基于分形理論的紅層軟巖崩解性消除方法研究

1、<p>　　基于分形理論的紅層軟巖崩解性消除方法研究</p><p>　　摘要：應(yīng)用分形理論對自然崩解過程中的紅層軟巖粒度數(shù)據(jù)進行了分析，得到紅層軟巖崩解物分數(shù)維達到2.6～2.7后其崩解趨于停滯的特點.在研究了液壓破碎錘、拖式羊足碾等設(shè)備對紅層軟巖的破碎能力后，基于分形圖形構(gòu)造過程中的“迭代”特征，提出了以“翻松―碾壓”動作“迭代”為核心機制的消除紅層軟巖崩解性機械破碎工藝并在湖南省瀏醴高速公路進行了

2、現(xiàn)場破碎試驗.對現(xiàn)場破碎過程中軟巖粒度數(shù)據(jù)進行的分數(shù)維計算表明：重復(fù)2次“翻松―碾壓”工藝即可將紅層軟巖破碎至分數(shù)維為2.6～2.7.因此，基于分形迭代特征開發(fā)的機械破碎工藝可有效消除紅層軟巖的崩解性.該方法應(yīng)用在高速公路施工中可將紅層軟巖填筑利用范圍擴大至上路堤，能取得較好的效益. </p><p>　　關(guān)鍵詞：紅層；軟巖；迭代；破碎；分形 </p><p>　　中圖分類號：TU458

3、文獻標識碼：A </p><p>　　生成于白堊系晚期和第三系的紅層軟巖（公路工程中有時稱為“紅砂巖”）在中國分布廣泛，以其崩解性而為工程界所關(guān)注.調(diào)研表明，采用紅層軟巖填料修筑的路基沉降穩(wěn)定一般少則需要二三年，多則七八年.在交通部“九五”行業(yè)聯(lián)合攻關(guān)課題“京珠高速公路湘潭至耒陽段紅砂巖地帶路基修筑技術(shù)研究” [1]的資助下，課題組總結(jié)了紅層軟巖崩解特性，在大量試驗研究的基礎(chǔ)上提出“預(yù)崩解―耙壓―壓實”的壓實工藝

4、[1-2]，該工藝可將紅層軟巖壓實到路基要求的力學水平[3]，初步解決了紅層軟巖的筑路問題，成果在湖南、廣東、四川等紅層（紅砂巖）地區(qū)得到廣泛推廣.事實上，由于對路基中填筑的紅層軟巖崩解性是否完全消除并無把握，工程中一直僅將紅層軟巖用于距路基頂面1.5 m以下的路堤填筑（下路堤，俗稱93區(qū)）[4].對于靠近路面結(jié)構(gòu)的路基上部（路基頂面以下0～1.5 m），由于擔心路基中未崩解的巖塊繼續(xù)崩解造成路面損壞而不允許采用紅層軟巖填筑.隨著公路建

5、設(shè)的推進，在當前土地資源和建設(shè)資金越來越緊張的情況下，若能擴大紅層軟巖的利用范圍，將產(chǎn)生顯著的社會和經(jīng)濟效益. </p><p>　　之前的研究[5-6]表明，軟巖的崩解是一個多重分形過程，通過引入分形理論分析軟巖崩解過程中顆粒的粒度變化，可得到定量描述紅層軟巖崩解過程的分數(shù)維指標.本文在之前研究的基礎(chǔ)上，介紹了依托湖南長沙瀏陽（黃泥界）至醴陵高速公路工程進行的應(yīng)用分形理論研究消除紅層軟巖崩解性方法的工作.該研究

6、成果在高速公路施工中得到應(yīng)用，成功地將紅層軟巖利用擴展到了高速公路上路堤（路基頂面以下0.8～1.5 m，也稱94區(qū)），取得了較好的效益，具有一定參考價值. </p><p>　　湖南大學學報（自然科學版）2013年 </p><p>　　第6期劉曉明等：基于分形理論的紅層軟巖崩解性消除方法研究 </p><p>　　1紅層軟巖自然崩解分形特征 </p>

