唐驍宇，高文華，張宗堂，易梅輝，鄔 俊

(湖南科技大學(xué) 巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測(cè)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201)

1 研究背景

膨脹巖是一種特殊類型的軟巖，且與水關(guān)系緊密，親水性強(qiáng)烈[1]。膨脹巖中所含有的大量親水礦物使其在干濕循環(huán)作用下發(fā)生不均勻的體積變化，進(jìn)而產(chǎn)生崩解。膨脹巖在我國(guó)廣泛分布，修建在膨脹巖地區(qū)的交通、水利、礦山等領(lǐng)域的工程遇水崩解的問題也日益突顯，所以，研究分析膨脹巖的崩解特性具有重要意義。對(duì)于已有的膨脹巖的崩解性研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過巖石崩解試驗(yàn)，證明巖石崩解現(xiàn)象的必要條件是濕度變化，即水分遷移[2-4]。同時(shí)，膨脹巖在多次干濕循環(huán)造成的水分遷移作用下，其崩解反應(yīng)隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸累積[4-5]。在膨脹巖的崩解過程中，由于其崩解產(chǎn)物的粒徑分布具有良好的分形特征，使得膨脹巖的崩解性可以用分形維數(shù)來表示。

膨脹巖的崩解特性是多種因素造成的，為探究其各因素之間的關(guān)聯(lián)程度，結(jié)合數(shù)據(jù)樣本量稀少和影響因素信息貧乏的特點(diǎn)，本文采用灰色關(guān)聯(lián)分析法?；疑P(guān)聯(lián)分析法來自于由鄧聚龍[6]創(chuàng)立的灰色系統(tǒng)理論，該方法對(duì)比因素間的動(dòng)態(tài)發(fā)展趨勢(shì)的異同程度，并衡量因素之間的關(guān)聯(lián)度，可以有效地處理分析數(shù)據(jù)“樣本量稀少和影響因素信息貧乏”的問題[7]。關(guān)于膨脹巖崩解反應(yīng)中灰色關(guān)聯(lián)法的應(yīng)用，申培武等[8]通過灰色關(guān)聯(lián)法分析圓形度的變化特征能更好地反映膨脹巖崩解的狀態(tài)，劉曉明等[9]利用灰色關(guān)聯(lián)法分析膨脹巖礦物成分與其崩解之間的關(guān)系，但是關(guān)于膨脹巖在崩解過程中各外界因素對(duì)膨脹巖崩解性影響的相關(guān)程度的研究鮮有報(bào)道。因此，本文基于灰色關(guān)聯(lián)分析法，對(duì)膨脹巖崩解的分形特征受不同干燥溫度、不同外界擾動(dòng)、干濕循環(huán)次數(shù)等因素的影響程度展開研究。

2 膨脹巖崩解特性試驗(yàn)

對(duì)膨脹巖進(jìn)行靜態(tài)崩解試驗(yàn)，該崩解試驗(yàn)的步驟為：(1)對(duì)試樣進(jìn)行前期加工至一定質(zhì)量，烘箱設(shè)置如表1所示的固定溫度，使用烘箱將試樣干燥至恒重，烘干時(shí)間在24 h以上，隨即取出試樣，使試樣冷卻至室溫；(2)將試樣放置在合適容器中，完全浸入自來水中，持續(xù)浸泡24 h以上，同時(shí)容器中自來水的水量保持相同；(3)烘箱設(shè)置如表1所示的固定溫度，使用烘箱將試樣干燥至恒重，烘干時(shí)間在24 h以上，隨即取出試樣，使試樣冷卻至室溫，然后對(duì)試樣進(jìn)行篩分試驗(yàn)，該環(huán)節(jié)中標(biāo)準(zhǔn)篩的篩孔徑為60、40、20、10、5、2、1、0.5、0.25、0.075 mm，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。上述(2)、(3)步驟作為一次干濕循環(huán)，由于本試驗(yàn)需要20次干濕循環(huán)，所以將每次干濕循環(huán)后的崩解物殘留樣重復(fù)上述步驟(2)、(3)，直至完成試驗(yàn)。

