散体云母片岩粒度分形特征及其与抗剪强度参数的关系

在室内试验的基础上,应用分形几何理论研究某露天矿排土场散体云母片岩的粒度分形特征,探讨了分维数与散体云母片岩物料中粗颗粒含量及其抗剪强度参数的相关性。研究结果表明：（1）分维数与散体物料中粗颗粒含量呈反方向变化关系,即分维数会随着粗颗粒含量的增大而减小;（2）当分维数值在1.887～2.631范围内时散体云母片岩粒度组成级配良好,说明分维数可以代替Cu、Cc用来表征散体岩石物料的粒度组成及其级配优良性;（3）在优良级配下分维数与散体剪切强度参数中的内摩擦角之间具有比较好的相关性,并呈负指数函数关系,而黏聚力与分维数规律性不明显。     

超高台阶排土场散体块度分布规律及抗剪强度参数的研究

“明显的粒径分级”是超高台阶排土场的重要特征,而散体岩土块度分布及其抗剪强度参数是影响超高台阶排土场稳定性和灾害防治的两个关键因素。针对江西某铜矿排土场,开展了现场粒径调查和散体室内试验研究,探讨了排土场散体岩土块度随排土场高度变化的分布规律,分析了散体岩土块度分布参数与其物料抗剪强度参数的定量关系式。研究结果表明,平均粒径 、粗料含量P>5 mm和最大粒径是随排土场高度的增加而明显减小,这表明排土场的堆积散体具有“明显的粒径分级”现象;“Gandin-Schuhmann模型”拟合的分布参数与排土场高度呈递减函数;分布参数B越大,粒度组成中粗颗粒含量越多,剪切强度参数内摩擦角φ值越大,且分布参数B与内摩擦角φ呈指数函数关系。研究成果可为超高台阶排土场稳定性分析及灾害防治提供理论依据。     

基于数字图像测量技术的粉状煤系土微观结构分形特性分析

以武深高速广东段沿线的粉状煤系土为研究对象,利用环境扫描电镜技术(ESEM)获得了不同含水率直剪试验后粉状煤系土剪切面的微观结构SEM图像;结合MATLAB及Image Pro Plus(IPP)软件,对剪切面微观结构特征进行了分析;基于分形理论,建立了煤系土的分形模型,求出了二维空间内煤系土孔隙轮廓分维数、孔隙数量～孔径分布分维数。结果表明:煤系土微观结构多为片状颗粒集合体,接触关系主要为面-面接触和面-边接触;随着含水率的增加,剪切面粗糙度先增加后减小,力学强度参数先增大后减小,转折点在最优含水率附近(10%～15%之间);煤系土微观结构具有明显的分形特征,可用孔隙等效面积-等效周长分形模型、孔隙数量～孔径分布分形模型描述,其分维数介于1～2。     

基于离散元法的砂石混合体直剪试验结果分析

砂石混合体由力学性质以及结构相差极大的材料组成,其组成的重塑地层易发生塌陷等问题,因此对砂石混合体力学特性的研究具有重要的工程意义。砾石形状是砂砾石力学特性研究的重要属性参数,但采用规则图形对砾石进行描述不能反映出其真实的力学性质,采用数字图像处理技术构建的砾石数据库能反映砾石真实形状并可对特定形状参数进行具体分析。由于砂石混合体的粒径分布较广,采用特征粒径等无法描述整体粒度分布,故本文结合分形理论构建砂石混合体的二重分形结构模型,通过粒度分维值反演出完整的级配分布曲线。考虑到砂石混合体离散型的特点,采用离散元软件进行直剪试验数值模拟并对细观结构进行分析,研究结果表明,砂石混合体一般具有2个粒度分维值:砂粒度分维值和砾石粒度分维值,砂、砾石粒度分维值越接近,抗剪强度和内摩擦角越大;当两者相等时,砂石混合体具有一重分维,此时均一性最好,抗剪强度和内摩擦角最大;轴向系数是形容砾石形状的一个重要参数,随着轴向系数的增加,砾石显示出明显的条状性,在直剪试验中抗转动能力增强、周围接触数量增加,导致抗剪强度和内摩擦角不断增加。     

