1。介绍gydF4y2Ba
在多雨的地区,岩体通常暴露于循环wetting-drying (WD)岩石相互作用在许多工程应用中,如坡度、矿山、隧道和地下存储(gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba
3gydF4y2Ba]。周期循环WD可以岩石的力学特性恶化,这将导致一些工程地质灾害,如地面沉降,山体滑坡,我崩溃gydF4y2Ba
4gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba
7gydF4y2Ba]。因此,由于岩石工程的稳定性和安全性,深入了解岩石的变形和力学行为暴露在WD周期具有重要意义。gydF4y2Ba
到目前为止,WD风化作用对岩石力学性质的影响被广泛探讨。例如,黑尔和沙gydF4y2Ba
8gydF4y2Ba)进行了单轴抗压测试后六种砂岩50 WD周期。他们报告说,单轴抗压强度之间没有显著的相关性(UCS)和WD周期可以找到。类似的测试已经广泛在准静态和动态条件下进行。然而持有更多的研究人员认为,随着WD的循环次数的增加,岩石的UCS下降(gydF4y2Ba
9gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba
20.gydF4y2Ba]。除了单轴抗压测试,许多其他类型的实验测试也进行岩石标本暴露于循环WD治疗,如三轴抗压试验(gydF4y2Ba
13gydF4y2Ba,gydF4y2Ba
21gydF4y2Ba,gydF4y2Ba
22gydF4y2Ba),巴西圆盘试验(gydF4y2Ba
17gydF4y2Ba,gydF4y2Ba
23gydF4y2Ba,gydF4y2Ba
24gydF4y2Ba),弯曲试验(gydF4y2Ba
25gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba
27gydF4y2Ba),和剪切试验gydF4y2Ba
28gydF4y2Ba,gydF4y2Ba
29日gydF4y2Ba]。例如,Zhang et al。gydF4y2Ba
29日gydF4y2Ba)发现,在同样的垂直压力,粉砂岩的抗剪强度下降后循环WD治疗。华et al。gydF4y2Ba
26gydF4y2Ba,gydF4y2Ba
27gydF4y2Ba)测量模式和模式II断裂韧性重庆砂岩的砂岩,发现两种模式的断裂韧性下降了52.4%和56.2%当砂岩试样经历了七个WD周期。周et al。gydF4y2Ba
24gydF4y2Ba)首先研究砂岩的动态拉伸性能受到循环WD治疗通过分离式霍普金森压杆。他们发现,随着WD周期上升,砂岩的动态抗拉强度在给定的加载率显著下降。同时,他们建立了强度预测模型考虑率效应和WD恶化。总的来说,强度、刚度和不同岩石的断裂韧度体验不同循环WD后恶化水平。然而,这种现象的潜在机制仍不清楚。技术上来说,测试数据在不同出版物并不可比由于实验室风化方法和测试条件的差异,如湿润或干燥方法,测试机器,加载速度。gydF4y2Ba
本研究旨在了解力学性能的恶化引起的岩石循环WD;一系列的单轴抗压测试是进行三种砂岩标本。后砂岩试样的强度和弹性模量不同的WD周期。三个砂岩的力学行为的敏感性循环WD恶化。弱化机制引起的循环WD阐明。gydF4y2Ba
2。实验方法gydF4y2Ba
2.1。测试材料和样品制备gydF4y2Ba
三种砂岩为测试材料选择不同的工程性质,贴上S1、S2和S3。三砂岩薄片的光学图像如图gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba。他们的矿物成分测量通过x射线衍射(XRD)技术,表中列出gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba。见表gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba,三个砂岩的矿物内容非常不同。S1拥有丰富的粘土矿物含量(约13.77%),而S3一些粘土矿物(少于1%)。S2中等粘土含量的2.03%。gydF4y2Ba
光学显微镜图像的三个砂岩进行了测试。gydF4y2Ba
三砂岩的矿物成分。gydF4y2Ba
| 矿物gydF4y2Ba |
质量百分比(%)gydF4y2Ba |
| S1gydF4y2Ba |
S2gydF4y2Ba |
S3gydF4y2Ba |
| 石英gydF4y2Ba |
57.20gydF4y2Ba |
44.94gydF4y2Ba |
63.39gydF4y2Ba |
| 长石gydF4y2Ba |
13.48gydF4y2Ba |
28.71gydF4y2Ba |
29.09gydF4y2Ba |
| 方解石gydF4y2Ba |
5.26gydF4y2Ba |
17.36gydF4y2Ba |
1.79gydF4y2Ba |
| 赤铁矿gydF4y2Ba |
6.45gydF4y2Ba |
5.35gydF4y2Ba |
1.07gydF4y2Ba |
| 云母gydF4y2Ba |
3.84gydF4y2Ba |
1.61gydF4y2Ba |
2.21gydF4y2Ba |
| 粘土gydF4y2Ba |
