2023年全國碩士研究生考試考研英語一試題真題(含答案詳解+作文范文)_第1頁
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文檔簡介

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(jìn)行了分析,得到紅層軟巖崩解物分?jǐn)?shù)維達(dá)到2.6~2.7后其崩解趨于停滯的特點(diǎn).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(dòng)作“迭代”為核心機(jī)制的消除紅層軟巖崩解性機(jī)械破碎工藝并在湖南省瀏醴高速公路進(jìn)行了

2、現(xiàn)場破碎試驗(yàn).對現(xiàn)場破碎過程中軟巖粒度數(shù)據(jù)進(jìn)行的分?jǐn)?shù)維計(jì)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?jǐn)?shù)維為2.6~2.7.因此,基于分形迭代特征開發(fā)的機(jī)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(kuò)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(xiàn)標(biāo)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(shí)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(yàn)研究的基礎(chǔ)上提出“預(yù)崩解―耙壓―壓實(shí)”的壓實(shí)工藝

4、[1-2],該工藝可將紅層軟巖壓實(shí)到路基要求的力學(xué)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(shí)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(dān)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(jìn),在當(dāng)前土地資源和建設(shè)資金越來越緊張的情況下,若能擴(kuò)大紅層軟巖的利用范圍,將產(chǎn)生顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益. </p><p>  之前的研究[5-6]表明,軟巖的崩解是一個(gè)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?jǐn)?shù)維指標(biāo).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(jìn)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(kuò)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(jià)值. </p><p>  湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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(diǎn)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(gè)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?jǐn)?shù)維變化規(guī)律 </p><p>  如文獻(xiàn)[5]所述,湖南省湘南地區(qū)紅層軟巖室內(nèi)崩解試驗(yàn)得到的紅層軟巖崩解物顆粒級配見表1.文獻(xiàn)[1]表明,試驗(yàn)紅層軟巖為Ⅰ類和Ⅱ類巖混合,其成分參考文獻(xiàn)[5]所述.表1室內(nèi)崩解試驗(yàn)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(jì)算,得到不同崩解時(shí)間下崩解物顆粒粒度分?jǐn)?shù)維計(jì)算結(jié)果,如圖1所示. </p><p><b>  

11、崩解時(shí)間/d </b></p><p>  從紅層軟巖崩解物的分?jǐn)?shù)維變化過程發(fā)現(xiàn):軟巖的膨脹崩解是一個(gè)時(shí)間過程,在該過程中其顆粒組成一直處于變化之中,其分?jǐn)?shù)維也不斷變化.崩解達(dá)到一定程度時(shí),顆粒級別達(dá)到穩(wěn)定,膨脹崩解最終趨于停止,分?jǐn)?shù)維值趨于一個(gè)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(kuò)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(jìn)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(kuò)大紅層軟巖在路基中的利用,以取得更大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)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(qiáng)度和崩解性特點(diǎn),對典型的樣本進(jìn)行了天然密度和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)其天然密度約2.4~2.5 g/cm3,抗壓強(qiáng)度分布范圍為15~24 MPa.與文獻(xiàn)[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(qiáng)度也有較高強(qiáng)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(yàn)方法對瀏醴高速沿線紅層軟巖成分進(jìn)行分析.根據(jù)現(xiàn)場情況來看,各標(biāo)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(gè)樣本進(jìn)行成分測試,每種巖石取3份進(jìn)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(xiàn)[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(xiàn)[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(qiáng)于3種常見粘土礦物.另外根據(jù)文獻(xiàn)[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(jìn)行烘干浸水崩解試驗(yàn),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(yàn)結(jié)果可知,文獻(xiàn)[1,5]所研究的紅層軟</p><p>  3 紅層軟巖破碎壓實(shí)工藝 </p><p>  3.1機(jī)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(shí)方法,文獻(xiàn)[1-2]提出的是以大型推土機(jī)、振動(dòng)壓路機(jī)為核心設(shè)備的“耙壓工藝”.隨著機(jī)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(shí).本文將以上2種設(shè)備作為紅層軟巖壓實(shí)的核心設(shè)備進(jìn)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(diǎn)擊次數(shù)顯著上升,破碎效率急劇降低.現(xiàn)場試驗(yàn)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(jī)拖拽進(jìn)行壓實(shí)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(shí)上,松

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

19、工藝,其施工工序?yàn)椋洪_挖→預(yù)崩解→裝運(yùn)→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(shí)上,因?yàn)檫^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(jià)指標(biāo),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(dāng)?shù)某潭龋⒂煤线m的指標(biāo)進(jìn)行評價(jià),以確認(rèn)所采用的破碎壓實(shí)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(dòng)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(shí)”迭代來對其進(jìn)行不斷破碎,達(dá)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(dòng)作來對填料進(jìn)行破碎試驗(yàn)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(yùn)至現(xiàn)場推填至松鋪厚度40 cm一層. </p><p>  2)碾壓:平地機(jī)調(diào)坡→光輪壓路機(jī)靜壓1遍→羊足碾靜壓1遍→羊足碾振動(dòng)壓3遍→光輪壓路機(jī)振壓1~2遍. </p><p>  3)翻松:采用重型推土機(jī)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(yàn)結(jié)束.與以往“預(yù)崩解―耙壓―壓實(shí)”工藝相比,本次研究的工藝可以概括為“機(jī)械破碎―翻松―碾壓―翻松―碾壓…”. </p><p>  4 紅層軟巖破碎壓實(shí)過程中的分維數(shù) </p><p>  現(xiàn)場破碎試驗(yàn)選擇在有代表性的路段進(jìn)行.試驗(yàn)段長度100 m.試驗(yàn)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(gè)破碎工序進(jìn)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(shí)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(gè)工序僅開挖2處進(jìn)行篩分,取平均值作為本工序的粒度數(shù)據(jù). </p><p>  計(jì)算結(jié)果表明,紅層軟巖填料在第1次碾壓后

24、,分?jǐn)?shù)維僅達(dá)到2.29[圖8(a)所示],與自然崩解到基本完成的分?jǐn)?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?jǐn)?shù)維達(dá)2.63[圖8(c)所示],數(shù)值位于崩解穩(wěn)定分?jǐn)?shù)維區(qū)間2.6~2.7,說明2次 “翻松―碾壓”動(dòng)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(shí),翻松后的分?jǐn)?shù)維[圖8(b)所示]計(jì)算結(jié)果表明:僅僅“翻松”對

25、填料的粒度分?jǐn)?shù)維基本沒有影響.這說明“翻松―碾壓”才是一個(gè)完整的“迭代”動(dòng)作. </p><p>  為掌握各工序下的路基強(qiáng)度能否達(dá)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(xué)強(qiáng)度能達(dá)到要求路基設(shè)計(jì)要求[一般路基頂面彎沉要求小于200(0.01 mm)],但是這時(shí)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(jī)械破碎達(dá)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(yàn)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(kuò)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(shí)”技術(shù).成果經(jīng)建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位、專家評估后認(rèn)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(dòng)作作用形成的,因此構(gòu)造分形的核心機(jī)制是“迭代”作用.紅層軟巖無論是自然崩解還是在機(jī)械作用下破碎,都是在自然力或機(jī)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(jī)械破碎加“翻松―壓實(shí)”工藝“迭代(重復(fù))”的工藝對紅層填料進(jìn)行破碎和壓實(shí)來消除紅層軟巖崩解性的方

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