甘肃红层泥岩耐崩解试验与矿物夹杂效应研究

为探究干湿作用下甘肃红层质泥岩加速崩解机制,针对典型的石膏质泥岩,开展浸水及快速崩解试验,并通过与泥质砂岩、页岩和石膏岩的对比,分析了影响岩石耐久性的主要因素,对崩解过程中的矿物夹杂效应进行了讨论。研究结果表明：原状石膏质泥岩浸水自然崩解速度较慢,3 h崩解量为0.11,但高温(>163℃)干燥后夹杂的石膏矿物将完全脱水硬化,体积收缩,再次遇水后岩块于2 h内完全崩解。石膏质泥岩的二次循环耐崩解指数I_d2为0.80,属于高耐久性岩石,但在干湿过程中有加速崩解的趋势,第5次循环时的相对崩解指数I₅达到了0.56。岩石的耐久性受矿物成分和胶结强度影响较大,矿物膨胀驱使岩块崩解的过程中,泥质岩块易发生均匀破碎而砂质岩块易出现非均匀破碎。石膏质泥岩中黏土矿物夹杂密实,干湿作用下易崩解,所夹杂的石膏矿物具有溶蚀性,且溶蚀后崩解液显弱酸性,石膏溶蚀产生的微裂隙和酸性环境下钙质结核的脱落是导致石膏质泥岩加速崩解的主要原因。     

巴东组紫红色泥岩干湿循环崩解特征试验研究

红层泥岩受水的影响易诱发多种工程地质灾害,开展红层泥岩干湿循环崩解性质的研究具有重要意义。选取三叠系巴东组(T2b4)紫红色泥岩开展室内干湿循环崩解试验,每次干湿循环后筛分试样,通过称量获得各组分质量,并用图像处理技术提取每次筛分后岩石块体的形态特征参数。以此为基础用分形几何、灰色关联理论研究红层泥岩崩解过程中颗粒的分形与形态特征,从而建立评价红层泥岩稳定程度的模型。研究结果表明:巴东组紫红色泥岩室内干湿循环崩解试验中,粒径大于10 mm的块体崩解剧烈,且崩解过程主要集中在前8次循环,经历12次循环后停止;崩解过程中红层泥岩的分布分形维数在前8次循环中增加迅速,与红层泥岩崩解程度的变化规律相对应,随红层泥岩停止崩解而稳定在2.20;各粒组颗粒圆形度与覆盖盒维数的变化特征与红层泥岩崩解程度的变化规律也具有对应关系,随其崩解的停止而逐渐趋于稳定;灰色关联结果表明:崩解过程中红层泥岩圆形度的变化特征能更好地反映其崩解的状态,对工程建设中红层泥岩稳定程度的评价具有一定的指导意义。     

水热交替对红层泥岩崩解的影响

在既有研究基础上,应用岩石热物理学、毛细作用原理重点探讨了温度、水等因素的湿热交替效应对红层泥岩崩解过程的影响,尤其是水侵入前红层泥岩的结构状态以及水热交替等因素对红层泥岩崩解的促进作用。研究表明:在周期性热应力的影响下,在红层泥岩表层0.3～0.4m深度以上产生较大热应力,导致岩体内部裂隙发育,为水的侵入创造了结构条件;水热交替是导致红层泥岩产生迅速崩解的主要动力;红层泥岩有效崩解深度为20～30cm/a;红层泥岩的崩解过程可以分为开挖揭露、温度效应、水的作用、干湿循环（时间效应）、剥落作用五个阶段,是水、热、力等因素综合作用的结果。     

荷载-干湿循环共同作用下泥岩的压缩特性

泥岩遇水易崩解泥化,特别是耦合荷载作用后,其力学性能衰减更加明显。为掌握泥岩在环境因素和外部荷载作用下的性能演化规律,开展了干湿循环与上覆荷载共同作用下的压缩特性试验。发现初次浸水后压实泥岩发生膨胀,但随着干湿循环作用的进行,泥岩试样发生压缩变形。然后,对压实泥岩试样进行孔隙分析,结果表明,泥岩孔隙分布呈现双峰特征,峰值大约位于0.3 ?m和10.0 ?m孔径处,干湿循环和荷载的作用引起孔隙体积减小,特别是对大孔径孔隙的影响最显著。最后,依据泥岩的膨胀、压缩和孔隙分布特征,提出了压实泥岩的孔隙-荷载-水分相互作用模型,将压实泥岩的孔隙体积分为团粒内孔隙和团粒间孔隙两类;分析了荷载-干湿循环引起泥岩团粒崩解破碎和充填团粒之间孔隙的演变过程。揭示了泥岩孔隙-水分-荷载的相互作用机制,为泥岩路基的填筑提供了理论参考。     