蒙脱石gydF4y2Ba |
9.72gydF4y2Ba |
0gydF4y2Ba |
0gydF4y2Ba |
| 亚氯酸盐gydF4y2Ba |
4.05gydF4y2Ba |
2.03gydF4y2Ba |
0gydF4y2Ba |
| 斜绿泥石gydF4y2Ba |
0gydF4y2Ba |
0gydF4y2Ba |
< 1gydF4y2Ba |
50 mm岩石核心首先从一个钻石板没有可见的不连续性。然后,内核被切成圆柱形标本长度略大于100毫米。随后,所有的每个标本由研磨抛光机顶部和底部表面平面,垂直于长轴的标本。标本制造业后,删除所有标本的内部水分通过烘干的方法在一个恒定的温度超过48小时的50°C。这些标本是循环WD的标本免费治疗比较。gydF4y2Ba
整个人工WD治疗包括free-soaking时间和烘干时间,如图gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba。在以前的时期,标本浸满柜的蒸馏水25°C 48小时名义完成水饱和状态。在后期,被水浸透的标本放入烤箱在50°C为干燥48小时。然后,标本在烤箱冷却25°C 2小时。对于每种类型的岩石,我们设计5组标本经历0,10、20、30、40 WD周期进行测试。每组准备5个标本。gydF4y2Ba
整个wetting-drying治疗过程的示意图。gydF4y2Ba
2.2。实验装置gydF4y2Ba
伺服控制材料测试系统(MTS 332)是用于执行所有的单轴抗压测试执行伺服控制材料试验系统(MTS 332),见图gydF4y2Ba
3gydF4y2Ba。MTS 332年全球1370 kN / mm的刚度和承载能力500 kN。采用位移控制加载的方法。在测试过程中,位移速度维持在0.24毫米/分钟直到标本失败,即。试样的轴向应变率是近gydF4y2Ba
4gydF4y2Ba
×gydF4y2Ba
10gydF4y2Ba
−gydF4y2Ba
5gydF4y2Ba
年代gydF4y2Ba1gydF4y2Ba。应用轴向载荷负载细胞记录的机器。试件的轴向变形是由一个线性可变差动变压器除了标本。gydF4y2Ba
摄影的加载装置。gydF4y2Ba
3所示。测试结果和讨论gydF4y2Ba
3.1。WD周期对岩石强度的影响gydF4y2Ba
图gydF4y2Ba
4gydF4y2Ba显示了单轴抗压强度(UCS)的测试循环WD治疗后砂岩。我们可以观察到,对于原始标本,UCS的秩是S3 > S2 > S1。越来越多的WD周期(gydF4y2Ba
ngydF4y2Ba
),每个砂岩的UCS随不同的下降率。S1和S2, UCS经验相对显著增加循环的变化。然而,S1的UCS非常轻微的减少循环WD诱导。gydF4y2Ba
变异测试UCS的砂岩与WD的循环次数。gydF4y2Ba
图gydF4y2Ba
5gydF4y2Ba进一步提出了规范化UCS砂岩进行了测试。发现三个测试的UCS砂岩在前十WD周期急剧下降,然后稳定下来。这一现象同意测试数据在许多先前的研究[gydF4y2Ba
10gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba
12gydF4y2Ba,gydF4y2Ba
14gydF4y2Ba,gydF4y2Ba
20.gydF4y2Ba]。40 WD周期后,UCS的百分比减少S1, S2和S3是29.99%,17.78%,和7.15%,分别。gydF4y2Ba
测试的规范化UCS砂岩与WD的循环次数。gydF4y2Ba
据周et al。gydF4y2Ba
20.gydF4y2Ba),岩石属性之间的关系和数量的WD周期(gydF4y2Ba
ngydF4y2Ba
)可以表现为指数形式:gydF4y2Ba
(1)gydF4y2Ba
σgydF4y2Ba
cgydF4y2Ba
ngydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba
+gydF4y2Ba
bgydF4y2Ba
egydF4y2Ba
−gydF4y2Ba
cgydF4y2Ba
ngydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
在哪里gydF4y2Ba
σgydF4y2Ba
cgydF4y2Ba
UCS和gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
bgydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
cgydF4y2Ba
是拟合常数。具体地说,这个词的gydF4y2Ba
bgydF4y2Ba
是一个无量纲的常数,它表示强度降低率的增加gydF4y2Ba
ngydF4y2Ba
。的更高的价值gydF4y2Ba
bgydF4y2Ba
意味着UCS WD周期的敏感性越强。gydF4y2Ba
比较UCS灵敏度测试砂岩的WD周期,我们测试数据根据方程(gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba)如图gydF4y2Ba
4gydF4y2Ba。特定的关系表达式gydF4y2Ba
(2)gydF4y2Ba
σgydF4y2Ba
cgydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
ngydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
53.49gydF4y2Ba
+gydF4y2Ba
22.41gydF4y2Ba
egydF4y2Ba
−gydF4y2Ba
0.087gydF4y2Ba
ngydF4y2Ba
RgydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
0.978gydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
σgydF4y2Ba
cgydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
ngydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
76.84gydF4y2Ba
+gydF4y2Ba
17.92gydF4y2Ba
egydF4y2Ba
−gydF4y2Ba
0.064gydF4y2Ba
ngydF4y2Ba
RgydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
0.999gydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
σgydF4y2Ba
cgydF4y2Ba
3gydF4y2Ba
ngydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
89.73gydF4y2Ba
+gydF4y2Ba
7.18gydF4y2Ba
egydF4y2Ba
−gydF4y2Ba
0.053gydF4y2Ba
ngydF4y2Ba
RgydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
0.885gydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
在哪里gydF4y2Ba
σgydF4y2Ba
cgydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
σgydF4y2Ba
cgydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
σgydF4y2Ba
cgydF4y2Ba
3gydF4y2Ba
UCS的S1、S2、S3,分别;gydF4y2Ba
RgydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
是确定系数。从方程(gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba),我们可以看到,S1 UCS WD周期敏感性最大,其次是S2和S3。gydF4y2Ba
3.2。WD周期对岩石弹性模量的影响gydF4y2Ba
初始模量和杨氏模量比较的部分。他们测量了应力-应变曲线。前者是根据割线模量计算的应变为0.2%,而后者是梯度的线性部分。gydF4y2Ba
图gydF4y2Ba
6gydF4y2Ba显示了初始模量和杨氏模量的变化检测三个砂岩与WD的循环次数。从图gydF4y2Ba
6(一)gydF4y2Ba测试了砂岩,初始模量的平均值随着循环次数的增加减少。最初,平均初始模量S1, S2和S3是平均绩点3.59,平均绩点4.28,和2.88的绩点,分别。10循环WD治疗之后,他们下降到2.44的绩点,平均绩点3.46,2.63的绩点。此后,初始模量下降较慢,往往成为稳定的循环上升。它还可以看到从图gydF4y2Ba
6 (b)gydF4y2Ba岩石标本时,经历了一个给定数量的WD周期,其杨氏模量大于初始模量。杨氏模量也遵循类似的模式作为初始模量下降。gydF4y2Ba
初始模量的变化(a)和(b)的杨氏模量测试砂岩与WD的循环次数。gydF4y2Ba
图gydF4y2Ba
7gydF4y2Ba进一步显示了模量降低砂岩在40 WD周期。我们可以观察到,当测试三个砂岩受40 WD周期,初始模量S1, S2和S3是降低了49.03%,33.88%,和16.32%,分别。杨氏模量的损失百分比是38.38%,18.14%,4.16%,S1, S2和S3,远低于初始模量。gydF4y2Ba
减少比例的初始模量和杨氏模量在40 WD周期。gydF4y2Ba
4所示。讨论gydF4y2Ba
4.1。削弱WD周期引起的强度降低的机制gydF4y2Ba
广泛共享,水的存在一个占主导地位的削弱作用对岩石强度和刚度physical-chemical-mechanical水岩相互作用[gydF4y2Ba
19gydF4y2Ba,gydF4y2Ba
30.gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba
34gydF4y2Ba]。一些water-weakening效果将消失时,岩石又干,但一些不是和导致不可逆转的损伤岩石结构(gydF4y2Ba
