文摘gydF4y2Ba

研究软岩的力学性能受到水和循环荷载将有助于更好的理解软岩工程的稳定性分析的条件下,风暴和载体动力学。本文从中国西南地区(即两个柔软的岩石。,muddy siltstone and silty mudstone) were selected as test samples. Uniaxial compressive tests were applied to investigate the strength and deformation characteristics under water-rock reactions. Meanwhile, triaxial tests were carried out to analyse the fatigue damage and failure characteristics by applying cyclic axial loading under different confining pressures. The results indicated a reduction in the uniaxial compressive strength (UCS) under saturated conditions, which is correlated with the disintegration resistance of soft rocks. Moreover, the samples exhibited a softening phenomenon due to water absorption and rock expansion, decreasing the elastic modulus. The triaxial tests demonstrated that axial strain accumulated with the number of loading cycles due to fatigue and even failed when applying increased cyclic loading with certain cycles. The cohesion decreased during cyclic loading, but the friction angle was relatively independent of the number of cycles. In addition, reductions in the dynamic elastic modulus and shear modulus decreased with increasing loading time. This study indicated that water and cyclic loadings could cause significant degradation of the strength and stiffness of soft rocks, which need to be considered carefully during the engineering utilization of such materials.

1。介绍gydF4y2Ba

作为一种常见的岩土材料,柔软的岩石,导致突出的工程地质问题,在中国西南地区广泛分布。软岩是积分,表现出非常大的机械强度在其自然状态,并被选为回填地基材料。然而,这种材料容易软化甚至崩溃后水的影响(gydF4y2Ba1gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba3gydF4y2Ba]。因此,力学性能明显降低,显著影响高速公路等工程设施的安全,高速铁路,机场跑道gydF4y2Ba4gydF4y2Ba,gydF4y2Ba5gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

水岩相互作用的研究一直是一个非常流行的话题,因为结果为工程的安全具有重要的指导意义。最直观的这些研究的结果表明,岩石的机械强度产生显著减少由于水的存在gydF4y2Ba3gydF4y2Ba,gydF4y2Ba6gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba10gydF4y2Ba]。此外,水削弱岩石也一直在研究如何解释的内在驱动水岩相互作用。软岩的微观结构的变换在饱和条件下被公认其强度退化的主要原因(gydF4y2Ba11gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba14gydF4y2Ba]。此外,微观结构变化与粘土矿物的含量有关。然而,研究水岩反应机理是详细和复杂的工作,需要调查的影响类型、水化性能,粘土矿物的膨胀行为软岩的微观结构。它并不足以解释水岩反应的机制只有粘土矿物的含量,和更细致的工作需要研究水和软岩之间的交互。或者,一个参数,综合软岩石的矿物性质特点可以选择探索软岩的强度破坏。因此,含水量作为这样的一个参数,和流变模型,考虑到水的破坏(gydF4y2Ba15gydF4y2Ba,gydF4y2Ba16gydF4y2Ba]。这些类型的模型描述下软岩的蠕变损伤演化过程的时间效应,考虑到长期的水岩相互作用,预测工程设施的长期稳定。然而,在工程实践中,尤其是在强降雨条件下,各种类型的岩体的扰动大多出现在很短的时间内,如快速膨胀、软化,蜕变后的粘土岩水接触。意识到水岩反应的结论的应用在工程建设,分析软岩石接触水的属性需要简单的和现实的。为此,分析软岩膨胀和瓦解,这是物理性质直接关系到吸水和软岩的变形特点,并提出了相应的软岩强度损伤模型将提供一种新的思维方式的退化分析软岩。gydF4y2Ba

