盾构隧道渣土的物理力学性质及资源化利用研究

为应对盾构隧道渣土日益庞大的产量，形成对盾构渣土的资源化利用体系的系统性认识是有必要的.取样得到国内6个不同城市的典型盾构隧道工程所产生的渣土，并对其进行试验得到了不同城市盾构渣土的含水率、液塑限含水率、颗粒粒径、贯入指数、CBR承载比等物理力学性质，探讨了盾构渣土潜在的资源化利用前景.阐述了目前盾构渣土的资源化处理技术的原理、适用场景、品质要求，据此结合盾构渣土的物理力学性质进行分析，提出了不同性质渣土的分类体系，从而说明不同性质渣土可能的处理方式，进一步总结出一套盾构渣土综合利用途径流程，以期为我国的盾构渣土的资源化利用发展提供一定参考.     

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。     

尾矿膏体流变学参数试验方法

在圆柱体塌落度试验数学模型的基础上,利用不同的尾矿样品,对不同直径、不同高度的圆柱体进行了塌落度试验研究,同时利用HAAKEVT550粘度计对相应的屈服应力进行了精确测定。通过两种结果的比较,揭示了塌落度圆柱体尺寸的变化对屈服应力的影响。同时显示了直径为Φ50 mm、Φ70 mm的塌落度试验圆柱体的高度为100 mm时,其屈服应力值与粘度计非剪切屈服应力值吻合良好。在此基础上,利用直径为Φ50 mm、高度为100 mm的圆柱体对四种不同的尾矿样品进行了塌落度与HAAKEVT550粘度计试验分析,并对其结果进行了对比;结果表明了塌落度试验所得到的屈服应力值与粘度计测定的精确屈服应力值吻合度良好。因此,可作为屈服应力测定的可靠手段。     

不同粒径尾砂料浆塌落度和屈服应力关系

尾砂料浆的流变特性既是水砂充填管道输送设计的重要指标,也可为尾砂胶结料浆的流动特性评价提供参考。基于标准塌落筒试验和流变试验,获得了不同质量浓度下4种尾砂料浆的塌落度和剪切屈服应力。结果表明：在料浆塌落度变化较大的质量浓度区间内,粗、细粒径尾砂料浆的塌落度均随料浆质量浓度的增加而减小,但细粒径尾砂料浆塌落度减小速度更快;随着质量浓度的增加,细粒径尾砂料浆的剪切屈服应力呈指数形式增大,而粗粒径尾砂料浆的屈服应力的变化相对不显著。通过分析粗、细尾砂料浆的塌落度和流变试验结果,发现料浆塌落度与屈服应力之间呈指数关系。     

砂卵石地层土压平衡盾构施工渣土改良试验

砂卵石地层土压平衡盾构施工时需进行渣土改良,提高渣土的流塑性.针对成都砂卵石地层采用泡沫、膨润土和聚合物进行改良,进行室内塌落度试验、搅拌试验和泥浆黏度试验来确定配比.研究结果表明,钠基膨润土比钙基膨润土具有更好的膨化能力,且不发生分层,更适用于渣土改良.案例中膨润土单独改良的合理配比为泥浆质量分数14.3%,注入量体积比20%.泡沫改良时注入率受渣土含水率影响较大,土体含水率越大,泡沫最佳注入率越小.泡沫加膨润土共同改良比两者单独改良效果要好,选择泡剂质量分数为3%、泥浆质量分数为14.3%,添加量在某一个范围,有多种组合都可以满足要求;当泥浆注入量体积比为12%时,泡沫最优注入量体积比为15%～20%;当泥浆注入量体积比为6%,泡沫最优注入量体积比为30%～35%.当地下水丰富时,需要添加聚合物;正常情况下也可降低膨润土泥浆浓度,添加聚合物,来节省膨润土用量,从而降低工程成本.     