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。     

基于PFC2D岩石颗粒破碎强度和能量的分形模型

颗粒的破碎强度随着粒径的增大而减小,即颗粒破碎的尺寸效应,分形模型为解释固体颗粒破碎的尺寸效应提供了可行的方法。根据岩石颗粒破碎时的分形特征,采用Sammis破碎准则,通过模拟分析得出岩石颗粒破碎能量和强度的分形模型,建立和验证用分维D来表示岩石颗粒破碎的能量和强度准则,得出并验证了岩石颗粒破碎分维的确定方法。利用离散元软件PFC2D的黏结颗粒模型BPM（Bonded Particle Model）模拟了小孔隙率n=0.12和大孔隙率n=0.3,即密实和松散两种情况。其中小孔隙率采用在模型上添加小颗粒的新方法,分别做了400组粒径不等的数值模拟试验,从粒径与破碎强度、破碎能量之间的关系和应力-应变曲线3个方面进行了统计,验证了岩石颗粒破碎强度与分维D的理论关系为σ_f∝dD-3,并得出颗粒破碎时的能量和与分维D之间的关系为E_f∝dD-1。验证了分形理论在分析颗粒破碎的尺寸效应中的较好应用,为确定岩石颗粒的破碎强度和岩石堆砌体剪切强度提供新的方法和参考意见。     

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。     

岩石颗粒破碎的尺寸效应

固体颗粒破碎强度的尺寸效应是一种普遍存在的现象,冰块、岩石颗粒、陶瓷和混凝土块等的破碎强度都表现出随颗粒直径增加而减小的现象,分形模型为解释固体颗粒破碎强度的尺寸效应提供了可行的方法。本文采用Steacy和Sammis分形模型模拟了岩石颗粒压碎特征,分析岩石颗粒破碎后的颗粒分布规律,给出颗粒破碎分维的确定方法,建立颗粒压碎强度与粒径的理论关系,颗粒破碎强度与颗粒粒径的关系用分维D表示为fdD-3。已有的颗粒破碎分布的数据表明,岩石颗粒破碎的分维大约为2.50～2.60,颗粒破碎强度符合用分维表示的尺寸效应。     

三峡库区巴东地区紫红色泥岩的崩解特性研究

在地制裁调查及大量岩土实验的基础上,研究了巴东县新城区中三叠统巴东组二段T2b^2紫红色泥岩的膨胀崩解特性。测定了强风化泥岩的矿物及化学成分,对岩石在不同状态和不同浸水时间条件下表现出的快速胀裂、崩解现象进行了细致观察,同时对不同浸水状态的岩石进行了强度试验,发现该区紫红色泥岩风化后具有微弱的膨胀性,以及沿微裂面快速崩解的特性,其膨胀崩解特性与岩石的物理状态密切相关。     

陕南紫阳-平利地区碳硅泥岩型铀矿床成矿条件分析

陕南紫阳一平利地区位于南秦岭碳硅泥岩型成矿带石泉～安康成矿集中区,铀成矿地质条件较为有利。已发现有碳硅泥岩型铀矿床（点）、矿化点及分布广泛的异常点。铀矿化受寒武系鲁家坪组（∈1l）、箭竹坝组（∈lj）和奥陶一志留系斑鸠关组（（O3＋S1）6）中碳硅泥岩地层控制。按含矿围岩将铀矿化分为3种类型,即含炭质硅岩型、石炭及炭质板岩型和煌斑岩脉型。褶皱构造和构造破碎带控制着铀矿化分布空间。     

水库消落带岩石崩解过程中所处湿干交替作用环境模拟研究

水库运行期水库岸坡防洪限制水位及正常蓄水位之间消落带内的岩石,由于库水位的周期性变化而处在湿干交替作用的环境中.针对目前在研究水库运行期岸坡消落带软岩崩解机理过程中消落带湿干交替作用环境模拟不合理的问题,选取三峡库区三叠系巴东组中风化紫红色泥岩为研究对象,将泥岩置于室内周期性湿干交替作用的环境中,对湿化和干燥过程中泥岩崩解物的宏观质量、物质组成及微细观结构和湿化溶液的化学成分的变化进行测试.测试结果表明：崩解物的质量在湿干交替作用5个周期后不再增加;随着湿干交替作用次数的增加,黏土矿物中含量较大的蒙皂石矿物的含量在减少,第1次湿干交替作用后减少最为明显,4次后趋于稳定;随着湿干交替作用次数的增加,阳离子交换量在5个周期后变化很小.根据测试结果,确定了水库运行期消落带三叠系巴东组中风化紫红色泥岩在湿干交替作用过程中的湿化和干燥的模拟时间,即一个湿干交替作用周期的湿化时间为4天、干燥为2天;泥岩在湿干交替作用5个周期后不再崩解.研究成果为揭示水库岸坡消落带软岩崩解机理提供了消落带湿干交替作用环境的合理模拟方式.     