近年来,随着基础设施建设的大力推广工作在高速公路上,高速铁路和机场在中国西南,相应的交通运营商所产生的交变载荷是一个不容忽视的因素,而对工程安全具有重要的影响在软岩地区(gydF4y2Ba17gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba19gydF4y2Ba]。因此,除了水对软岩的强度的影响,还应该注意可能的循环荷载对软岩的影响,以避免潜在的工程风险。目前,许多研究已经进行岩石的动态属性;如变形特点,机械强度,讨论了循环加载下疲劳损伤(gydF4y2Ba18gydF4y2Ba,gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba22gydF4y2Ba]。早期的研究工作主要集中在循环荷载下岩石的变形和破坏行为,说明循环荷载可以显著降低材料的强度和刚度,导致压力的积累(gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba,gydF4y2Ba23gydF4y2Ba]。同时,材料的疲劳,称为趋势失败由于循环荷载gydF4y2Ba24gydF4y2Ba),也是一个主题吸引了学者们的关注。疲劳机制因此调查,它是重要的领域的地震和采矿工程。然而,这种机制可能不适合在基础设计,因为岩石的疲劳机理明显不同的影响因素,包括荷载因素、岩石因素,环境因素(gydF4y2Ba21gydF4y2Ba]。尤其是对于软岩,一个敏感的微观结构存在(gydF4y2Ba11gydF4y2Ba,gydF4y2Ba12gydF4y2Ba,gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba,循环荷载下的变形特征和机械强度明显可以不同于常见的岩石。因此,本文打算研究软岩的力学特性循环荷载作用下工程领域的基础。gydF4y2Ba

在当前的研究中,主要的目的是讨论水和循环荷载的影响软岩石的变形特征和机械强度在中国西南。随后,讨论了水的影响结果的基础上,和水成的损伤预测模型提出了软岩石中。最后,边界的疲劳损伤和疲劳机制是全面讨论。结果与结论的假设是可以提供有用的参考作用下软岩工程的稳定性评价的风暴和载体动力学。gydF4y2Ba

2。材料和方法gydF4y2Ba

2.1。实验材料gydF4y2Ba

本研究中使用的软岩泥质粉砂岩、粉砂质泥岩的下组Guankou形成(KgydF4y2Ba_1gydF4y2BaggydF4y2Ba^1gydF4y2Ba),从一个低收入的工程边坡和中级放射性废物处置项目在四川,中国。降雨是一个重要因素对斜坡的稳定性和处置场所的安全。这两种岩石也被广泛用作回填地基材料在机场、南充、巴中、和泸州机场位于四川盆地。明显postconstruction沉降变形下的跑道载体加载出现在这些机场,因为相关的力学性能变化与这样柔软的岩石。因此,这两种类型的岩石检测他们的潜在应用的新(即特定网站或一个项目。、机场地基和斜率的核废料处理网站)。岩石样本的物理参数进行测量,并给出他们的平均值表gydF4y2Ba1gydF4y2Ba。泥泞的粉砂岩是由石英、长石、岩石芯片,方解石,粘土,和其他矿物质,包括粘土含量17% - -19%,粉砂质泥岩由绢云母,石英、方解石、粘土、和其他矿物质,粘土含量的21% - -25%。粘土矿物的两个柔软的岩石主要是蒙脱石和伊利石,这是高度亲水和主导的特征岩石膨胀和分解时遇到水,如表所示gydF4y2Ba2gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

2.2。单轴抗压强度和变形测试gydF4y2Ba

单轴抗压强度和压缩变形测试两个软岩石进行了使用MTS 815测试系统(MTS测试行业,伊甸草原、锰、美国)。测试过程是由轴向位移控制,加载速度是0.1毫米/分钟。自然和饱和岩石样本取自同一岩体具有类似选择最初的结构特点和力学性能测量的力学和变形特性。在这种情况下,饱和岩石样本饱和24小时使用抽真空的方法。gydF4y2Ba

2.3。满足耐久性试验gydF4y2Ba

解性指数的两个软岩石测量的XYN-1满足耐久性试验机(鑫仪器、台州、江苏、中国)。测试的标本放在一个鼓,然后干在105°C - 110°C,直到没有质量变化是观察。软岩的鼓是安装在槽和耦合到电机。槽充满蒸馏水在室温20毫米低于鼓轴。20转鼓旋转在一段10分钟然后干标本留存在烤箱的温度来确定烘干的质量。最后,上面的熟化过程重复第二个周期来计算满足耐久性指数。gydF4y2Ba

