基于分形理论的固井水泥浆体系设计

为了有效解决复杂工况下油井水泥混合料配比设计面临的难题,引入分形几何理论建立了颗粒群分形级配模型,结合激光粒度测试得到的材料粒径分布状况及分形维数的合理筛选(D=2.561),假定在小于1.68、1.68～56.23、大于56.23μm三个粒径范围内分别填充微硅、水泥和漂珠,设计出密度为1.40g/cm3的低密三元级配体系,并参照塔里木深井固井技术指标对体系水泥石力学性能(抗压、抗折和界面胶结强度)和浆体性能进行了测试.结果表明,三元体系紧密堆积效果显著,水泥石强度明显高于同密度的微硅或漂珠类二元体系,浆体失水量和析水率较低,稳定性好,稠化和流变性能均满足固井施工要求.实验结果验证了应用分形级配理论辅助设计固井水泥浆体系的可行性.     

沥青混合料分形级配理论

介绍沥青混合料集料粒径分布分形维数的计算方法并分析其分形特征.对于连续级配,其集料粒径分布为一重分形分布;对于间断级配,其集料粒径分布为二重分形分布.采用粗集料粒径分布分形维数Dc和细集料粒径分布分形维数Df作为描述集料级配分形特点的指标.在此基础上,提出分形级配理论的计算式,该式不仅可以计算连续级配,还可以计算间断级配.研究分形级配理论与现有主要级配设计理论之间的关系,结果表明,分形级配理论可以包括现有的几种主要级配计算方法,这主要由于分形是集料级配的本质.     

考虑间断级配的破碎矸石压实和再破碎研究

级配结构是影响破碎矸石压实和再破碎特征的重要因素,而级配矸石的压实和再破碎特征直接决定了采空区充填质量和效果。首先,采用分级加载方式对连续级配和间断级配的破碎矸石进行侧限单轴压缩试验;基于试验结果,研究轴向应力和级配共同影响下的压实变形参数、再破碎参数的变化规律,分析再破碎后颗粒的粒径分布和分形特征。然后,以级配压实-破碎—分形演化为研究路线,建立分别表征压实和分形特征的压实度增量与分形维数之间的关系式,以及分别表征压实和再破碎特征的应变与分形维数增量之间的关系式,并论证关系式中参数的物理意义,探讨级配矸石压实和再破碎过程之间的内在关系。研究结果表明：根据压缩模量变化规律及其不同阶段的压实变形机理,可将不同级配破碎矸石压实阶段划分为快速压实、缓慢压实和稳定压实3个阶段,颗粒再破碎后的粒径分布特征表明颗粒的再破碎主要发生在缓慢压实阶段;本文提出的关系式较好地描述了级配破碎矸石的压实—再破碎全过程,可反映不同级配矸石在压实和再破碎过程中的稳定性,可为采空区精准充填及其预防提供理论依据。     

基于颗粒分形滑坡土体土水特征曲线评价及预测

滑带土与滑坡的发展、稳定性评价有着密切的关系,以福建永泰旗山滑坡为例,取代表性滑带土样和表层土样进行颗粒级配试验,基于分形理论研究了颗粒分形特征,结合压力板仪测定土样土水特征曲线,对滑带土和表层土进行了评价,并以颗粒分形维数预测了土水特征曲线,研究结果表明,滑带土细粒土含量较表层土含量高,滑坡土存在很好的分形特征,颗粒分形维数越大,细粒土含量越高,土体的持水性能也较好。以颗粒粒径分形维数代替土水特征分形维数,并结合Books-Corey模型来预测土水特征曲线,得到实测值与预测值呈现较好的一致性。     