根據(jù)不同干燥溫度情況下的靜態(tài)崩解和動(dòng)態(tài)崩解試驗(yàn)以及初始單塊質(zhì)量不同情況下的靜態(tài)崩解試驗(yàn)，分析溫度變化、初始擾動(dòng)程度和干濕循環(huán)次數(shù)等影響因素對(duì)膨脹巖崩解性的關(guān)聯(lián)度，其中根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)測(cè)定[10]，TN01、TN02、TN03、GN01、GN02、GN03為強(qiáng)膨脹巖，TL01、TL02、TL03、GL01、GL02、GL03為中強(qiáng)膨脹巖，各試驗(yàn)方案分別見表1和2。

表2 不同初始單塊質(zhì)量試驗(yàn)方案表

3 膨脹巖崩解的分形特征

3.1 質(zhì)量與粒徑關(guān)聯(lián)的分形維數(shù)計(jì)算方法

分形幾何是常用來描述自然界雜亂不規(guī)則現(xiàn)象的手段[11]，目前多采用自相似性分形。而膨脹巖是親水礦物顆粒膠結(jié)而成的幾何體，水的作用下其崩解現(xiàn)象反應(yīng)活躍，且膨脹巖的崩解現(xiàn)象是由大量微小破碎集聚成的小破碎組成。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，膨脹巖具有從內(nèi)部損傷到外部破碎的自相似性行為[12]，所以分形理論適用于分析膨脹巖的崩解反應(yīng)。

由于膨脹巖的室內(nèi)浸水崩解試驗(yàn)可以方便可靠地得到崩解后膨脹巖的各粒組顆粒分布情況，且自相似性一般是分形維數(shù)的基礎(chǔ)，因此，本文采用關(guān)聯(lián)分形維數(shù)[13]，對(duì)膨脹巖崩解分形進(jìn)行描述。

結(jié)合韓培鋒等[14]對(duì)堆石料崩解分形特征的描述，并基于分形理論，可將試樣總質(zhì)量設(shè)為M，對(duì)崩解物進(jìn)行篩分，試樣總質(zhì)量包括該篩網(wǎng)下的崩解物總質(zhì)量以及剩余的崩解物總質(zhì)量，即：

M=Ma(d)+Mb(d)

(1)

式中：M、Ma(d)、Mb(d)分別為試樣總質(zhì)量、篩網(wǎng)下的崩解物總質(zhì)量、剩余的崩解物總質(zhì)量，g；d為篩孔徑，mm。

定義質(zhì)量和粒徑的關(guān)聯(lián)函數(shù)N(d)為：

(2)

膨脹巖崩解后的崩解產(chǎn)物是具有開放性的自組織系統(tǒng)，其物質(zhì)構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu)由粒度分布表示。設(shè)超過某粒徑di的崩解產(chǎn)物顆粒在三維空間中占有的體積為V，則V可表述為：

V=ηV-ηV(di/λV)3-D

(3)

式中：ηV與λV分別為描述崩解產(chǎn)物大小、形狀的系數(shù)；D為分形維數(shù)；V為體積，mm3。

根據(jù)Tyler等的假定[15-16],膨脹巖崩解產(chǎn)物的不同顆粒應(yīng)有相同密度，所以超過某粒徑的崩解產(chǎn)物顆粒質(zhì)量有：

Mb(di)=ρηV-ρηV(di/λV)3-D

(4)

式中：Mb(di)為超過某粒徑的崩解產(chǎn)物顆粒質(zhì)量，g。

考慮di=0和di=dmax的情況，以確定公式(4)中的參數(shù)。其中，當(dāng)di=0時(shí)，公式(4)中Mb(di)為崩解產(chǎn)物總質(zhì)量M；假定崩解產(chǎn)物中最大顆粒粒徑為dmax，即當(dāng)di=dmax時(shí)，Mb(di)=0。分別代入公式(4)，則有：

