富水石英砂砾层盾构施工的土体改良试验

针对某石英含量较高的富水砂砾地层地铁工程进行了系统的土体改良试验,并以室内试验的添加剂配比方案为基础进行了现场掘进应用及施工试验.结果表明:通过土体改良试验得到了最优的室内试验添加剂配比,即在天然含水率条件下泡沫注入比为10%,泥浆注入比为23%~25%;现场施工应密切关注土仓与螺旋输送机的压力平衡关系,并调整添加剂注入量,以达到防止盾构喷涌和控制刀盘载荷的目的,并使得渣土的坍落度和稠度分别保持在20cm和8cm左右.     

泡沫稳定性对土压平衡盾构砂卵石渣土改良效果

为确保土压平衡盾构在砂卵石地层施工时切削的渣土具有良好的工程特性,以成都轨道17号线明九区间2号风井—九江北区间为背景,采用不同稳定性的泡沫剂分别掺入卵砾石含量为20%、40%和60%的砂卵石渣土中,开展室内坍落度试验、渗透试验和喷涌试验,研究各种泡沫土流动性、渗透性和时效性的变化规律,探讨泡沫剂稳定性与砂卵石渣土的适应性。结果表明：稳定性好的泡沫能够适应卵砾石含量低于60%的砂卵石土层,即泡沫稳定性的提高有利于扩大砂卵石地层的适用范围;稳定性好的泡沫剂能够保持改良砂卵石渣土掘削排渣全过程良好的流动性、抗渗性;过量的泡沫掺入改良的砂卵石渣土易发生离析,造成改良后的渣土难以达到良好的和易性;泡沫改良砂卵石渣土的喷涌压力可作为检验改良效果的重要指标。     

土压平衡盾构改良渣土力学行为及其地层响应特征

基于土压平衡盾构改良渣土的力学行为直接影响着土舱压力传递性、地层沉降和开挖面稳定性,以南昌地区泥质粉砂岩和砾砂作为试验材料,采用泡沫剂和膨润土泥浆为改良剂,对渣土进行三轴快剪(不固结不排水)试验,并基于三维数值模拟,分析渣土改良对地层响应的影响。研究结果表明:改良和未改良渣土的应力-应变曲线都近似于硬化型曲线,并且硬化曲线特征不受改良剂的影响;改良后渣土的抗剪强度大幅度减小,改良剂添加率越高,渣土抗剪强度越低,改良效果越好;泡沫和膨润土泥浆对渣土的改良机理存在一定差异,采用泡沫改良渣土能降低渣土内摩擦角和黏聚力;采用膨润土泥浆改良渣土能减小渣土内摩擦角,而其黏聚力小幅度增大;考虑改良渣土和盾构机刀盘的影响时,开挖面支护应力曲线呈现出非线性,其分布受刀盘开口分布位置的影响;开挖面的支护应力和地层响应均受到渣土改良的影响,改良效果越好,开挖面支护应力越小,开挖面前方地层沉降越大;与采用膨润土泥浆改良渣土相比,采用泡沫改良渣土后开挖面支护应力较小,地层沉降较大。     

富水砂层土压平衡盾构施工渣土改良试验

针对深圳的富水砂层,采用泡沫、膨润土以及高分子聚合物等添加剂,改良盾构施工渣土,进行现场坍落度试验.基于现场试验结果,通过对土样进行电镜扫描以及压缩、渗透等室内试验研究,分析了改性渣土细观结构以及渗透、压缩特性的变化.对添加剂改善富水砂性土的流塑性、保水性以及开挖面动态土压平衡机理作了较深入的探讨.结果表明,富水砂层中,采用质量比为1∶7、外掺量为8%~10%的膨润土进行渣土改良,可满足施工需求.     

硬塑高黏度地层盾构施工土体改良试验研究

以上海6号土中盾构施工为研究背景,进行硬塑高黏度土体改良的室内试验.选择3种添加剂研究其对渣土性能的影响,并综合分析其最优注入率范围.研究表明:单独使用泡沫需在增加土样含水率到30.0%条件下,控制泡沫注入率(质量比,下同)为30.0%时较好;高分子材料和减黏剂则需在同样含水率下使其注入率分别为6.0%、5.5%时最佳;高分子材料和泡沫组合在高分子材料注入率、泡沫注入率分别为3%、20%时,减黏剂和泡沫组合在减黏剂注入率、泡沫注入率分别为3%、15%时效果更为合适.利用该配比方案进行现场掘进试验,所得结果可为类似地层盾构施工土体改良提供参考.     

