基于分形理论的红层软岩崩解性消除方法研究

应用分形理论对自然崩解过程中的红层软岩粒度数据进行了分析，得到红层软岩崩解物分数维达到2.6~2.7后其崩解趋于停滞的特点.在研究了液压破碎锤、拖式羊足碾等设备对红层软岩的破碎能力后，基于分形图形构造过程中的“迭代”特征，提出了以“翻松—碾压”动作“迭代”为核心机制的消除红层软岩崩解性机械破碎工艺并在湖南省浏醴高速公路进行了现场破碎试验.对现场破碎过程中软岩粒度数据进行的分数维计算表明：重复2次“翻松—碾压”工艺即可将红层软岩破碎至分数维为2.6~2.7.因此，基于分形迭代特征开发的机械破碎工艺可有效消除红层软岩的崩解性.该方法应用在高速公路施工中可将红层软岩填筑利用范围扩大至上路堤，能取得较好的效益.     

不同pH环境下黏土类岩崩解过程分形演化规律

基于分形的相似性原理和质量守恒定律,分别探讨了岩石颗粒的细观分数倍崩解过程及粒组宏观分布模拟崩解方法,得到了基于颗粒数量统计的岩石崩解分形描述的关联分维计算公式.在此基础上,以黏土类岩为研究对象,分析了不同pH环境下岩石颗粒崩解过程的分形演化规律.结果表明:初次崩解时溶液pH值越小颗粒分形维数越大,pH值越小分维数趋于稳定所需循环次数越少;酸性溶液对颗粒崩解分维数的增长起到加速作用,碱性溶液对颗粒崩解分维数的增加具有阻碍作用且循环多次后分维曲线才渐趋稳定,但任何溶液条件下黏土类岩崩解的颗粒分形维数最终趋于相等.     

红层软岩崩解性的灰色关联分析

采用灰色关联度法对红层软岩的粒度分形特征以及矿物、化学成分试验数据与其崩解性进行了关联分析.分析发现,与成分相比,红层软岩的粒度分布分形特征参数与崩解特性具有更高的关联度,表明沉积形成时的环境决定了成岩后的红层软岩崩解性强弱.因为红层软岩中蒙脱石含量少,因此在各种成分中伊利石含量对红层软岩崩解性影响最大,说明水理特性不稳定的矿物含量始终是影响软岩崩解的主要因素.     

凿岩粉尘粒度分布的分形结构

本文应用分形几何理论研究了矿山凿岩时岩粉粒度分布的分形特征。研究发现岩粉粒度分布具有良好的分形结构。岩粉粒度大小的分布具有良好的分形结构。岩粉粒度大小的分布可用分维值定量地描述。建立岩粉的分维值与凿岩参数的关系很有必要，它能为控制岩粉粒度和凿岩参数优化提供有效的依据。     

露天矿排土场散体岩石粒度分布的分形特征

应用分形几何理论研究了露天矿排土场散体岩石粒度分布的分维特征。研究表明:排土场岩石块度分布具有良好的分形结构,分维数大小随着排土场高度的增加而增加,但不超过3。当分形量测尺度一定时,分维数越大,散体中细颗粒含量越多,平均粒径也越小;当维数D一定时,粒级粗细将随分形量测尺度范围发生变化。分维数与散体剪切强度参数之间存在一定的相关关系。分维数是定量描述岩块粒度粗细含量的一个重要的参数,可用于排土场粒度资料的统计分析。图2,表3,参10。     

螺旋切削式采矿头破碎钴结壳粒度分布规律实验研究

钴结壳破碎块度是衡量螺旋滚筒式采矿头破碎效果的重要指标，也是集矿和扬矿系统的设计依据．对常用的4种矿岩破碎粒度分布公式进行了分析，利用线性回归按4种分布公式对实验数据进行拟合，得出分形分布能更准确地描述钴结壳破碎块度分布特征，分维数能定量描述富钴结壳破碎的块度组成，图2，表2，参10．     

红层填料分数维与水理特性相关性研究

红层填料的现场耙压施工中的重复"压碎-翻松"过程具有自相似特征,因此所得破碎产物的粒度特征可用分数维描述.基于填料破碎的分形机理,构造了利用室内试验设备模拟现场耙压工艺破碎填料方法,进而研究了重复"压碎-翻松"过程中不断破碎的红层填料分数维变化规律.在此基础上,制备不同分数维填料,用于研究粒度特征对填料压实效果和水理性质的影响.研究结果表明,在相同的压实参数下,填料分数维越大越容易压实;具有相同压实度的填料,其分数维越大,浸水膨胀量越小,压缩性能越低.基于填料崩解性和分形理论,分析了其中机理.成果在一定程度上揭示了粒度特征对红层填料水理性质影响的规律.     