基于分形理论的粉砂质泥岩酸雨崩解特征研究

黏土岩的崩解过程易受环境条件(如崩解液特征)影响,酸雨作用对其影响显著,但其酸雨崩解特征有待研究。目前对黏土岩崩解特征的评价多采用耐崩解性指数,仅考虑崩解后大于2mm的残留颗粒质量,未反映崩解后的整体粒径分布特征。本文以典型酸雨区攀枝花机场滑坡为依托,选取滑带粉砂质泥岩,开展不同pH值条件下的岩石崩解试验;引入分形理论,建立分形维数与酸雨历时、降雨酸度间的相关关系,定量刻画粉砂质泥岩酸雨崩解特征及影响因素;采用电感耦合等离子体发射光谱法分析不同酸度崩解溶液的离子成分差异,以探索降雨酸度造成岩石崩解特征差异的本质原因。结果表明:采用分形理论可以较好地反映粉砂质泥岩酸雨崩解特征,分形维数越大,粉砂质泥岩崩解程度越大;分形维数与酸雨历时、降雨酸度之间皆存在明显对数正相关关系;不同降雨酸度粉砂质泥岩崩解特征存在差异的原因在于白云石、方解石溶蚀程度不同。研究成果可为酸雨地区黏土岩的工程性质评价提供参考。     

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.

     

干湿效应下崩岗岩土不均匀沉降变形规律与崩壁崩坍机制

发育于花岗岩出露区崩岗岩土受干湿效应影响显著,导致崩壁坍塌和工程设施受损。通过崩解和快速固结试验,采用6种干湿水平研究干湿路径、固结压力对崩壁岩土相对变形率的影响。结果显示,脱湿过程中裂隙性是影响相对变形率主要因素,而在增湿过程中基质吸力、崩解性、土壤质地则共同决定了不同压力下相对变形率高低。当超过平均先期固结压力103.06 kPa后,相对变形率随固结压力增加而增大;压缩系数与初始含水率呈指数递增关系,初始含水率超过25%后压缩系数剧增;红土层①的压缩系数变化幅度最广（0.15~0.62 MPa-1）,均值最大（0.31 MPa-1）。从干湿效应导致的不均匀沉降角度揭示了崩壁崩坍机制,并讨论了崩岗区水保工程和监测设施不均匀沉降防治原则。其结论可为崩岗防治,工程设施维护提供一定科学依据。     

Self-similar fractal analysis of gold mineralization of Dayingezhuang disseminated-veinlet deposit in Jiaodong gold province,China

The mineralization degree in drifts in the Dayingezhuang disseminated-veinlet gold deposit in Jiaodong gold Province, China, can be categorized into non-mineralized, weakly mineralized, moderately mineralized and intensely mineralized ranks based on the number of the gold grades greater than cut-off. The grades sampled equidistantly and continuously along different drifts at − 140 m, − 175 m and − 210 m levels of the deposit are systematically calculated via the self-similar fractal model. The grade distributions often show bifractal characteristics, including two or three non-scale ranges. It shows that with the increase of mineralized rank, the fractal dimension of the second non-scale range decreases and the corresponding threshold becomes greater. The dimension decrease comes from the increase of proportion of the wider microfracture in the ore-controlling structure system; and the threshold increase is a result from the magnitude elevation of the microfractures from the extension-shear zone to compression-shear zone. The smaller fractal dimension means the proportion of the higher gold grades increases, suggesting the thickness of the orebody is proportional to its mean gold grade.     

基于尺寸效应的粗粒土单颗粒破碎试验及数值模拟

在外荷载等因素作用下,粗粒土易发生颗粒破碎。对泥岩和砂岩颗粒进行了一系列的单颗粒破碎试验,基于尺寸效应和颗粒破碎分形模型,研究了单颗粒破碎强度、破碎能量及Weibull模量等与分形维数间的关系。利用PFC3D对单颗粒破碎过程进行分析,并与试验数据对比,验证了数值程序的可靠性;随后扩展到大颗粒粒径,分析了其单破碎强度及破碎能量。结果表明：在同类试验条件下,不同材料所得的分形维数是不同的;不同粒径砂岩的破碎程度均大于泥岩;单颗粒破碎强度具有明显的尺寸效应;单颗粒破碎强度与破碎能量均可通过分形维数与颗粒粒径预测得出;修正后的Weibull模量也可通过分形维数得出;数值模拟结果与试验结果及预测结果基本一致;大颗粒粒径单颗粒破碎强度模拟结果与预测结果基本一致,破碎能量稍有差异,需进一步试验验证。研究成果可为获取大粒径粗粒土的单颗粒强度与变形特性提供参考。     