排土场土石混合体分形特征与抗剪强度特性研究

露天矿山剥离堆积的土石混合体颗粒尺度不一,且力学性质异常复杂。以西藏甲玛铜矿南坑排土场为研究对象,采用现场勘测的方法测定堆积体的粒度组成及其分布特征,开展室内重塑土样的固结排水三轴压缩试验,以分析土体屈服强度特性与剪胀性,以及抗剪强度参数的取值。研究结果表明,自排土台阶坡顶至坡底,土石混合体的土粒减少且块石增多,颗粒的平均粒径呈指数关系增大;土体的粒度分布具有显著的分形结构特征,随块石含量的增大,其粒度分形维数减小。块石含量不同的土样在偏差应力作用下均表征出压密、屈服、塑性流动破坏的剪切特性,且围压条件与块石含量是影响土体剪切变形的两个关键因素,低围压时增加块石含量,土体更易产生剪胀。摩尔库伦强度准则能客观反映土体屈服的现象及过程,随块石含量的增加,土体的黏聚力呈线性减小且内摩擦角呈指数增大。     

三轴压缩条件下三峡坝基岩石破裂的分形特征

根据分形理论,系统地研究了在三轴压缩条件下三峡坝基岩石破裂系和破损物的分形结构。结果表明,在三轴压缩条件下,岩石脆性破裂的破裂系和岩石破损物的粒度分布均有很好的统计自相似性。在不同的围压和应变率下,岩石脆性破裂的分维值各不相同,体现了岩石脆性断裂机制的差异性。分维可作为描述岩石脆性断裂的定量参数     

岩石结构分形维数与岩石压缩强度关系的探讨

运用分形几何学的理论和方法研究煤层顶板岩石的结构，发现岩石的粒度结构和孔隙结构均具有自相似性，粒度分形维数和孔隙分形维数与岩石压缩强度之间有良好的相关关系，故可以用岩石结构的分形维数定量表述岩石的压缩强度。     

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。     

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。     

西藏樟木滑坡群的分形特征及其意义

根据分形理论，以西藏樟木滑坡群为例，详细分析了滑坡活动时空结构的信息维特征和滑动带土粒度分布的分形结构特征。结果表明，滑坡活动具有很好的分形现象；滑动带土的粒度分维值一般在２～３之间，其平均值约为２．８，分维可作为描述滑动带土粒度成分的参数。在此基础上，探讨了分维的研究意义     

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。     

粗粒料强度准则与排土场稳定性研究

排土场稳定性主要取决于排土场的坡角及排弃废石的内部强度。通过低压到高压的三轴压缩试验研究了千枚岩粗颗粒散体材料强度的特性及压力对其强度的影响。试验表明：粗颗粒材料的破碎率随着压力的增大而增加,而增加速率则随着压力的增大而减小,并给出了一个用于描述压力及破碎率的关系式。提出了考虑破碎对强度影响的强度准则,该准则能描述粗颗粒材料的强度随压力的变化情况。采用该强度准则分析排土场的稳定性,其结果更加接近实际情况。而采用摩尔-库仑强度准则计算得到的排土场稳定性安全系数偏大,存在安全隐患。建议采用本文提出的强度准则分析排土场稳定性,特别是对于超高排土场的稳定性分析,更加适用该强度准则。     

宽级配废石的高排土场稳定性研究

宽级配废石的一坡到底的高台阶排土场具有明显的粒径分级特征,传统稳定性分析方法将其简化为多层各向同性的均质土体,却实质性忽略了排土场粗粒土各粒组分布的不均匀性和随机性,导致难以获得其边坡稳定性的合理结论。依托江西某铜矿高台阶排土场,借助自编元胞自动机程序EPOHHM,采用5组窄级配粗粒土表征了高台阶排土场的粒径分级现象,模拟了各粒组散体分布的不均匀性和随机性,分析了不同工况下排土场的位移场及塑性状态,系统地探讨了不同堆排模式下排土场边坡的安全稳定性,提出了一种宽级配废石的高台阶排土场稳定性的精细化分析方法。研究结果表明,排土场发生“拉-剪”破坏;土体中上部有圆弧形滑坡趋势,下部变形表现为沉降,顶部平台产生拉剪裂缝。仅考虑散体力学强度时,底部粗颗粒（ 100 mm）含量的增加对排土场起显著的稳固作用,“单台阶全段高”的堆排模式比“全覆盖式多台阶”更有利于宽级配废石的高排土场安全稳定。研究成果将为保证明显粒径分级的排土场的长期安全稳定提供指导,也为今后分析此类工程问题提供借鉴。     

