張宗堂，高文華，張志敏，黃建平，李剛

?

干濕循環(huán)作用下膨脹巖的崩解特性及分形特征

張宗堂1，高文華1，張志敏1，黃建平2，李剛1

(1. 湖南科技大學(xué) 巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測湖南省重點(diǎn)實驗室，湖南 湘潭 411201； 2. 湖南中大檢測技術(shù)集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410205)

對湖南株洲地區(qū)不同初始粒徑的膨脹巖樣進(jìn)行室內(nèi)浸水崩解試驗，在干濕循環(huán)作用下對其崩解物的粒徑分布規(guī)律、耐崩解性特征與分形特征進(jìn)行研究。基于巖石破碎分形理論，推導(dǎo)了考慮不同初始粒徑與不同循環(huán)次數(shù)的膨脹巖崩解分形維數(shù)計算公式。試驗結(jié)果表明：初始粒徑的大小對膨脹巖的崩解特性及分形特征存在較大的影響。在粒徑較大的粒組中，初始粒徑越大，該粒組的百分含量越大，且?guī)缀醪浑S循環(huán)次數(shù)的增加而發(fā)生變化；在粒徑較小的粒組中，初始粒徑越大，該粒組的百分含量越大，但隨循環(huán)次數(shù)的增加先增加后減小。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，耐崩解性指數(shù)逐漸減??；初始粒徑越大，耐崩解性指數(shù)越小。計算結(jié)果表明：隨著循環(huán)次數(shù)的增加，分形維數(shù)逐漸增大；初始粒徑越大，分形維數(shù)越大。其結(jié)論可為膨脹巖工程提供參考。

崩解；膨脹巖；干濕循環(huán)；分形維數(shù)；耐崩解性指數(shù)

巖石崩解性是指巖石在干濕交替作用下發(fā)生顯著的體積膨脹或顆粒巖屑脫落、進(jìn)而解體的性質(zhì)[1]。巖石的崩解可導(dǎo)致邊坡剝落、形成巖腔而誘發(fā)崩塌，為滑坡、泥石流等災(zāi)害提供物源，是多種地質(zhì)災(zāi)害的致因。軟巖由于強(qiáng)度低、膠結(jié)程度差，更具有遇水膨脹、軟化和崩解的性質(zhì)，且軟巖的崩解特性因地域與自然環(huán)境等因素的不同差異很大，因此對軟巖崩解特性的研究具有重要的理論與實踐意義，但由于其崩解的復(fù)雜性，至今仍未得出巖石崩解的普遍規(guī)律。ZHANG等[2?3]研究指出水是影響巖石物理力學(xué)性質(zhì)的重要因素。Gamble[4]認(rèn)為巖石含水量的改變是引起巖石崩解的主要原因；Phienwej[5]認(rèn)為崩解主要是在吸水條件下產(chǎn)生的；White等[6]認(rèn)為溫度對巖石風(fēng)化的影響依賴于降水量；巖石僅在一次干濕過程中的崩解是比較有限的，而其在干濕循環(huán)作用下的崩解過程則是隨著時間逐漸積累的，所以有不少研究采用干濕循環(huán)作用來研究巖石的崩解情況[7?9]。由于初始粒徑不同對巖石崩解存在一定的影響，而研究不同初始粒徑膨脹巖崩解的文獻(xiàn)鮮見報道。所以，有必要研究干濕循環(huán)作用下不同初始粒徑膨脹巖的崩解。巖石的崩解是由大量小破碎群體演化所致，小破碎又由更微小的破裂演化集聚而成，這種自相似行為導(dǎo)致巖石破碎后的破碎塊度分布具有自相似分形特征[10?11]。近年來，不少學(xué)者將分形維數(shù)運(yùn)用到巖石崩解破碎過程中，以此來反映巖石崩解后的分布狀態(tài)，驗證了分形維數(shù)能夠較好地反映巖石的崩解過程[12?14]。目前，已有一些研究軟巖的耐崩解性以及采用分形維數(shù)來描述巖石崩解過程的研究，但極少考慮不同初始粒徑巖石崩解的崩解特性與分形特征。本文主要對不同初始粒徑的膨脹巖在干濕循環(huán)作用下的崩解特性展開試驗研究，并在室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)上，對巖石崩解后的粒徑分布規(guī)律與耐崩解性特征及分形特征進(jìn)行深入研究。

