软岩崩解分形机制的数学模拟

膨胀性软岩是工程中常见的岩体,其特点之一是吸水膨胀崩解。通过研究软岩崩解物的粒度及其分形特征变化规 律,根据分形概念建立了模拟红层软岩崩解的数学模型,模拟与实测结果的发展趋势基本相同,表明软岩的崩解过程是一个分形。根据该成果,工程中可通过少量的崩解试验数据确定数学模拟模型的参数,从而计算得到软岩崩解物的分数维不再变化的临界值,并可对更长时间后软岩的崩解分数维进行预测。     

膨胀岩崩解特性的干湿循环效应与粒度熵表征

膨胀岩是一种特殊软岩,在干湿循环作用下容易崩解泥化。针对延吉膨胀岩,开展干湿循环作用下膨胀岩浸水崩解试验,研究其粒径变化规律。根据干湿循环后粒径分布,引入标准基础熵表征膨胀岩崩解特性,并与崩解比进行类比分析。研究结果表明:各粒组含量在前3次干湿循环中变化较大,第3次干湿循环后逐渐趋于稳定;随着干湿循环次数的增加,粗颗粒含量逐渐减少,细颗粒含量增加,土颗粒大小经历了由均匀到不均匀,再到均匀的过程;标准基础熵与崩解比存在明显的线性负相关关系,标准基础熵随着崩解比的增大而减小,表明利用标准基础熵表征颗粒分布规律是合理可行的;随着干循环次数的增加,标准基础熵先减小,后逐渐稳定,与级配曲线及其衍生指标变化规律相同,再次验证该方法的可行性和适用性,为膨胀岩的崩解破碎分析提供一种新的量化指标;膨胀岩路堑边坡开挖以后,应及时采取防水保湿措施,防止发生崩解泥化现象。     

泥质膨胀岩崩解物粒径分布与膨胀性关系试验研究

崩解性是膨胀岩最基本的特性之一,但在膨胀岩膨胀性的快速判别指标中少见关于崩解性及崩解物的定量指标。因此,有必要开展膨胀岩崩解物粒径分布特征和崩解性与膨胀性之间关系的研究,以对膨胀岩的快速判别进行补充。以浙江台州黑洞、蛇蟠岛和新疆大阪隧洞泥质岩样品为例,进行了干燥饱和吸水率和干燥饱和崩解试验,并分析了干燥崩解物粒径分布特征、耐崩解性指数及其与基于干燥饱和吸水率的膨胀性判别结果之间的关系。结果表明,膨胀岩膨胀性的强弱与其崩解物的最大含量粒组颗粒粒径、有效粒径和耐崩解性指数呈反相关关系。膨胀岩崩解物粒径分布的差异性对其膨胀性具有一定的指示意义。     

红山窑风化红砂岩膨胀机制微细观分析

通过扫描电镜,将红山窑风化红砂岩吸水前后的颗粒组成结构图放大300倍,从微细观方面揭示了红山窑全、强、中、弱不同风化程度的膨胀红砂岩吸水膨胀的全过程：吸水→水化→体积增加→产生膨胀力→膨胀力超过极限→崩解。从这一过程可以看出,膨胀岩的膨胀变形特性主要是由于膨胀岩中的部分矿物具有亲水性,遇水后发生水化反应而导致体积增 大,并引起膨胀应力;当膨胀力超过胶结物的粘结力时,就发生崩解;对于不同风化程度的膨胀岩,随着风化程度的加深,其吸水膨胀的过程越快,达到崩解的时间越短。     

红层软岩遇水崩解特性试验及其界面模型

红层软岩遇水崩解是引发工程灾害的重要原因。红层软岩遇水崩解缘于水作用下软岩细观成分组构的变化,但目前软岩崩解特性定量表征研究多根据宏观现象,所得到的崩解模型难以对软岩崩解的细观过程进行研究。根据室内软岩静态崩解和软岩碎片浸水试验以及不同浸泡阶段的软岩的成分组构扫描电镜观察试验,揭示了水-软岩界面的细观演化规律:红层软岩的崩解机制缘于软岩碎片间泥质填充区中水-岩界面上的黏土颗粒在水作用下发生水化、扩散和流失致使泥质胶结带缩减,从而引起碎片间凝聚力下降;静水作用下软岩碎片间的凝聚力随时间呈幂函数衰减。在此基础上,利用界面与胶体化学、断裂力学理论,定量表征了软岩中水化黏土颗粒的流失以及软岩碎片间的模式Ⅱ型开裂,建立了软岩遇水崩解的界面模型,进而定量表征了软岩遇水崩解过程。通过对比计算,利用上述所建模型计算的软岩碎片剥落时间和试验观察的软岩碎片剥落时间相近,从而验证了模型的合理性。     