2.4。与循环荷载三轴试验gydF4y2Ba

自然状态下的岩石样本放入MTS 815测量动态力学性能与循环荷载三轴测试。这个测试是基于应用轴向和横向围压对岩石标本。在测试过程中,围压保持不变,然后用轴向循环荷载等于振幅应用。保持围压的应力状态是模拟的gydF4y2BaσgydF4y2Ba_3gydF4y2Ba常数,然后应用一个轴向静载荷gydF4y2BaσgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba的大小作为gydF4y2BaσgydF4y2Ba_3gydF4y2Ba+ 1/2gydF4y2BaσgydF4y2Ba_dgydF4y2Ba,在那里gydF4y2BaσgydF4y2Ba_dgydF4y2Ba循环荷载的振幅。加载模式load-controlled,加载速度轴向加载的15 kN /分钟,和轴向应力加载时停止gydF4y2BaσgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba。在此基础上,轴向静载荷gydF4y2BaσgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba是用作振动中心值,1/2吗gydF4y2BaσgydF4y2Ba_dgydF4y2Ba被用作振幅负载应用于岩石样本。至于振幅的价值,它是一个能够帮助调查的影响轴向载荷和循环三轴试验加载和边界轴向载荷造成的失败软岩这几个的振幅值作为测试参数在一定的负载条件。在这个测试中,围压为0,1.5和3 MPa,估计轴向加载到表进行选择gydF4y2Ba3gydF4y2Ba。频率定义基于不规则的主要频率振动所产生的交通负荷作用于基础,通常范围从0.5到5赫兹。在这个研究中,1 Hz被选为加载频率是类似于以前的报告gydF4y2Ba25gydF4y2Ba,gydF4y2Ba26gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

3所示。结果gydF4y2Ba

3.1。岩石降解受到水gydF4y2Ba

单轴抗压强度试验的应力-应变曲线自然和饱和岩石样本图gydF4y2Ba1gydF4y2Ba,显示自然岩石样品的压力减少迅速达到峰值强度后,它演示了一个明显的脆性特征。相比之下,饱和压力的样品比压力缓慢降低自然样本到达峰值后突出的应变软化现象,表明水软岩软化的影响。此外,饱和岩石样本的峰值抗压强度明显低于天然样品的峰值抗压强度,减少从25.76 - -21.35 MPa为泥质粉砂岩17.04 - -7.07 MPa,从17.65 - -9.94 MPa为粉砂质泥岩11.3 - -5.59 MPa。如前所述,最初的两个岩石样本的结构特点和力学性能是相同的。因此,我们可以假设泥泞的粉砂岩、粉砂质泥岩力学性能的退化,水。gydF4y2Ba

3.2。岩石降解循环荷载作用gydF4y2Ba

泥质粉砂岩和粉砂质泥岩的降解过程进行了研究根据先前所描述的实验方法和数据所示gydF4y2Ba2gydF4y2Ba和gydF4y2Ba3gydF4y2Ba。轴向应变积累的数据说明了曲线gydF4y2BaεgydF4y2Ba_dgydF4y2Ba循环载荷N的围压力的不同组合与动态负载。结果表明,轴向应变积累2000年之后趋于稳定或增加缓慢加载周期,表明一些岩石样本没有失败,在软岩和循环荷载的作用只是少量的塑性变形。此外,当应用循环荷载gydF4y2BaσgydF4y2Ba_dgydF4y2Ba增加,gydF4y2BaεgydF4y2Ba_dgydF4y2Ba逐渐变得更大。然后,在加载时间超过一定限制,gydF4y2BaεgydF4y2Ba_dgydF4y2Ba突然改变,大幅增加,最终导致岩石样本的失败。损坏的样品的结果表明,循环荷载第一软岩产生疲劳损伤,导致塑性变形的样品,和加载时间的不断增加,由此产生的疲劳损伤逐渐累积。当累积损伤达到一定的软岩,岩石破裂发生。我们的结论是,同一圆周压力gydF4y2BaσgydF4y2Ba_3gydF4y2Ba岩石样本逐渐发展的循环加载失败gydF4y2BaσgydF4y2Ba_dgydF4y2Ba增加,证明应用循环荷载的关键是在岩石样本进行故障的发生。gydF4y2Ba

