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(dòng)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(chǔ)庫(kù)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(qiáng)度降低和軟化崩解等物理力學(xué)特性，對(duì)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(jì)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(dòng)支護(hù)與錨固，研究的重點(diǎn)放在對(duì)已破碎或軟化崩解的軟巖的加固上。實(shí)踐證明，支護(hù)與

2、錨固方法僅對(duì)應(yīng)力型軟巖和結(jié)構(gòu)型軟巖有明顯的控制效果，而對(duì)物化型軟巖的水化膨脹、碎脹擴(kuò)容、強(qiáng)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(hù)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(diǎn)，導(dǎo)致支護(hù)和錨固系統(tǒng)在物化型軟巖工程中往往失效。 本文在對(duì)國(guó)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(dòng)支護(hù)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(dá)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(dá)到提高工程軟巖長(zhǎng)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(gè)主題進(jìn)行了深入的研究，所進(jìn)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(jìn)的技術(shù)手段，對(duì)取自8個(gè)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(jìn)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(duì)象，通過氮?dú)獾葴匚?、紅外光譜分析以及巖石的物理化學(xué)測(cè)試等手

4、段對(duì)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(rùn)濕性、表面能、表面官能團(tuán)、表面電性等表面性質(zhì)進(jìn)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(duì)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(jī)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(jìn)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(jī)理，并對(duì)它的結(jié)構(gòu)、疏水性、膜層牢固性、防水性等性能進(jìn)行了研究。同時(shí)鑒于硅烷偶聯(lián)劑的優(yōu)異性能，選擇其作為改性材料，對(duì)其防水性、強(qiáng)度特性進(jìn)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(jìn)行了改性前后軟巖顆粒自由膨脹性、塊度崩解性等對(duì)比試驗(yàn)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。