川西红层软岩崩解演变特征与微观响应机理试验研究

红层软岩透水性弱、亲水性强,受含水量和水热(温度和降雨)变化影响极易发生软化崩解,给红层软岩地区工程建设和地质环境带来挑战。为研究不同含水量和多种水热试验工况下红层软岩的崩解特征和微观机理,以川西金堂县和中江县两处开挖红层软岩边坡工程为依托,利用自制降雨装置和温控设备,开展不同梯度初始含水量红层软岩在多种水热试验工况下的循环崩解试验。从红层软岩宏观形貌演变、微观结构及矿物组成、崩解系数、R值(崩解质量损失率)和崩解后颗粒分析5个方面对红层软岩崩解情况进行了研究,试验结果表明:红层软岩宏观形貌演变特征与微观结构变化及矿物差异存在一定的对应关系;黏土矿物的含量是红层软岩发生崩解的主要内因且与崩解呈正相关关系;崩解程度与初始含水量及水热效应联系密切;两处红层软岩R最小/大值差距明显,分别为0.22%、0.05%和1.63%、2.17%;粒径分布对红层软岩的崩解程度具有较好的评价作用,崩解越强烈,大颗粒越少,小颗粒越多,小颗粒更集中于0.075~0.5 mm之间。崩解系数、R值和最终粒径分布曲线可以很好地结合起来对红层软岩的崩解进行量化分析,并与微观结构及矿物差异相联系解释红层软岩的崩解演变特征。研究成果可为金堂、中江及其他红层软岩地区的工程建设和地质评价提供一定参考。     

滇中红层软岩微观结构及水理特性试验研究

滇中红层软岩具有成岩作用差、易产生较大变形、遇水易软化、易崩解等特征,本文采用环境扫描电镜试验和水理特性试验,对红层软岩的微观结构特征,崩解、膨胀、软化等水理特性进行了研究。试验结果表明,红层软岩矿物粒间空隙大多被粘土矿物填充,粘土矿物以伊利石和蒙脱石为主,为混层结构,结晶程度相对较差,多数有蚀变的痕迹。具有微小裂隙的红层软岩在1~2次充分饱水烘干后,崩解性开始显现;随着干湿循环次数增加,岩样的质量变化呈减小趋势;干湿循环次数继续增加,崩解性指数趋于平缓。红层软岩由于风化作用影响程度和自然含水率的差异,岩体内部崩解张力具有明显不均匀性。经过自由浸水48h后,红层软岩的单轴抗压强度降低29.83%~58.47%,各地层软化系数在0.4~0.7之间,遇水后呈现显著软化效应。这些结果为红层软岩地区公路工程建设的工程地质研究提供了一定参考。     

深部煤系软岩遇水崩解的宏观特征及微观机理研究

      随着煤层开采层位的加深,对煤系软岩水稳性的研究越来越重要。巨野3号煤顶底板岩层以泥质岩为主,赋存深度900～1200 m,为典型的深部煤系软岩。通过水理性试验、X射线衍射试验及电镜扫描试验,对巨野煤田深部煤系软岩遇水崩解的宏观特征及微观机理进行分析研究。研究发现软岩水稳性较差,浸水后在30 min内开始崩解;岩样粘土矿物以高岭石及蒙伊混层为主,结构上表现为明显的疏松性及定向排列性。通过分析认为深部煤系软岩崩解是粘土矿物内外膨胀联合作用的结果,其中软岩结构特征是导致该类岩石遇水崩解的主要因素。     

软岩力学特性研究

本文讨论了软岩的基本特性。根据软岩的膨胀崩解耐久性、冻融作用、力学性质试验结果、, 分析软岩力学特性与赋存环境(含水量、地应力、温度)和时间的关系。总结了软岩的力学性质变化特征。并提出软岩强度取值原则。     

