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离子土固化剂加固滑带土研究

作　者: 徐海清
导　师: 唐辉明；项伟
学　校: 中国地质大学
专　业: 岩土工程
关键词: 滑带土离子土固化剂滑坡稳定性渗透加固试验孔隙分布分维微观结构
分类号: TV223.2
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

我国地质条件复杂，地质构造活动强烈，是世界上滑坡灾害最为严重的国家之一。历年地质灾害统计资料显示，滑坡在我国地质灾害中占据主导地位，由滑坡所造成的直接经济损失约占突发性地质灾害所造成经济损失的80％，给我国的经济建设和人民的生命财产造成了巨大损失，每年需花巨额资金进行滑坡治理。所以寻求减灾对策，研究新的滑坡治理方案，一直是我国地质灾害防治工作中最为迫切的任务之一。目前我国防治滑坡工程措施很多，归纳起来有四大类：一，改变边坡几何形态；二排水工程；三，支挡结构物；四，斜坡内部加固。前三种措施是目前应用较广，其理论，设计和施工均较成熟的方法，第四种方法因各种原因，使用和研究较少。斜坡内部加固，包括对滑坡体，滑带以及部分滑床加固。滑坡机制简单来讲，是因某一滑移面或滑动带（简称滑带）上的剪应力超过了该面的抗剪强度所致。因此滑坡内部滑带土的岩土工程性质常控制滑坡体稳定性，其抗剪强度的高低直接影响到滑坡治理的规模和投资。对于滑带的加固目前有电渗法，焙烧法和灌浆法，这些方法的优点是直接高效，避免开挖或改变斜坡现状，环境效益好，缺点是可操作性，可灌性差，耗能，资费昂贵，效果难以检测，这些问题使得这些方法的应用和研究进展不大。但滑坡的防治是一项复杂的系统工程，需要根据滑坡的具体情况合理采用，每种治理措施都有其特点，应考虑其适宜条件，综合利用各种方法才能充分节约能源和资金。所以本文提出采用一种新型的快速，便捷的物理化学方法：用离子土固化剂（ISS）水溶液加固滑带土，增强抗剪强度，提高滑坡稳定性，使其作为众多治理方法的一种，综合治理滑坡，降低工程造价，提高滑坡治理有效性。离子土固化剂是一种新型电化学土壤稳固剂。在常温下为黑褐色液体，略粘于水，易溶于水，溶于水后迅速离子化而使溶液呈高导电性。适用于粘土粒组含量在25％以上的各种土类。从20世纪70年代起，已在世界上数十个国家与地区广泛应用于道路加固与农田水利工程防渗等工程领域中。在本课题中拟将离子土固化剂水溶液注入到滑带土中，通过一系列以离子交换为主的反应，减少粘土颗粒的结合水膜厚度和生成新的物质来提高滑带土的抗剪强度。这种方法中的一个最重要的问题是对离子土固化剂加固滑带土的加固机理的认识和加固效果的检测。同时离子土固化剂在滑带土中的加固方式，渗透和扩散方式，也是需要深入研究的问题。因为这些方式对滑带土抗剪强度的提高和离子土固化剂作用于滑带土的施工设计影响极大，将决定治理工程的造价，并对设计的安全性和合理性产生重大影响。本文的研究工作主要以清江水布垭水电站大岩淌滑坡为工程背景，在比较了众多滑坡治理方法后，根据该滑带土为常年饱水的粘性土等工程特性，提出采用离子土固化剂来加固滑带粘土，增强其抗剪强度，综合其他的治理方法，充分节约能源，减少资金投入，共同提高滑坡治理的有效性。采用现场调研和室内分析相结合，理论分析和试验分析相结合，定性分析和定量分析相结合，宏观力学性质分析与微观结构，微观物质研究相结合的思路，对离子土固化剂加固滑带粘土的作用机理，加固效果和可行性进行了较为详细的研究与分析，取得了的主要结论和成果如下：1．因大岩淌滑带地面埋深25—40米，进行离子土固化剂加固时不可能象其他工程中采用的喷洒和拌合的方法进行，只能进行原位加固，根据该滑带粘土的粘性强，结构紧密和透水性弱的特点，施工现场采用高压注浆的方式进行加固是经济快速的，为此本文进行了利用南55渗透仪以渗透的方式进行室内滑带土的探索性加固试验，给出了相关的制样程序和试验步骤，建议在渗透之前对重塑滑带粘土样进行压力为12．5kp的预压固结，以保证粘土试样的内部物质结构的均一性。2．