7、<p>　　1.1分形顆粒分布的分形模型 </p><p>　　分形理論研究一些具有自相似性（selfsimilar）的不規(guī)則曲線和形狀（稱為線性分形）、具有反演性的（selfreverse）的不規(guī)則圖形、具有自平方性（selfsquaring）的分形變換以及具有自仿射性（selfaffine）的分形集等[7].研究表明，分形結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜，卻可通過簡單的“迭代”作用生成，這與紅層軟巖崩解過程中受干濕

8、循環(huán)（可視為一種迭代作用）形成的崩解物粒度卻非常復(fù)雜的特點非常相似，因此可以嘗試采用分形理論分析軟巖崩解過程. </p><p>　　分形粒子模型是目前應(yīng)用最廣泛的分形模型，其建立過程如下：根據(jù)分形的概念，若某種粒子的分布是一個分形，則其顆粒數(shù)量粒度關(guān)系應(yīng)滿足式（1），這一關(guān)系由特科特（Turcotte）[8]首先提出. </p><p>　　將式（6）代入式（4），得到式（7）分形粒子的

9、顆粒質(zhì)量粒徑關(guān)系模型，該模型由泰勒（Tyler）和維特克拉夫（Wheatcraft）[9]首先得到. </p><p>　　1.2紅層軟巖崩解顆粒分數(shù)維變化規(guī)律 </p><p>　　如文獻[5]所述，湖南省湘南地區(qū)紅層軟巖室內(nèi)崩解試驗得到的紅層軟巖崩解物顆粒級配見表1.文獻[1]表明，試驗紅層軟巖為Ⅰ類和Ⅱ類巖混合，其成分參考文獻[5]所述.表1室內(nèi)崩解試驗過程中顆粒級配[5] <

10、/p><p>　　Tab.1Grade variety of soft rock during collapsing </p><p>　　test in laboratory </p><p>　　根據(jù)以上粒子分形分析方法，對表1粒度數(shù)據(jù)計算，得到不同崩解時間下崩解物顆粒粒度分數(shù)維計算結(jié)果，如圖1所示. </p><p><b>　　

11、崩解時間/d </b></p><p>　　從紅層軟巖崩解物的分數(shù)維變化過程發(fā)現(xiàn)：軟巖的膨脹崩解是一個時間過程，在該過程中其顆粒組成一直處于變化之中，其分數(shù)維也不斷變化.崩解達到一定程度時，顆粒級別達到穩(wěn)定，膨脹崩解最終趨于停止，分數(shù)維值趨于一個穩(wěn)定值，其值大約為2.6～2.7. </p><p>　　2瀏醴高速紅層軟巖特性 </p><p>　　湖南長

12、沙瀏陽（黃泥界）至醴陵高速公路（以下簡稱瀏醴高速）工程1，3，4合同段存在大量紅層軟巖，工程中希望能將紅層軟巖的應(yīng)用從原來的下路堤擴大到上路堤以減少工程棄方和土地占用.因此本文在對瀏醴高速公路紅層軟巖特征進行測試和分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合前述紅層軟巖崩解分形特征的成果，研究消除紅層軟巖崩解性的措施，力求擴大紅層軟巖在路基中的利用，以取得更大的社會和經(jīng)濟效益. </p><p>　　現(xiàn)場調(diào)查表明，瀏醴高速的紅層軟巖在大自

13、然下經(jīng)過雨水3 d和10 d逐漸崩解（如圖2和圖3所示），表面均已出現(xiàn)松散，并有較多較深裂紋，粒徑在40 cm左右軟巖大部分都容易破碎. </p><p>　　為了解瀏醴高速紅層軟巖強度和崩解性特點，對典型的樣本進行了天然密度和抗壓強度試驗，發(fā)現(xiàn)其天然密度約2.4～2.5 g/cm3，抗壓強度分布范圍為15～24 MPa.與文獻[1]情況類似，因紅層軟巖呈軟硬互層分布特性，故在同一公路橫斷面既有低強度也有較高強度

14、的巖石，難以分別利用.為了解紅層軟巖巖性，采用XRD試驗方法對瀏醴高速沿線紅層軟巖成分進行分析.根據(jù)現(xiàn)場情況來看，各標段紅層軟巖總體無顯著差別，因此取野外鑒別有一定差異的4個樣本進行成分測試，每種巖石取3份進行成分鑒定，取3份測試結(jié)果的均值作為分析結(jié)果，其成分測試結(jié)果見表2. 　　與文獻[1，5]所給出的紅層軟巖成分相比，瀏醴高速公路紅層軟巖成分有一定差別，具體表現(xiàn)在瀏醴高速紅層軟巖的粘土礦物為綠泥石，而文獻[1，5]所研究紅層軟巖所

