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。     

皖南山区红砂岩崩解特性的试验研究

红砂岩工程稳定性差,是一种不良路基填料。依托皖南山区绩溪至黄山高速01合同段,对该路段沿线红砂岩开展天然状态与室内状态下的崩解对比试验,以及室内浸水干湿循环崩解试验,研究红砂岩的崩解特性及其规律。结果表明:红砂岩的崩解性除了与其自身岩体构造有关,还与遇水情况("失水-吸水"循环)有很大关系,黏土矿物含量越高,遇水越频繁,崩解速度就越快,程度也越大;其崩解过程是一个在水介质参与下,由黏土矿物失水吸水及胶结物溶解引起的微观结构变化向宏观整体碎裂破坏变化的过程。试验结果可为有关红砂岩路基填筑工程提供参考。     

不同pH值溶液下岩石崩解特性试验研究

为了研究凝灰岩在不同pH值溶液下崩解特性,文章以沉凝灰岩和安山质角砾凝灰岩为例,在pH值分别为2、7、12的溶液下开展干湿循环室内崩解试验;分析2种岩石在pH值溶液下崩解物颗粒质量分数及浸泡液离子质量浓度变化,利用X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)测试其矿物成分。研究表明:溶液的pH值对沉凝灰岩崩解性影响大,对安山质角砾凝灰岩影响小,同一岩石在不同pH值溶液下颗粒质量分数及离子质量浓度的变化趋势一致,pH值越低,各粒径颗粒质量分数和溶液离子质量浓度变化越明显,崩解越剧烈;岩石在浸水过程中发生了水岩化学作用,pH=2溶液下水岩化学作用较强烈,岩石的崩解性也最强。     

红砂岩边坡稳定性能分析

红砂岩具有极强的风化崩解与遇水软化的性质。在一定应力状态下浸水后,在水膜的润滑作用下,颗粒发生相互滑移、破碎和重组,使得岩体软化;当水沿着孔隙、裂隙进入红砂岩内部时,吸附水膜增厚,一些胶结物便会软化甚至溶解,从而引起岩石颗粒的崩解解体,产生岩土体变形失稳,使得控制地表沉降及边坡稳定性防治困难。因此,研究红砂岩软化和崩解性对工程建设尤为重要。     

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.     

红层软岩崩解破碎过程的分形分析及数值模拟

通过红层软岩的室内恒温保水和模拟大气条件的渐进崩解实验,跟踪观察崩解产物的粒度变化,引入分形几何的理论模型,提出利用分维数来定量描述红砂岩崩解破碎的非线性动态过程,并结合湘南某高速公路红层软岩路基工程建设,提出相应的崩解稳定分维数。研究结果表明:基于质量的分形分布模型能较好地描述岩石崩解破碎过程中粒度的分布特征,其分维数可作为判断红层软岩崩解完成与否的控制指标。通过计算机数值模拟,进一步验证了分形理论应用于崩解破碎过程定量描述的适用性,并以数值模拟实验得到的筛分数据,统计得出基于质量的分形分布和常用的R—R分布的参数之间的关系。     

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.     

煤颗粒热解过程中孔隙分形维数变化的数值模拟

为研究煤粉热解过程中孔隙分形维数的变化规律,更好地预测煤焦的燃烧行为,建立了基于颗粒分形孔隙的热解模型,对煤颗粒热解过程中孔隙分形维数的变化进行数值模拟.模型生成的颗粒在孔隙分形维数、孔隙率和颗粒密度方面与真实的煤粉颗粒相同.模型中采用官能团的裂解来描述热解中的化学反应,颗粒的膨胀由气体压力造成,热解模拟条件与沉降炉的实验条件相同.与实验结果相比,数值模拟能够定性地反映煤粉热解过程分形维数的变化规律.     

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.     

红砂岩物理力学性质及其路基压实功研究

为了研究红砂岩的工程性能及其路基压实功的变化规律,以浙南地区G60沪昆高速公路改扩建路基工程为例,首先开展了室内试验分析红砂岩的成分、崩解性和抗剪强度,然后通过现场压实试验分析压实遍数、速度、压实功与压实度之间的关系,最后对压实完成的红砂岩路基进行强度检测以验证全过程。结果表明：红砂岩的一次循环和二次循环耐崩解指数分别约为64.68%、13.71%,其耐崩解性属于最低等级,应用于路基填筑需要消解处理;当红砂岩消解破碎后粒径小于1.25 mm的颗粒占比达到95%以上时,便趋于稳定,不易继续崩解;崩解后形成的红砂土抗剪强度比一般土体高,其内摩擦角和黏聚力分别为31.95°、22.39 kPa;经过现场试验研究分析得到了在同一工况下压实功与压实度之间存在指数函数关系,因此在该工况下可通过压实功来判断路基的压实度。可见,将红砂岩应用于路基填筑工程并通过压实功初步判断路基压实度的方法是可行的,本技术方案可为后续路基工程压实度检测方面提供技术参考。     