Application of geogrids in waste dump stability: a numerical modeling approach

Geosynthetic is widely used to reinforce the weak rock mass, mine waste dump, soil slopes road cut slopes, etc. The present paper discusses the effect of geogrids on the stability of mine waste dump. The stability of mine waste dump has been done by Fast Langrage Analysis of Continua (FLAC) slope software, which is based on finite difference method. Reinforcement by geogrids mainly depends on the tensile strength, aperture size of geogrids, and particle size distribution of dump rock mass. Different permutations and combinations of spacing between two geogrid sheets have been taken into consideration to study the stability of mine waste dump. The factor of safety is calculated to quantify the effect of geogrids on waste dump slope. It has been observed from numerical modeling that the maximum slope angle is 45° at a height of 10 m. The scope of increasing slope angle from 45 to 60° is evaluated using geogrids. It has been found from the study that the factor of safety increases as the spacing between geogrids decreases. Maximum strain is also plotted of each case to identify the slip circle. The positions of geogrids modify the probable slip circle or failure plane of mine waste dump. Using ten geogrids at a spacing of 1 m, the slope angle can be increased up to 60° with factor of safety of 1.4.     

珊瑚砂大剪切应变下的剪切特性和分形维数

利用Wille Geotechnik环向剪切仪对3种不同粒径的珊瑚砂进行了大剪切位移的环向剪切试验,探讨了颗粒破碎对珊瑚砂强度和残余应变发展的影响。试验结果表明：颗粒破碎随着剪切位移的增加逐渐增加,且初始粒径较大的均匀级配珊瑚砂粒径越大颗粒破碎越多。颗粒破碎对峰值强度和残余强度无影响,但对珊瑚砂的体积应变有显著影响,颗粒破碎较多的试样其体积应变也较大。建立了考虑长宽比、球形度和凹凸度的分形维数计算公式。由于颗粒破碎后颗粒形状在全粒径范围内的自相似性和无尺度性,考虑颗粒形状与不考虑颗粒形状的公式计算得到的珊瑚砂分形维数基本一致。     

不同充填度岩石分形节理抗剪强度的数值模拟

在对岩石节理进行分形模拟的基础上,建立了岩石分形充填节理直剪试验数值分析模型,采用数值模拟方法,研究了充填度与岩石分形充填节理抗剪强度之间的关系。结果表明,随着充填度的增大,分形节理抗剪强度总体上呈非线性减小。当充填度小于1时,随着充填度的增大,分形节理抗剪强度迅速减小,节理抗剪强度受节理表面形态、充填物力学性质以及壁岩力学性质的共同影响;当充填度大于1时,节理抗剪强度主要受充填物力学性质的控制,强度参数接近于节理充填物的强度参数。      

碎屑岩储层渗透率分布分维计算及其意义

碎屑岩储层渗透率分布非均性是直接影响油气开采效果的客观因素。笔者认为储层渗透率分布具有分形特征，其分维值介于２与３之间，实例研究表明，分维能描述透率分布的非均匀性，其值随非均匀程度增加而增加。分维还能反映沉积能量分布和成岩作用对渗透率分布的影响。分维将是一个研究碎屑岩层渗透率分布的数学和成因特征的重要参数。研究分维与石油工程参数的关系具有现实意义。     

Biological stabilization of mine dumps: shear strength and numerical simulation approach with special reference to Sisam tree

The stability of mine waste dump is very important for an economic and safety point of view. The biological method is the most popular and eco-friendly approach to stabilize the mine waste dump in the long term. Trees outclass grasses and shrubs for long term stability as the roots of trees are stronger and penetrate deeper. Their roots bind the dump material and form a composite material having high shear strength. The mechanics of stabilization by tress have yet not been fully understood. Moreover, one always refers to biological stabilization of slope qualitatively rather than quantitatively. A numerical simulation tool has been used in the present paper to assess the increased factor of safety of a vegetated dump slope. The Sisam tree was chosen for the present study as it is commonly available in northern India, needs little care and has high economic value. The increased shear strength of the dump mass having tree roots was calculated by shear box test. The tree roots occupy large space, hence, a large size shear box (1.5 m × 1.5 m × 0.75 m) has specifically been designed and fabricated for determining the shear strength of dump root matrix. A small size shear box (0.30 m × 0.30 m × 0.15 m) has also been designed and fabricated to determine the increased shear strength due to small trees. It was observed that the Sisam tree of even moderate size binds the upper layers of mine dump and improve the factor of safety substantially. It was also observed that the stability of dump slope improves with time (i.e. size of tree).