两种pH水环境干、湿循环作用对泥质砂岩的侵蚀研究

选取三峡库区某边坡的泥质砂岩为研究对象,分别对pH=3和pH=7溶液下干、湿循环作用的泥质砂岩进行电镜扫描试验（SEM）、4种围压下的三轴压缩试验,通过MATLAB软件处理得到不同pH值和干、湿循环次数下SEM图像的骨架面积比和分形维数。研究表明：在相同的干、湿循环次数下,pH=3酸性环境下的分形维数比pH=7的要大;分形维数与吸水率成正比例相关;与骨架面积、凝聚力成反比例相关;泥质砂岩在干、湿循环作用下的临界骨架面积比为0.55左右;提出了泥质砂岩在干、湿循环作用下的侵蚀度概念,计算并拟合了泥质砂岩的侵蚀度随干、湿循环次数变化的关系曲线;推导出凝聚力的损伤变量公式,为研究不同pH水环境对岩石的侵蚀作用提供参考依据。     

饱和级配破碎泥岩压实与粒度分布分形特征试验研究

通过饱和级配破碎泥岩的压实试验,得到了不同级配下试样轴向位移和粒度分布分形维数随轴向应力变化曲线,分析了Talbol幂指数对饱和破碎泥岩压实变形与粒度分布的影响规律,建立了一种饱和破碎泥岩压缩模量与轴向应力的关系式。试验结果表明,饱和破碎泥岩的压实过程可分为2个阶段,即0~4 MPa的快速变形阶段和4 MPa后的缓慢变形阶段。其中,约80%的变形发生在快速变形阶段。轴向位移、压缩模量与粒度分布分形维数均可用轴向应力的指数函数拟合。相同轴向应力下,Talbol幂指数越大,试样轴向位移越大,粒度分布分形维数越小。轴向应力大于8 MPa后,各级配试样的粒度分布分形维数相差很小,且随着轴向应力的进一步增大,各级配试样的分形维数差异将继续减小,最终,分形维数将趋于一致。在加载初期,试样压实变形主要以岩石颗粒移位为主;而在加载后期,试样的压实变形则以颗粒破碎为主。     

高煤阶煤孔隙结构及分形特征

高煤阶煤与中低煤阶煤在孔隙结构特征方面存在明显差异,分形理论为定量描述高煤阶煤储层孔隙特征提供了有效手段。基于扫描电镜、压汞实验和孔渗测试,以华北地区最大镜质体反射率(Ro,max)在19%~295%之间的9个煤样为研究对象,采用分段回归的方法对各样品进行不同孔径段分形维数计算,并讨论了孔隙结构分形维数与孔隙体积百分比、Ro,max、孔隙度和渗透率的关系。结果表明,高煤阶煤微小孔发育,半封闭孔含量较高,孔隙连通性一般,且孔隙结构具有明显的分段分形特征,同一煤样的超大孔(孔隙半径r＞5 μm)、大孔(05 μm＜r＜5 μm)、中孔(005 μm＜r＜05 μm)和微小孔(r＜005 μm)的分形维数依次减小;各煤样超大孔、大孔、中孔分形维数均随Ro,max增加而增加,随对应孔隙体积百分比增加而减小;孔隙度或渗透率与超大孔、大孔和中孔、微小孔分形维数分别呈二次相关、线性正相关、负相关;各分形区间分形维数分布的偏度和峰度与孔隙度或渗透率分别呈高度正相关和负相关,这为高煤阶煤孔隙度、渗透率提供了理想的线性方程(y=ax+b)预测模型。     

Characterization of heterogeneity of the Shajara reservoirs of the Shajara formation of the Permo-Carboniferous Unayzah group

Representative sandstone samples were collected from the surface-type section of the Shajara Formation of the Permo-Carboniferous Unayzah Group for reservoir characterization through fractal dimension investigation. Two models based on mercury intrusion technique were employed to represent the pores characteristics of these sandstones. The results show that realistic dimensions and outstanding fractal features of porous structures in Shajara sandstones, when these materials are correlated by thermodynamic model and 3-D fractal model of mercury intrusion. On the basis of sub-Unayzah unconformity, sub-Middle Shajara local unconformity, mudstone of the Middle Shajara and sub-Khuff unconformity, the three porous and permeable sandstone units of Shajara Formation were treated separately and classified here into three fractal dimension units. The units from base to top are: Lower Shajara Fractal Dimension Unit, Middle Shajara Fractal Dimension Unit, and Upper Shajara Fractal Dimension Unit. The thermodynamic model and 3-D fractal model were effectively used to characterize the porous structures of Shajara sandstones in logical and quantitative way.