1 膨脹巖崩解特性試驗研究

1.1 試驗方案設(shè)計

膨脹巖耐崩解試驗依據(jù)DZ/T0276.9-2015巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗規(guī)程進(jìn)行[15]。為研究不同初始粒徑膨脹巖的崩解特性，本試驗采用巖石切磨機(jī)制備6組渾圓狀巖樣，編號為：TZ01，TZ02，TZ03，TZ04，TZ05和TZ06。由于膨脹巖的強(qiáng)度不高，巖樣加工難度較大，欲制成初始粒徑完全相同的巖樣進(jìn)行試驗比較困難，故本文參考已有的成果[16]，將已制備的渾圓狀巖樣假設(shè)為球狀，且假設(shè)每塊巖樣的密度均勻不變，再通過每塊巖樣初始質(zhì)量與密度的關(guān)系求得其初始粒徑，得到各組巖樣的初始粒徑區(qū)間為(由TZ01至TZ06)：2.64~3.05，3.61~3.97，4.80~4.86，6.07~6.26，7.06~7.11和7.63~7.81 cm，各組巖樣的平均初始粒徑為(由TZ01至TZ06)：2.93，3.75，4.84，6.17，7.08和7.72 cm。

試驗采用干濕循環(huán)作用下的室內(nèi)浸水崩解試驗：1) 將制備好的天然巖樣置于烘箱內(nèi)(105~110 ℃)烘干至恒重，在干燥器內(nèi)冷卻至室溫；2) 分別將巖樣置于敞口容器中，注入自來水使巖樣完全浸入水中，浸泡24 h以上；3) 取出試樣置于烘箱內(nèi)(105~ 110 ℃)烘干至恒重后，在干燥器內(nèi)冷卻至室溫，然后通過篩分試驗采用孔徑為60，40，20，10，5，2，1，0.5，0.25和0.075 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩過篩，為避免外界擾動對試驗的影響，篩分試驗采用人工篩分，分別稱量并做好記錄，其中粒徑小于0.075 mm的部分通過質(zhì)量守恒求得。完成上述2和3步驟即完成一次干濕循環(huán)，將每次干濕循環(huán)后的殘留樣重復(fù)上述步驟2和3，直至完成研究所需的次干濕循環(huán)試驗。

1.2 膨脹巖基本物理力學(xué)性質(zhì)及試驗現(xiàn)象描述

膨脹巖樣采用湖南株洲地區(qū)的紅砂巖，依據(jù)DZ/T0276.9-2015巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗規(guī)程[15]，其膨脹性及相關(guān)物理力學(xué)指標(biāo)測定結(jié)果見表1，由表1可知，巖石為微膨脹巖。巖層上層風(fēng)化嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)基本破壞，已呈土狀，但尚可辨認(rèn)；隨著巖層所處深度的不斷加深，其風(fēng)化程度逐漸減弱，試樣取表層未見明顯風(fēng)化痕跡的新鮮巖石，密封放置一段時間后，表層略有變色且出現(xiàn)少量細(xì)微分化裂紋，結(jié)構(gòu)基本未變。巖樣浸水之后，立即有氣泡冒出；10 min左右有塊狀、片狀碎屑脫落，并伴隨有裂紋擴(kuò)展；30 min左右部分試樣呈現(xiàn)出大塊散落，且出現(xiàn)貫穿裂縫。圖1為巖樣首次浸水圖，圖2為干濕循環(huán)20次后殘留樣圖。