4所示。讨论gydF4y2Ba

4.1。破坏水对软岩的影响gydF4y2Ba

机械财产损失的起源软岩石水作用下可以分析在岩石的矿物成分和结构特征。在介绍中提到的,软岩石的强度破坏根植于其内部结构调整(gydF4y2Ba11gydF4y2Ba,gydF4y2Ba12gydF4y2Ba,gydF4y2Ba14gydF4y2Ba]。这些研究结果还指出,软岩石微结构提供传输通道的水进入岩石内部。矿物鉴定结果表明,有17% - -19%和21% - -25%的质量百分比的亲水性粘土矿物在泥泞的沙泥岩和粉砂质泥岩,分别。水分子进入孔隙结构与粘土颗粒,和水的吸收和肿胀会发生,导致一些岩石颗粒瓦解和剥落现象,最终导致岩石内部结构变化和强度降低(gydF4y2Ba27gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

因为软岩石表现出机械财产损失由于衰变的岩石颗粒在水的作用下,应该有一些对应岩石的衰变特性及其机械强度之间的变化。因此,衰变之间的通信特点和机械强度图gydF4y2Ba4gydF4y2Ba,衰变特性描述使用满足耐久性指数[gydF4y2Ba28gydF4y2Ba),而机械强度的特点是饱和抗压强度的比值gydF4y2BaσgydF4y2Ba_csgydF4y2Ba天然的抗压强度gydF4y2BaσgydF4y2Ba_cgydF4y2Ba。如图gydF4y2Ba4gydF4y2Ba,有一个良好的两个变量之间的线性关系,相关系数分别为0.9433和0.9471为泥质粉砂岩和粉砂质泥岩,分别拟合岩石后,验证机制的水损坏岩石在前一节中所讨论的,和力量的伤害gydF4y2BaDgydF4y2Ba_WgydF4y2Ba岩石的水可以量化,以瓦解阻力指数;看到方程(gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)和(gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

此外,方程(gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)和(gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)也可以用来预测这类软岩的强度衰减特征在风暴条件下并提供相应的参数对软岩工程的安全设计。gydF4y2Ba

正如上面提到的,这两个作用下岩石软化的水。因此,其变形特征也会明显与水的作用。根据测试,泥质粉砂岩和粉砂质泥岩膨胀在不同尺度与水相互作用时,这可能被视为一种客观表现软岩石的变形。此外,两个岩石软化水的应力-应变曲线在图gydF4y2Ba1gydF4y2Ba明显不同于自然岩石的应力-应变曲线在变形的过程中承受压力,和相应的弹性模量降低。因此,岩石膨胀反映的客观表达变形特性和弹性模量,这是理论参数指示软岩的变形特点,应该有一个相互连接。探讨两者之间的相互关系,这种关系曲线与自由膨胀率gydF4y2BabgydF4y2Ba和弹性模量的比值gydF4y2BaEgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}弹性模量的饱和岩石样本gydF4y2BaEgydF4y2Ba天然岩石样本,如图所示gydF4y2Ba5gydF4y2Ba。虽然gydF4y2BabgydF4y2Ba和gydF4y2BaEgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}/ EgydF4y2Ba没有一个完美的线性关系,这一趋势表明,gydF4y2BaEgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}/ EgydF4y2Ba随着自由膨胀率的增加而减少,这表明饱和岩石样品的弹性模量降低,反映了岩石的软化水和塑性变形特征。gydF4y2Ba

4.2。循环荷载下软岩的机械损伤gydF4y2Ba

的轴向载荷gydF4y2BaσgydF4y2Ba_dgydF4y2Ba导致最终的失败是选择并显示在表中gydF4y2Ba4gydF4y2Ba,这表明围压是影响机械强度的一个重要参数,表明增加围压可以提高岩石样品的抗交变载荷。gydF4y2Ba