在渗透加固试验中，将每组试样分别进行纯水渗透和固化渗透对比试验，研究加入离子土固化剂水溶液时粘土的渗透性随时间的规律。固化开始时，渗透系数相比固化前的渗透系数出现了出现了急剧变小的现象，其原因是固化剂的渗透液的性质不同，也即是渗透水的粘滞度的不同所引起的，液体的粘滞性高，K值低：反之则小。据计算分析，固化后粘土的渗透性明显减弱，为固化前的1／3倍，原因是固化物的凝结作用，与土体的水化作用，减小了大的孔隙，减薄了结合水膜的厚度，堵塞土体中的水通道，增加了粘土的密度，减小了粘土的渗透性。3．分析研究前人的试验成果，依据“对某些密实粘土渗透系数K小于10^-6cm／s的直剪的快剪强度参数与三轴不固结不排水剪强度参数很接近”这一结论，根据从前面的渗透试验可以得出固化前后的滑带粘土的渗透系数都小于10^-6cm／s，且塑性指数为24，到达该结论的适用条件，所以本文采用电动四联等应变直剪仪快剪的方法来测得固化作用对滑带粘土的抗剪强度的改变。测试结果为固化后的粘土粘聚力有很大的提高，达到256％，内摩擦角也有较明显改变，增大122％，随着固化作用的时间延长，强度将还会进一步提高。验证了用渗透固化的方式，离子固化剂能快捷高效地提高滑带粘土的抗剪强度的可行性。4．在前面宏观物理力学试验的基础上，采用微观分析的方法，借助扫描电镜用不同放大倍数的图像来研究滑带粘土加固后微观结构的变化，从定性的角度对固化效果从微观层面进行分析。从放大2000倍和12000倍的扫描电镜照片分别分析整体粘土颗粒与大的聚集体以及单个颗粒与孔隙的关系。可以清晰的看到，渗透加固前试样的颗粒成松散的聚集体，结构呈蜂窝状，单个颗粒成团状，孔隙较大，架空结构明显；渗透加固后试样的颗粒绝大部分都是边接触和面接触，其中楔入镶嵌式的边，面接触十分突出，看不到明显的空隙，单个粘土颗粒呈面一面接触，无粒状体，很少看到孔隙，片状结构体系较为致密。5．应用分形理论，用二值化处理8000倍的扫描照片，借助GIS求出不同的滑带粘土微分维值定量地表征加固前后的孔隙特征。孔隙分布分维数和粘土孔隙边缘形状分维在加固后都变小了，说明加固后孔隙的分布面积变小了，孔隙的边缘变光滑了，加固效果好。孔隙度分维值反映了不同孔径数目分布的情况，加固后大于某一孔径的分维值从1．185增大到2.043，说明离子土固化过程中，粘土的孔径的变化不均一，孔隙间尺寸相差较大。将分形p—A模型引用来度量孔隙形状的不规则性，分析得出加固后孔隙的变形更不规则，这合乎加固试验的真实情况，也与在12000倍电镜扫描图上看到的单个颗粒孔隙边缘规则情况一致。6．因为x线衍射结果是一个半定量的评价方法，其误差率到达5％，分析结果，可认为在固化过程中并没有新的粘土矿物生成，加固的变化主要是由以离子交换为主的一系列物理化学反应引起的。通过固化过程中渗出液的成分分析，研究了固化过程中各离子浓度随时间的变化规律，可以得出滑带粘土中含有Ca，Na和Mg等可溶盐，并在试验初期有溶出的现象。通过Ca²⁺／Na⁺，Mg²⁺／Na⁺值变化情况，可知Ca²⁺是离子土固化加固滑带粘土的主要反应离子，其浓度和反应的程度有直接关系。7．粘土的双电层结构的改变对离子土固化剂加固滑带土的效果有很大影响，离子的吸附和交换性能影响着粘土的结合水膜和双电层结构的厚薄，进而影响到粘土颗粒间的粒间力的作用。粒间力的大小决定着粘土颗粒的凝聚或松散，而这些致密或粗大的孔隙将影响着粘土的渗透性和力学强度大小。从这个角度，我们认为离子土固化剂水溶液是通过与滑带土发生的以Ca离子为主的阳离子交换反应来减少粘土双电层结构的厚度，增大粘土粒间作用力的，这就是离子土固化剂的固化作用导致滑带粘土的抗剪强度增强的作用机理。综上所述，离子土固化剂加固滑带土的原位渗透加固方法在本文中已通过试验实施，该方法的加固机理和加固效果，本文中已进行了定性和定量地分析和评价，证明离子土固化剂加固粘性滑带土提高滑带抗剪强度的方法可以作为众多滑坡治理方法的一种，针对适宜的滑坡类型可以综合采用，共同提高滑坡的治理效果。分形这种数学方法可以用来定量地描述复杂土体孔隙的分布特征，各种分形维数可以用来描述加固粘性滑带土的各种信息和预测其加固程度。