圖1 巖樣首次浸水圖

圖2 干濕循環(huán)20次后殘留樣圖

1.3 崩解物的粒徑分布特征

經(jīng)過干濕循環(huán)作用之后得到不同初始粒徑膨脹巖樣的崩解物，以崩解物各粒組百分含量為縱坐標(biāo)，以循環(huán)次數(shù)為橫坐標(biāo)，繪制崩解物各粒組百分含量?循環(huán)次數(shù)曲線。曲線的變化趨勢可分為以下4種：1) 如圖3(a)所示為＞60 mm粒組，曲線呈現(xiàn)出初始粒徑越大，該粒組百分含量越大，且?guī)缀醪浑S循環(huán)次數(shù)的增加發(fā)生變化。宏觀上表現(xiàn)為某巖塊僅崩解了一部分，而另一部分尚未發(fā)生崩解，這是由于同一巖塊的不同部分所含有的礦物成分不同所致。此外，40~60 mm粒組的百分含量-循環(huán)次數(shù)曲線也具有相似的變化規(guī)律。2) 如圖3(b)所示為10~20 mm粒組，除TZ01外，曲線呈現(xiàn)出初始粒徑越大，該粒組百分含量越??；而隨著循環(huán)次數(shù)的增加，該粒組百分含量出現(xiàn)一定的波動。此外，20~40 mm粒組與5~10 mm粒組的百分含量?循環(huán)次數(shù)曲線也具有相似的變化規(guī)律，但其含量大小有所不同。3) 如圖3(c)所示為2~5 mm粒組，該粒組百分含量與初始粒徑間的規(guī)律性不強(qiáng)；而隨著循環(huán)次數(shù)的增加，該粒組百分含量先增加后減小。此外，1~2 mm粒組的百分含量?循環(huán)次數(shù)曲線也具有相似的規(guī)律。4) 如圖3(d)所示為0.075~0.25 mm粒組，除TZ01外，表現(xiàn)為初始粒徑越大，該粒組的百分含量越大，但隨循環(huán)次數(shù)的增加先增加后減小。此外，0.5~1 mm粒組與0.25~0.5 mm粒組的百分含量-循環(huán)次數(shù)曲線也具有相似的規(guī)律，但其含量大小有所不同。另外，＜0.075 mm粒組的百分含量通過質(zhì)量守恒原理得到，故該粒組百分含量隨循環(huán)次數(shù)的增加不斷增大，而初始粒徑越大，該粒組的百分含量也越大。

由上述分析可知，初始粒徑不同導(dǎo)致膨脹巖崩解后各粒組的百分含量相差很大，在粒徑較大的粒組中，初始粒徑越大，該粒組的百分含量越大，且?guī)缀醪浑S循環(huán)次數(shù)的增加而發(fā)生變化；在粒徑較小的粒組中，表現(xiàn)為初始粒徑越大，該粒組的百分含量越大，且隨循環(huán)次數(shù)的增加先增加后減少。故初始粒徑不同對膨脹巖崩解物的粒徑分布存在顯著的影響。

表1 膨脹巖基本物理力學(xué)性質(zhì)一覽表

(a)＞60 mm粒組；(b) 20~10 mm粒組；(c) 2~5 mm粒組；(d) 0.075~0.25 mm粒組

1.4 耐崩解性特征

巖石的耐崩解性指數(shù)定義為[15]：試件在承受干燥和浸潤 2個標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)后，殘留質(zhì)量與原質(zhì)量的百分比。本文研究膨脹巖進(jìn)行次干濕循環(huán)后的耐崩解性，將試件承受的標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)次數(shù)擴(kuò)展為次，則耐崩解性指數(shù)的定義修正為：

式中：dN為巖石次循環(huán)耐崩解性指數(shù)，%；m為原試樣烘干質(zhì)量，g；m為第次標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)后大于2 mm殘留試樣的烘干質(zhì)量，g。

