软岩膨胀崩解试验及分形机理

在室内崩解试验和大气条件模拟的渐进崩解试验中,通过跟踪崩解过程物碎屑的颗粒级别变化发现,软岩膨胀崩解过程是一个多重分形过程。在崩解达到一定程度后,崩解碎屑物的颗粒级别不再发生变化,软岩吸水膨胀崩解停止,此时崩解物的分数维亦达到一个不再变化的临界值。该临界值可用来定量表征软岩崩解的机理。该结论对工程实际具有指导意义。     

红层软岩崩解性路用控制方法研究

采用灰色关联度分析法对红层软岩的矿物成分、化学成分、崩解试验等数据进行了分析。分析表明, 水理特性不稳定的粘土矿物始终是影响软岩崩解的主要因素之一, 而不同的化学成分对红层软岩崩解性的影响程度不同。通过以纯水、MgCl2, FeCl3, NaCl, CaCl2盐溶液作为红层软岩岩块浸泡液的崩解试验, 说明纯水浸泡下软岩的崩解性最强, 而所选3种盐溶液对所选红层软岩样品的崩解性均有抑制作用, 其中又以CaCl2抑制作用最强。在此基础上提出公路施工中填筑前以浇水作为加快红层软岩崩解, 填筑压实中以掺入石灰作为抑制软岩崩解路用控制方法。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

岷江上游某水电站工程边坡软岩的崩解特性研究

工程边坡内软岩分布较广,可区分为泥化夹层、煤、炭质页岩、泥质粉砂岩等4种典型岩组。软岩的发育特征、空间展布形态、崩解特性直接关系到边坡整体稳定性和支护措施的方案设计。在重点研究F3断层、L9、L10、Lc、L11等软带内所发育的几种典型软岩岩组的崩解特性后,获知该类软岩极易吸水,遇水后发生泥化、软化和崩解。通过循环崩解试验,发现工程区内软岩的崩解度与泥质含量和崩解次数具有很好的相关性。同时,根据崩解度与崩解物形态,对软岩进行定性划分,分别定出Ⅴ类崩解岩和5种崩解破坏形式。最后就崩解机理作进一步地深入探讨。该成果为指导类似的工程边坡软岩的崩解性试验研究提供新的思路。     

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.     

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。     

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.

     

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。     

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。     

基于数字岩心分形特征的渗透率预测方法

基于数字岩心技术,对岩心CT扫描图像进行处理,结合分形理论求取数字岩心的分形特征参数并通过构建数字岩心的等效分形介质模型对岩心渗透率进行预测。首先对两块砂岩岩心进行了微米CT扫描,提取岩心孔隙网络模型,分析岩心孔隙结构特征,结果表明岩心的孔喉半径分布与孔喉配位数分布对岩心渗透率有一定影响;其次利用MATLAB、Image J等软件对CT扫描得到的数字岩心及帝国理工学院网站公开的数字岩心进行处理,基于分形理论求取数字岩心分形维数、迂曲度、迂曲度分形维数和最大孔隙直径等参数;最后基于分形渗透率模型对岩心渗透率进行预测。结果表明：预测渗透率与岩心渗透率具有良好的相关性,相关系数大于0.97。因此,基于数字岩心技术,通过构建数字岩心等效分形介质模型,可以有效预测岩心渗透率。     

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。     

断裂尺度的分形分布与其损伤演化的关系

借助于分形几何学和损伤力学的方法,重新考察和分析计算了有关的岩石断裂实验所提供的实验数据。分析计算结果表明:岩石断裂的损伤演化过程具有良好的统计自相似性,断裂尺度分布的分形维数能够很好地刻画岩石的损伤程度,并且在岩石断裂的损伤演化过程中,断裂尺度分布的分形维数(D_L)随外载荷(σ)呈线性增大。对断裂尺度分布的分形维数而言,损伤演化过程是一个增维过程。根据计算结果给出了分形维数(D_L)与损伤变量(ω)之间的经验关系。      

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。