全文目录

摘要  6-9
ABSTRACT  9-16
第一章绪论  16-24
  1.1 选题依据和研究意义  16-17
  1.2 国内外研究现状  17-19
    1.2.1 滑带土的研究  17-19
    1.2.2 离子土固化剂在加固土质中的应用  19
  1.3 水土作用对滑坡的影响  19-20
  1.4 发展趋势及存在问题  20-21
  1.5 论文主要研究的内容和成果  21-24
    1.5.1 论文主要研究的内容  21-22
    1.5.2 本文的主要成果及创新之处  22-24
第二章清江水布垭水电站大岩淌滑坡工程地质特征  24-34
  2.1 自然地理位置与水文气象  24-25
    2.1.1 地理  24-25
    2.1.2 水文气象  25
  2.2 区域地质背景  25-28
    2.2.1 地形地貌  25-26
    2.2.2 地层岩性  26-27
    2.2.3 地质构造  27
    2.2.4 地震  27-28
  2.3 大岩淌滑坡概况  28-33
    2.3.1 滑坡区地形地貌  28-29
    2.3.2 滑坡区地质构造  29
    2.3.3 滑坡区水文地质条件  29-30
    2.3.4 滑坡物质组成及工程性质  30-31
    2.3.5 滑坡形成机制  31-32
    2.3.6 滑坡现状  32-33
  2.4 本章小结  33-34
第三章滑带土微结构和特性研究  34-45
  3.1 概述  34
  3.2 滑带土性质分析  34-37
    3.2.1 滑带土物理力学性质分析  34-36
    3.2.2 滑带的粘土矿物分析  36-37
  3.3 滑带粘土微结构分析  37-38
  3.4 水土作用对土体稳定性影响  38-43
    3.4.1 水土作用  38-40
    3.4.2 水土作用的粒间作用力  40-42
    3.4.3 水土反应的  42-43
  3.5 本章小结  43-45
第四章离子土固化剂加固滑带土渗透加固试验研究  45-62
  4.1 概述  45
  4.2 离子土稳固剂研究  45-49
    4.2.1 离子土固化剂的电化学理论  45-48
    4.2.2 离子土稳固剂作用机理  48-49
  4.3 渗透加固滑带土试验  49-56
    4.3.1 粘土的渗透特性  49-50
    4.3.2 滑带粘土加固最优配合比  50-51
    4.3.3 试样的物理性质指标  51
    4.3.4 试样的制备  51
    4.3.5 仪器设备  51-52
    4.3.6 试验原理及步骤  52-53
    4.3.7 对比试验数据分析和探讨  53-56
  4.4 加固前后土样剪切强度对比试验  56-61
    4.4.1 剪切试验方法的选择  56-57
    4.4.2 试验方案和步骤  57-60
    4.4.3 试验数据分析和探讨  60-61
  4.5 本章小结  61-62
第五章离子土固化剂加固滑带土微观结构特征研究  62-81
  5.1 概述  62
  5.2 电镜扫描  62-66
    5.2.1 制样  62-63
    5.2.2 选取扫描倍数  63
    5.2.3 试验结果与分析  63-66
  5.3 滑带粘土微结构分形特征研究  66-80
    5.3.1 粘土微结构的定量化研究意义  67
    5.3.2 分形理论简介  67-68
    5.3.3 粘土微观结构的分形特征研究  68-71
    5.3.4 固化前后粘土微观结构分形特征对比分析  71-80
  5.4 本章小结  80-81
第六章离子土固化剂加固滑带土的反应机理研究  81-95
  6.1 概述  81
  6.2 矿物成分分析  81-85
    6.2.1 X射线半定量分析粘土矿物原理  81-82
    6.2.2 试验与结果分析  82-85
  6.3 离子土固化剂加固滑带土离子交换反应机理研究  85-94
    6.3.1 多组分反应性溶质运移研究的理论基础  85-87
    6.3.2 阳离子在滑带粘土中反应随时间变化规律  87-90
    6.3.3 粘土双电层结构的影响因素  90-92
    6.3.4 阳离子交换反应相关特性分析  92-94
  6.4 本章小结  94-95
第七章结论与展望  95-98
  7.1 结论  95-97
  7.2 展望  97-98
致谢  98-99
参考文献  99-109

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