M=ρηV

(5)

λV=dmax

(6)

對(duì)公式(2)～(6)進(jìn)行推導(dǎo)，得出膨脹巖崩解物顆粒質(zhì)量及粒徑之間的關(guān)系式為：

(7)

兩邊取對(duì)數(shù)有：

(8)

D=3-k

(9)

3.2 分形維數(shù)求解

由上述分形維數(shù)D的計(jì)算方法，可求得膨脹巖崩解的分形維數(shù)，考慮同時(shí)列舉各因素影響下崩解產(chǎn)物的分形維數(shù)求解過程所占篇幅過大，此處僅列舉TL01、TL02和TL03試樣在干濕循環(huán)次數(shù)為20次時(shí)，k值的線性擬合結(jié)果如圖1所示，其中橫坐標(biāo)為粒徑比對(duì)數(shù)lg(di/dmax)，縱坐標(biāo)為質(zhì)量比對(duì)數(shù)lg[Ma(di)/M]。

圖1 TL01、TL02及TL03試樣干濕循環(huán)20次k值擬合

由圖1可以得出，TL01、TL02和TL03試樣在干濕循環(huán)次數(shù)為20次時(shí)的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.930、0.940、0.975，故膨脹巖崩解產(chǎn)物的粒徑分布數(shù)據(jù)具有很好的線性擬合關(guān)系。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的曲線擬合也表明，膨脹巖崩解產(chǎn)物的粒徑分布具有分形特征。

3.3 各因素對(duì)分形維數(shù)的影響

分形維數(shù)D是膨脹巖崩解產(chǎn)物分形特征的量化指標(biāo)，不同因素影響下，崩解產(chǎn)物每次經(jīng)過干濕循環(huán)崩解前后的粒度分布變化的程度，表示膨脹巖顆粒發(fā)生崩解的程度。根據(jù)擬合的k值，基于影響因素為不同干燥溫度和不同初始單塊質(zhì)量，分別得出每一次干濕循環(huán)后崩解產(chǎn)物的分形維數(shù)D值，并通過分形維數(shù)D值與干濕循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系圖給出。

圖2為不同干燥溫度下強(qiáng)膨脹巖和中強(qiáng)膨脹巖試樣的D-N關(guān)系曲線。由圖2可知，分形維數(shù)在逐次干濕循環(huán)后不斷增加，其增速逐漸降低，直至平緩。根據(jù)第3.1節(jié)分形維數(shù)D的計(jì)算方式，分形維數(shù)越高，在同一粒徑比對(duì)數(shù)值為橫坐標(biāo)的質(zhì)量比對(duì)數(shù)值越小，即崩解產(chǎn)物中大顆粒占比相對(duì)減少、細(xì)顆粒占比相對(duì)增大。

造成上述現(xiàn)象的原因歸結(jié)為：干濕循環(huán)造成的水分置換會(huì)定量地對(duì)膨脹巖崩解產(chǎn)生影響，膨脹巖在水的作用下不斷在前一次干濕循環(huán)的基礎(chǔ)上崩解，干濕循環(huán)次數(shù)越多，水分置換次數(shù)越多，膨脹巖中的親水礦物在水分置換中不斷膨脹收縮導(dǎo)致巖體裂隙發(fā)展，從而加劇崩解反應(yīng)，導(dǎo)致膨脹巖巖體逐漸崩解破碎；且第2次干濕循環(huán)后，膨脹巖巖體在具有一定量初始裂隙的基礎(chǔ)上，親水礦物發(fā)生膨脹再收縮反應(yīng)，導(dǎo)致較大粒徑巖體顆粒迅速崩解，而隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，小粒徑崩解物顆粒質(zhì)量占比不斷增大，每個(gè)巖體顆粒中的裂隙影響相對(duì)降低，從而分形維數(shù)D的變化速率減小。