富水砂卵石地层冻结孔钻进泥浆配比优化研究

在富水砂卵石地层地铁联络通道近水平冻结孔钻进时,因泥浆黏度低,稳定性差,护壁及润滑作用弱造成泥浆损失及钻头磨损严重、塌孔、卡钻和断杆等问题。为了优化富水砂卵石地层下冻结孔钻进泥浆配比,通过单因素试验以及响应面分析法中的Box-Benhnken(中心组和)正交试验方法进行试验设计与数据分析,得出适用于富水砂卵石地层冻结孔钻进泥浆优化配比。基于北京地铁12号线的工程应用表明：采用优化泥浆配比,即膨润土含量为7.18%,水解聚丙烯酰胺含量为0.20%,钠羧甲基纤维素含量为0.19%,硫酸铝的含量为0.03%时,泥浆黏度提高32%,泥皮厚度增加了20%,滤失量减少了30%,润滑系数减少了60%,冻结孔钻进泥浆主要性能指标明显改善,冻结孔打钻时的减阻效果显著,钻杆所受轴力平均减少15%,所受扭矩平均减少13%,泥浆的膨润土用量和回流损失量减少了30%,材料成本明显降低,未发生塌孔、断杆和卡钻等工程事故,冻结孔钻进效率及成孔质量明显提高。     

粉质黏土替代膨润土改性泥浆配比试验

为解决土压平衡盾构及车站基坑开挖过程中产生大量废弃粉质黏土的现状,提出一种利用废弃粉质黏土调制泥浆改良盾构渣土的新方案。以沈阳地区粉质黏土为研究对象,通过添加不同的外加剂对粉质黏土泥浆进行改性,研究泥浆土水比、外加剂种类及掺量变化对改性泥浆的漏斗黏度、酸碱度、滤失量和胶体率的影响。通过扫描电镜(scanning electron microscope, SEM)研究了粉质黏土泥浆的微观改性机理。结果表明：纯粉质黏土泥浆自身稳定性差、泌水量大,无法有效改良渣土;碳酸钠和焦磷酸钠对粉质黏土泥浆的改性效果较好,合理掺入量为1%～3%;改性后的粉质黏土泥浆可有效改良砾砂地层渣土的塑流性,合理粉质黏土泥浆土水比为9∶11、焦磷酸钠掺量为3%,注入比为24%～28%。研究结果验证了粉质黏土泥浆用作盾构渣土改良剂的可行性,为废弃粉质黏土再利用提供了新思路。     

高渗透地层土压盾构渣土改良试验研究

土压平衡式盾构施工在砾砂地层中容易出现螺旋排土器喷涌等问题,为了维持开挖面稳定,使盾构顺利掘进,需要对土压舱内的渣土进行改良.传统的渣土改良方案如加膨润土泥浆和气泡很难满足改良要求,文章通过对砾砂地层土颗粒的级配特征进行分析,发现砂砾地层缺少0.075~0.05 mm和0.25~0.01 mm粒组,通过粉土补充该粒组即在膨润土泥浆中掺入粉土对渣土进行改良,渣土的渗透系数大幅下降,改良效果良好.     

基于紧密堆积理论的风积沙-再生复合微粉UHPC配合比设计及验证

利用再生复合微粉和风积沙，分别部分取代水泥和天然河砂制备超高性能混凝土.基于紧密堆积理论，采用修正的安德森模型对UHPC胶凝材料和细骨料的颗粒配比进行计算，得到紧密堆积状态下UHPC颗粒的计算配比.通过正交试验分析再生复合微粉、风积沙、钢纤维、水胶比和胶砂比5种因素分别对UHPC的流动度、抗压强度和抗折强度的影响，结合试验结果确定5种因素的最优组合：再生复合微粉掺量为10%～15%(质量分数),风积沙掺量为30%(质量分数),钢纤维掺量为2.5%(体积分数),水胶比为0.16,胶砂比为0.8～1.1.试验最优组合与计算配比结果吻合程度较好，验证了修正的安德森模型用于此环保型超高性能混凝土配合比设计的适用性和准确性.     

