《交通運輸科學技術(shù)新成果推廣目錄》（２０２０）——第一部分公鐵水《尾礦制備的低碳高性能材料在非飽和邊坡抗震加固中的應用及產(chǎn)業(yè)化》

1 項目名稱: 尾礦制備的低碳高性能材料在非飽和邊坡抗震加固中的應用及產(chǎn)業(yè)化

2 完成單位: 應急管理部國家自然災害防治研究院、 中國港灣工程有限責任公司、 河北工程大學、 北方工業(yè)大學、 北京建筑材料科學研究總院有限公司、 中國科學院、 水利部成都山地災害與環(huán)境研究所

3 主要完成人: 黃帥、 李悅、 王長龍、 李鵬琳、 姜元俊、 許程光、 鄭永超、 王榮、 許沖

　　(一)項目背景

　　近幾年高速公路的工程實踐中,常常會遇到一些非飽和邊坡抗震加固問題。JTG-B02-2013《公路工程抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定,在地震區(qū)高速公路建設(shè)必須進行非飽和邊坡的加固處理。根據(jù)我國2008年汶川地震震害調(diào)查資料,非飽和邊坡在地震中的病害主要表現(xiàn)為:液化、下沉、滑移,坡面縱向、橫向開裂,坡頂下沉等。因此研究地震作用下非飽和邊坡的地震破壞失效模式并研發(fā)其匹配的低碳高性能加固材料具有十分重要的現(xiàn)實意義。國內(nèi)外針對非飽和邊坡地震失穩(wěn)機理及匹配的低碳高性能加固材料研究已經(jīng)引起重視,但尚未達到實際應用的水平。

　　(二)技術(shù)概況

　　項目采用新理論、新技術(shù)、新方法、新工藝,緊緊圍繞強震區(qū)非飽和邊坡的地震穩(wěn)定性和抗震加固技術(shù)問題進行了系統(tǒng)研究,提出了基于韌性設(shè)計-主動消能-分布式耦合理念的加固理論與方法,最后自主研發(fā)了用于非飽和邊坡失效破壞加固的低碳高性能材料。

　　(三)適用范圍

　　項目提出的邊坡加固技術(shù)特別適合位于地震多發(fā)地區(qū)以及潛在震源較高(設(shè)防烈度逸6度)的公路工程、鐵路工程、海洋工程、礦山工程與城市工程體系建設(shè)中涉及的邊坡應用;截止到2019年底,本項目的加固理論與方法應用在了大量城市生命線工程中,已在公路工程、城市建設(shè)中取得了規(guī)?；膽?對高速公路工程和城市的可持續(xù)發(fā)展以及節(jié)能環(huán)保作出了重要貢獻。研發(fā)的低碳高性能加固材料相關(guān)技術(shù),特別適合在磁鐵石英巖型鐵礦集中分布并大規(guī)模開采的鞍山-本溪地區(qū)和河北地區(qū)以及北京市、天津市推廣。也適合在山西、山東、江西等有磁鐵石英巖型鐵礦分布的局部地區(qū)推廣。

　　(四)獲獎情況

　　項目獲得了中國鐵道科學技術(shù)研究院科學技術(shù)獎二等獎和中國建材聯(lián)合會/中國硅酸鹽學會科學技術(shù)進步獎三等獎。

　　(1)提出了非飽和邊坡土樣應力-應變發(fā)展過程的動力本構(gòu)模型。在現(xiàn)有數(shù)值模擬軟件接口基礎(chǔ)上,自主開發(fā)了非飽和邊坡地震和地下水耦合的程序,確定了不同類型地震(近遠場)作用下非飽和邊坡的破壞位置和破壞特征?；贜ewmark滑塊位移法,提出了基于韌性理念的非飽和邊坡的安全性評價方法,建立了基于韌性的非飽和邊坡穩(wěn)定性評價新理念。

　　(2)明確了非飽和邊坡與注漿材料的能量傳遞、轉(zhuǎn)換與耗散機制,揭示了地震和地下水耦合行為誘發(fā)的非飽和邊坡的塑性開展過程及損傷累積效應和演化規(guī)律;建立了非飽和邊坡破壞失穩(wěn)判定準則和災變控制方法,提出了適用于實際工程的、基于韌性設(shè)計-主動消能-分布式耦合理念的加固理論與方法。