研究损伤软岩石的机械强度的交变载荷,动态载荷的最大和最小值在表gydF4y2Ba4gydF4y2Ba与围压导致失败的选择,实现软岩石的抗剪强度基于莫尔-库仑准则,结果显示从2.79 MPa凝聚力的减少到1.93 MPa为泥质粉砂岩和2.95 MPa为粉砂质泥岩1.07 MPa,见图gydF4y2Ba6gydF4y2Ba。与高gydF4y2BaσgydF4y2Ba_dgydF4y2Ba,循环载荷,导致样品的数量不能减少,如图gydF4y2Ba2gydF4y2Ba和gydF4y2Ba3gydF4y2Ba,这意味着这一数字gydF4y2Ba6(一)gydF4y2Ba遭受了比图动态载荷gydF4y2Ba6 (b)gydF4y2Ba,动态载荷是相同的图gydF4y2Ba6 (c)gydF4y2Ba如图gydF4y2Ba6 (d)gydF4y2Ba。因此,遭受更少的样本加载周期显示更高的凝聚力,剪切强度等结果如图gydF4y2Ba6 (b)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba6 (d)gydF4y2Ba,证明了软岩石的抗剪强度降低的数量动态载荷增加,和交变载荷引起的疲劳损伤软岩增加。此外,摩擦角的抗剪强度仍然几乎相同的图gydF4y2Ba6gydF4y2Ba,表明动态加载不会损害剪切强度。这种假设没有变化的摩擦角也制定实验室检测(gydF4y2Ba23gydF4y2Ba,gydF4y2Ba29日gydF4y2Ba,gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba]。岩石的强度随着时间的减少导致凝聚力下降,而摩擦角保持不变。因此,循环荷载下的抗剪强度退化可被视为减少软岩的凝聚力,而不是内部的摩擦。gydF4y2Ba

此外,动态边界载荷,没有造成岩石样本的失败被声明为12.5,30岁和50 MPa为泥质粉砂岩和10、20、50 MPa为粉砂质泥岩。这些值被用来推导的刚度不同时间的循环荷载作用下软岩,包括动态弹性模量gydF4y2BaEgydF4y2Ba_dgydF4y2Ba和动态剪切模量gydF4y2BaGgydF4y2Ba_dgydF4y2Ba,如图gydF4y2Ba7gydF4y2Ba。结果表明动态弹性模量和剪切模量趋于减少的循环加载次数增加。因此,发生更严重的疲劳损伤随着加载时间。与此同时,围压越大,减少动态参数获得的越少。因此,一定量的疲劳损伤发生在循环荷载下,体现在宏观损伤力学性能,如动态弹性模量和动态剪切模量的减少。gydF4y2Ba

5。结论gydF4y2Ba

基于单轴压缩和三轴测试循环荷载的软岩石在中国西南部,岩石的变形特征和力学性能受到水和循环荷载进行了研究。本文讨论了岩石损伤性能的水软,和软岩石疲劳损伤的力学性能进行分析,达到以下结论:水岩相互作用在软岩石强度属性从25.76减少到21.35 MPa为泥质粉砂岩17.04 - -7.07 MPa,从17.65到9.94 MPa为粉砂质泥岩11.3 - -5.59 MPa,解体与阻力。同时,软岩石表现出软化现象由于吸水和岩石扩张,表现出弹性模量降低。与同一圆周压力gydF4y2BaσgydF4y2Ba_3gydF4y2Ba岩石样本逐渐发展的循环加载失败gydF4y2BaσgydF4y2Ba_dgydF4y2Ba增加了。在循环加载过程中,剪切强度从2.79 MPa凝聚力下降到1.93 MPa的泥质粉砂岩和2.95 MPa为粉砂质泥岩1.07 MPa,但是摩擦角仍然几乎相同。此外,动态弹性模量和动态剪切模量随加载时间增加而降低,说明在软岩刚度退化。gydF4y2Ba

然而,定量表达加载的循环次数之间的关系和抗剪强度退化没有获得。了解基础变形和安全载体动态加载下,进一步的研究将需要建立这样一个功能的关系。gydF4y2Ba

数据可用性gydF4y2Ba

支持本研究使用的数据都包含在这篇文章。gydF4y2Ba

的利益冲突gydF4y2Ba

作者宣称没有利益冲突。gydF4y2Ba

确认gydF4y2Ba

这项工作是支持的科学和技术基础的中国民用航空飞行大学(j2021 - 049)。gydF4y2Ba