粗颗粒土静力压实特性的试验研究

研究粗颗粒土的压实特性随级配和含水率的变化规律,对工程实践具有重要的指导意义.以大石峡土石坝的筑坝料为研究对象,借助分形级配方程,分别进行了不同级配粗颗粒土的相对密度试验和不同级配不同含水率粗颗粒土的静力压实试验,研究了级配和含水率对试验土料压实特性的影响规律.结果表明,当含水率达到最佳时,粗颗粒土达到最大干密度,超过最佳含水率时反而不利于粗颗粒土的压实;由静力作用得到的干密度和动力作用得到的最大干密度随分形维数的增加呈现相同的变化趋势,均在分形维数为2.62时出现极值点,对应的级配为最优级配.将最优分形维数取为2.60,并通过一些工程堆石料的级配曲线验证了其合理性.研究结论可为填方工程中填筑料的加水量控制和级配设计提供可靠的理论依据.     

密级配沥青混合料矿料分布分形特征

为了确定密级配沥青混合料矿料分形分维的适用条件,利用最小二乘法对矿料级配双对数坐标图进行线性拟合,得到矿料分布分形维数,在此基础上,按照定义的模糊分维对《公路沥青路面施工技术规范》中密级配沥青混合料矿料分形分布特征——分形维数和自相似性进行了判定。结果表明:沥青混合料矿料级配分布是一个模糊分形系统,不具有严格的自相似性,而是统计意义上的自相似;密级配沥青混合料矿料级配的分形维数在2.33～2.59范围内变化,且在同一尺度范围内,级配上限比级配下限具有更高的分维数;密级配沥青混合料矿料级配的分布具有较为显著的一重分形,只需一个分形维数就可以表征该级配的分形特征。     

基于分形维数及考虑假集料影响的冷再生混合料级配控制方法

为了更好控制混合料级配,以获取最佳路用性能,对冷再生混合料级配分形特征以及沥青路面回收旧料（RAP）假集料特性开展了研究。首先选取了规范级配范围内6种代表性级配曲线,借助分形几何理论,建立了粒径分布函数,得到了合成级配分形维数（D）、粗集料级配分形维数（D_C）及细集料级配分形维数（D_F）,并分析了三者与冷再生混合料干劈裂强度、冻融劈裂强度比、动稳定度和最大弯拉应变的相关性,然后建立了基于级配分形维数的冷再生混合料路用性能预估模型,最后通过分析级配变异性对冷再生混合料性能的影响,提出了考虑假集料影响的冷再生混合料级配控制方法。结果表明：分形维数可以定量描述冷再生混合料粒径分布及级配走向,进而反映冷再生混合料各项路用性能,基于分形维数的性能预估模型可以较好预测冷再生混合料各项路用性能,预估值与实测值相对误差基本在15 %以内;当冷再生混合料“抽提前后级配变化率方差”（D_V）大于85或“抽提前后级配变化值”（V_a）大于3.6时,宜通过添加新粗集料或调整级配曲线靠近下限等措施来提升冷再生混合料高温抗力。     

粗粒土级配及颗粒破碎分形特性

验证颗粒质量-粒径分布分形模型用于表示粗粒土级配的适用性,研究粗粒土在不同缩尺粒径的情况下,采用不同缩尺方法缩尺后土体分形维数的变化规律;基于分形维数建立缩尺级配与原始级配之间的联系,分析不同母岩材料、级配和颗粒形状粗粒土三轴试验资料,推算粗粒土的相对破碎率,并探讨分形维数与相对破碎率的关系。研究结果表明:分形维数能定量描述粗粒土的原始级配和缩尺级配,不同缩尺方法得到的粒度分形曲线形态有较大差别,与原始级配的粒度分形曲线有不同程度的偏离,缩尺粒径越小偏离程度越大。在所研究的4种缩尺方法中,分形维数与缩尺粒径的对数呈较好的线性关系;围压越大,破碎分形维数和相对破碎率越大,试验前粗粒土的分形维数越大,剪切试验后相对颗粒破碎率越小。不同母岩、级配和颗粒形状的破碎分形维数与相对破碎率呈幂函数关系,通过分形维数和拟合参数可估算不同围压下的相对破碎率。     