將由式(1)求得的耐崩解性指數(shù)與循環(huán)次數(shù)進(jìn)行回歸擬合，可得回歸擬合函數(shù)為：

式中：，和為擬合參數(shù)，參數(shù)取值見表2。

圖4為耐崩解性指數(shù)與循環(huán)次數(shù)及擬合曲線，由圖可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，耐崩解性指數(shù)逐漸降低，降幅逐漸減??；巖樣初始粒徑的不同對其耐崩解性指數(shù)存在一定的影響：初始粒徑越大，其耐崩解性指數(shù)越小(TZ01除外)，崩解速率 越快。

圖4 巖樣IdN-N及擬合曲線

2 膨脹巖崩解的分形特征研究

2.1 基于質(zhì)量與粒徑關(guān)聯(lián)的分形維數(shù)求解

通過膨脹巖的室內(nèi)浸水崩解試驗可以直接得到崩解物各粒組的質(zhì)量分布狀況，操作方便且數(shù)據(jù)可靠，故本文采用基于質(zhì)量與粒徑關(guān)聯(lián)的分形維數(shù)求解方法。

謝和平[17]指出，如果巖石破碎后的塊度滿足分形分布，則其解析式為：

式中：R為崩解物的特征尺度；N為特征尺度R的崩解物數(shù)目；為比例常數(shù)；為崩解物塊度分布的分形維數(shù)。

崩解物碎塊的尺寸?頻率分布為：

式中：()為直徑小于R的碎塊累積質(zhì)量；為總質(zhì)量；為與平均尺寸相關(guān)的量；為質(zhì)量?頻率分布指數(shù)。

將式(4)按泰勒級數(shù)展開并忽略高次項可得：

由式(5)可知，將小于某粒徑累積百分含量與粒徑進(jìn)行函數(shù)擬合，即可求得值。

對式(3)，(5)分別求導(dǎo)，得：

由于質(zhì)量與塊度尺寸之間的關(guān)系，即正比于3，則：

將式(6)，(7)代入式(8)可得：

即：

2.2 結(jié)果分析

依據(jù)上述結(jié)果，即可求得膨脹巖崩解的分形維數(shù)，考慮篇幅，此處僅給出TZ01干濕循環(huán)20次時的求解過程，見圖5。將分形維數(shù)與循環(huán)次數(shù)進(jìn)行函數(shù)擬合，可得擬合函數(shù)為：

式中：，和為擬合參數(shù)，參數(shù)取值見表3。

圖5 TZ01干濕循環(huán)20次β的求解

Fig. 5 Solution ofof TZ01 in dry-wet cycle 20 times

圖6為分形維數(shù)?循環(huán)次數(shù)的試驗與擬合數(shù)據(jù)對比圖，由圖6可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，分形維數(shù)逐漸增加，增幅逐漸減??；巖樣初始粒徑的不同對分形維數(shù)存在一定的影響：初始粒徑越大，其分形維數(shù)越大(TZ01除外)，崩解速率越快；但是隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，初始粒徑大小的不同對其崩解性的影響逐漸減弱。

由式(4)可知，為與平均尺寸相關(guān)的量，本文通過試驗數(shù)據(jù)擬合求解得到值，由于的數(shù)量級很小，故此處做出lg-的關(guān)系曲線進(jìn)行研究(如圖7)。膨脹巖崩解過程中隨著循環(huán)次數(shù)的增加其崩解物的粒徑在不斷減小，則其平均粒徑亦在不斷減小，故與平均尺寸相關(guān)的也在不斷減小。由圖7可知，實際數(shù)值的變化規(guī)律與理論分析是一致的。巖樣初始粒徑的不同對值亦存在很大的影響：初始粒徑越大，其值越小。

圖6 巖樣D-N的試驗與擬合數(shù)據(jù)對比圖

表3 擬合參數(shù)

