文摘
为了研究蠕变特性和破坏机理的泥土的红色砂岩含水状态,下的泥土的红砂岩单轴蠕变测试干燥和饱和状态下进行分级加载。汉堡模型用于符合测试结果并确定参数,和扫描电子显微镜进行了横截面的破坏样品。红色泥质砂岩的蠕变机制差异与不同水含量从微观的角度进行了研究。结果表明,饱和粘土红色砂岩的单轴抗压强度的46%的干泥红色砂岩。饱和粘土的变形水平红砂岩低于干粘土红色砂岩。变形的极限含水粘土的蠕变破坏红色砂岩比这小得多的干泥红色砂岩。泥泞的红色砂岩的长期强度为46.4 MPa在干燥状态和饱和状态,只有14.1 MPa在稳态蠕变速率计算。发现汉堡模型可以描述衰减稳定蠕变的泥泞的红色砂岩。通过宏观和显微分析,发现红色泥质砂岩的压缩破坏形式属于x形共轭斜面剪切破坏。饱和后,红色泥质砂岩的内部毛孔变大,和胶结能力减少,导致岩石样品强度的减少。
1。介绍
岩土体的稳定性是一个重要的岩土工程的安全的先决条件(1]。大部分的岩石工程不稳定是由于流变损伤逐渐累积造成的损伤岩石内部。水是各种地质灾害的主要原因是一个重要因素影响岩石的蠕变特性。这是更明显的软岩,泥含量高和易于分解和软化水。如果水的影响在泥泞的红色砂岩的蠕变特性是忽视,这将导致巨大的工程事故。许多学者研究了软岩的蠕变特性2- - - - - -6)和水对软岩石的力学性能的影响(7- - - - - -10]。波特et al。11伯里亚)进行三轴压缩试验,博伊西,达利戴尔,高斯福德砂岩,发现脆性岩石强度降低了5 - 17%的水。吴et al。12)进行分级加载蠕变试验盐岩石和建立了viscoelastic-plastic损伤蠕变模型对盐岩石蠕变的结果的基础上,进一步和模型的合理性验证基于灵敏度分析的参数。Zhang et al。13]研究了饱和的影响强度,弹性模量、裂纹萌生的压力,压力和损伤阈值的粉砂岩。姚明et al。(14)发现,煤炭岩石的峰值应力和弹性模量随含水量增加而降低,但关闭压力,裂纹萌生的压力,压力和损伤阈值没有改变含水量增加。王等人。15)研究了三轴蠕变行为的巴西地层泥岩和获得一个模型能准确地模拟巴西地层泥岩的蠕变通过改善汉堡模型。基于分级增量添加和删除测试,Ping et al。16)发现,强度破坏占57.6%的单轴抗压强度,干燥标本为86.5%,标本在水环境中,在干燥较低比例的破坏力量的抗压强度。Yu et al。17)进行了单轴压缩和多级加载测试红色砂岩在不同内容,发现水可以显著降低红色砂岩的弹性模量,和干燥,稳态蠕变应变速率饱和,浸泡标本与幂律的压力增加。宫崎骏(18对橄榄石进行了蠕变测试和基于奥罗万定律提出了一个模型来预测高温和低应力状态下的蠕变应变率。Nadimi et al。19)进行了三轴蠕变试验的围岩在山洞里水电站估计洞穴的围岩的变形规律和围岩蠕变模型的参数通过计算蠕变试验和现场测试的结果。参数的有效性验证。上述结果先进的软岩蠕变特性的研究,但很少有报道在泥泞的红色砂岩的蠕变特性的深入研究在不同含水状态和变化的宏观机理分析。
本文以泥泞的红色砂岩在隧道穿越河流的工地在榕江新区为研究对象。执行与分级加载蠕变试验在泥泞的红色砂岩的单轴压缩干燥和满水状态,和泥泞的红色砂岩的蠕变特征在不同水状态进行了研究。此外,电子显微镜扫描损坏标本部分执行研究的好机制泥泞的红色砂岩的蠕变特征的差异在不同的水。通过蠕变曲线,选择一个合适的蠕变模型以适应曲线,流变和泥泞的红色砂岩的力学参数通过非线性拟合。可以用于数值模拟的参数,这将为工程研究提供数据参考和长期操作。
2。样品制备和测试设备和程序
2.1。样品制备
泥泞的红色砂岩测试来自河流交叉隧道的施工现场在榕江新区,江西赣州。标本钻孔,切割,抛光成圆柱形Φ50毫米×100毫米的标本,和标本的大小满足要求的“工程岩石试验方法标准”。有大量的裂隙的泥泞的红色砂岩。为了减少实验结果的分散性,RSM-SY5 (T)非金属声学探测器用于屏幕抛光标本在测试前(20.]。选择标本具有类似波的速度以及存储的标本是密封后立即测试。