沥青混合料级配集料的分形特性

基于分形理论,对沥青混合料级配集料的分形特性进行了研究,探讨了集料颗粒、集料粒径分布、集料质量级配以及集料体积的分维等.研究结果表明:分维值可以用来定量地描述沥青混合料中集料的复杂外观结构,在双对数坐标下集料颗粒周长与面积呈现线性关系,相同集料(同料源)不同级配的集料颗粒具有近似相同的分维,相同集料不同截面具有相同的分维,不同集料(不同料源)表现出不同的分维;分维值也可以用来定量地描述沥青混合料中集料粒径分布、集料质量分布、集料体积分布以及集料的空隙率等,集料质量级配分维值越大,其级配就越粗.     

尾砂级配的混沌优化

采用分形理论研究分级尾砂的级配.计算国内外大量矿山尾砂材料的分形参数,研究尾砂的分形级配与其胶结强度的关系.采用神经网络建立尾砂胶结强度与水泥质量分数、料浆浓度、尾砂颗粒分维数、孔隙分雏数及分维数相关率的知识库模型.研究结果表明,尾砂胶结强度与其分形级配相关;随着尾砂颗粒间孔隙分雏数减小,充填体强度增高;尾砂分雏数相关率越大,充填体强度越大.用所建立的神经网络知识库模型,利用Logistic迭代方程的混沌遍历特性,采用混沌优化方法研究使充填体达到最佳强度的选矿尾砂最优分级.根据采场脱水工艺,应用该方法,获得安庆铜矿选矿尾砂的最佳级配参数.工程应用结果显示,该方法年增加尾砂用量2.87万t,胶结充填体强度提高8%,为矿山年节约充填成本55.8万元.     

沙粒粗糙度和粒径分布的分形特性

提出了一种度量沙粒粗糙度和沙粒粒径分布的分形维数的计算方法,用分规法和周长面积法度量沙粒平面剖面线的不规则性,用Ｗｅｉｂｕｌｌ分布模型分析研究沙粒粒径分布的规律。结果表明：沙粒的表面粗糙度越大,其分形维数越大;沙粒组成中的细沙越多,其分形维数越大。同时表明分形几何可用于不规则图形和破碎模型的定量研究。     

基于分形理论的采空区遗煤孔隙率研究

自燃是煤矿的主要灾害,采空区自燃直接影响到回采工作面的生产,甚至能够造成严重的恶性事故。遗煤的存在是造成采空区自燃的根源,采空区内遗煤属于颗粒堆积型多孔介质范畴。由于遗煤颗粒形状相似但粒径大小差别巨大,具有分形特征。本文基于分形理论建立了采空区遗煤的粒径质量分布分形维数模型,并从实际的采空区内取煤样进行筛分对粒径分布特征进行了分析,通过分析计算得出六合煤矿和阜生煤矿的分形维数分别为2.2596和2.0554。分析影响煤自燃的孔隙主要是外部孔隙,对筛分出来的不同粒径的煤进行了外部孔隙率的测定,结合粒径分布的分形维数,对采空区遗煤的孔隙率进行了分析。通过研究粒径分布分形维数来分析采空区内的孔隙率分布,为采空区内孔隙率的研究提供了一个新思路。     

颗粒形状对钙质砂最终级配影响的试验研究

为探究颗粒形状对大剪切应变条件下钙质砂最终级配的影响,采用环剪仪和Morphologi G3对取自我国南海的钙质砂进行了一系列环剪试验和颗粒形状分析。试验结果表明:钙质砂在剪应力作用下发生颗粒破碎导致其级配变化,当环剪的剪应变达到50 000%时,钙质砂级配趋于稳定;级配稳定的钙质砂试样被替换成未发生过破碎的相同级配钙质砂试样后,由于替换前后颗粒的形状不同,导致试样在剪应力作用下继续发生颗粒破碎,试样重新稳定时颗粒级配分形维数相较于原稳定状态时的分形维数有一定程度的增加。     