崩解性砂软岩改良弱膨胀土性状实验研究

引江济淮河(航)道工程引江济巢段和江淮沟通段地层连续分布弱膨胀土和具有崩解性的砂软岩,为资源化利用河道开挖弃渣开发非膨胀土来源,实验研究利用崩解性软岩改良弱膨胀土的可行性。研究表明:崩解性砂软岩易粉碎、无膨胀性、天然含水率低,具备作为改性材料的条件;弱膨胀土掺入崩解性砂岩后其膨胀率、膨胀力、最优含水率与掺入量负相关,最大干密度、渗透系数与掺入量正相关;弱膨胀土掺入崩解性砂岩后其内摩擦角随掺量呈反S型曲线规律发展,黏聚力随掺量增加近似呈二次曲线规律衰减,掺量高于30%时,改良土的抗剪强度可能低于天然弱膨胀土;在砂岩掺量及粒径范围相同情况下,砂岩粗颗粒含量越高,改良土的黏聚力越高和摩擦角越低;砂岩改良土在干湿循环条件下的强度稳定性得到改善,且水化砂岩的改良效果优于机碎砂岩。以弱膨胀土改良后强度不损失为标准,确定砂岩合理掺量为30%,并须合理控制砂岩改良土施工过程中机碎砂岩中粗粒组的含量。     

Study on the Fractal Model of Erosion of Soft Rock by Water Immersed: Case Study Erosion of Metamorphic Slate

One of the characteristics of soft rock that contains clay and engineering geology is water swelling and.disintegration. The fractal model of slate disintegration is established by Gate Gaudin Sehuhmann distribution function, representative slate samples are chosen to perform laboratory tests of slaking, and the fractal dimension value of slate disintegration change law with time is obtained. The results show that absorbing water and disintegrating progress of slate is also a progress that fractal dimension of slate scrap change successively, when disintegrating of slate arrived to some extent, grade of scrap of slate disintegrated is no more change, fractal dimension of scrap of slate disintegrated incline to a critical value. The disintegration of slate has lag phenomenon in time. The initial disintegration time and the maximum disintegration fractal dimension of rocks are different because of the different microstructure and material composition.

     

含水状态下弱风化泥质粉砂岩冲击破碎的分形规律研究

水对岩石的物理力学性质影响较大,研究不同含水状态下岩石受冲击荷载后破碎物的分形规律具有较强的现实意义。借助于分离式霍普金森杆（SHPB）实验装置,开展不同含水状态的泥质粉砂岩的冲击试验,然后对破碎物的块度分布进行深入分析,并基于尺寸-频率分析方法,重点对破碎物颗粒粒径分布的分形规律进行探讨。结果表明,随着加载速率的提高,泥质粉砂岩冲击破碎物单块体积普遍减小,残留碎块的数量越多,破碎的程度也越高,此时分形维数越小;含水率越大,小颗粒比例越大,岩样破碎程度越高,饱水状态岩样的分形维数较其他两种状态大,天然含水状态和自然吸水状态岩样冲击破碎的分形维数较为接近;当冲击速度较大时其将成为影响分形维数的主要因素,含水率的影响相对较小。     

红层软岩压缩破坏的分形特征与级联失效过程

基于不同围压条件下的红砂岩三轴压缩试验结果,采用数字图像相关技术对岩样外表面破坏形态进行全程观测,获得不同阶段岩样外表面破坏图像,分别对岩样破坏后阶段的图像进行分析。通过分形盒维数表征岩样外表面裂纹的变化情况,发现岩样破坏越严重,裂纹分形维数越高,且在最后破坏阶段裂纹分形维数出现突变,揭示岩样的破坏特征。引入级联失效数学模型,结合红层软岩内部的矿物成分与细观结构分布特点,概化出其结构的随机连接模型与破坏方式,分析红层软岩加载作用下的内部节点颗粒“容量-荷载”重分配原则以及节点颗粒失效后其初始荷载传递路径。结果表明,红层软岩在受载时为一个级联失效的分阶段破坏过程,级联因子通过级联路径不断传播、增多,级联失效越发明显,同时结合岩石破坏的变形损伤过程与其轴向应力-应变曲线分段特征,揭示该类岩石破坏的级联失效分级标准,为拓展该领域的研究具备一定的参考价值。     

岩石破裂过程中的声发射b值及分形特征研究

应用声发射及其定位技术,通过单轴受压岩石破坏声发射试验,对岩石破裂过程中的声发射b值和空间分布分形维值随不同应力水平的变化趋势进行了研究。研究结果表明：声发射分形维值D和b值反映了岩石破坏过程中微裂纹的初始和扩展;在小尺度微裂纹所占比例较高的加载初期,分形维值和b值在较高的水平波动变化,部分岩石试件分形维值和b值呈现升高现象;随着载荷的增加,岩石内部微裂纹的空间分布由无序向有序转变,大尺度裂纹所占比例增加,声发射定位事件出现群集现象,分形维值和b值开始较快速下降并在岩石失稳破坏时达到最低值。在岩石破坏过程中,声发射分形维值和b值的变化趋势相近。由于实际应用时,分形维值和b值的最小值（临界点）难以确定,故可将2个参数相结合,以分形维值D和b值较快速下降作为前兆特征,以提高现场岩体稳定性监测的准确性。     