圖7 巖樣lgσ-N關(guān)系曲線

擬合參數(shù)值見表3，由表3可知，擬合參數(shù)，和均為與巖樣初始粒徑相關(guān)的參數(shù)(其余外界條件在試驗中已控制相同)，除TZ01外，，和隨著其余5組巖樣初始粒徑的增大均呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性(見圖8)。將，和與除TZ01之外的其余5組初始粒徑進(jìn)行回歸擬合，可得：

式中：為巖樣的平均初始粒徑；1，1，1，2，2，2，3，3和3均為與初始粒徑相關(guān)的參數(shù)，可通過回歸擬合方法求得，參數(shù)取值見表4。

由圖8中的擬合曲線及表3中的相關(guān)系數(shù)可知，擬合度已達(dá)到要求。

圖8 參數(shù)e，f和g與初始粒徑的散點(diǎn)圖及擬合曲線

由表2可知，擬合參數(shù)、和為與巖樣初始粒徑相關(guān)的參數(shù)，除TZ01外，，和隨著其余5組巖樣初始粒徑的增大也表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，但存在個別異常點(diǎn)。這是由于：耐崩解性指數(shù)僅反映出膨脹巖崩解物2個粒組(大于2 mm與小于2 mm)的分布狀況，而分形維數(shù)能夠考慮到膨脹巖崩解后多個粒組巖石顆粒的整體分布狀況，故相對于耐崩解性指數(shù)，分形維數(shù)更適合描述巖石的崩解狀況，其與初始粒徑相關(guān)的擬合參數(shù)，和也呈現(xiàn)出更好的規(guī)律性。

由式(11)、式(12)可得考慮不同初始粒徑與不同循環(huán)次數(shù)下的膨脹巖崩解分形維數(shù)計算模型為：

選取TZ06試驗數(shù)據(jù)對本模型進(jìn)行驗證，如圖9所示，由圖9可知，通過式(13)計算模型得到的曲線與試驗得到的數(shù)據(jù)非常吻合，從而驗證了本模型的正確性。

表4 擬合參數(shù)

圖9 試驗數(shù)據(jù)與模型計算對比圖

初始粒徑的不同導(dǎo)致其崩解速率有所不同，主要是因為：膨脹巖的初始粒徑越大，則其由自然環(huán)境導(dǎo)致的內(nèi)部缺陷越多，強(qiáng)度越低，則其崩解速率越快。但在制樣過程中若制備巖樣的初始粒徑太小，則會導(dǎo)致在制樣過程中對巖樣的外力擾動過大，導(dǎo)致其內(nèi)部孔裂隙在試驗之前已經(jīng)貫通發(fā)育，則其在干濕循環(huán)作用下的崩解速率會加快，產(chǎn)生不符合初始粒徑越大，崩解速率越快的情況(如TZ01)。

此研究對于工程應(yīng)用具有一定的實際意義。在膨脹巖含量豐富的地區(qū)，將膨脹巖全部置換不利于工程的經(jīng)濟(jì)性，在采用膨脹巖作工程填料的情況下，需要以比較經(jīng)濟(jì)的手段使膨脹巖崩解破碎至滿足工程需要的粒徑，由于膨脹巖崩解時初始粒徑越大，其崩解速率越快，所以對于初始粒徑較大的膨脹巖，可先使其經(jīng)歷干濕循環(huán)作用進(jìn)行快速崩解，若多次干濕循環(huán)之后依然存在部分膨脹巖未崩解至需要粒徑，可對此部分膨脹巖施加一定的外力擾動，以加速其崩解，這對于膨脹巖做工程填料具有一定的指導(dǎo)意義。

3 結(jié)論

1) 初始粒徑大小對干濕循環(huán)作用后膨脹巖崩解物的粒徑分布存在顯著影響。在粒徑較大的粒組中，初始粒徑越大，該粒組的百分含量越大，且?guī)缀醪浑S循環(huán)次數(shù)的增加而發(fā)生變化；在粒徑較小的粒組中，表現(xiàn)為初始粒徑越大，該粒組的百分含量越大，且隨循環(huán)次數(shù)的增加先增加后減少。