基于分形理论的红层软岩填料缩尺料制备方法

采用分形理论研究了在室内采用球磨机制备与现场填料具有相同分形维的缩尺料的方法.基于对模拟现场重复破碎机制的考虑,选用球磨机作为破碎岩块制备缩尺料的设备.通过正交试验,研究了岩块初始粒径、球磨机转数、钢球数等参数对分形模型拟合优度、颗粒分形维的影响.在此基础上,通过中三轴制样试验进一步研究了试样制作过程对缩尺料二次破碎的影响.研究结果表明,对于红层软岩,采用破碎参数:球磨机转数100转,钢球数9个、岩块初始粒径20 mm,可以制备得到与现场原料相同分形维的中三轴试样缩尺料.     

岩体爆破性分区的分形指标探讨

讨论了岩体节理间距、块度分布和岩块周边曲线的分形特征，并分析了它们同破碎能量的相互关系，提出了以节理间距分维数、块度分布分维数和岩块周边分维数作为岩体爆破性分区指标的必要性和可行性。     

烧结矿分形特征

概括了分形理论的基本概念和分形维数的计算方法,总结了在显微分析中的分形模型和分析方法,利用分形分析方法研究了烧结矿材料的粒度分布、孔隙结构,结果发现:烧结矿的粒度分布和孔隙结构具有分性特征,粒度的分维值是评价烧结矿粒度组成情况的一个定量指标,也是材料破碎过程中断裂阻力的一种量度:烧结矿的微孔隙具有多层次的自相似性,烧结矿的分形特征与烧结过程中孔隙的形成机理有关.     

白鹤滩库区小坝组泥岩崩解特性及边坡破坏机制

降雨与库水位变动引起的干湿循环作用是导致库岸边坡破坏的关键因素之一。为了探究白鹤滩水电站库区蓄水后边坡的长期稳定性,以小坝组红层软岩为例,采用X射线衍射技术、扫描电镜技术及耐崩解仪,研究了干湿循环作用下红层软岩微结构演化机理及其崩解特性,并结合数值模拟方法与不同现场案例,分析了白鹤滩库区边坡的破坏机制。结果表明,干湿循环影响下的黏土矿物溶胀压力是导致岩体结构中孔-裂隙产生的关键因素;小坝组泥岩耐崩解性指数随着崩解循环次数增加具有指数变化规律,且泥岩比砂岩呈现了更强的崩解特性;砂岩与泥岩互层边坡在干湿循环作用下,因泥岩崩解产生了空腔以及贯通的裂隙,导致库区左岸的顺向坡易形成滑移—拉裂式破坏,库区右岸逆向坡易产生塑流—拉裂式破坏。本文从微-细-宏观等角度出发,多尺度地探究了小坝组岩质边坡的破坏机制,为白鹤滩重大水电工程建设的灾害防治工作提供理论指导。     

基于能量耗散原理的红砂岩崩解机制研究

为了研究红砂岩的崩解机制,寻找阻滞其崩解的方法,通过分析红砂岩崩解过程中传递的不同能量类型及其定量计算方法,基于能量耗散原理建立红砂岩崩解的能量耗散模型。结合工程实例,运用该模型分析红砂岩在崩解过程中的能量变化规律。研究结果表明:在岩石自然环境中的崩解过程中,随着岩石粒径变小,其新增表面积越来越大,其新增表面能随时间呈线性增大,但是,在这个过程中,岩石对吸收能量的利用率下降,说明红砂岩在不同崩解阶段对吸收热量的利用率不同;红砂岩崩解能量利用率随崩解呈指数衰减。建议工程上在治理红砂岩问题时可采用预先崩解的方法,然后采用压实破碎,包边封闭的方法尽量减小红砂岩与外界环境接触的面积,切断软岩崩解所需的能量来源,以延迟其崩解。     

黏土矿物微观孔隙结构的分形特征

以深部软岩中黏土矿物为研究对象,运用Image-proplus专业图像分析软件,对黏土矿物微观结构SEM图像进行处理,提取孔隙信息,结合分形理论,对微观孔隙结构进行分形数值分析。研究表明：软岩中黏土矿物微观孔隙结构分布具有分形特征,试样的分形维数在1~2。具有不同微观结构形态的相同类型黏土矿物和具有同种微观结构形态的不同类型黏土矿物,其分形维数均有差异。孔隙分布均匀程度与分形维数成反比。     

