物化型软岩电化学改性机理与效果研究结题摘要

针对现行支护、加固等力学方法难以从根本上解决物化型软岩工程稳定性的难题，本项目提出了采用电化学方法软岩成分与结构，提高其力学强度，实现软岩与软岩工程长期稳定性的研究方法。 主要工作与成果为：①在对9个煤矿区煤系地层软岩成分测试与分析的基础上，选择了研究岩样。②研究了软岩矿物的电化学性质，包括带电性、阳离子类型、PH值，电解、电渗和电泳等电动现象，零净电荷点和永久电荷密度、ζ电位和等电点、比表面积与孔容-孔径分布，以及电化学改性对其影响；③研究了基于显微CT试验图像的岩石孔隙结构计算、图像处理与三维重构等方法，得出了岩石孔隙率随孔径的变化规律，以及电化学作用对软岩孔隙结构的影响。④得出了电化学作用加快软岩颗粒物沉降速度、抑制沉降稳定后的体积膨胀性的规律。⑤电化学作用能够改变软岩的矿物成分，使蒙脱石含量降低，且有方解石、三水铝石、硬石膏和水铝英石等新矿物生成。电化学作用使蒙脱石的层间距呈指数规律增加，晶粒大小呈高斯规律变化。⑥电化学作用可以抑制软岩的龟裂，增强软岩的力学强度。⑦电解液使岩样的酸碱度发生变化。酸化导致硅酸盐、铝氢氧化物的分解或被氢氧化铝硬化；碱化导致在黏土矿物颗粒表面形成氢氧化物沉淀，生成凝胶状沉淀物和新的晶族矿物。电泳使孔隙中带负电的固相颗粒向阳极方向移动并富集，导致阳极区域孔隙中细组分颗粒聚结变粗，粒度增大，孔隙率降低；电渗使带正电的液相电解液分子向阴极方向移动并富集，使阴极区域中更多的黏土矿物和硅酸盐矿物发生电解反应，并向阳极方向移动，使阴极区域的孔隙率增大。由于带正电的液相电解液相水分子向阴极方向移动，使得泥岩孔隙表面的水化层减小，亲水性降低，阳极区域脱水固结，分子间作用力和氢键力增加，内聚力增加。⑧在对电渗脱水、电泳现象和电解现象，以及电化学改性软岩机理等系统研究的基础上，提出了电化学强化软岩巷道围岩的电极优化布置方法，为电化学改性软岩提高围岩稳定性探索了一条新的途径。

针对物化型软岩具有水化膨胀、碎胀扩容和强度降低等物理化学和力学特性，提出了采用电化学方法改变其物质成分和结构，并排除其中的水分来提高其长期稳定性的研究思路。研究以蒙脱石含量为主和高岭石或伊利石含量为主的软岩的矿物成分、微观结构、电化学特性，建立改性的矿物学基础。研究物化型软岩电化学改性中物质成分和结构的变化过程与规律，揭示软岩电化学改性机理。研究软岩块体与软岩粉体在电化学固结改性过程中的电流传递机理、电渗和电泳等电动和电解现象，建立物化型软岩电化学改性的电化学基础。研究软岩块体和粉体的改性效果与外加电场强度、电解液类型、电解液浓度及其作用时间、压力、温度与软岩矿物成分、块体尺寸等因素的相关规律，建立软岩电化学改性的基础理论。为软岩及软岩工程的长期稳定性提供电化学改性的技术基础和工程应用方法，其成果具有重要的理论意义和应用价值。

回风上山处于粉砂岩、泥岩岩组中，富含伊利石、高岭土等矿物，含量为15-30%。含伊蒙和高岭土矿物的泥岩类膨胀性很强，遇水后，在粘粒周围形成水化膜%使粘粒体积膨胀，软岩进入平时所见的粘流状态和液流状态，特别是底版为开放式，长期受水浸泡，造成巷道底鼓，这是巷道底鼓破坏的主要原因。

为了解决我国新疆、甘肃、宁夏、蒙西等西部地区弱胶结软岩工程灾害防治和岩土工程建设中亟待解决的问题。本课题研究了“弱胶结软岩劣化机理及其本构关系研究、弱胶结软岩界面剪切渗流流变耦合损伤演化模型研究、弱胶结软岩工程灾害孕育与演化机理研究”等内容。其研究成果不仅解决了西部地区软岩工程中亟待解决的关键理论问题，为其它地区类似岩体工程建设和灾害防治提供了理论基础，有广泛的应用前景，而且丰富和发展了岩石力学学科理论。 本课题依托煤矿井巷工程，在不同含水率状态下进行系列岩块变形、破坏试验和岩样界面剪切渗流流变耦合试验，结合数值模拟和理论分析，掌握了典型弱胶结软岩劣化机理及其本构关系；揭示了弱胶结软岩界面的力学特性和几何形态与岩体等效变形模量和有效强度的相关性。提出了弱胶结软岩界面剪切渗流流变耦合模型和单裂隙岩体流固耦合本构关系；在基础上进行了系列数值模拟分析，推出了多界面软岩渗流流变耦合损伤演化方程和给出了强度准则，确定了与岩体基本力学性质和应力状态相关的岩体裂隙水渗透系数计算公式。揭示了开挖、水蚀对弱胶结软岩的劣化和岩体界面水岩耦合作用剪切破坏机制，遵循热力学框架和形变能等效原则，建立了弱胶结软岩损伤准则、流变损伤演化方程及其多界面剪切渗流流变耦合方程。 基于理论成果，结合典型工程进行正交数值分析和工程测试信息反演，研究弱胶结软岩在工程地质环境下，围岩开挖力学响应规律，揭示工程灾害孕育、发生机理，提出灾害度量参数，建立灾害预测模型。在我国西部弱胶结软岩矿区井巷工程、济南地铁岩土混合地层隧道、青岛地铁土岩胶结地层隧道、郑州软土层下穿黄河调水隧道、长沙市旁穿浏阳河富水砾石软土地层并下穿公路和铁路两用桥隧道等工程中应用。共发表期刊论文40篇，其中SCU收录5篇，EI收录5篇；国家授权发明专利8项。

桥梁、渡槽基础往往采用大直径嵌岩桩，其基岩软弱且岩面倾斜。倾斜岩面软岩嵌岩群桩存在沿岩面滑移、群桩挤扩压屈、不均匀沉降等问题；由于持力层性质差、岩面倾斜、基桩非等长、桩-岩界面特殊、荷载条件复杂等因素，该群桩的承载机理需进行系统深入的研究。本项目引入CT扫描技术进行嵌岩桩模型试验，实现变形及发展的可视化，从细观角度揭示嵌固机理；采用扩孔理论研究软岩嵌岩桩的承载机理和应力路径，建立其极限承载力的计算公式；进行软岩应力路径三轴、动力三轴和桩-岩接触特性等试验，建立软岩的静动力本构模型、桩-岩界面本构模型；进行群桩离心模型试验和振动台模型试验，考虑承台-群桩-岩土体非线性共同作用，研究倾斜岩层面的软岩嵌岩群桩的承载机理与破坏模式、动力特性与地震响应。综合模型试验、理论分析和数值模拟结果，提出倾斜岩层面的软岩嵌岩群桩的设计计算方法、承载力与沉降双控设计准则、加固与减震措施，并在实际工程中推广应用。