35gydF4y2Ba]。循环WD治疗进一步聚合累积伤害。岩石损伤的潜在机制引起的WD周期如下(gydF4y2Ba
25gydF4y2Ba]:gydF4y2Ba
机械裂纹扩展引起的矿物质:当摇滚浸在水里,一些可扩展的矿物质,如蒙脱石,将吸收水分子和扩张。肿胀压力孔隙壁将促进晶间裂纹的创造和传播gydF4y2Ba
36gydF4y2Ba]。同时,烘干时间,肿胀压力会降低自由水蒸发。循环WD治疗期间,包含可扩展的矿物质的毛孔实际上是受到反复拉伸加载。这疲劳载荷进一步破坏岩石结构(gydF4y2Ba
25gydF4y2Ba]gydF4y2Ba
矿物溶解:矿物颗粒通常不溶于蒸馏水。然而,在大气条件下,方解石与蒸馏水反应由于气态的二氧化碳的存在如下(gydF4y2Ba
37gydF4y2Ba]:gydF4y2Ba
(3)gydF4y2Ba
HgydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
OgydF4y2Ba
+gydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
OgydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
⟶gydF4y2Ba
HgydF4y2Ba
+gydF4y2Ba
+gydF4y2Ba
HCgydF4y2Ba
OgydF4y2Ba
3gydF4y2Ba
−gydF4y2Ba
CaCOgydF4y2Ba
3gydF4y2Ba
+gydF4y2Ba
HgydF4y2Ba
+gydF4y2Ba
⟶gydF4y2Ba
CagydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
+gydF4y2Ba
+gydF4y2Ba
HCgydF4y2Ba
OgydF4y2Ba
3gydF4y2Ba
−gydF4y2Ba
上述两种反应可以增加岩石的裂缝密度,验证的扫描电子显微镜(gydF4y2Ba
13gydF4y2Ba,gydF4y2Ba
25gydF4y2Ba和电脑断层摄影术gydF4y2Ba
17gydF4y2Ba]。这将进一步降低岩石强度。因此,我们可以推断出的力量减少循环引起的WD是高度控制的内容会膨胀的矿物质(蒙脱石)和可溶性矿物(方解石)。从图可以看出gydF4y2Ba
8gydF4y2Ba40个周期后UCS损失的百分比上升随着粘土矿物的百分比增加。然而,没有明显的UCS损失和方解石含量之间的相关性。因此,我们可以推断出蒙脱石肿胀在岩石中扮演更重要的角色比方解石溶解恶化。在测试三砂岩,S1的蒙脱石含量最多(9.72%),一个温和的方解石含量(5.26%);因此,它经历的最大UCS损失引起的循环循环WD WD和最敏感。尽管没有蒙脱石在S2,它有一个相当大的方解石含量,这样UCS减少S2仅次于S1。在S3中,没有可扩展的矿物质和方解石的内容存在。这些结果在S3的UCS WD周期不敏感。gydF4y2Ba
UCS损失百分比和矿物质含量之间的关系。gydF4y2Ba
4.2。削弱WD周期引起的模量降低的机制gydF4y2Ba
众所周知,初始模量的一项指标的体积内microdefects岩石标本。较低的初始模量意味着更大体积的初始缺陷。作为讨论的部分gydF4y2Ba
4.1gydF4y2Ba循环WD治疗后,岩石试样的裂纹密度将增加主要是由于机械开裂和矿物溶解。初始模量的减少在一定程度上验证我们的假设。模量有关的损失比例增加所导致的缺陷体积WD周期。类似于UCS,模量的不同敏感性循环WD取决于内容的蒙脱石和方解石。gydF4y2Ba
4.3。工程意义gydF4y2Ba
岩石强度和模量是非常重要的参数对岩石工程设计和施工gydF4y2Ba
38gydF4y2Ba]。在实践中,岩石结构通常暴露于水侵蚀和循环wetting-drying退化。我们的测试结果表明,岩石强度和模量将减少循环WD后治疗。下降程度的内容主要是由可扩展的和可溶矿物质。因此,应该指出的是,WD的削弱影响应考虑岩石强度和模量。在岩石工程设计、雨期之前或水位的变化应该调查;岩石的工程指标预计根据水循环周期和项目的使用寿命。此外,一些潜在的保护方法可以用来缓解water-weakening影响(gydF4y2Ba
25gydF4y2Ba]:gydF4y2Ba
岩石含有高可扩展的内容(如蒙脱石)和可溶性矿物(如方解石)不能用于重要结构,如地下洞穴的重要支柱gydF4y2Ba
必须应用于关键的岩石结构防水措施gydF4y2Ba
堵塞渗水通道,具体绑定可用于岩石结构修复可见骨折和裂缝gydF4y2Ba
5。结论gydF4y2Ba
在目前的研究中,我们的目标是理解wetting-drying周期的影响在不同岩石的强度和模量;进行单轴压缩试验对三种砂岩标本痛苦不同数量的人工循环wetting-drying治疗(40周期)。以下具体的结论可以:gydF4y2Ba
测试了砂岩,当他们遭受wetting-drying周期,单轴抗压强度和模量是减少不同的内容gydF4y2Ba
强度和模量的损失通常显著的第十个周期,然后,下降率是温和了不少gydF4y2Ba
岩石强度和模量的敏感性wetting-drying周期是由岩石的矿物成分。粘土膨胀和方解石溶解可能是退化的主导机制wetting-drying周期后的岩石属性gydF4y2Ba