松散巖土體崩解試驗研究

2011-06-12 07:05:34文義明侯克鵬周宗紅

有色金屬(礦山部分) 2011年1期

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

巖石在水中發生崩解的現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，材料產生崩解現象會進一步造成材料強度和穩定性的降低，以至于邊坡內部出現潛在的滑面或弱面。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崩解試驗研究。

1 試驗方法及步驟

1.1 試驗方法

室內浸水試驗主要以自然水體為試驗巖樣崩解的環境介質，將天然狀態下的巖樣置于清水中，觀察其崩解現象和過程。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律。為此，室內浸水崩解試驗的主要步驟為：

1)天然狀態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，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據。

1.2 試驗現象記錄及級配測定

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生在前兩周，第三、四周崩解趨于穩定；三、四周粒徑級配曲線呈現重合之勢；崩解主要發生在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學分支，它主要用來描述自然界的不規則以及雜亂無章的現象和行為。大量的研究已經表明，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。

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

定義關聯函數C(r)為：

(1)

適當調整篩網孔徑r的大小，若在某一粒徑區間范圍內存在如下關系：

C(r)∝rD

(2)

指數D就是一種維數，它是關聯維數很好的逼近，而關聯維數D的嚴格定義則為：

(3)