《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２０）——第一部分公铁水《尾矿制备的低碳高性能材料在非饱和边坡抗震加固中的应用及产业化》

1 项目名称: 尾矿制备的低碳高性能材料在非饱和边坡抗震加固中的应用及产业化

2 完成单位: 应急管理部国家自然灾害防治研究院、 中国港湾工程有限责任公司、 河北工程大学、 北方工业大学、 北京建筑材料科学研究总院有限公司、 中国科学院、 水利部成都山地灾害与环境研究所

3 主要完成人: 黄帅、 李悦、 王长龙、 李鹏琳、 姜元俊、 许程光、 郑永超、 王荣、 许冲

　　(一)项目背景

　　近几年高速公路的工程实践中,常常会遇到一些非饱和边坡抗震加固问题。JTG-B02-2013《公路工程抗震设计规范》规定,在地震区高速公路建设必须进行非饱和边坡的加固处理。根据我国2008年汶川地震震害调查资料,非饱和边坡在地震中的病害主要表现为:液化、下沉、滑移,坡面纵向、横向开裂,坡顶下沉等。因此研究地震作用下非饱和边坡的地震破坏失效模式并研发其匹配的低碳高性能加固材料具有十分重要的现实意义。国内外针对非饱和边坡地震失稳机理及匹配的低碳高性能加固材料研究已经引起重视,但尚未达到实际应用的水平。

　　(二)技术概况

　　项目采用新理论、新技术、新方法、新工艺,紧紧围绕强震区非饱和边坡的地震稳定性和抗震加固技术问题进行了系统研究,提出了基于韧性设计-主动消能-分布式耦合理念的加固理论与方法,最后自主研发了用于非饱和边坡失效破坏加固的低碳高性能材料。

　　(三)适用范围

　　项目提出的边坡加固技术特别适合位于地震多发地区以及潜在震源较高(设防烈度逸6度)的公路工程、铁路工程、海洋工程、矿山工程与城市工程体系建设中涉及的边坡应用;截止到2019年底,本项目的加固理论与方法应用在了大量城市生命线工程中,已在公路工程、城市建设中取得了规模化的应用,对高速公路工程和城市的可持续发展以及节能环保作出了重要贡献。研发的低碳高性能加固材料相关技术,特别适合在磁铁石英岩型铁矿集中分布并大规模开采的鞍山-本溪地区和河北地区以及北京市、天津市推广。也适合在山西、山东、江西等有磁铁石英岩型铁矿分布的局部地区推广。

　　(四)获奖情况

　　项目获得了中国铁道科学技术研究院科学技术奖二等奖和中国建材联合会/中国硅酸盐学会科学技术进步奖三等奖。

　　(1)提出了非饱和边坡土样应力-应变发展过程的动力本构模型。在现有数值模拟软件接口基础上,自主开发了非饱和边坡地震和地下水耦合的程序,确定了不同类型地震(近远场)作用下非饱和边坡的破坏位置和破坏特征。基于Newmark滑块位移法,提出了基于韧性理念的非饱和边坡的安全性评价方法,建立了基于韧性的非饱和边坡稳定性评价新理念。

　　(2)明确了非饱和边坡与注浆材料的能量传递、转换与耗散机制,揭示了地震和地下水耦合行为诱发的非饱和边坡的塑性开展过程及损伤累积效应和演化规律;建立了非饱和边坡破坏失稳判定准则和灾变控制方法,提出了适用于实际工程的、基于韧性设计-主动消能-分布式耦合理念的加固理论与方法。

　　(3)自主研发了尾矿制备高性能绿色加固材料关键技术。克服了硅铝质胶凝材料的安定性、赋存有害物质给尾矿的废弃物协同制备加固材料带来的难题,获得了尾矿等硅铝质原料制备加固材料的基础理论及技术。解决了低碳高性能加固材料水化进程缓慢而需要高效养护的问题,在加固材料中固废用量可达到80%以上的同时,保证加固材料具备优异的性能。

　　(1)提出了模拟非饱和边坡地震和地下水耦合作用的数值模拟技术,并揭示了地震和地下水耦合作用下非饱和边坡的破坏机理。1提出了非饱和边坡饱和土样液化后应力-应变发展过程的动力本构模型;于对数值模拟软件ADINA和PLAXIS进行二次开发,明确了地震作用下非饱和边坡地震液化的形成条件;2基于大型地震模拟振动台试验,实现了地震作用下非饱和边坡渐进性破坏过程模拟,揭示了地震作用下非饱和边坡失效破坏模式;3揭示了非饱和边坡在地震作用下的灾变行为及薄弱位置;4揭示了地震作用下非饱和边坡的破坏特征置和破坏机理。

　　(2)提出了地震和地下水耦合作用下非饱和边坡的安全性评价体系及适用于实际工程的、基于韧性设计-主动消能-分布式耦合理念的加固理论与方法。1基于Newmark滑块位移法,提出了考虑地震和地下水耦合作用的非饱和边坡的安全性评价方法;2确定了非饱和边坡与注浆材料的能量传递、转换与耗散机制;3揭示了地震和地下水耦合行为诱发的非饱和边坡的塑性开展过程及损伤累积效应与演化规律;4提出了非饱和边坡破坏失稳判定准则和灾变控制方法;5提出了适用于实际工程的、基于韧性设计-主动消能-分布式耦合理念的加固理论与方法。

　　(3)自主研发了尾矿制备低碳高性能加固材料,并实现了低碳高性能加固材料在非饱和边坡地震加固中的应用及加固材料衍生的混凝土技术的产业化。1提出了多目标多因素的复合活化方式,克服了硅铝质胶凝材料的安定性、赋存有害物质给尾矿的废弃物协同制备加固材料带来的难题;2形成了胶凝原料中不安定组分、重金属和有害物质稳定控制方法,获得了尾矿等硅铝质原料制备加固材料的基础理论及技术;3克服了尾矿等固废制备胶凝材料资源化利用率低的难题;4解决了固废中有害离子固化问题,确立胶凝材料性能调控手段和方法,获得低碳高性能大掺量固废基中钙体系胶凝材料制备的基础理论及技术;5解决了低碳高性能加固材料水化进程缓慢而需要高效养护的问题,在加固材料中固废用量可达到80%以上的同时,保证加固材料具备优异的性能;6明确了优化后的低碳高性能材料加固非饱和边坡的抗震性能,实现了低碳高性能加固材料在非饱和边坡抗震加固的应用。

　　形成的非饱和边坡稳定性评价体系、加固理论及技术与国内外权威机构的综合比较如表1所示。

　　批量生产的极低水泥熟料全尾矿废石骨料混凝土人鱼礁如图1所示。

　　图1极低水泥熟料全尾矿废石骨料混凝土人鱼礁

　　提出的边坡评价方法和加固理念在中国港湾工程有限责任公司的MARII公路边坡项目中进行了应用,如图2所示。

　　图2MARII公路边坡项目的稳定性评价及注浆加固现场

　　近三年,项目成果应用单位累计节支总额6.18亿元,累计新增利润6.78亿元,新增利税2.42亿元,提供就业岗位1200个。本项目成果在未来5年左右预期在全国可实现约100亿元/年的产值和约11亿元/年的利税。按上述推广前景保守估算,未来5年内项目的加固材料衍生的产品可少向大气中排放1滋m粒径以下的粉尘(PM2.5)400.7吨/年。