2) 根據(jù)巖石耐崩解性指數(shù)的定義，提出了巖石次循環(huán)耐崩解性指數(shù)的確定方法。獲得了耐崩解性指數(shù)與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。初始粒徑的大小和循環(huán)次數(shù)對膨脹巖耐崩解性特性存在較大影響。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，耐崩解性指數(shù)逐漸減??；初始粒徑越大，耐崩解性指數(shù)越小。

3) 相對于耐崩解性指數(shù)，分形維數(shù)更適用于描述巖石的崩解狀況。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，分形維數(shù)逐漸增大；初始粒徑越大，分形維數(shù)越大。

[1] 柴肇云, 張亞濤, 張學(xué)堯. 泥巖耐崩解性與礦物組成相關(guān)性的試驗研究[J]. 煤炭學(xué)報, 2015, 40(5): 1188? 1193. CHAI Zhaoyun, ZHANG Yatao, ZHANG Xueyao. Experimental investigations on correlation with slake durability and mineral composition of mudstone[J]. Journal of China Coal Society, 2015, 40(5): 1188?1193.

[2] ZHANG Dan, CHEN Anqiang, LIU Gangcai. Laboratory investigation of disintegration characteristics of purple mudstone under different hydrothermal conditions[J]. Journal of Mountain Science, 2012, 9(1): 127?136.

[3] ZHANG Shuai, XU Qiang, HU Zeming. Effects of rainwater softening on red mudstone of deep-seated landslide, Southwest China[J]. Engineering Geology, 2016(204): 1?13.

[4] Gamble J．Durability-plasticity classification of shales and other argillaceous rock[D]. Urbana: University of Illinois, 1971.

[5] Phienwej N. Ground response and support performance in a sheared shale, Stillwater Tunnel[D]. Urbana: University of Illinois, 1987.

[6] White A D, Blum A E. Effects of climate on chemical weathering in watersheds[J]. Geochimicaet Cosmochim- ica Acta, 1995, 59(9): 1729?1747.

[7] 申培武, 唐輝明, 汪丁建, 等. 巴東組紫紅色泥巖干濕循環(huán)崩解特征試驗研究[J].巖土力學(xué), 2017, 38(7): 1990?1998. SHEN Peiwu, TANG Huiming, WANG Dingjian, et al. Disintegration characteristics of red-bed mudstone of Badong formation under wet-dry cycles[J]. Rock and Soil Mechanics, 2017, 38(7): 1990?1998.

[8] 曾志雄, 孔令偉, 田海, 等. 膨脹巖崩解特性的干濕循環(huán)效應(yīng)與粒度熵表征[J]. 巖土力學(xué), 2017, 38(7): 1984? 1989. ZENG Zhixiong, KONG Lingwei, TIAN Hai, et al. Effect of drying and wetting cycles on disintegration behavior of swelling mudstone and its grading entropy characterization[J]. Rock and Soil Mechanics, 2017, 38(7): 1984?1989.

[9] 梁冰, 曹強(qiáng), 王俊光, 等. 弱崩解性軟巖干?濕循環(huán)條件下崩解特性試驗研究[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報, 2017, 27(8): 91?96. LIANG Bing, CAO Qiang, WANG Junguang, et al. Experimental study on slaking characteristics of feeble disintegration soft rock in drying-wetting cycle[J]. China Safety Science Journal, 2017, 27(8): 91?96.

[10] 吳益平, 余宏明, 胡艷新. 巴東新城區(qū)紫紅色泥巖工程地質(zhì)性質(zhì)研究[J]. 巖土力學(xué), 2006, 27(7): 1201?1203. WU Yiping, YU Hongming, HU Yanxin. Research on engineering geological characters of aubergine mudstone of Badong new city zone[J]. Rock and Soil Mechanics, 2006, 27(7): 1201?1203.

[11] Ruiz-Carulla R, Corominas J, Mavrouli O. A fractal fragmentation model for rocks[J]. Landslides, 2017, 14(3): 1?15.

