豆砾石形态特征量化分析与回填灌浆模拟试验研究

摘要

在TBM隧洞工程中，豆砾石是粒径为5～10mm的天然卵石或经人工破碎后的碎石填充料。工程中，豆砾石回填灌浆是TBM法施工成败的关键之一，在对豆砾石回填灌浆结石体取芯进行抗压检测时发现其抗压强度普遍低于设计强度。本文以兰州市水源地建设项目为依托，以豆砾石材料形态特征为研究对象，具体针对于吹填豆砾石至回填灌浆这一时间段内，结合实际存在的超逊径和岩粉含量等影响因素，配置豆砾石样本进行回填灌浆模拟试验，明确豆砾石形态特征量化指标和堆积体空隙率对回填灌浆结石体抗压强度的作用效应，进行豆砾石的质量探讨，实现通过改变豆砾石材料的配置提高灌浆质量和结石体强度。
　　(1)豆砾石颗粒形态特征量化指标分为颗粒粒径、轮廓形状指标和棱角性指标三部分。做豆砾石堆积体空隙率对形态特征量化指标的相关性分析，得出对于豆砾石材料，空隙率对粒径、针度和棱角参数敏感性较大，均与之成正相关。
　　(2)结合实际工程回填灌浆施工工艺，采用PFC模拟豆砾石回填环节，灌浆环节采用浆液灌注物理模拟试验。试验采用有压灌浆方式，对豆砾石结石体取芯进行单轴压缩试验，获取抗压强度。结果表明:豆砾石粒径越大，结石体抗压强度越小;岩粉含量与抗压强度曲线为抛物线;超逊径颗粒含量与抗压强度关系曲线有明显峰值。
　　(3)做豆砾石结石体抗压强度单变量分析:粒径、针度、棱角参数指标与抗压强度成正比;堆积体空隙率与结石体抗压强度有较大相关性，回归曲线呈抛物线状，可用二者回归方程预估已知豆砾石堆积体空隙率下的结石体抗压强度。
　　(4)做豆砾石结石体抗压强度多变量分析，选取针度和棱角参数指标为自变量，做抗压强度对其的二元回归分析，可用此回归方程预估已知豆砾石形态特征量化指标下的结石体抗压强度。根据所得影响因素和形态特征指标对结石体抗压强度的规律和作用效应进行豆砾石的质量控制。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题依据及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 豆砾石回填灌浆工艺研究

1．2．2 粗骨料的性能及工程应用研究

1．2．3 粗集料形状特征数字图像分析

1．3 研究内容及技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 研究思路及技术路线

第2章 工程豆砾石物性检测及因子选定

2．1 豆砾石选料的工程要求

2．2 工程豆砾石物理参数指标值的确定

2．1．1 豆砾石颗粒级配相关试验

2．1．2 表观密度、吸水率及压碎指标试验

2．1．3 堆积密度及空隙率试验

2．1．4 针片状颗粒含量试验

2．1．6 含泥量及含水率试验

2．3 工程豆砾石质量评估

2．3．1 工程豆砾石材料质量评估

2．3．2 工程豆砾石结石体抗压强度分析

2．4 选定豆砾石材料对结石体强度的影响因子选定

2．4．1 物性指标对结石体强度的影响分析

2．4．2 豆砾石颗粒的粒径大小

2．4．3 豆砾石的样本颗粒组成

2．5 小结

第3章 豆砾石形态特征指标的选定与量化

3．1 豆砾石材料图像集采和处理

3．1．1 研究思路

3．1．2 Image-Pro Plus软件介绍

3．2 豆砾石颗粒形态特征的量化指标

3．2．1 豆砾石颗粒的轮廓形状指标

3．2．2 豆砾石颗粒的棱角指标

3．2．3 豆砾石颗粒的粒径指标

3．3 豆砾石体积模型下样本形态特征量化指标

3．3．1 豆砾石体积模型假设

3．3．2 豆砾石样本形态特征指标加权分析

3．3．3 豆砾石样本形态特征量化指标

3．4 豆砾石样本形态特征量化指标值验证

3．5 小结

第4章 豆砾石形态特征量化指标与空隙率的相关性

4．1 空隙率试验

4．1．1 试验设计方案

4．1．2 空隙率试验结果

4．1．3 空隙率试验结果验证

4．2 豆砾石形态特征单变量指标与空隙率相关性分析

4．2．1 轮廓形状特征量化指标与空隙率相关性

4．2．2 颗粒棱角特征量化指标与空隙率相关性

4．2．3 豆砾石颗粒粒径单变量分析

4．3 豆砾石形态特征多变量指标与空隙率相关性分析

4．4 小结

第5章 豆砾石回填灌浆模拟试验

5．1 工程现场豆砾石回填灌浆工艺概述

5．1．1 豆砾石回填灌浆方案

5．1．2 豆砾石回填灌浆施工工艺流程

5．1．3 豆砾石吹填施工工艺

5．1．4 浆液灌注施工工艺

5．2 豆砾石吹填过程PFC数值模拟

5．2．1 颗粒流(PFC3D)基础理论

5．2．2 PFC模型的建立和试验方案

5．2．3 豆砾石吹填后的运动状态分析和空隙率

5．3 豆砾石浆液灌注物理模拟试验

5．3．1 试验模型设计

5．3．2 试验方案

5．3．3 模拟现场浆液灌注试验

5．4 豆砾石结石体取芯单轴压缩试验

5．5 浆液流动特性和结石体形态特征探讨

5．5．1 浆液在豆砾石堆积体中流动特性

5．5．2 豆砾石结石体成型后形态特征

5．6 小结

第6章 豆砾石回填灌浆体强度影响因素研究

6．1 豆砾石浆液灌注物理模拟试验结果

6．2 豆砾石配置因素对结石体强度的影响分析

6．2．1 粒径变化对抗压强度的影响

6．2．2 岩粉含量对抗压强度的影响

6．2．3 超逊径颗粒含量对抗压强度的影响

6．3 豆砾石形态特征量化指标单变量对强度的影响分析

6．3．1 粒径变化对抗压强度的影响

6．3．2 颗粒形态指标中针度和棱角指标差异对抗压强度的影响

6．4 豆砾石形态特征量化指标多变量对强度的影响分析

6．5 豆砾石质量探讨

6．6 小结

第7章 结论与展望

致谢

参考文献