降低,碳酸钙分布均匀性提高;距离注浆口越近,局部碳酸钙产量越多。随着平均碳酸钙产量提高,平均非孔隙面积比增大。局部碳酸钙产量变大时,下部非孔隙面积比升高的幅度最大。（4）加固机理方面:碳酸钙沉淀起到两个作用,一是粘结土颗粒,提高粘聚力和内摩擦角;二是堵塞颗粒间孔隙,降低渗透系数、孔隙面积比。胶结液含量相同时,菌液增加有利于提高加固效果。

关键词：黄泛区粉土微生物诱导碳酸钙沉淀渗透系数抗剪强度加固机理

孤岛煤柱锚杆支护加固机理及其承载力预测研究

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孤岛煤柱锚杆支护加固机理及其承载力预测研究

作者：苏垚辽宁工程技术大学

学位级别：硕士

孤岛煤柱是指三面临空或四面临空的采空区中夹岩柱,其强度和稳定性对于整个采空区的结构稳定性具有非常重要的作用,对其进行锚杆加固,对提高采空区围岩的整体稳定性具有重要意义。通过室内试验对不同锚固密度下的锚固体进行抗压承载力研... 详细信息

孤岛煤柱是指三面临空或四面临空的采空区中夹岩柱,其强度和稳定性对于整个采空区的结构稳定性具有非常重要的作用,对其进行锚杆加固,对提高采空区围岩的整体稳定性具有重要意义。通过室内试验对不同锚固密度下的锚固体进行抗压承载力研究,不同锚固密度下锚固并施加预紧力,得出约束其内部张拉和剪切裂隙的发育存在一定规律。锚固支护抗压承载力模型试件,随着锚杆锚固密度的增大对锚固体抗压承载力呈线性增大。锚杆受拉与模型试件受压协同受力作用下,锚固密度的增大,对锚固体整体抗压承载力起到了必不可少的增强作用。煤矿巷道开采作为一项地下高风险建设工程项目,各领域学者对其开采稳定性进行研究。但对于孤岛煤柱锚固支护技术没有统一的设计理论。现对孤岛煤柱,通过不同锚固密度下支护巷道帮部的加固方法对其开采。为了得出巷道开采存在最佳锚固密度的加固技术,对不同锚固密度下锚固体破坏加固机理及承载力进行研究。研究表明:(1)室内试验在锚固体范围内的综合应力并不是1+1=2状态下的线性叠加作用力,而是1+1>2的非线性锚固体协同作用力,有效控制锚固体整体变形。验证得出:锚杆支护孤岛煤柱的协同锚固作用,能够有效改善和提升锚固体整体承载力状态及抗变形能力。对室内试验锚固体的加固机理结合孤岛煤柱开采进行理论分析,为巷道开采进一步的稳定加固提供理论依据。(2)通过室内试验分析各种值存在的联系,总结了室内试验锚固体的“协同作用加固”机理,并通过室内试验模型加载曲线图与推出的理论承载力预测公式相对应,验证得出存在最佳锚固密度。同理:通过数值模拟建立孤岛煤柱锚固支护体受力模型,进行分析开采后的应力、位移等值,总结不同锚固密度下锚固体承载力和稳定性的变化规律。得出当存在最佳锚固密度,理论承载力预测公式则可应用于类似工程计算的参考和借鉴。(3)通过8种不同锚固密度支护下的室内试验,研究了锚固体加固机理及承载力,结合数值模拟,对3种不同锚固密度支护并施加不同预紧力下的孤岛煤柱进行分析。结果表明:存在最佳锚固密度支护下,孤岛煤柱无明显大变形破坏,具有较高的安全性和稳定性。该论文有图47幅,表2个,参考文献90篇。

关键词：锚杆承载力加固机理巷道开采锚固支护

土石混合体回填土注浆扩散加固机理及效果评价研究

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土石混合体回填土注浆扩散加固机理及效果评价研究

作者：邹鸿重庆大学

学位级别：硕士

山地城市重庆由于自身地形地貌的限制,在建设发展过程中形成了广泛分布的土石混合体回填土区域。土石混合体回填土具有稳定性差、结构松散和胶结能力弱等特点。而关于土石混合体回填土地层的TBM隧道施工经验空白,为扩展TBM在重庆轨道交... 详细信息

山地城市重庆由于自身地形地貌的限制,在建设发展过程中形成了广泛分布的土石混合体回填土区域。土石混合体回填土具有稳定性差、结构松散和胶结能力弱等特点。而关于土石混合体回填土地层的TBM隧道施工经验空白,为扩展TBM在重庆轨道交通建设的应用范围和保障其施工安全性,隧道在穿越土石混合体回填土地层时需采取预注浆加固措施,以避免产生地表和围岩大变形、不均匀沉降、坍塌、盾构机卡节、纠偏困难等问题。本文以重庆市轨道交通4号线王家城站～生基堡站区间隧道工程为依托项目,针对山地城市轨道交通隧道穿越深回填土区的工程特点和施工难题,采用现场试验、室内试验及数值模拟等方法,对土石混合体回填土注浆扩散加固机理及注浆效果评价方法进行了系统深入的研究,主要研究内容与成果如下:(1)通过对现场注浆试验段结石体的取样调查和设计注浆扩散模型试验,揭示了浆液在土石混合体回填土中的扩散机理;通过土石混合体回填土现场注浆扩散试验,分析了不同类型浆液和浆液配合比条件下的浆液扩散半径规律,并根据试验结果对现有注浆方案进行了优化。(2)开展了土石混合体-浆液胶结体单轴压缩试验和直接剪切试验,获得了土石混合体-浆液胶结体在不同影响因素下的力学参数;基于试验数据和现象,探讨了浆液类型、含石量和轴向压力水平等因素对胶结体强度的影响,分析了胶结体的典型破坏特征和破坏模式。(3)开展了扫描电镜微观检测试验,对宏观力学性能测试试验后的碎片试样进行了表面形貌分析和成分分析,通过对比胶结表面细观缺陷、水化产物的分布和数量、胶结界面的结合状况等差异,分析了不同类型浆液的胶结能力和胶结机理,并形成宏观-细观对比验证。(4)基于颗粒流方法软件PFC构建了土石混合体回填土注浆扩散模型。从力链演化、孔隙率变化、应力分布和劈裂-扩散形态等细观层面对依托工程的注浆扩散过程及扩散机理进行了验证和分析,并在此基础上探讨了注浆压力、注浆深度、含石量等因素对土石混合体回填土注浆扩散效应的影响。(5)提出了适用于土石混合体回填土注浆效果评价的综合方法。采用地质雷达探测法、剪切波速测试法和钻孔取芯法相结合对注浆加固区域进行了测试和分析,测试结果显示注浆效果明显,目前重庆轨道交通4号线王家城站～生基堡站区间左线盾构隧道已成功完成掘进,验证了该综合评价方法的有效性。

关键词：土石混合体浆液扩散试验加固机理数值模拟注浆效果