改良钙基膨润土在竖向隔离墙中的应用

为提高钙基膨润土作为竖向隔离墙泥浆材料的适用性,对添加不同六偏磷酸钠掺量的泥浆进行了马氏黏度、泥浆密度、滤失量和pH试验,研究不同磷酸盐和膨润土掺量下泥浆的工程特性变化规律.试验结果表明,马氏黏度和泥浆密度随磷酸盐和膨润土掺量增加表现出不同程度增加;相反,滤失量和pH值随磷酸盐和膨润土掺量增加呈不同程度降低.其中,受泥浆较高钙基膨润土掺量影响,传统钠基膨润土泥浆密度要求或不适用于钙基膨润土情况.所有膨润土掺量下的素土泥浆均不满足隔离墙泥浆滤失量要求,六偏磷酸钠对提高泥浆工程特性起积极作用.含20%膨润土掺量的2 SHMP-CaB泥浆满足工程指标要求,同时具有较低磷酸盐消耗量,因而考虑其作为优选泥浆;建议改良钙基膨润土最优六偏磷酸钠掺量为2%.     

暗挖车站洞内地下连续墙施工地层效应分析

地下水资源对经济社会的可持续发展具有十分重要的作用。为了顺应国家对水资源的保护政策，北京地铁16号线在施暗挖车站—看丹站首次尝试以导洞内地下连续墙替换传统边桩施工的方式，以期达到承载和止水的双重目的。虽然施作的试验段取得了较好的效果，但北京地区地层复杂，局促低矮空间内的洞内地连墙施工能否大范围顺利推广实施仍存在争议。本文以北京地铁16号线看丹站、首都机场西沿线北新桥站和北京地铁7号线广渠门外站为代表，采用Midas软件对边导洞内地下连续墙施工过程进行数值模拟，揭示北京地区砂卵石、粉质粘土和砂卵石-粉质粘土互层三种典型地层条件下洞内地下连续墙施工诱发的环境响应。结果表明：1）在其他条件相同的情况下，砂卵石地层中地下连续墙施工引起的地表沉降值最小，粉质粘土地层地下连续墙施工引起的地表沉降值最大。2）洞内地下连续墙施工引起导洞拱顶沉降值大小排序为：砂卵石地层<砂卵石-粉质粘土互层地层<粉质粘土地层。3）相比于砂卵石-粉质粘土互层地层及粉质粘土地层，砂卵石地层条件下，洞内地下连续墙施工引起的围岩塑性应变值及应变范围最小，对周围土体扰动较小。     

全强风化砂页岩地层压密加固效果试验

全强风化砂页岩地层注浆加固工程中常常伴随着地层压密现象，压密加固后地层的物理力学性能得到显著提升。为了研究全强风化砂页岩地层的注浆压密效果，以压缩模量、粘聚力、内摩擦角、渗透系数作为表征地层物理力学性能的主要指标，通过开展室内试验，获得了不同注浆压力与含水率条件下地层力学性能的提升规律，建立了可定量化描述不同含水率条件下注浆压力与地层物理力学参数的关系模型。研究结果表明：通过提高注浆压力可显著提高全强风化砂页岩地层压缩模量，高注浆压力作用下，地层压缩模量最大增长近10倍。当注浆压力处于较低水平时，加固后地层粘聚力的提升受含水率和注浆压力影响明显。当注浆压力处于较高水平时，加固后不同含水率情况下地层土体粘聚力基本趋于一致，地层粘聚力的提升不再受含水率的影响。地层内摩擦角在注浆压密后的提升程度始终受自身含水率的影响。注浆压力的提升可进一步提高地层的抗渗能力。采用建立的注浆压力-地层物理力学参数关系模型对某工程实例进行计算分析，给出了满足地层加固要求的注浆压力设计值，注浆治理后开挖揭露浆脉清晰、地层稳定，所提出的模型可为全强风化砂页岩地层注浆治理参数设计提供参考。     

注气速度对空气泡沫防气窜性能影响的实验研究

通过岩心渗流物模实验,采用气液同注方式,对不同注气速度条件下空气泡沫防气窜能力进行了实验研究。实验测量了岩心两端注入压差随注气速度增长的变化值,对比了含聚泡沫和无聚泡沫防气窜能力,得出在注气速度一定的情况下,含聚泡沫的注入压差明显高于无聚泡沫,且含聚泡沫能在更高的注气速度条件下防气窜,并且界定了气窜发生的临界注气速度。     

单一关键层结构与上覆厚沙土层耦合作用研究

通过物理相似模拟实验,对单一关键层结构与其上厚沙土层的耦合作用关系进行了研究,得出厚沙土层的破坏规律和破坏后的厚沙土层作为载荷作用在关键层(关键块)结构上的载荷传递规律,为建立顶板动态结构理论奠定了基础。     