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。     

基于岩石节理分形特性的岩体稳定性智能辨识

 调查国内大量矿山地质资料,分析其矿岩节理裂隙数据,采用分形理论揭示岩体节理间距和产状分布的分形特性.采用混沌算法优化神经网络,建立矿岩稳定性与其岩石单轴抗压强度、单轴抗拉强度、内摩擦角、内聚力、弹性模量、岩体节理间距分形维数和节理产状分形维数的智能辨识模型,寻求岩体判别新方法.研究表明,岩体节理间距分形维数和产状分布分形维数可反映岩体节理空间分布的整体信息;节理间距分形维数越小,岩体完整性越好;产状分布分形维数越低,节理分散程度越小;即二者分形维数越小,岩体稳定性越好.智能辨识模型可以根据矿岩力学参数、岩体节理分形特征,预测不同地质条件下的岩体质量,为工程支护设计及施工提供依据.     

岩石矿物成分与可钻性关系研究

钻井地层岩石的物理力学性质和矿物成分性质是实现科学快速钻井的基础数据,但是矿物成分对可钻性的影响一直没有得到重视。取一研究油区以录井资料的地层岩屑为研究对象,对塑性泥岩、细砂岩和砾岩三种岩屑进行了较全面的矿物成分鉴定分析。研究结果表明,研究油田区块岩石的矿物成分主要以石英、粘土、斜长石、方解石和正长石五种矿物成分为主。矿物成分中含量较高的粘土和斜长石含量随井深增加而降低;石英含量随井深增加而增大。泥岩的可钻性级值随粘土的增加有增加趋势,随石英含量的增加而增大。砂岩的可钻性级值随粘土含量的增加有降低趋势,而随石英含量的增加而增大。砾岩的可钻性级值随粘土和石英含量的增加而下降。     

徐深气田火成岩储层岩石可钻性分布规律研究

大庆油田火成岩地层是世界级难钻地层,钻进过程中该地层岩石表现为可钻性值极高,地层与钻头适应性差。预先评价未打开地层的岩石可钻性分布规律,对钻井施工提供指导是有实际意义的。本文以随机分形理论为基础,先应用分形维数解释模型计算岩屑取样点的岩石可钻性,再应用分形插值理论建立井间地层岩石可钻性预测模型,两模型的结合使用实现了井间岩石可钻性分布规律的评价,经过现场的应用验证,该方法能够有效的再现岩石可钻性的分形分布规律,预测准确,满足工程精度要求。     

深部软岩巷道破坏分析及其稳定性控制

随着煤矿开采深度的加大,越来越多巷道围岩呈现软岩变形特性,变形破坏非常严重。针对石嘴山一矿深部高应力复杂软岩巷道围岩破坏特点,从地质赋存条件、水对岩石的软化影响和支护结构方面分析,制定了相应对策,提出了锚、网、喷、注全封闭联合支护,用FLAC3D2．0对支护效果进行数值模拟可视化计算,确保巷道的稳定性,对巷道支护实践有一定参考价值。     

基于分形理论的岩体原生节理分布特征研究—以长河坝水电站为例

由于岩体内部结构面的分布规律具有随机性、复杂性的自相似的特征,可以运用分形理论对其进行研究。通过现场节理调查,描绘了待爆破区域原生节理的分布网络,并统计分析了节理迹长和倾角的概率分布模型;运用盒维数计算方法得出了结构面分布的分形维数D,讨论分形维数D与岩体的工程质量以及结构面分布之间的关系,实现了对岩体的工程性质以及不同尺度结构面的定量对比分析。结果表明:节理面的倾角和迹长分别服从正态和对数正态分布;江咀料场节理分布的分形维数D=1.315,响水沟料场节理分布的分形维数D=1.275,河口料场断层系的分维数D=1.164,可见分形维数D越大,结构面越发育,岩体的工程质量就越差;另外随着调查尺度范围的增大,分形维数D反而减小。研究结果可对分形理论在岩土工程质量评价及节理岩体的爆破块度预测等方面提供参考价值。     

坝基工程岩体结构分类分数维研究

利用分数维理论对岩体结构进行定量描述提出并建立了坝基工程岩体结构定量划分的改进的连续亨明法以长江三峡坝基岩体结构定性定量划分为案例,得到各类岩体结构标准特征向量分维值及各类岩体结构亨明核,建立了一个岩体结构定量划分系统,使岩体结构的研究由定性向定量转化     

三峡库区典型消落带土壤粒径分布及分形特征

为揭示三峡库区典型消落带土壤的独特性,通过野外调查和实验室定量分析,研究了消落带典型区阶地土壤粒径分布和分形特征。结果表明：该典型消落带土壤分形维数在2.80左右;共有3种质地的土壤,分别是壤质黏土、粉砂质黏土、黏壤土,两种黏土的分形维数不存在显著差异,黏土和壤土的分形维数差异显著且分形维数以黏土的较大。土壤粒径随高程增加表现为由尖峰胖尾分布向尖峰分布变化,在降水和江水的双重作用下,较高高程处小颗粒土粒含量较低,而较低高程处小颗粒土粒含量较高。淹水年限为3 a和1 a的不同植被类型下消落带土壤分形维数不存在显著差异。