川中红层岩体结构裂隙发育特征及多尺度分析

四川盆地红层岩体宏细观裂隙发育,是影响其卸荷变形、吸水风化膨胀和工程特性的控制因素,近年来出现的多起高速铁路深挖红层路堑型路基持续超限上拱变形病害与此有关。为了解红层软岩裂隙发育特征,在原位岩体所有节理裂隙进行现场调查和测量统计基础上,采用统计岩体力学的方法,从不同尺度对岩体结构裂隙进行了深入系统的分析。结果表明,大尺度裂隙多为原生沉积层面,显示地层相变明显;中尺度和小尺度裂隙多为构造及剥蚀卸荷非协调性变形引起局部复杂应力场共同作用所致,深路堑开挖卸荷加剧了张性裂隙发展,以细观尺度裂隙为主,两种尺度裂隙长度分布均符合负指数模型,发育优势方向多垂直于层面,与基于岩体宏观结构面特征的分析结果吻合;该模型可以应用于工程实际,通过易于测绘统计的中尺度裂隙的发育特征分析,建立红层岩体整体形成的地质环境模型及裂隙结构框架,进而对红层岩体力学特性和红层工程岩体变形及稳定性进行更客观的评价。     

基于FLAC3D的红层软岩边坡施工期加固效果

以在建的某高速公路典型红层软岩路堑边坡为研究对象，在边坡岩体结构稳定性定性分析的基础上，采用FLAC3D软件对坡体及时加固和滞后加固两种工况下的应力场、坡体变形与位移场、锚杆应力状态和塑性区进行了研究，并分析了加固的时效性．研究结果表明，及时加固较滞后加固可以有效地控制边坡坡体的变形与位移，对保证施工期红层软岩路堑边坡的稳定更为有利．     

软岩膨胀岩软化崩解特性

极高地应力条件下隧道掌子面围岩遇水软化崩解会引起一系列工程问题，通过对三种代表性岩样崩解试验研究，揭示了软岩膨胀岩软化崩解规律。结果表明：软岩膨胀岩的耐崩解指数随循环次数增加依负指数函数递减；软岩膨胀岩矿物组成类型和含量是影响其崩解性强弱的主要因素；基质型和填充型岩样崩解主要由亲水性矿物吸水膨胀引起，5次循环后其崩解指数分别趋于5%和25%；接触型岩样崩解主要由胶结键断裂引起，5次循环后其崩解指数为80%左右，崩解性微弱；可将小于0.25 mm和大于5 mm的粒径组含量变化作为该软岩膨胀岩崩解性强、弱界限粒径。     

Two categories of fractal models of rock and soil expressing volume and size-distribution of pores and grains

Based on the Sierpinski carpet and Menger sponge models, two categories of fractal models of rock and soil which are composed of the volume fractal model of pores, the volume fractal model of grains, pore-size or particle-size distribution fractal models are established and their relations are clarified in this paper. Through comparison and analysis, it is found that previous models can be unified by the two categories of fractal models, so the unified fractal models are formed. Experimental results presented by Katz indicate that the first category of fractal models can be used to express the fractal behavior of sandstone. A scanning electron microscope （SEM） will be used to study the microstructure of soft clay and it will be testified that the fractal behavior of soft clay suits the second category of fractal models.     

不同洒水量下泥岩路基填料崩解特征的差异性研究

对泥岩进行预崩解是将泥岩等软岩作为路基填料的主要处理方法之一。通过对承德平泉地区分布的两种泥岩做不同洒水量下的干湿循环试验并使用X射线衍射仪进行观察分析,重点探讨泥岩崩解速率与泥岩颗粒粒径的关系以及不同洒水量下泥岩崩解的变化规律。结果表明:灰褐色与砖红色泥岩颗粒完全崩解时需要的干湿循环次数与泥岩的初始颗粒级配没有直接关系。两种泥岩作为路基填料时,在单次最佳洒水量下,均进行7次左右干湿循环后崩解处于稳定状态,可以为泥岩预崩解控制指标提供重要的参考,并为将泥岩填料作为路基的实际工程提供有效指导。     

湘南红砂岩崩解机理研究

在红砂岩室内崩解试验和大气条件模拟的渐进崩解试验中,对崩解过程碎屑物的颗粒级别质量变化进行了跟踪.采用分形方法对颗粒级别的质量变化进行了处理,发现红砂岩膨胀崩解过程是一个分数维不断变化的过程.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,红砂岩类的吸水膨胀崩解也停止,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其崩解的机理,解决了红砂岩的崩解过程一直无法采用定量指标进行刻画的难题.