塔河缝洞型碳酸盐岩油藏注气提高采收率物理模拟研究

鉴于塔河缝洞油藏单井注气吞吐试验取得了较好采油效果,为将注气技术从单井吞吐向单元区块进行推广,有必要优化缝洞型油藏单元注气方式。本文首先通过岩板刻蚀缝洞模型来研究不同气驱方式的产液特征、产液规律,在此基础通过具有类似缝洞结构的玻璃刻蚀模型开展可视化物理模拟研究来定性解释上述规律产生的机制。板状模型物理模拟研究发现,缝洞模型水驱后以不同方式注气,第一阶段皆表现为产水、不出油;不同注气方式产油速度、采收率增值差别较大。从采油速度看,转单纯注气效果优于气水同注、气水交替和注泡沫;从采收率增值看,泡沫驱 >气水同注> 纯氮气驱 >气水交替。研究表明,水、气体、泡沫在缝洞介质中流动特征可概括为：气往高处去,水往低处流,泡沫高低都能走,上述驱替介质在缝洞模型中特定的行进方式决定了其对水驱剩余油的作用机制和产液特征。     

沈阳砂土地层含翼缘钢顶管摩阻力计算方法

基于Staheli的圆形顶管拱顶竖向土压力计算方法,推导出含翼缘异形钢顶管的拱顶竖向土压力计算方法.通过室内改进的直剪试验,得到了钢顶管与沈阳砂土、砂浆混合液与存泥浆之间的摩擦系数.通过现场监测,得到了含翼缘异形钢顶管顶力、摩阻力随顶程的变化规律.综合以上拱顶竖向土压力的理论推导与管土摩擦系数的室内试验,提出了含翼缘异形钢顶管摩阻力理论计算方法,将该方法的计算结果和现场观测数据进行了对比,得到较好的一致性,验证了所提方法的可行性.     

砂卵石地层非稳定流回灌模型试验研究

为研究砂卵石地层回灌渗流场水头时空分布规律,依托济南轨道交通R1线地下车站基坑工程,研制了回灌模型试验系统,分别进行了潜水层和承压水层单井回灌模型试验,建立了适用于砂卵石地层的非稳定渗流单井回灌数学模型。试验结果表明,在承压水工况下,基于Theis非稳定流公式的计算数据和监测数据的水头变化趋势基本一致,皆为凸形曲线,但数值上存在明显的误差。在潜水工况下,Theis公式只能描述其饱和渗流阶段的变化趋势,并不适用非饱和渗流阶段。在定量回灌条件下,距离回灌井越近的地方越先达到饱和渗流。最后,回灌存在井损现象,井损水头占回灌水头的3.2%～52.5%左右。     

MD膜驱剂与烷基季铵盐复配改性黏土防膨性能研究

以一种二价季铵盐(MD膜驱剂)与四乙基溴化铵[(Et)4NBr]、十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)的复配溶液为改性剂,考察改性膨润土的膨胀性以及复配体系中不同烷基季铵盐在改性膨润土层间的吸附量.对改性膨润土用X射线衍射(XRD)、傅立叶红外(FT-IR)和热重(TG)分析表征.结果表明:与MD膜驱剂单独改性膨润土相比,不同复配体系进入膨润土层间,使得层间距降低,有较好的防膨作用.相同浓度时,膨润土对(Et)4NBr或MD膜驱剂的摩尔吸附量低于DTAB或CTAB,且膨润土对MD膜驱剂与DTAB、CTAB复配溶液的吸附量大于对MD膜驱剂单独改性的吸附量.     

泡沫分流特性研究及应用

泡沫流体在储层酸化中起着重要作用.通过实验研究了泡沫的分流特性,分析了泡沫酸的分流效果.结果表明:泡沫流体在含油岩心中的渗流阻力比在饱和水岩心中的渗流阻力要小得多,泡沫可以大幅提高含油岩心分流量,降低饱和水岩心分流量,具有显著的选择性,含油饱和度是影响泡沫分流效果的最主要因素;泡沫流体在非均质地层中可以有效地控制吸入剖面,降低高渗层的吸入量,提高低渗层的吸入量,使注入流体在不同渗透率地层内均匀推进.现场应用进一步表明,泡沫酸酸化能够有效地增加中低渗透层吸酸量,扩大酸化范围,提高酸化效果.