松散巖土體崩解試驗研究

文義明，侯克鵬，周宗紅

(昆明理工大學 國土資源工程學院，昆明 650093)

引言

巖石在水中發(fā)生崩解的現(xiàn)象是巖石水理性的重要特征之一[1]。當松散巖土體被用作回填邊坡時，材料往往遭受著大氣降水以及地下水位變化等的作用，材料產(chǎn)生崩解現(xiàn)象會進一步造成材料強度和穩(wěn)定性的降低，以至于邊坡內(nèi)部出現(xiàn)潛在的滑面或弱面。因此對松散巖土體進行崩解試驗顯得尤為重要。

本文選取云南某露天排土場石英片巖、云母片巖兩種松散巖體進行了室內(nèi)崩解試驗研究。

1 試驗方法及步驟

1.1 試驗方法

室內(nèi)浸水試驗主要以自然水體為試驗巖樣崩解的環(huán)境介質，將天然狀態(tài)下的巖樣置于清水中，觀察其崩解現(xiàn)象和過程。并且對烘干后的崩解物進行顆粒分析，以確定巖樣崩解的速度和等級，以及崩解物級配在理想崩解條件下的變化規(guī)律。為此，室內(nèi)浸水崩解試驗的主要步驟為：

1)天然狀態(tài)下的巖樣按初始級配稱取2kg，置于敞口透明的塑料量杯中，稱重后注入清水至淹沒試樣為止；

2)記錄試樣開始崩解時間并記錄現(xiàn)象，一周、二周、三周、四周后觀察并記錄試樣的崩解碎裂情況；

3)達到浸泡時間(第一次浸泡時間為一周，以后則不少于一周)后，將容器中的巖樣帶水過篩，得到崩解物；

4)將崩解物風干30分鐘后，放在托盤上放入烘箱內(nèi)，在105℃恒溫下烘干至恒重，烘干時間不少于8小時；

5)將烘干后的試樣連同托盤取出，放于干燥器內(nèi)冷卻至室溫后，做篩分試驗，并結合工程實際需要，將級配粒徑設為：60～40 mm、40～20 mm、20～10 mm、10～5 mm、5～2 mm、2～0.5 mm、0.5～0.25 mm、0.25～0.1 mm、0.1～0.075 mm、<0.075 mm；

6)重復步驟3)到5)，測得巖樣浸泡兩周、三周、四周后的顆粒級配數(shù)據(jù)。

1.2 試驗現(xiàn)象記錄及級配測定

巖樣浸水后，一周、兩周、三周、四周級配測定見表1、2：

表1 石英片巖試樣崩解過程顆粒級配變化表

表2 云母片巖試樣崩解過程顆粒級配變化表

2 試驗成果分析

2.1 顆粒粒徑的測定結果分析

根據(jù)試驗顆粒粒徑級配的測定結果，繪制出兩種巖樣崩解過程的粒徑級配柱狀圖及粒徑級配曲線圖。見圖1、2、3、4。

圖2 石英片巖試樣崩解過程粒徑級配曲線圖

由圖1、2可知：石英片巖崩解主要發(fā)生在前兩周，第三、四周崩解趨于穩(wěn)定；三、四周粒徑級配曲線呈現(xiàn)重合之勢；崩解主要發(fā)生在60～20 mm粒徑之間。

圖3 云母片巖試樣崩解過程顆粒級配變化柱狀圖

圖4 云母片巖試樣崩解過程粒徑級配曲線圖

由圖3、4可知：云母片巖較石英片巖崩解程度明顯劇烈，發(fā)生崩解的粒徑也更廣泛，各個粒徑在次過程中變化均比較明顯。

2.2 軟巖崩解過程分形理論分析

分形幾何是一門新的數(shù)學分支，它主要用來描述自然界的不規(guī)則以及雜亂無章的現(xiàn)象和行為。大量的研究已經(jīng)表明，巖體在各種非人為的外界力(包括自然力和機械力)隨機作用下的破碎是一個分形。該結論在巖體空隙、結構面，巖體的開挖、尾礦場、爆破等的塊度分析中得到了驗證[2]。巖體在吸水后的崩解破碎是隨機破碎，自然也是一個分形。分形的刻畫指標是分維數(shù)。

根據(jù)分形理論，設用孔徑為r的篩子來篩分試樣，將篩下的物料總數(shù)計為N1(r)，篩網(wǎng)上面物料總數(shù)計為N2(r)，則N(r)=N1(r)+N2(r)。

定義關聯(lián)函數(shù)C(r)為：

(1)

適當調整篩網(wǎng)孔徑r的大小，若在某一粒徑區(qū)間范圍內(nèi)存在如下關系：

C(r)∝rD

(2)

指數(shù)D就是一種維數(shù)，它是關聯(lián)維數(shù)很好的逼近，而關聯(lián)維數(shù)D的嚴格定義則為：

(3)

D=3-n

(4)

根據(jù)顆粒粒度分維計算模型對散體物料實測結果進行分形統(tǒng)計，各物料粒度組成分布分形曲線見圖5和圖6。

圖5 石英片巖試樣初始粒度分布分形曲線

圖6 云母片巖試樣初始粒度分布分形曲線

圖7 石英片巖試樣分維數(shù)隨浸泡時間變化曲線

圖8 云母片巖試樣分維數(shù)隨浸泡時間變化曲線

通過應用分維數(shù)對石英片巖、云母片巖崩解過程的定量分析，可知石英片巖在整個崩解過程中分維數(shù)基本穩(wěn)定在2.3，后期較初始變化保持在0.07范圍內(nèi)，發(fā)生崩解程度極??；云母片巖分維數(shù)變化保持在0.18范圍內(nèi)，發(fā)生崩解的程度相對較深。

2 結語

在以往的研究中對土體及強風化巖體崩解研究較多，此次試驗對特定的兩種松散巖土體進行了室內(nèi)崩解試驗研究，具有一定的工程應用價值?？梢缘玫揭韵陆Y論：

1)石英片巖、云母片巖在水的作用下會發(fā)生崩解，與土體崩解過程類似，即顆粒數(shù)目不斷增加，顆粒整體粒徑不斷減小。

2)與土體崩解過程相比較，石英片巖、云母片巖崩解程度遠小于土體,崩解主要來自較大粒徑巖塊。

3)石英片巖與云母片巖相比較，云母片巖崩解程度較深，礦山實際生產(chǎn)中不可將云母片巖堆排至下部，以確?；靥钸吰掳踩?/p>

以上結論是初步的，未免存在不足，在以后的工作中還必須根據(jù)現(xiàn)場實際情況對該類巖土體的崩解作進一步研究、確認。

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