15、含粘土礦物主要為高嶺石、伊利石、蒙脫石等3種常見粘土礦物.而綠泥石的水穩(wěn)定性強于3種常見粘土礦物.另外根據(jù)文獻[1]提出的紅層軟巖工程分類方法，對瀏醴高速公路紅層軟巖進行烘干浸水崩解試驗，發(fā)現(xiàn)該高速公路3類巖石都存在，但以Ⅱ類為主.結(jié)合礦物分析成果和烘干浸水崩解試驗結(jié)果可知，文獻[1，5]所研究的紅層軟</p><p>　　3 紅層軟巖破碎壓實工藝 </p><p>　　3.1機械破碎設(shè)備

16、及破碎能力 </p><p>　　對于紅層軟巖的破碎壓實方法，文獻[1-2]提出的是以大型推土機、振動壓路機為核心設(shè)備的“耙壓工藝”.隨著機械制造水平的提高，近10年來有很多新型設(shè)備出現(xiàn)，如液壓破碎錘和拖式羊足碾.液壓破碎錘多用于破碎路面、巖石等材料.拖式羊足碾則多用于各種巖石、粗粒土壓實.本文將以上2種設(shè)備作為紅層軟巖壓實的核心設(shè)備進行研究. </p><p>　　如圖4所示，發(fā)現(xiàn)釬桿直

17、徑不小于85 mm的液壓破碎錘可將紅層軟巖輕易破碎.但是隨著巖塊破碎尺寸的減小巖塊數(shù)量激增，液壓破碎錘點擊次數(shù)顯著上升，破碎效率急劇降低.現(xiàn)場試驗表明，利用破碎錘將紅層軟巖破碎至30～40 cm的功效較為適中. </p><p>　　如圖5所示，拖式羊足碾采用大型推土機拖拽進行壓實施工.羊足碾上的凸塊高度>8 cm，因此原則上采用凸塊羊足碾可將松鋪厚度40 cm的紅層軟巖填料破碎至32 cm以下.事實上，松

18、鋪厚度40 cm的路基填筑層，壓實厚度不大于36 cm，在壓實后的填筑層中，巖塊尺寸會小于28 cm. </p><p>　　因此本文提出的紅層軟巖壓實工藝的核心設(shè)備為：液壓破碎錘、大型推土機、拖式羊足碾和振動壓路機. </p><p>　　3.2紅層軟巖破碎壓實工藝 </p><p>　　文獻[1-2]對紅層軟巖的壓實確定了以“預(yù)崩解-耙壓-壓實”工序為核心的施工

19、工藝，其施工工序為：開挖→預(yù)崩解→裝運→卸料→攤鋪→耙壓→初壓→趕平→碾壓→終壓.工藝的核心是使紅層軟巖全部或大部分顆粒粉碎，水活性消除.事實上，因為過去對水活性是否完全消除既沒有絕對把握，也沒有合適的評價指標，所以，一直以來只能將紅層軟巖的應(yīng)用范圍局限于下路堤部分.瀏醴高速公路希望能將紅層軟巖用于距路面更近的上路堤（94區(qū)），因此必須保證紅層軟巖填料被破碎到相當?shù)某潭?，并用合適的指標進行評價，以確認所采用的破碎壓實工藝能將紅層軟巖水活

20、性消除. </p><p>　　如前所述，分形結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜，但其本質(zhì)是用簡單動作的重復(fù)“迭代”最后形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu).因此對紅層軟巖的破碎，也可采用重復(fù)的“翻松―壓實”迭代來對其進行不斷破碎，達到完全消除軟巖崩解性的目的.因此，決定采用“翻松―碾壓”的重復(fù)動作來對填料進行破碎試驗研究，具體破碎工藝如下： </p><p>　　1）首先采用液壓破碎錘在料場將新鮮巖塊破碎至40 cm以下 （取代原

