物化型軟巖包覆改性的基礎(chǔ)理論及其應(yīng)用.pdf

1、物化型軟巖是指含有大量黏土礦物，在工程擾動下易于發(fā)生失水一吸水產(chǎn)生脹縮性和工程特性持續(xù)降低的軟弱巖體，它是礦業(yè)工程、巖土工程、水電工程、地下儲庫等領(lǐng)域經(jīng)常涉及到的重大巖石力學(xué)問題之一。由于物化型軟巖具有水化膨脹、強度降低和軟化崩解等物理力學(xué)特性，對許多重大工程的穩(wěn)定性產(chǎn)生了極大的影響，并造成巨大的經(jīng)濟損失。 已有的軟巖工程穩(wěn)定性控制理論與方法均集中于被動支護與錨固，研究的重點放在對已破碎或軟化崩解的軟巖的加固上。實踐證明，支護與

2、錨固方法僅對應(yīng)力型軟巖和結(jié)構(gòu)型軟巖有明顯的控制效果，而對物化型軟巖的水化膨脹、碎脹擴容、強度降低收效甚微。由于地下水、應(yīng)力及其它惡劣環(huán)境的作用，支護系統(tǒng)不能承受巨大膨脹與碎脹應(yīng)力，而錨固系統(tǒng)又沒有足夠的著力點，導(dǎo)致支護和錨固系統(tǒng)在物化型軟巖工程中往往失效。 本文在對國內(nèi)外相關(guān)理論與技術(shù)充分研究與分析的基礎(chǔ)上，改變以往一味追求被動支護或錨固的方式，提出通過改性材料改變物化型軟巖的物性，達到防止、減弱或減緩物化型軟巖物理力學(xué)性能的易

3、變性，達到提高工程軟巖長期穩(wěn)定的軟巖工程穩(wěn)定性控制理論及技術(shù)，并圍繞這個主題進行了深入的研究，所進行的工作及取得的創(chuàng)新成果主要有: 1、通過X-射線衍射、X-射線熒光光譜分析、掃描電鏡等先進的技術(shù)手段，對取自8個典型軟巖礦區(qū)的15種物化型軟巖樣品的礦物組成、化學(xué)成分、微結(jié)構(gòu)形態(tài)等礦物學(xué)特征進行了系統(tǒng)研究，在此基礎(chǔ)上選取以蒙脫石含量為主和以高嶺石含量為主兩類軟巖作為研究對象，通過氮氣等溫吸附、紅外光譜分析以及巖石的物理化學(xué)測試等手

4、段對其表面凹凸形貌特性、孔裂隙分布特性等表面特性與表面潤濕性、表面能、表面官能團、表面電性等表面性質(zhì)進行了定性和定量研究，為軟巖改性提供了礦物表面結(jié)構(gòu)和表面物理化學(xué)基礎(chǔ)。 2、基于對物化型軟巖的物質(zhì)組成、礦物結(jié)構(gòu)及其失水-吸水過程的物理力學(xué)機制的研究，提出了物化型軟巖由硬質(zhì)砂粒-黏土礦物疊層構(gòu)成的四面體微結(jié)構(gòu)單元的脹縮幾何模型，建立了相應(yīng)的脹縮幾何方程，為定量進行軟巖的脹縮性能研究提供了理論基礎(chǔ)。 3、采用自由基溶液共聚

5、和溶膠-凝膠法合成了一種室溫固化的新型改性材料，探討了其在軟巖表面的成膜機理，并對它的結(jié)構(gòu)、疏水性、膜層牢固性、防水性等性能進行了研究。同時鑒于硅烷偶聯(lián)劑的優(yōu)異性能，選擇其作為改性材料，對其防水性、強度特性進行了研究，為軟巖包覆改性提供了材料基礎(chǔ)。 4、在合成新型改性材料性能研究的基礎(chǔ)上，選擇配比3作為改性材料，進行了改性前后軟巖顆粒自由膨脹性、塊度崩解性等對比試驗研究。結(jié)果表明改性后軟巖顆粒自由膨脹性和塊體崩解性明顯減弱。