由圖2(a)可以看出，強(qiáng)膨脹巖3個(gè)試樣在第2次干濕循環(huán)崩解前，TN02試樣的分形維數(shù)低于TN01和TN03，而在隨后的崩解試驗(yàn)中TN02試樣的分形維數(shù)增長(zhǎng)幅度最大，而TN01試樣的增長(zhǎng)幅度最小，從而在第20次循環(huán)后，分形維數(shù)排序由小到大變?yōu)門N01、TN03、TN02。同時(shí)，從圖2(b)也可看出，TL02試樣的分形維數(shù)在干濕循環(huán)過程中始終高于TL01和TL03試樣，TL01試樣的分形維數(shù)最低。對(duì)比圖2(a)與2(b)可知，強(qiáng)膨脹巖TN01～TN03試樣崩解產(chǎn)物的分形維數(shù)基本高于中強(qiáng)膨脹巖TL01～TL03試樣。

圖2 強(qiáng)膨脹巖和中強(qiáng)膨脹巖試樣在不同干燥溫度下D-N關(guān)系圖

產(chǎn)生以上現(xiàn)象的原因歸結(jié)為：考慮到干燥溫度是影響膨脹巖內(nèi)外水分置換的重要因素之一，干燥溫度作為變量的時(shí)，干燥溫度為60℃的TN02、TL02試樣中的含水量在每次干濕循環(huán)作用下置換時(shí)間最長(zhǎng)，水對(duì)膨脹巖的作用效果最為明顯，親水礦物從吸水膨脹到失水收縮的體積變化程度最大，導(dǎo)致TN02、TL02試樣崩解反應(yīng)更為明顯，且在每一次干濕循環(huán)后持續(xù)崩解；TN03、TL03試樣相較于TN01、TL01試樣在干燥過程中水分置換更徹底、水分作用時(shí)間更短，所以，相對(duì)于水分在膨脹巖內(nèi)部停留的時(shí)間，親水礦物的吸水量和失水量導(dǎo)致的礦物體積變化幅度能更有效地促進(jìn)膨脹巖的崩解。同時(shí)，由于不同類別的膨脹巖礦物含量和組成的不同，導(dǎo)致強(qiáng)膨脹巖(TN01～TN03)的崩解反應(yīng)較中強(qiáng)膨脹巖(TL01～TL03)更加劇烈。

良渚是現(xiàn)今浙江余杭縣的一個(gè)地名，1936年原浙江省西湖博物館的施昕更在這一帶進(jìn)行考古，發(fā)現(xiàn)十余處遺址，隨后出版了《良渚(余杭縣第二區(qū)黑陶文化遺址初步報(bào)告)》。其后，又在這一帶發(fā)現(xiàn)同一文化類型的遺址100多處，1960年，夏鼐在《長(zhǎng)江流域考古》一文(《考古》1960年第2期)中，正式提出“良渚文化”這一概念。

初始單塊質(zhì)量不僅衡量膨脹巖的初始?jí)K度大小，同時(shí)也反映了膨脹巖試樣在崩解反應(yīng)之前的受擾動(dòng)程度。圖3為不同初始單塊質(zhì)量的強(qiáng)膨脹巖和中強(qiáng)膨脹巖試樣的D-N關(guān)系曲線。