郑州市地铁粉质黏土层中盾构渣土制备同步注浆材料特性

为解决地铁区间盾构施工中掘出的盾构渣土难以安置、污染环境、难以回收利用等问题,探讨通过利用盾构区间掘进渣土替代部分中砂制备新型同步注浆材料,实现盾构区间渣土固废资源化利用。以郑州市地铁4号线区段的盾构掘出渣土为研究对象,根据X射线衍射技术(XRD)分析的渣土化学成分组成,选择盾构渣土掺量和水胶比作为影响因素设计调整配比试验,根据不同条件下的试验现象和结果,对比分析地铁盾构渣土掺量及水胶比对材料工作性能以及力学性能的影响;参考规程以稠度、流动度、经时稠度损失、经时流动度损失、分层度、泌水率、结石率等指标评判材料的工作性能,并以3 d抗压强度、28 d空气环境成型抗压强度、28 d水下环境成型抗压强度、水陆抗压比等指标评判材料的工作性能,探讨盾构渣土制备同步注浆材料的可行性。研究结果表明:随着粉质黏土为主的盾构渣土掺量增加,材料的稠度、流动度等工作性能逐渐下降,但盾构渣土在60%替代掺量(质量分数)时能够优化材料级配、加强材料的抗压强度,在无外加剂强化条件下,3 d抗压强度可达到1.17 MPa,28 d空气环境成型抗压强度可达到2.66 MPa;且比表面积较大的盾构渣土改善了传统注浆材料结石率较低以及泌水的问题,结石率可达到96%以上,泌水率为1%左右,但需水量的增加使得该新型同步注浆材料的水胶比较传统注浆材料大,推荐合理的水胶比在1.2～1.3;在无水下抗分散剂强化的情况下,水陆抗压比指标略低于性能要求,其余性能指标均能够达到同步注浆材料性能的规程要求。通过该方法将盾构掘进渣土进行固废资源化利用,具有经济效益、社会效益,材料的性能可调节范围大,具备可行性。     

压实红粘土抗剪强度特性研究

红粘土的强度特性直接关系到路基的稳定和边坡坡度的选取,是红粘土地基工程、边坡工程和洞室工程设计计算的重要参数。直剪试验与三轴试验是室内测定土的抗剪强度指标最常用的两种试验方法。试验所用的土样取自贵州大学西校区某基坑,采用直剪试验与三轴试验测定红粘土抗剪强度,并进行了比较。结果表明,粘聚力随含水率的增大而减小,最佳含水率前,减小幅度较小,超过最佳含水率后,减小幅度较大;粘聚力随压实度的增大而增大,同一压实度下,最佳含水率前的粘聚力远远大于最佳含水率后的粘聚力。内摩擦角随含水率的增大而减小,随压实度的增大而增大;粘聚力随含水率、压实度的变化幅度远远大于内摩擦角的变化幅度。同一含水率同一压实度下,不固结不排水三轴试验得到的粘聚力和内摩擦角比直剪(快剪)试验的结果要大。     

盾构穿越软硬复合地层开挖面稳定性分析

盾构穿越复合地层尤其是上软下硬地层时, 开挖面失稳形式多样、受力机理复杂, 由于开挖面失稳而导致的工程灾害时有发生. 依托佛莞城际铁路隧道工程, 构建三维有限元数值模型并引入参数地层复合比对部分楔形体理论进行改进, 分析盾构穿越上软下硬地层时不同地层复合比和软土内摩擦角对开挖面稳定性的影响. 研究结果表明: 盾构开挖面最大变形出现在软土区域中某个特定位置, 与软土比例有关;开挖面位移随着支护压力的减小可分为缓慢增长、急剧增大、失稳破坏三个阶段, 当支护压力比接近极限支护压力比时, 开挖面变形将急剧增大;改进的部分楔形体模型理论解与数值模拟结果相吻合, 该理论具有一定的合理性. 研究成果可为类似地层隧道盾构施工提供一定的理论指导.     

碳纤维混凝土导电性能试验研究

通过掺入不同含量碳纤维的三种不同强度混凝土的试验,分别对其塌落度、强度、电阻的变化与碳纤维含量的关系以及电阻与养护期龄的关系进行了研究,得出了碳纤维混凝土导电性能的变化规律并对其原因进行了分析.     

甘肃黑方台黄土压缩试验研究

以黑方台地区原状黄土为对象,开展不同含水率试样的侧限压缩试验,对比分析了不同荷载下各含水率试样的e-lgp曲线,采用双对数坐标法确定了试样的结构屈服应力,对黑方台原状黄土压缩试验结果进行拟合分析。结果表明:随着试样含水率的增高,其对应的e-lgp曲线呈依次降低的趋势,但15%含水率试样与20%含水率试样对应的e-lgp曲线间具有较大空隙,说明含水率为15%20%是试样结构发生较大变形的临界值;各含水率试样在试验过程中都存在结构屈服应力,天然状态下黑方台原状黄土的结构屈服应力为99 k Pa,但随着含水率增高,其结构屈服应力值持续降低;基于岩土破损力学理论基础建立的数学表达式确定出了黑方台原状黄土材料参数B值为0.011 3,并将模拟结果与试验数据进行对比,得到了较好的拟合结果。     

