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原文传递富水破碎带新型注浆材料特性与固岩作用机理研究及工程应用

论文题名：	富水破碎带新型注浆材料特性与固岩作用机理研究及工程应用
关键词：	地下铁路;富水破碎带;注浆;GO-FA协同效应;浆-岩界面;加固机理;现场应用
摘要：	随着我国城镇化水平的不断加快，城市地下空间开发和地铁建设蓬勃发展。工程建设中面临的地质条件更加复杂，富水破碎带是城市建设中经常遇到的不良地质条件，极易诱发大量涌水、突泥、坍塌等地质灾害，严重威胁工程建设和生命财产安全，造成不良的社会风险。注浆是治理不良地质最有效快捷的工程措施之一，然而注浆材料是决定注浆治理效果的关键因素。传统水泥注浆材料由于凝结时间长、析水严重、结石率低、早期强度不高、体积收缩等问题，难以有效的治理富水破碎带。此外，水泥原材料为不可再生能源，同时生产过程需要消耗巨大的能源，排放大量的二氧化碳。因此，研发一种低碳绿色、高性能注浆材料对治理富水破碎带至关重要。本文针对富水破碎带注浆治理存在的关键科学问题，利用氧化石墨烯（GO）-粉煤灰（FA）协同效应改性水泥基复合注浆材料，对改性注浆材料展开研究。通过系统的注浆材料性能试验，全面分析GO-FA浆液的性能，确定最优配比，阐明了GO-FA协同效应改善水泥注浆材料性能机理；开展了浆-岩界面宏观力学特性和耦合增强作用机理研究；通过注浆模型试验，分析了GO-FA注浆材料的优越性，利用微观测试技术，确定了浆-岩界面胶结模式，揭示了富水破碎带注浆加固机理；最后进行了现场应用，注浆效果良好。取得以下主要研究成果。　　（1）通过系统的浆液性能试验，全面分析了GO和FA对浆液性能的影响规律。试验结果表明，GO可提高浆液的稳定性、缩短浆液的凝结时间，对浆液流动性具有一定的劣化作用；复掺FA在保持其他性能基本不变的情况下，可有效的弥补浆液流动性的损失。研究发现通过添加速凝剂可有效的调控GO-FA注浆材料初凝时间从几十分钟到数小时，可满足不同工程的注浆需求。水泥基浆液中添加GO，浆液的屈服应力和塑性粘度增大，但并不会改变浆液的流型，浆液的流型主要受水胶比的影响；GO-FA协同效应水泥基复合浆液表现为剪切稀化的现象，建立了GO-FA浆液时变模型，给出了流变参数与宏观流动度之间的关系。　　（2）浆液中掺入GO可有效提升结石体的早期抗折强度、抗压强度和抗渗性，FA会降低结石体的强度性能。研究发现GO-FA浆液结石体早期强度较单掺GO略有降低，但是后期强度有所增强，28d龄期抗折强度和抗压强度较单掺GO时分别增强了4.4%和8.3%；当GO掺量为0.03%，FA掺量为20%时，结石体的抗渗性较单掺GO时提高了5.66%；GO-FA浆液结石体具有良好的抗氯离子侵蚀能力，其抗侵蚀系数为1.007。　　（3）综合考虑浆液流动性、稳定性、凝结时间、流变参数、结石体强度、抗侵蚀能力、抗渗性以及经济效益，确定水泥基浆液中复掺0.03%的GO和20%的FA，不仅能保证注浆浆液具有良好的性能，还可以减少水泥的用量，实现对工业废料粉煤灰的综合利用，符合低碳绿色发展的需求。利用微观测试技术结合水化反应，揭示了GO-FA协同效应改善水泥基浆液性能的机理，GO充分发挥了促凝增稠、纳米填充效应和化学键合作用；FA表现出润滑剂滚珠效应，后期激活了FA的火山灰效应，促进二次水化反应。　　（4）采用自主设计加工制作的剪切盒，进行了一系列直剪试验。探究了不同注浆材料结石体的抗剪强度与浆-岩抗剪强度之间的关系，分析了GO和FA对浆-岩界面剪切力学行为和抗剪强度特征的作用规律，揭示了浆-岩界面抗剪强度耦合增强作用机理，建立了浆-岩抗剪强度与注浆材料结石体力学参数之间的关系。　　（5）利用自主设计的可视化大型注浆模拟系统，开展了富水破碎带注浆模型试验；对比了普通水泥浆、GO-FA复合水泥浆和不同注浆压力下破碎地层注浆效果，确定注浆加固效果影响因素；从微观结构分析，富水破碎岩体注浆加固浆-岩胶结面模型为解松善模型，浆液渗透到破碎岩体内部发生化学反应，氢氧化钙具有明显的取向性；胶结面发生了明显的物理化学反应，生成新的水化产物，从而增强注浆加固效果，揭示了富水破碎带注浆固岩作用机理。　　（6）依托广州地铁十一号线五凤站，开展了富水破碎带现场注浆应用试验，通过抽水试验、钻孔取芯表明注浆效果良好，验证了GO-FA浆液的优越性，可在类似工程中推广使用。
作者：	廖铖
专业：	岩土工程
导师：	林本海
授予学位：	博士
授予学位单位：	广州大学
学位年度：	2022