松散岩土体崩解试验研究

文义明，侯克鹏，周宗红

(昆明理工大学 国土资源工程学院，昆明 650093)

引言

岩石在水中发生崩解的现象是岩石水理性的重要特征之一[1]。当松散岩土体被用作回填边坡时，材料往往遭受着大气降水以及地下水位变化等的作用，材料产生崩解现象会进一步造成材料强度和稳定性的降低，以至于边坡内部出现潜在的滑面或弱面。因此对松散岩土体进行崩解试验显得尤为重要。

本文选取云南某露天排土场石英片岩、云母片岩两种松散岩体进行了室内崩解试验研究。

1 试验方法及步骤

1.1 试验方法

室内浸水试验主要以自然水体为试验岩样崩解的环境介质，将天然状态下的岩样置于清水中，观察其崩解现象和过程。并且对烘干后的崩解物进行颗粒分析，以确定岩样崩解的速度和等级，以及崩解物级配在理想崩解条件下的变化规律。为此，室内浸水崩解试验的主要步骤为：

1)天然状态下的岩样按初始级配称取2kg，置于敞口透明的塑料量杯中，称重后注入清水至淹没试样为止；

2)记录试样开始崩解时间并记录现象，一周、二周、三周、四周后观察并记录试样的崩解碎裂情况；

3)达到浸泡时间(第一次浸泡时间为一周，以后则不少于一周)后，将容器中的岩样带水过筛，得到崩解物；

4)将崩解物风干30分钟后，放在托盘上放入烘箱内，在105℃恒温下烘干至恒重，烘干时间不少于8小时；

5)将烘干后的试样连同托盘取出，放于干燥器内冷却至室温后，做筛分试验，并结合工程实际需要，将级配粒径设为：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)重复步骤3)到5)，测得岩样浸泡两周、三周、四周后的颗粒级配数据。

1.2 试验现象记录及级配测定

岩样浸水后，一周、两周、三周、四周级配测定见表1、2：

表1 石英片岩试样崩解过程颗粒级配变化表

表2 云母片岩试样崩解过程颗粒级配变化表

2 试验成果分析

2.1 颗粒粒径的测定结果分析

根据试验颗粒粒径级配的测定结果，绘制出两种岩样崩解过程的粒径级配柱状图及粒径级配曲线图。见图1、2、3、4。

图2 石英片岩试样崩解过程粒径级配曲线图

由图1、2可知：石英片岩崩解主要发生在前两周，第三、四周崩解趋于稳定；三、四周粒径级配曲线呈现重合之势；崩解主要发生在60～20 mm粒径之间。

图3 云母片岩试样崩解过程颗粒级配变化柱状图

图4 云母片岩试样崩解过程粒径级配曲线图

由图3、4可知：云母片岩较石英片岩崩解程度明显剧烈，发生崩解的粒径也更广泛，各个粒径在次过程中变化均比较明显。

2.2 软岩崩解过程分形理论分析

分形几何是一门新的数学分支，它主要用来描述自然界的不规则以及杂乱无章的现象和行为。大量的研究已经表明，岩体在各种非人为的外界力(包括自然力和机械力)随机作用下的破碎是一个分形。该结论在岩体空隙、结构面，岩体的开挖、尾矿场、爆破等的块度分析中得到了验证[2]。岩体在吸水后的崩解破碎是随机破碎，自然也是一个分形。分形的刻画指标是分维数。

根据分形理论，设用孔径为r的筛子来筛分试样，将筛下的物料总数计为N1(r)，筛网上面物料总数计为N2(r)，则N(r)=N1(r)+N2(r)。

定义关联函数C(r)为：

(1)

适当调整筛网孔径r的大小，若在某一粒径区间范围内存在如下关系：

C(r)∝rD

(2)

指数D就是一种维数，它是关联维数很好的逼近，而关联维数D的严格定义则为：

(3)

D=3-n

(4)

根据颗粒粒度分维计算模型对散体物料实测结果进行分形统计，各物料粒度组成分布分形曲线见图5和图6。

图5 石英片岩试样初始粒度分布分形曲线

图6 云母片岩试样初始粒度分布分形曲线

图7 石英片岩试样分维数随浸泡时间变化曲线

图8 云母片岩试样分维数随浸泡时间变化曲线

通过应用分维数对石英片岩、云母片岩崩解过程的定量分析，可知石英片岩在整个崩解过程中分维数基本稳定在2.3，后期较初始变化保持在0.07范围内，发生崩解程度极小；云母片岩分维数变化保持在0.18范围内，发生崩解的程度相对较深。

2 结语

在以往的研究中对土体及强风化岩体崩解研究较多，此次试验对特定的两种松散岩土体进行了室内崩解试验研究，具有一定的工程应用价值。可以得到以下结论：

1)石英片岩、云母片岩在水的作用下会发生崩解，与土体崩解过程类似，即颗粒数目不断增加，颗粒整体粒径不断减小。

2)与土体崩解过程相比较，石英片岩、云母片岩崩解程度远小于土体,崩解主要来自较大粒径岩块。

3)石英片岩与云母片岩相比较，云母片岩崩解程度较深，矿山实际生产中不可将云母片岩堆排至下部，以确保回填边坡安全。

以上结论是初步的，未免存在不足，在以后的工作中还必须根据现场实际情况对该类岩土体的崩解作进一步研究、确认。

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