富水黏土地层盾构隧道开挖面稳定性

富水黏土地层盾构隧道施工过程中,确定合理的开挖面支护力对于安全掘进至关重要。针对富水黏土地层盾构隧道,对不排水条件下的开挖面稳定性展开了研究。通过数值模拟研究,分析了直径D、埋深比C/D与内聚力c对极限支护力的影响规律;推导已有的适用于不排水分析的开挖面主动破坏模式并分析其功率构成,结合黏土不排水离心试验得到破坏区域范围,对极限分析法获得的极限支护力进行了修正。最后,利用理论解析法与数值模拟方法对常州地铁工程某标段区间盾构隧道段进行开挖面稳定性分析,结果表明,理论解析法与数值模拟所得极限支护力相互印证,但理论解析法计算更为便捷。研究结论为富水黏土地层盾构隧道的工程实践提供借鉴与指导。     

盾构隧道联络道爆破施工优化

针对盾构隧道间联络道爆破对既有盾构隧道结构造成的不良影响,对隧道的爆破施工方案进行优化,并利用有限元数值模拟软件建立数值模型,分析不同爆破位置对隧道管片稳定性的影响.模拟结果表明:当联络道掌子面与管片距离为0时,在隧道管片上出现较高的应力集中,盾构隧道管片是极不稳定的;将桶形掏槽调整为渐进式螺旋掏槽,并增加崩落眼的延时间隔数量,主应力值降低较明显,最大降幅63.45％,开挖轮廓内外的螺栓应力分别降低了77.23％、72.36％,降低后的应力均小于螺栓的屈服强度.位移仅为2.6mm,较优化前降低了27.78％,由此可知此时管片是安全的.     

预熔型精炼渣发泡性能实验研究

在实验室内利用中频感应炉对CaO-SiO2-Al2O3-MgO熔渣的发泡性能进行研究，分析了熔渣组成、碱度、粘度、表面张力及助熔剂对熔渣的起泡寿命和发泡指数的影响，同时对高碱度熔渣的发泡性能进行具体分析，研究结果表明碱度在3．0（低碱度渣）和10左右（高碱度渣）、渣指数在0．3左右、Al2O3在低碱度区时含量在8％-14％和高碱度区20％-28％时熔渣具有良好的发泡性能，同时研究表明随着粘度的增加，发泡指数和发泡寿命逐渐降低；随着表面张力的增加，发泡指教和发泡寿命逐渐增加。这对于实际生产的合理配渣衣指导意义。     

TiO2对合成渣中Fe2O3还原发泡过程的影响

研究了不同条件下TiO2和Fe2O3在合成渣中被碳还原时的发泡过程．计算了该发泡过程的发泡系数、消泡系数、平均发泡寿命、发泡强度和消泡过程开始的时间．用熔渣发泡参数定量地讨论了温度、TiO2加入量和初渣中TiC的含量对熔渣发泡过程的影响，发现当初渣中TiC的含量和TiO2加入量较多时，在发泡时会产生二次发泡现象．     

钢渣-钒钛矿渣基坑回填料的制备及机理

为了推动钢铁冶金废弃物的综合利用,以钢渣、钒钛矿渣为原料替代水泥制备了全固废预拌固化剂,再与黏土制成基坑回填料,采用力学性能测试法、X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)、扫描电镜(scanning electronic microscopy, SEM)和能谱分析(energy dispersive spectrometry, EDS)等测试手段,研究了钢渣细度、钢渣掺量及固化剂掺入比对基坑回填料性能的影响,并测试预拌固化剂的稳定性及水化机理。结果表明：当钢渣比表面积为457 m²/kg,料浆浓度(质量分数)为80%,固化剂掺入比(质量分数)为20%,固化剂配比(质量比)为钢渣∶脱硫石膏∶钒钛矿渣=44∶10∶46时,用其制备的基坑回填料力学性能较好,此时固化剂净浆流动度为136 mm且安定性合格,稳定性优于P·O 42.5普通硅酸盐水泥;在固化剂掺入比为7%～25%,掺入占胶结剂总量0.4%PC型聚羧酸型高效减水剂(polycarboxylic acid, PC),基坑回填料28 d抗压强度均大于0.4MPa,最大为4.7 MPa,回填料坍落...     