　　(3)自主研發(fā)了尾礦制備高性能綠色加固材料關(guān)鍵技術(shù)?？朔斯桎X質(zhì)膠凝材料的安定性、賦存有害物質(zhì)給尾礦的廢棄物協(xié)同制備加固材料帶來的難題,獲得了尾礦等硅鋁質(zhì)原料制備加固材料的基礎(chǔ)理論及技術(shù)。解決了低碳高性能加固材料水化進程緩慢而需要高效養(yǎng)護的問題,在加固材料中固廢用量可達到80%以上的同時,保證加固材料具備優(yōu)異的性能。

　　(1)提出了模擬非飽和邊坡地震和地下水耦合作用的數(shù)值模擬技術(shù),并揭示了地震和地下水耦合作用下非飽和邊坡的破壞機理。1提出了非飽和邊坡飽和土樣液化后應力-應變發(fā)展過程的動力本構(gòu)模型;于對數(shù)值模擬軟件ADINA和PLAXIS進行二次開發(fā),明確了地震作用下非飽和邊坡地震液化的形成條件;2基于大型地震模擬振動臺試驗,實現(xiàn)了地震作用下非飽和邊坡漸進性破壞過程模擬,揭示了地震作用下非飽和邊坡失效破壞模式;3揭示了非飽和邊坡在地震作用下的災變行為及薄弱位置;4揭示了地震作用下非飽和邊坡的破壞特征置和破壞機理。

　　(2)提出了地震和地下水耦合作用下非飽和邊坡的安全性評價體系及適用于實際工程的、基于韌性設(shè)計-主動消能-分布式耦合理念的加固理論與方法。1基于Newmark滑塊位移法,提出了考慮地震和地下水耦合作用的非飽和邊坡的安全性評價方法;2確定了非飽和邊坡與注漿材料的能量傳遞、轉(zhuǎn)換與耗散機制;3揭示了地震和地下水耦合行為誘發(fā)的非飽和邊坡的塑性開展過程及損傷累積效應與演化規(guī)律;4提出了非飽和邊坡破壞失穩(wěn)判定準則和災變控制方法;5提出了適用于實際工程的、基于韌性設(shè)計-主動消能-分布式耦合理念的加固理論與方法。

　　(3)自主研發(fā)了尾礦制備低碳高性能加固材料,并實現(xiàn)了低碳高性能加固材料在非飽和邊坡地震加固中的應用及加固材料衍生的混凝土技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。1提出了多目標多因素的復合活化方式,克服了硅鋁質(zhì)膠凝材料的安定性、賦存有害物質(zhì)給尾礦的廢棄物協(xié)同制備加固材料帶來的難題;2形成了膠凝原料中不安定組分、重金屬和有害物質(zhì)穩(wěn)定控制方法,獲得了尾礦等硅鋁質(zhì)原料制備加固材料的基礎(chǔ)理論及技術(shù);3克服了尾礦等固廢制備膠凝材料資源化利用率低的難題;4解決了固廢中有害離子固化問題,確立膠凝材料性能調(diào)控手段和方法,獲得低碳高性能大摻量固廢基中鈣體系膠凝材料制備的基礎(chǔ)理論及技術(shù);5解決了低碳高性能加固材料水化進程緩慢而需要高效養(yǎng)護的問題,在加固材料中固廢用量可達到80%以上的同時,保證加固材料具備優(yōu)異的性能;6明確了優(yōu)化后的低碳高性能材料加固非飽和邊坡的抗震性能,實現(xiàn)了低碳高性能加固材料在非飽和邊坡抗震加固的應用。

　　形成的非飽和邊坡穩(wěn)定性評價體系、加固理論及技術(shù)與國內(nèi)外權(quán)威機構(gòu)的綜合比較如表1所示。

　　批量生產(chǎn)的極低水泥熟料全尾礦廢石骨料混凝土人魚礁如圖1所示。

　　圖1極低水泥熟料全尾礦廢石骨料混凝土人魚礁

　　提出的邊坡評價方法和加固理念在中國港灣工程有限責任公司的MARII公路邊坡項目中進行了應用,如圖2所示。

　　圖2MARII公路邊坡項目的穩(wěn)定性評價及注漿加固現(xiàn)場

　　近三年,項目成果應用單位累計節(jié)支總額6.18億元,累計新增利潤6.78億元,新增利稅2.42億元,提供就業(yè)崗位1200個。本項目成果在未來5年左右預期在全國可實現(xiàn)約100億元/年的產(chǎn)值和約11億元/年的利稅。按上述推廣前景保守估算,未來5年內(nèi)項目的加固材料衍生的產(chǎn)品可少向大氣中排放1滋m粒徑以下的粉塵(PM2.5)400.7噸/年。