圖3 強(qiáng)膨脹巖和中強(qiáng)膨脹巖試樣不同初始單塊質(zhì)量的D-N關(guān)系圖

根據(jù)圖3，在初始單塊質(zhì)量不同時(shí)，干濕循環(huán)次數(shù)N和分形維數(shù)D的關(guān)系曲線基本表現(xiàn)為：分形維數(shù)D隨著干濕循環(huán)次數(shù)N的增加而不斷增大，且增長(zhǎng)速率不斷減緩。膨脹巖分類為強(qiáng)膨脹巖時(shí)，第1次循環(huán)后，膨脹巖崩解產(chǎn)物的初始分形維數(shù)D按由小到大排序?yàn)镚N03、GN02、GN04、GN05、GN01、GN06；第20次循環(huán)后，其分形維數(shù)D由小到大的排序?yàn)镚N02、GN03、GN01、GN04、GN05、GN06。其中GN02、GN03試樣分形維數(shù)D的增長(zhǎng)幅度最大，GN01試樣的增長(zhǎng)幅度最??；GN05、GN06試樣分形維數(shù)D在數(shù)值上始終較大。比較圖3(a)與3(b)可知，強(qiáng)膨脹巖GN01～06試樣崩解產(chǎn)物的分形維數(shù)基本高于中強(qiáng)膨脹巖GL01～06試樣。

產(chǎn)生以上現(xiàn)象的原因歸結(jié)為：在初始單塊質(zhì)量作為單一變量的條件下，單塊質(zhì)量更高的膨脹巖內(nèi)部由外部作用影響導(dǎo)致的裂隙發(fā)展等缺陷程度更高，而質(zhì)量太小的膨脹巖在加工制作土樣時(shí)存在更大程度的擾動(dòng)，也會(huì)在一定程度上加深對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞，從而導(dǎo)致20次循環(huán)后，初始單塊質(zhì)量越大分形維數(shù)越高，且單塊質(zhì)量低于某一值時(shí)分形維數(shù)未到達(dá)最小值；從分型維數(shù)增長(zhǎng)幅度的方向分析，GL01、GL05、GL06試樣的分形維數(shù)增長(zhǎng)幅度低于GL02、GL03試樣，是因?yàn)槌跏紨_動(dòng)比較大的試樣在第1次干濕循環(huán)崩解后，其較易破碎的裂隙已經(jīng)發(fā)展完畢，隨后的崩解中成熟裂隙對(duì)膨脹巖崩解的影響降低所致。同樣地，由于不同類別的膨脹巖礦物含量和組成不同，導(dǎo)致強(qiáng)膨脹巖崩解反應(yīng)較強(qiáng)烈的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象也出現(xiàn)在初始單塊質(zhì)量為單一影響因素的情況下。

4 基于灰色關(guān)聯(lián)理論的膨脹巖崩解性影響因素分析

4.1 灰色關(guān)聯(lián)分析法

在膨脹巖的崩解試驗(yàn)中，由于試驗(yàn)成本的限制，進(jìn)行影響因素分析的試驗(yàn)樣本數(shù)有限，而灰色關(guān)聯(lián)分析法注重各種因素之間的宏觀分析和基本態(tài)勢(shì)等，不需要大量的數(shù)據(jù)和豐富的信息。該方法實(shí)質(zhì)是分析各影響因素對(duì)被影響對(duì)象的影響程度，從中找出主要因素與次要因素。針對(duì)膨脹巖的崩解反應(yīng)，不同因素對(duì)膨脹巖崩解性的影響程度各異。因此，采用灰色關(guān)聯(lián)法分析膨脹巖崩解試驗(yàn)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可以求出各因素關(guān)聯(lián)度，即對(duì)膨脹巖崩解性的影響程度，從而對(duì)實(shí)際工程提出指導(dǎo)性意見。

灰色關(guān)聯(lián)分析法在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，采用的是灰色關(guān)聯(lián)度為特征因子對(duì)主行為序列的影響程度，該數(shù)據(jù)處理方法歸納如下[17]：

設(shè)存在一系統(tǒng)特征數(shù)列為參考數(shù)列(主行為)，記作Y0，其表達(dá)式為：

Y0={Y0(l)|l=1,2,…,n}

(10)

另存在一系統(tǒng)因素?cái)?shù)列，記作Yi，i=1,2,…，m(m為比較數(shù)列因子個(gè)數(shù)，即點(diǎn)數(shù))：

Yi={Yi(l)|l=1,2,…,n}

(11)

在膨脹巖崩解試驗(yàn)中，影響因素的意義各不相同，為方便對(duì)比分析，按公式(12)對(duì)參考數(shù)列(主行為)和因素?cái)?shù)列進(jìn)行無量綱化的數(shù)據(jù)變換：