降雨入渗条件下软岩边坡稳定性分析

降雨条件下软岩边坡的失稳模式是进行边坡处治的基本依据之一。为研究软岩边坡在降雨条件下的稳定性,提出了一种既能考虑渗流场对边坡稳定性的影响,又能体现岩石软化效应对边坡失稳所带来的不利作用的新方法。运用二维渗流数值计算方法,对降雨条件下的边坡孔隙水压力大小及暂态饱和区面积在空间及时间上的分布进行了模拟。并将渗流场计算结果与暂态饱和区岩石软化试验所得岩石物理力学参数随时间的取值相结合,采用强度折减法分析软岩边坡在降雨入渗条件下的稳定性。对算例边坡的研究表明：降雨入渗条件下软岩边坡的失稳在降雨初期表现为边坡表层局部分层垮塌。随着降雨历时的增长,失稳形式则表现为局部分层垮塌与整体滑移相结合。降雨停止后,边坡负孔隙水压力的消散,对软岩边坡安全系数的继续降低具有一定的延缓作用。     

红层软岩遇水作用的孔隙结构多重分形特征

红层软岩内部孔隙具有随机、多样化的分布特点,孔隙结构的变化是影响其宏观力学性能的关键所在。由SEM扫描电镜获取岩样不同饱水时间下的细观结构图像,根据盒维数法计算出孔隙的分形维数,发现随着饱水时间的加长,孔隙的分形维数呈现增大趋势。同时对孔隙的数量、大小进行统计分析,得出不同饱水时间下岩样内部孔隙的分布特征。基于多重分形理论,采用统计矩的方法对孔隙结构进行定量表征。结果表明,孔隙结构的分配函数与q阶次趋于线性关系,验证了该结构的自相似性与无标度性,由广义分形维数D(0)>D(1)>D(2)说明了孔隙具有多重分形特征,由多重分形谱参数分析了孔隙结构的不规则性与复杂程度,更好地表征孔隙大小各异的分布情况。结合孔隙结构的多重分形特征与岩样抗压强度,建立起孔隙结构变化与其力学性能的关联性,对研究红层软岩的损伤过程具有一定的指导意义。     

基于岩体结构面分布分形维的岩体质量评价

尽管岩体结构面具有空间上的不规则性和结构网络上的复杂性,但由于它又具有自相似的特征,可以运用分形理论来对其进行研究。运用盒计维数法对某矿山巷道围岩体结构面分布的分维数进行计算,验证了岩体结构面分布的分形特征。通过对岩体结构面分布分形维值分布规律的分析发现,分形维数越大、结构面分布越密集,结构面迹线越长,岩体质量越差,表明可将岩体结构面分布的分形维作为岩体质量评价的指标。将计算所得的岩体结构面分布的分维数与按工程岩体分级标准对相应岩体分级所得的岩体质量等级进行对比,提出了一个以岩体结构面分布的分形维作为分级指标的岩体质量评价方案。     

基于岩体不连续面三维分形维岩体质量评价研究

岩体内部不连续面分布具有随机性、不规则性,但又具有统计自相似性。基于三维随机不连续面网络模拟技术,对岩体结构统计均质区内的不连续面进行计算机模拟,并应用分形理论计算岩体不连续面分布的分形维数。岩体不连续面分布分维数具有尺寸效应,随着岩体尺寸增大分维数减小,到一定程度趋于稳定。这一稳定的分维值称之为表征分维数,用此值描述不连续面分布特征。将岩体不连续面分布的表征分维数与按传统岩体分类标准所得岩体质量等级进行对比,提出以岩体不连续面分布表征分维数为指标的岩体质量分类方法。在岩体分类基础上,提出基于表征分维数的岩体等效抗剪强度指标的折减计算。     

排土场散体岩石粒度分布与剪切强度的分形特征

应用分形理论研究了矿山排土场散体岩石粒度分布的分维规律,建立了分维数与排土场散体物料剪切强度参数的定量关系式。研究表明,排土场岩石块度分布具有良好的分形结构,分维数值大小随着排土场高度的增加而增加,但不超过3。当采样尺度范围一定时,分维数越大,散体中细颗粒含量越多,平均粒径也越小。分维数与散体岩石的剪切强度参数摩擦角?呈负指数关系。分维数值可用于排土场粒度资料的统计分析与剪切力学强度参数的预测。