21、工藝中的預(yù)崩解工序），然后將最大顆粒小于40 cm的紅層軟巖填料運至現(xiàn)場推填至松鋪厚度40 cm一層. </p><p>　　2）碾壓：平地機調(diào)坡→光輪壓路機靜壓1遍→羊足碾靜壓1遍→羊足碾振動壓3遍→光輪壓路機振壓1～2遍. </p><p>　　3）翻松：采用重型推土機將紅層軟巖填料翻松，然后推平至松鋪厚度小于30 cm一層. </p><p>　　4）重復(fù)“翻

22、松―碾壓”，直至試驗結(jié)束.與以往“預(yù)崩解―耙壓―壓實”工藝相比，本次研究的工藝可以概括為“機械破碎―翻松―碾壓―翻松―碾壓…”. </p><p>　　4 紅層軟巖破碎壓實過程中的分維數(shù) </p><p>　　現(xiàn)場破碎試驗選擇在有代表性的路段進行.試驗段長度100 m.試驗過程中，對“第1遍碾壓后” “翻松后靜壓1遍”“第2遍碾壓后”3個破碎工序進行開挖取樣、篩分取得填料粒度分布數(shù)據(jù).現(xiàn)場

23、開挖照片如圖6和圖7所示.篩分結(jié)果見表3. </p><p>　　圖6為第1次碾壓后的填料粒度情況，可以發(fā)現(xiàn)，此時填料最大粒徑小于30 cm，最大28 cm；圖7為第2次碾壓完成后的情況，發(fā)現(xiàn)軟巖最大粒徑降至20 cm以下，最大16 cm.因巨粒土的篩分工作量大，因此對每個工序僅開挖2處進行篩分，取平均值作為本工序的粒度數(shù)據(jù). </p><p>　　計算結(jié)果表明，紅層軟巖填料在第1次碾壓后

24、，分數(shù)維僅達到2.29[圖8（a）所示]，與自然崩解到基本完成的分數(shù)維區(qū)間2.6～2.7差距較大.可見僅采用1次碾壓，紅層填料的崩解性還難以完全消除. </p><p>　　第2次碾壓后，填料分數(shù)維達2.63[圖8（c）所示]，數(shù)值位于崩解穩(wěn)定分數(shù)維區(qū)間2.6～2.7，說明2次 “翻松―碾壓”動作“迭代”即可將紅層軟巖破碎至自然崩解穩(wěn)定的粒度.與此同時，翻松后的分數(shù)維[圖8（b）所示]計算結(jié)果表明：僅僅“翻松”對

25、填料的粒度分數(shù)維基本沒有影響.這說明“翻松―碾壓”才是一個完整的“迭代”動作. </p><p>　　為掌握各工序下的路基強度能否達到要求，又增加了路基彎沉測試，測試結(jié)果為：第1次碾壓后路基彎沉為120（0.01 mm）、第2次碾壓后為113（0.01 mm）.這說明，第1次碾壓后，紅層軟巖路基的力學強度能達到要求路基設(shè)計要求[一般路基頂面彎沉要求小于200（0.01 mm）]，但是這時的路基水穩(wěn)定性是沒有保證的

26、.第2次碾壓后，紅層軟巖填料被機械破碎達到了崩解性基本消除的程度，路基水穩(wěn)定性得到了顯著提高. </p><p>　　根據(jù)以上試驗和分析結(jié)果，課題組提出瀏醴高速公路可將紅層軟巖填料應(yīng)用范圍擴大至上路堤（94區(qū)，距路基頂面0.8～1.5 m）范圍填筑，并且要求在該范圍填筑，必須采用二次“翻松―壓實”技術(shù).成果經(jīng)建設(shè)單位、設(shè)計單位、專家評估后認為理由充分，成果得到應(yīng)用，取得了較好的效益. </p>&l

27、t;p><b>　　5 結(jié)論 </b></p><p>　　分形結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜，但都是由簡單、重復(fù)的動作作用形成的，因此構(gòu)造分形的核心機制是“迭代”作用.紅層軟巖無論是自然崩解還是在機械作用下破碎，都是在自然力或機械力的重復(fù)作用下不斷破碎的結(jié)果，因此可用分形理論解釋.本文基于分形理論，提出以機械破碎加“翻松―壓實”工藝“迭代（重復(fù)）”的工藝對紅層填料進行破碎和壓實來消除紅層軟巖崩解性的方