(12)

i∈{0,1,2,…,m}

(13)

ΔYimax=max{|Yi(k)-Yi(l)|k,l=1,2,…,n}

(14)

(15)

式中：ξi(l)為關(guān)聯(lián)系數(shù)，對(duì)應(yīng)l樣品在Yi對(duì)Y0中的數(shù)據(jù)；ρ為對(duì)比系數(shù)，一般為ρ∈[0,1]，本文采用0.5；Δmax為因素?cái)?shù)列(Yi，i=1,2,…，m)在數(shù)據(jù)中各點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的參考數(shù)列(Y0)各點(diǎn)差值的最大絕對(duì)值;Δmin為因素?cái)?shù)列(Yi，i=1,2,…，m)在數(shù)據(jù)中各點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的參考數(shù)列(Y0)各點(diǎn)差值的最小絕對(duì)值。分別按公式(16)及(17)計(jì)算：

(16)

(17)

Δi(k)為k點(diǎn)與參考數(shù)列對(duì)應(yīng)點(diǎn)差值的絕對(duì)值，按公式(18)計(jì)算：

(18)

由于關(guān)聯(lián)系數(shù)ξi(l)只能表示不同樣品數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)程度，灰色關(guān)聯(lián)分析法為解決關(guān)聯(lián)系數(shù)存在不易于集中對(duì)比的這一問題，將關(guān)聯(lián)系數(shù)集中處理，最終結(jié)果以關(guān)聯(lián)系數(shù)的平均值來表示因素間的關(guān)聯(lián)程度，即灰色關(guān)聯(lián)度。關(guān)聯(lián)度計(jì)算公式為：

(19)

關(guān)聯(lián)度ri表示因子Yi對(duì)主行為Y0的影響程度，對(duì)于l,j∈(1,2,…,n)，當(dāng)Yl>Yk時(shí)，那么認(rèn)為系統(tǒng)因素?cái)?shù)列Yl相較于Yk與主行為數(shù)列的相關(guān)性更高。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)設(shè)置的控制影響因素包括干燥溫度(30℃、60℃、105℃)、初始單塊質(zhì)量、干濕循環(huán)次數(shù)。對(duì)該3種影響因素進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析，定義膨脹巖崩解產(chǎn)物的分形維數(shù)D為主序列。其中干燥溫度反映膨脹巖的干濕循環(huán)過程中膨脹巖含水率變化的速度和含水量變化率的大小，初始單塊質(zhì)量反映膨脹巖在崩解反應(yīng)之前初始擾動(dòng)的程度。定義序列1(Y1)為干燥溫度，序列2(Y2)為初始單塊質(zhì)量，序列3(Y3)為干濕循環(huán)次數(shù)。

根據(jù)4.1中所述的灰色關(guān)聯(lián)分析計(jì)算步驟計(jì)算得到干燥溫度、初始單塊質(zhì)量、干濕循環(huán)循環(huán)次數(shù)與崩解產(chǎn)物分形維數(shù)的關(guān)聯(lián)度，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 各影響因素對(duì)崩解產(chǎn)物分型維數(shù)的關(guān)聯(lián)度

