基于分形理论的排土场粘土-砂岩混合体渗透规律试验研究

摘要

松散土石混合体作为露天煤矿排土场的重要组成部分，由于降雨入渗的存在，其水力学性质直接影响着排土场的稳定性。本文以安太堡露天煤矿排土场为例，实地取材，制作了粘土-砂岩混合体试样。由于露天煤矿排土作业的间断性，确定了土石混合体的受力状态，设计了粘土-砂岩混合体相似模拟试验，对粘土-砂岩混合体进行分级加载固结试验，通过基于GDS三轴仪进行三轴渗透试验，研究了不同含石量与不同粒径分维值级配在不同渗透压力下对试样渗透规律的影响。 介绍了分形理论和分形的数学基础，基于土石混合体具有分形特性的研究成果和其粒度分维值计算的理论依据，对不同含石量的粘土-砂岩混合体试样进行筛分析试验，得到粒径级配曲线和粒度分维曲线，根据粒度分维值个数来区分良好级配和最优级配，并作为渗透试验的一个变量指标。 试验材料选取安太堡露天煤矿排土场中的粘土和砂岩，粘土过1mm筛，砂岩颗粒粒径1-10mm，并测定了粘土的液限、塑限和塑性指数、砂岩的比重、最大干密度等物理指标。基于分形理论，分别制作含石量30%、40%、50%、60%具有两个粒度分维值和只具一个粒度分维值的粘土-砂岩混合体试样，确定粘土和砂岩的配比，确定试样尺寸为直径50mm，高度100mm。设定试样初始含水率为13%。 设计实施了三轴渗透试验，介绍了GDS三轴仪的组成及工作原理，采用GDS渗透模块进行渗透试验，在试验的过程中，对试样施加一定围压和轴向压力，通过设置不同的上下水头压力差进行三轴渗透试验，根据渗流水流量随时间关系的变化曲线可以看出粘土-砂岩混合体试样形成稳定渗流时的渗流速度，用渗流速度与渗透压力的关系表来表征粘土-砂岩混合体试样的渗透特性。 对三轴渗透试验数据进行分析，得到了高含石量粘土-砂岩混合体试样的非线性渗流特征，相同含石量试样随着渗透压力的增大，试样内部出现渗透挤密现象，渗流速度呈现减小的趋势，当渗透压力达到一定数值时，高含石量试样会出现渗透破坏现象，且含石量越大，对应出现渗透破坏现象的渗透压力越小。只具一个粒度分维值试样的渗流速度随渗透压力变化的线性更好，内部结构更紧密，抵抗渗透破坏能力更强。

目录

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致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2.1土石混合体概念的提出

1.2.2土石混合体分类

1.2.3土石混合体重塑

1.2.4 基于分形理论对土石混合体的研究

1.2.5 土石混合体的渗透特征研究

1.2.6 土石混合体边坡

1.3 主要研究内容

1.4 研究方法与技术路线

2 粘土-砂岩混合体粒度分形特性与级配特征

2.1 分形理论基础

2.1.1 分形和分形空间的定义

2.1.2 分形的数学基础

2.1.3 粒度分维值计算的理论依据

2.2 土石混合体结构的层次性与自相似性

2.3 粘土-砂岩混合体筛分析试验结果

2.4 本章小结

3 试验方案设计

3.1 试验思路

3.2.1 试验材料选取

3.2.2 粘土和砂岩的物理指标测定

3.3 粘土-砂岩混合体试验的研究方法

3.3.1 粘土和砂岩的配比

3.3.2 粘土-砂岩混合体试样含水率的设定

3.4本章小结

4 粘土-砂岩混合体渗透规律室内试验研究

4.1 渗流基本理论

（1）达西渗流定律

（2）非线性渗流基本理论

4.2 分级加载固结试验

4.2.1 固结设备

4.2.2 分级加载固结制样步骤

4.3 粘土-砂岩混合体三轴渗透试验

4.3.1 试验目的

4.3.2 试验方案

4.3.3 试验仪器

4.3.4 试验步骤

4.4 本章小结

5 渗透试验数据分析

5.1 粘土-砂岩混合体试样的渗流特征

5.2 不同含石量对粘土-砂岩混合体试样渗透特征的影响

5.3 单一粒度分维值级配的粘土-砂岩混合体试样的渗透特征

5.4 粘土-砂岩混合体渗流速度与级配的特征关系参数

5.5 本章小结

6 结论

参考文献

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