[12] 劉曉明, 趙明華, 蘇永華. 軟巖崩解分形機(jī)制的數(shù)學(xué)模擬[J]. 巖土力學(xué), 2008, 29(8): 2043?2046. LIU Xiaoming, ZHAO Minghua, SU Yonghua. Mathematical simulation of fractal mechanism for slaking of soft rock[J]. Rock and Soil Mechanics, 2008, 29(8): 2043?2046.

[13] 張季如, 胡泳, 張弼文, 等. 石英砂礫破碎過程中粒徑分布的分形行為研究[J]. 巖土工程學(xué)報, 2015, 37(5): 784?791. ZHANG Jiru, HU Yong, ZHANG Biwen, et al. Fractal behavior of particle-size distribution during particle crushing of quartz sand and gravel[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2015, 37(4): 784?791.

[14] Ruiz-Carulla R, Corominas J, Mavrouli O. A methodology to obtain the block size distribution of fragmental rockfall deposits[J]. Landslides, 2015, 12(4): 815?825.

[15] DZ/T 0276.9—2015, 巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗規(guī)程[S]. DZ/T 0276.9—2015, Regulation for testing the physical and mechanical properties of rock[S].

[16] 黃明, 詹金武. 酸堿溶液環(huán)境中軟巖的崩解試驗及能量耗散特征研究[J]. 巖土力學(xué), 2015, 36(9): 2607?2623. HUANG Ming, ZHAN Jinwu. Disintegration tests and energy dissipation characteristics of soft rock in acid and alkali solution[J]. Rock and Soil Mechanics, 2015, 36(9): 2607?2623.

[17] 謝和平. 分形?巖石力學(xué)導(dǎo)論[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1996. XIE Heping. Fractals-rock mechanics[M]. Beijing: Science Press, 1996.

Disintegration characteristics and fractal features of swelling rock during dry-wet cycles

ZHANG Zongtang1, GAO Wenhua1, ZHANG Zhimin1, HUANG Jianping2, LI Gang1

(1. Hunan Provincial Key Laboratory of Geotechnical Engineering for Stability Control and Health Monitoring, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China; 2. Hunan Zhongda Testing Technology Group Co., Ltd, Changsha 410205, China)

Experiments were carried out on the indoor soaking disintegration test of swelling rock samples with different initial particle size in Zhuzhou of Hunan Province. Then the distribution of particle size, slake durability characteristics and fractal features after disintegration of swelling rock were studied during dry and wet cycles. The results show that, the size of the initial particle size has a great influence on the disintegration characteristics and fractal characteristics of swelling rock. In the larger particle size group, the larger the initial particle size is, the greater the percentage content of the particle group will be, and hardly changes with the increase of cycle number. And in the smaller particle size group, the larger the initial particle size is, the greater the percentage content of the particle group will be, but it first increases and then decreases with the increase of cycle number. What’s more, the slake durability index gradually decreases as the increase of cycle number. And the larger the initial particle size is, the smaller the slake durability index will be. Then based on the fractal theory of rock fragmentation, the formula for calculating the fractal dimension of disintegration of swelling rock with different initial particle sizes and different cycle numbers is deduced. And the calculation results show that the fractal dimension gradually increases with the increase of cycle number, and the larger the initial particle size is, the larger the fractal dimension will be. And its conclusions could provide reference for the swelling rock project.

disintegration; swelling rock; drying-wetting cycle; fractal dimension; slake durability index

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.04.013

TU458

A

1672 ? 7029(2019)04 ? 0930 ? 08

2018?05?12

湖南省教育廳重點(diǎn)科研資助項目(16A073)；湖南科技大學(xué)巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測省重點(diǎn)實驗室開放基金資助項目(E21807)

高文華(1962?)，男，湖南寧鄉(xiāng)人，教授，博士，從事巖土工程和地下結(jié)構(gòu)工程的研究；E?mail：wenhuagao@163.com

(編輯 涂鵬)