2.2。测试设备
测试是使用rmt - 150 c进行岩石力学试验机由武汉土工技术研究所、中国科学院。压力被应用应变仪,测量应变收集器是zi - 120 p,和一个数据收集器是由住邦测量和控制。收集器是连接到一个计算机系统,可以存储大量的数据和视图实时曲线的最小采集间隔1 s。采集的时间间隔设置为1的单轴压缩试验和30年代的蠕变试验,以防止过多的数据。
2.3。测试协议
自从石头河的入口隧道接近风干状态,和河的底部的岩石在水饱和状态,和12个样本选择和分成4组,其中两组标本在干燥状态和两组标本的水饱和状态,对单轴压缩试验和单轴压缩蠕变试验,为了获得尽可能合理的参数。试样的抗压强度测试的单轴压缩试验,并得到了应力-应变曲线(图1)。标本的基本物理力学参数在干旱和水状态如表所示1。由于物理和化学水的软化效应在泥泞的红色砂岩,泥红色砂岩的强度在水饱和状态只有大约一半的在干燥状态。单轴压缩试验取得了峰值应力的51.4 MPa泥泞的红色砂岩在干燥状态和23.9 MPa在水饱和状态。第一阶段为40%的峰值应力,以及每个阶段增加了10%,直到样品被损坏。蠕变时间为2.5小时。
3所示。分析测试结果
泥泞的红色砂岩的短暂的蠕变曲线在干旱和水州获得了分级加载蠕变测试,如图2和3。
从图可以看出2试样的蠕变特征和加载应力密切相关。以干燥状态的样本为例,当轴向应力差从21 MPa提高到51 MPa,轴向应变增加了0.5%,横向应变增加了0.222%。与此同时,第一阶段的压力加载峰值应力的40%;即轴向压应变达到49%的应变破坏后从0 MPa 21 MPa压力梯度增加。这表明大多数的裂隙的岩石在第一阶段关闭压力增加,导致压力急剧上升,而横向应变的增加并不明显。
如图3的轴向应力水标本应用从0 MPa 12 MPa和稳定在12 MPa时,轴向应变稳定在0.487%,约69%的破坏应变,横向应变是稳定在0.214%,约77%的应变损伤,和损害开始在第三层面的压力。
与干燥状态的标本相比,加载的第一阶段所产生的应力和变形的损伤占更大比例的变形标本的水饱和状态。两个标本产生约0.49%在第一阶段的变形压力,但压力被水浸透的标本只有一半的干燥状态。这是因为试件的裂缝变大,逐步渗透水填满后,增加了损害标本,所以岩石更容易受外力挤压时变形(21,22]。
岩石的长期强度是一个压力限制区分稳定蠕变和不稳定岩石蠕变(23),除了岩石的蠕变收益不稳定蠕变。从数据可以看出4和5低压力的作用下,岩石样本的稳态速率增加缓慢增加的压力。当应力值超过长期强度、蠕变率迅速增加。稳态蠕变速率成指数增加,压力增大,岩石的长期强度来源于稳态率(数字4和5),从图可以看出,泥泞的红色砂岩的单轴长期强度约为46.4 MPa在干燥状态,在饱和状态和长期强度约为14.1 MPa。可以看出,水有很大的影响在泥泞的红色砂岩的强度,和长期强度只有30%的饱和状态,在干燥状态。
4所示。蠕变模型和参数识别
4.1。汉堡模型
从蠕变实验曲线,可以看出,泥泞的红色砂岩表现出明显的粘弹性和瞬态弹性在所有水平的压力。汉堡模式,由麦克斯韦体和开尔文体串联,可以很好地描述这些属性,如图6。
麦克斯韦的身体,瞬子方程 和蠕变方程 开尔文的身体,瞬子方程 和蠕变方程
通过连接K和米身体串联,汉堡的蠕变方程模型可以获得经过一系列的计算方程的转换(24]。 在哪里和弹性系数;和牛顿粘度系数;和各级压力分级加载。
从(1),可以看出,在即时的当压力来临,这是什么时候t= 0, ,只有胡克的身体扮演了一个角色。
4.2。参数识别
玻耳兹曼叠加原理被用来改变坐标的蠕变试验曲线。的帮助下起源的自定义函数,汉堡模型添加到原点的函数库,所有应力水平下的蠕变曲线非线性拟合,和Levenberg-Marquardt参数被确定的优化算法。由此产生的曲线如图7和8,每个蠕变参数如表所示2。
