软岩-水相互作用及软岩泥化物固化特性试验研究

摘要

本文以治理软岩巷道底板泥岩泥化物为工程背景，提出采用自研泥化物高效固化剂与聚丙烯纤维固化巷道底板泥岩泥化物，以形成矿山地下运输道路，保障生产的顺利进行。论文通过水—泥岩相互作用试验，研究了泥岩遇水后，水溶液化学场变异与岩石宏观物理力学性质之间的关系；分析了高岭石型泥岩遇水软化的原因与机理；通过大量的室内试验，对泥化物固化体的物理、力学、疲劳、损伤等特性进行了系统分析与研究；最后通过现场试验与数值模拟对巷道固化底板的适用性进行了验证。本文的主要研究内容及成果如下： 1)通过泥岩试样浸水试验，对水—岩相互作用过程中泥岩的物理力学特性进行了研究；通过电位滴定仪、电导仪、等离子体发射光谱仪、离子色谱仪等设备，对不同时间点水溶液的pH值、电导率、阴阳离子浓度等参数进行了测试。根据试验结果详细分析了水溶液相关参数(pH值、电导率、阳离子浓度、阴离子浓度)与岩石物理力学参数(抗压强度、弹性模量、含水率)的关系，建立了水溶液化学性质与岩石损伤的关系演化模型，并用实测数据对其进行了验证． 2)通过X射线衍射仪(XRD)、能谱分析仪(EDX)、扫描电镜(SEM)、X射线荧光光谱仪(XRF)等试验设备，对神东矿区高岭石型泥岩及泥化物的物质组成与微观结构进行测试，研究了该泥岩遇水软化过程中微观结构与物质组成的动态变化特征，并对泥岩遇水软化的原因与机理进行了分析。 3)针对泥岩泥化物的微观结构特点，研制了一种高效泥化物固化剂。通过不同固化剂掺量、养护龄期固化体的力学性能试验，对固化体的强度与变形规律进行了研究，得到了固化体一定龄期内抗压强度与破坏变形的预测方程，提出了基于龄期的“最低固化剂掺量”概念。 4)为提高固化体的韧性，将聚丙烯纤维、固化剂与泥化物拌合制成纤维固化体。通过室内试验研究了纤维固化体的物理力学特性，分析了不同固化剂掺量、纤维掺量及纤维长度对纤维固化体力学性能的影响与作用效果，了解了纤维固化体的抗渗性与水稳定性；通过扫描电子显微镜(SEM)对纤维固化体的微观结构进行了观察，分析了纤维对固化体的加固作用机理。 5)通过纤维固化体静态全过程试验得到了不同配比纤维固化体体积压密点的位置；通过单轴压缩疲劳动载试验以及唯像学的方法，确定出了不同配比纤维固化体疲劳门槛值在其应力应变曲线上的分布范围，研究了纤维固化体的极限变形规律和疲劳变形特征，对影响纤维固化体疲劳寿命和破坏进程的因素进行了分析。以试验数据与疲劳损伤理论为基础，提出了纤维固化体的疲劳损伤演化方程，并用实测数据对其进行了验证。 6)通过纤维固化体的单轴循环加卸载试验，分析了纤维固化体损伤变量与应力、应变之间的关系，以及损伤应力、应变阀值与损伤变量的关系；通过假设纤维固化体的损伤变量服从Weibull分布，将损伤应变阀值以参数的形式引入Weibull模型，提出了基于三参数Weibull分布的损伤演化与本构关系模型，并用实测数据对模型进行验证与分析。 7)将固化剂与聚丙烯纤维应用于现场泥化底板硬化试验，试验结果表明，本文提出的泥化底板治理方案是切实可行的，固化底板在井下具有良好的力学与水稳定性，路面整体结构稳定，变形小。此外，以现场试验为背景，通过FLAC3D岩土工程分析软件，对巷道内的纤维固化体底板进行数值模拟分析，结果表明，在考虑地下水影响的条件下，一定配比纤维固化体底板的强度与变形性能可满足一般道路基层材料的工程技术要求。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1 问题的提出与研究背景

1.2研究现状综述

1.3论文研究内容与技术路线

1.4论文主要创新点

参考文献

第2章 水-泥岩相互作用的物理化学过程与特性试验分析

2.1概述

2.2试验方案

2.3浸水泥岩物理力学试验结果整理与分析

2.4水-泥岩相互作用过程中水溶液相关参数的变化规律

2.5泥岩物理力学参数与水溶液相关参数的关系

2.6本章小结

参考文献

第3章 泥岩遇水软化机理分析

3.1概述

3.2试验方案

3.3试验结果与分析

3.4本章小结

参考文献

第4章 泥岩泥化物固化试验研究

4.1概述

4.2试验方案

4.3泥岩泥化物固化剂

4.4泥化物固化体力学性能试验结果分析

4.5泥化物纤维固化体物理力学性能试验结果分析

4.6纤维加固机理分析

4.7本章小结

参考文献

第5章 泥岩泥化物纤维固化体疲劳动载特性试验研究

5.1概述

5.2试验方案

5.3泥岩泥化物纤维固化体疲劳门槛值

5.4泥岩泥化物纤维固化体疲劳动载试验的极限变形规律

5.5泥岩泥化物纤维固化体疲劳寿命的影响因素

5.6泥岩泥化物纤维固化体疲劳动载变形特征与规律

5.7泥岩泥化物纤维固化体疲劳损伤模型

5.8本章小结

参考文献

第6章泥岩泥化物纤维固化体损伤本构关系研究

6.1概述

6.2试验方案

6.3损伤试验结果分析与讨论

6.4基于三参数Weibull分布的损伤模型

6.5本章小结

参考文献

第7章巷道固化底板现场试验与分析

7.1概述

7.2固化体地面碾压试验

7.3现场工业性试验

7.4现场验收试验

7.5巷道固化底板数值分析

7.6本章小结

参考文献

第8章结论与展望

8.1主要结论

8.2需进一步研究的问题

参考文献

致谢

个人简历