含FeO熔渣还原过程起泡行为研究

在１４４０－１５３０ ℃，通过Ｘ射线装置观测了石墨还原ＣａＯ－ＳｉＯ２－Ａｌ２Ｏ３－ＦｅＯ熔渣（ＣａＯ／ＳｉＯ２＝０．７５－１．５）中ＦｅＯ反应过程中渣的起泡行为，测定了熔渣的起泡指数和起泡率等参数。结果表明，熔渣的起泡率随熔渣中ＦｅＯ的初己考叭墼疃鹊纳叨龃蟆?     

Rheological behavior and constitutive equations of heterogeneous titanium-bearing molten slag

Experimental studies on the rheological properties of a CaO–SiO₂–Al₂O₃–MgO–TiO₂–(TiC) blast furnace (BF) slag system were conducted using a high-temperature rheometer to reveal the non-Newtonian behavior of heterogeneous titanium-bearing molten slag. By measuring the relationships among the viscosity, the shear stress and the shear rate of molten slags with different TiC contents at different temperatures, the rheological constitutive equations were established along with the rheological parameters; in addition, the non-Newtonian fluid types of the molten slags were determined. The results indicated that, with increasing TiC content, the viscosity of the molten slag tended to increase. If the TiC content was less than 2wt%, the molten slag exhibited the Newtonian fluid behavior when the temperature was higher than the critical viscosity temperature of the molten slag. In contrast, the molten slag exhibited the non-Newtonian pseudoplastic fluid characteristic and the shear thinning behavior when the temperature was less than the critical viscosity temperature. However, if the TiC content exceeded 4wt%, the molten slag produced the yield stress and exhibited the Bingham and plastic pseudoplastic fluid behaviors when the temperature was higher and lower than the critical viscosity temperature, respectively. When the TiC content increased further, the yield stress of the molten slag increased and the shear thinning phenomenon became more obvious.     

工业固废-水泥协同固化工程弃土配比优选

为了推进工业固废资源化,同时有效提高工程弃土的利用率。选用高炉矿渣、钢渣、磷石膏3种常见的工业固废协同水泥,复配聚羧酸减水剂,对工程弃土进行固化处理。通过D-最优混料试验,确定固化剂的最优配合比为高炉矿渣：钢渣∶磷石膏∶水泥∶聚羧酸=59.9∶5∶20∶15∶0.1,在该配方下固化土的7 d无侧限抗压强度达到了5 583 kPa。利用X射线衍射(diffraction of X-rays, XRD)试验和扫描电镜(scanning electron microscope, SEM)试验对新型固化剂固化土的微观结构进行分析,结果发现固化土中生成大量的丝状物、针状物和絮状物,使孔隙减小,土体结构更加紧密。该研究成果不仅可为工业固废和工程弃土资源化处理提供参考,同时也为工程弃土二次利用提供一定的理论指导,具有较好的工程适用性。     

锂渣作为混凝土掺合料的可行性研究

本文主要研究了以锂渣作为掺合料对混凝土工作性能、抗压强度、早期抗裂性能的影响,并且分析了影响机理。试验结果表明:随着锂渣掺量的增加,混凝土坍落度出现一定的减小,而稠度出现相应的增加,混凝土的早期抗裂性能增强;从抗压强度角度考虑,锂渣在混凝土中存在的最优掺量是10%。     

工业废渣用于地下工程止水帷幕的试验

等厚度水泥土搅拌连续墙作为止水帷幕,具有适应地层广、成墙品质好等独特的优点;但在推广过程中的最大障碍是造价过高;若粉煤灰和矿渣等工业废渣替代部分水泥,则其应用范围将大大提高。为测试工业废渣代替水泥的性能,笔者做了大量无侧限抗压强度和渗透性试验。试验结果表明:性能差别不大的情况下,粉煤灰和矿渣可以部分替代水泥;复合水泥土存在最优配合比,对于黏土,最佳掺入比为30%,最佳水固比为0.6;对于砂土,最佳掺入比则为40%,最佳水固比为0.6;总体而言,粉煤灰配合砂土的物理力学性质较优,矿渣则更适合黏土。添加粉煤灰或矿渣的黏土长期强度接近;而添加粉煤灰的砂土强度平均值比添加矿渣大2.4倍,同时更加稳定。添加粉煤灰的黏土和砂土平均渗透系数是添加矿渣的35%左右。