由灰色關(guān)聯(lián)度理論得知，參考數(shù)列和各影響因素?cái)?shù)列的關(guān)聯(lián)度能反映各因素?cái)?shù)列對(duì)參考數(shù)列的影響程度，且關(guān)聯(lián)度和影響程度呈正相關(guān)。由表3可知，3個(gè)影響因素與膨脹巖崩解產(chǎn)物的分形維數(shù)D均有一定的關(guān)聯(lián)度，關(guān)聯(lián)度排序?yàn)閅3>Y1>Y2，即干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)膨脹巖崩解產(chǎn)物的分形維數(shù)的影響程度最大，然后依次是干燥溫度、初始單塊質(zhì)量。從膨脹巖崩解的機(jī)理出發(fā)，紅砂巖崩解反應(yīng)的關(guān)鍵是其礦物含量及組成情況，由于紅砂巖富有大量的親水性、可溶性和膨脹性礦物，這些礦物具有連接力弱、比表面積大等特點(diǎn)，使膨脹巖在干濕循環(huán)中導(dǎo)致巖體內(nèi)含水量變化時(shí)，發(fā)生膨脹收縮的崩解現(xiàn)象。因干濕循環(huán)次數(shù)反映的是膨脹巖崩解過程中水分置換的定量情況，所以對(duì)于膨脹巖崩解反應(yīng)的影響因素中，水分置換次數(shù)的影響最高，巖體內(nèi)含水量變化程度和速度對(duì)膨脹巖體崩解的作用次之，崩解反應(yīng)前膨脹巖的受擾動(dòng)情況作用相對(duì)較弱。

由于膨脹巖具有遇水崩解的現(xiàn)象，需要膨脹巖的分形維數(shù)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，而膨脹巖在自然環(huán)境中崩解的時(shí)間超出工期限制，就要對(duì)膨脹巖進(jìn)行人為促進(jìn)的預(yù)處理。實(shí)際操作具體為，將爆破開采的膨脹巖先進(jìn)行若干次人為的干濕循環(huán)處理，使較大巖塊中的初始裂隙快速發(fā)展，然后進(jìn)行人工破碎，在增大巖塊表面積的同時(shí)，加劇新裂隙的形成和發(fā)展；盡量在高溫季節(jié)對(duì)膨脹巖作多次干濕循環(huán)的崩解處理。通過這種人為的控制使膨脹巖快速軟化崩解，從而達(dá)到工程指標(biāo)。

5 結(jié) 論

本文采用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)膨脹巖的干燥溫度、初始單塊質(zhì)量、干濕循環(huán)次數(shù)和外界擾動(dòng)次數(shù)與崩解產(chǎn)物的分形維數(shù)進(jìn)行了關(guān)聯(lián)度分析，得到了以下結(jié)論。

(1)根據(jù)膨脹巖崩解后，其崩解破碎的巖塊具有自相似性的分形特征，以質(zhì)量與顆粒粒徑相關(guān)聯(lián)的分形維數(shù)為基礎(chǔ)，分析得到膨脹巖崩解的分形特征，給出一種合適的分形維數(shù)求解方法，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了這種分形維數(shù)求解方法的合理性。

(2)基于灰色系統(tǒng)理論的概念，給出了灰色關(guān)聯(lián)度的計(jì)算方法，并采用關(guān)聯(lián)度來描述干濕循環(huán)作用下膨脹巖崩解過程中各影響因素的相關(guān)程度；基于數(shù)據(jù)處理結(jié)果，認(rèn)為灰色關(guān)聯(lián)分析法能夠判別出崩解過程中各影響因素的相關(guān)程度，是一種分析各影響因素重要性的數(shù)據(jù)處理方法。

(3)試驗(yàn)中膨脹巖崩解的影響因素，即干燥溫度、初始單塊質(zhì)量和干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)膨脹巖崩解產(chǎn)物的灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果表明，各因素均對(duì)膨脹巖崩解產(chǎn)生一定的影響，且有著較高的關(guān)聯(lián)程度。根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)分析，在各影響因素中，干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)膨脹巖崩解的影響最大，干燥溫度其次，初始單塊質(zhì)量對(duì)膨脹巖崩解的影響相對(duì)較小。

(4)根據(jù)各影響因素與膨脹巖耐崩解性指數(shù)的灰色關(guān)聯(lián)度，以及各影響因素與膨脹巖崩解產(chǎn)物的分形維數(shù)的關(guān)系，分析得出膨脹巖最佳的崩解時(shí)節(jié)是在高溫季節(jié)，崩解順序從大粒徑膨脹巖開始，在一定粒徑時(shí)需進(jìn)行人為干濕循環(huán)處理，使巖體更高效地崩解破碎。