红层软岩崩解机理研究及工程应用

论文摘要

红层软岩因成分复杂和结构特殊而普遍具有崩解性,常常引发地质灾害。鉴于目前国内外对红层软岩的崩解机理研究还不充分。本文在国家自然科学基金的资助下,从微观角度观测分析了湖南地区两类红层软岩崩解前后变化,然后从能量的角度建立起红层软岩崩解的能量耗散模型,揭示了红层软岩崩解机理,在此基础上通过试验研究得出了抑制红层软岩崩解的措施,研究成果可供工程参考。首先选取红层软岩中的Ⅰ类、Ⅲ类红砂岩为代表,利用XRD、电子能谱仪、比表面孔径分析仪和全自动程序升温化学吸附仪检测了两类红砂岩在崩解前后矿物组成、化学成分,以及比表面积、表面酸碱度变化等,利用场发射扫描电镜与高分辨透射电镜从微观方面观察了红层软岩崩解前后颗粒形貌和结构的演变。通过检测结果和现象比较了两类红砂岩的异同,并分析了红砂岩崩解的原因。其次,把软岩的崩解看作是软岩内部与外界环境之间各种能量传递和耗散的过程,并建立起涵盖各种因素的适用于一般软岩崩解的能量耗散模型。基于热学、断裂力学和分形统计强度理论推导出定量计算软岩崩解从外界吸收的能量和软岩新增表面能的公式,并通过实例分析此两种能量在崩解过程中的变化规律,提出了工程上治理红砂岩崩解性的思路。最后,研究了红层软岩中崩解性最强的Ⅰ类红砂岩的崩解抑制措施。利用电感耦合等离子体质谱技术跟踪测试Ⅰ类红砂岩在浸泡过程中析出的矿物离子,并对比前人测试结果分析了离子浓度变化趋势。然后基于溶度积规则设计了几种能抑制红砂岩崩解的溶液,并分别将其作为水解液对I类红砂岩进行崩解试验。结果表明Ca(OH)2饱和液对I类红砂岩的崩解性抑制作用最强。进一步将掺水泥、石灰的改良红砂土浸出液作为水解液进行崩解试验,得到了可采用掺石灰对红砂岩的崩解性进行抑制的工程处治对策。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题依据及其研究意义
• 1.1.1 红层的概念
• 1.1.2 红层分布情况简介
• 1.1.3 红层软岩的岩相及工程性质
• 1.1.4 红层软岩崩解引发的工程灾害
• 1.1.5 选题依据及研究意义
• 1.2 国内外研究现状综述
• 1.2.1 红层软岩崩解机理研究
• 1.2.2 岩石破损能量耗散机制研究
• 1.3 本文研究内容与工作
• 第2章 红砂岩在崩解前后的微观表征测试研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验准备
• 2.2.1 取样
• 2.2.2 制样
• 2.3 X 射线衍射（XRD）
• 2.3.1 实验原理
• 2.3.2 实验结果与分析
• 2.4 场发射扫描电子显微镜及电子能谱仪（EDS）
• 2.4.1 实验原理
• 2.4.2 实验结果与分析
• 2.5 高分辨透射电子显微镜（TEM）
• 2.5.1 实验原理
• 2.5.2 实验结果与分析
• 2.6 比表面积测试
• 2.6.1 实验原理
• 2.6.2 实验结果与分析
• 2.7 表面酸碱度测试
• 2.7.1 实验原理
• 2.7.2 实验结果与分析
• 2.8 本章小结
• 第3章 基于能量耗散的红层软岩崩解机理研究
• 3.1 引言
• 3.2 软岩崩解的能量类型
• 3.2.1 软岩崩解能量来源
• 3.2.2 软岩崩解的能量耗散
• 3.2.3 崩解过程中的能量守恒公式
• 3.3 软岩崩解的能量定量分析
• 3.3.1 崩解能量的计算方法
• 3.3.2 新增表面能Eb 计算
• 3.3.3 耗散能En 分析
• 3.4 实例分析与模型验证
• 3.4.1 实例介绍
• 3.4.2 参数取值
• 3.4.3 模型验算
• 3.4.4 计算结果分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 Ⅰ类红砂岩崩解性的抑制措施试验研究
• 4.1 Ⅰ 类红砂岩崩解过程
• 4.1.1 Ⅰ 类红砂岩自然崩解性状
• 4.1.2 Ⅰ 类红砂岩浸水崩解性状
• 4.2 Ⅰ 类红砂岩崩解过程中水解液离子测试
• 4.2.1 ⅠCP 实验原理简介
• 4.2.2 实验结果与分析
• 4.3 不同水解液中Ⅰ 类红砂岩崩解性研究
• 4.3.1 如何选取水解溶液的分析
• 4.3.2 不同添加剂水解溶液崩解性状研究
• 4.4 Ⅰ 类红砂岩的耐崩解性试验及评价指标研究
• 4.4.1 Ⅰ 类红砂岩耐崩解性试验
• 4.4.2 Ⅰ 类红砂岩崩解物颗粒级配
• 4.4.3 红层软岩耐崩解性指标研究
• 4.5 Ⅰ 类红砂岩崩解性抑制工程措施研究
• 4.6 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间论文，著作，及科研情况
• 一、 学术论文
• 二、 主要参与科研项目