从蠕变参数的拟合结果表2可以看出,粘度系数 , 标本在干燥状态的增加随着应力水平的增加,表明粘度增加,而饱和状态的粘性系数随压力的增加而减小。这是因为水的作用降低了岩石颗粒之间的凝聚力,和粒子很容易分离随着压力的增加。
蠕变曲线拟合的相关系数由汉堡各级压力高于0.91,模型,结果表明,汉堡蠕变模型可以描述泥泞的红色砂岩的蠕变特性。从拟合获得的参数可用于数值模拟同时,一些应用价值分析和研究项目的长期稳定。
5。宏观和显微分析失败的标本
5.1。常量分析
每个测试结束时,失败标本收集碎片和拼回原来的形状是尽可能和碎片被用胶带固定。图9显示了单轴失败后的标本在干燥状态和水状态。
(一)
(b)
无论干或湿状态的故障样本,顶部有一个锥形片段。中间的轴向主要断裂产生的岩石,但不扩展到样品的目的。从中间断裂分裂成两个骨折和传播,形成一个“人字形”剪断裂表面。这个失效模式x形共轭斜剪破坏,和失败面上的剪切应力超过强度极限。同时,所承受的最大剪切应力相关的前表面失败也积极的压力,它被称为一个震支座失败。破坏后的片段标本在干燥状态更大的规模和数量较小。标本被摧毁时,只有少量的粉是生成的,而一个大型粉碎声音听到。然而,当饱和样品坏了,没有吵闹的声音,和大量的碎片和粉生产。这是由于样品与水饱和,溶解岩石中的粘土矿物。因此,固井材料破坏,内部颗粒之间的胶结能力降低。 And the particles fall off and are failed by external extrusion. At this time, the small particles act as “ball” between the fragments (Figure10),减少断裂表面之间的摩擦,导致更快的毁灭和啤酒试样的变形。
5.2。详细的观点分析
岩石微观分析方法有很多,多数是扫描岩石样本,如X射线CT图像应承担技术(25,26),这可能是一个很好的描述岩石的结构特征。本文使用MLA650 F型场发射扫描电子显微镜扫描样本和泥质砂岩在不同条件下的电子显微镜。因此,可以进行比较分析。
四个截面样本选择从两个不同的国家和不同类型的标本测试失败。标本是仔细剪裁,断裂的后面是抛光厚度约0.5厘米。黄金被喷洒和放置在扫描电子显微镜的样品阶段。的形态标本不同含水量数据所示11和12。
(一)
(b)
(一)
(b)
从图12,可以看出毛孔满水后标本的数量明显比干燥状态,因为水的压力,和水进入裂缝,裂缝的扩展,以及裂缝逐渐相互渗透。
比较数据11和12可以看出,颗粒之间的胶结在水饱和状态更宽松,和水晶粒子更大,因为粘土矿物在岩石中溶解在水中,这会削弱晶体之间的胶结能力。同时,这使得粒子在岩石膨胀,这岩石样品在水饱和状态的强度降低,和变形将会比样品的干燥状态下同样的压力。
6。结论
(1)蠕变变形的岩石样本在第一级干燥和水饱和状态的轴向压力大于产生的变形压力在以后的任何水平的增加,最终可以达到超过49%的蠕变在这两个州。泥泞的红色砂岩的长期优势在干燥和饱和状态计算46.4 MPa和14.1 MPa,分别。(2)汉堡的流变力学参数的非线性拟合模型测定蠕变曲线使用汉堡模型,表明汉堡模型适用于泥泞的红色砂岩。(3)水的作用使岩石颗粒脱落和断裂表面充当一个“球”,减少断裂表面的摩擦和削弱了岩石强度。同时,水泥泞的红色砂岩有较大的内部气孔和低胶结能力由于水的作用,使岩石更容易变形。数据可用性
在这项研究中提出的数据都可以在请求从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
作者的贡献
密度导致配方、写作和论文的分析;S.W.导致概念化和项目管理;H.F.审查和编辑的手稿;H.G.导致监督。所有作者已阅读及同意发布版本的手稿。
确认
本研究由国家自然科学基金资助项目(没有。51978668)(在中国)。