盐岩储库腔底堆积物空隙体积试验与计算

受建库盐层本身地质特点影响,造腔结束后,底部一般会堆积大量不溶物。堆积物的存在既浪费了有效库容体积,又为整体建库施工带来了诸多不利因素。为科学评价该堆积物并进行有效处理或转变利用以增大库容体积,对其分布特征及堆积空隙体积进行了研究。通过室内溶腔实验获取了堆积不溶物样品,采用筛分法实验测定了其颗粒分布,并根据分形分布理论对其粒度分布特征进行了分析,进而基于可压缩堆积模型对堆积空隙体积进行了数值及模型研究。应用实例进行计算并与现场数据进行了对比评价验证,结果表明,在双对数坐标系下,腔底堆积物颗粒尺寸与累积数量呈线性相关,即其粒度分布可用分形分布函数进行表征,且分形维数作为分布特征参量能较好地描述颗粒均匀程度与集中性。     

泥石流堆积区粒度分布及分形结构特征

为研究泥石流堆积物粒度分布及分形结构特征,通过对泥石流堆积区现场调查和颗粒分析试验,采用统计图解法和粒度分维法分析泥石流堆积区堆积特征、粒度分形结构特征及与颗粒级配的关系。结果表明:泥石流堆积区具有集中性的特点;泥石流堆积区颗粒具有很好的分形特征,堆积区中右侧分维值均值与堆积区分维值均值接近;泥石流堆积形成由晚至早分维值逐渐减小;堆积物土粒大小级配连续性较好,分维值与不均匀系数和曲率系数均呈正相关。可见泥石流堆积区粒度的相关研究对研究泥石流形成机理及指导泥石流防治具有重要的意义。     

粗粒土类别的分形图解

基于分形理论,同时考虑粗粒土的随机性、非规则性,应用随机模糊方法研究了粗粒土的粒度分布分维,讨论了粒度分布分维与粗粒土的均一性、粗度和级配的相互关系。研究发现粗粒土是分形粒子,具有分形效应,细粒土是以分形分布的方式充填到粗粒土之间的,粗粒土组成的结构为分形结构,据此给出了5种粗粒土的典型分形图形并揭示了其特有的性质。结果表明,粒度分布分维是刻画粗粒土特征的有效参数,应用该参数可以控制集料颗粒粒径,达到优化级配、增大集料密度的目的。最后给出了应用粒度分布分维控制颗粒粒径的理想分形级配图形。     

基于Weibull模型的细粒尾矿粒径分布

尾矿细粒化是矿业发展趋势,细粒尾矿的粒径分布对尾矿宏观力学特性及坝体稳定性具有重要影响。采用筛分法和沉降法,对82个尾矿试样进行了颗分试验,建立了细粒尾矿粒径分布的Weibull函数模型。试验结果表明:细粒尾矿粒径呈"细多粗少"的分布规律,这种规律服从Weibull分布,可以用Weibull分布对粒径分布进行描述和外推预测;传统分形模型中假设每级粒度的破碎率为常数与实际情况不符,Weibull分布可以看作对分形模型误差的一种修正;在破碎过程中,粒径的概率密度分布会出现峰值,这个峰值不断向粒径小的方向偏移,最终形成"细多粗少"的分布特点。研究结果有助于磨矿工艺的改进,并可以为土工试验做出科学的级配方案提供参考。     

单一颗粒流分形模型及有效热导率计算

首次提出了颗粒流中粒子的分形模型，得到粒子在不同分维下的分形分布，并和麦克斯韦分布进行比较，分析了两种分布产生差异的物理机制．在此基础上研究了单一颗粒流的有效热导率，得到其解析表达式，并分析了有效热导率随粒子温度、粒子分维的变化规律．