强度和刚度退化引起的砂岩Wetting-Drying周期:矿物成分的作用

文摘

岩石力学参数是非常重要的岩石工程的施工和设计。岩石通常受到的恶化影响循环wetting-drying由于含水率的变化。本研究的主要目的是揭示退化wetting-drying周期对强度和模量的影响在不同的岩石。选择三种不同砂岩矿物成分进行测试。人工处理的循环wetting-drying进行各自的标本的三个砂岩(0、10、20、30和40周期)来模拟岩石暴露于自然风化的伤害。单轴抗压测试是进行砂岩标本来获取他们的强度和模量。测试结果表明,砂岩进行了测试,两个单轴抗压强度(UCS)和模量减少循环数上升。在第十周期,UCS和模量的损失是非常重要的。随后UCS和模量的变化对循环变得更加平静的号码。当循环数是相同的,损失百分比三砂岩的岩石力学性质有很大的不同,主要取决于内容的扩展和可溶性矿物质。

1。介绍

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(1- - - - - -3]。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4- - - - - -7]。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。

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8)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(9- - - - - -20.]。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(13,21,22),巴西圆盘试验(17,23,24),弯曲试验(25- - - - - -27),和剪切试验28,29日]。例如,Zhang et al。29日)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。26,27)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。24)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。

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。

2。实验方法

2.1。测试材料和样品制备

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1。他们的矿物成分测量通过x射线衍射(XRD)技术,表中列出1。见表1,三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%。

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。

整个人工WD治疗包括free-soaking时间和烘干时间,如图2。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。

2.2。实验装置

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3。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 年代¹。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。

3所示。测试结果和讨论

3.1。WD周期对岩石强度的影响

图4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( ),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。

图5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[10- - - - - -12,14,20.]。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。

据周et al。20.),岩石属性之间的关系和数量的WD周期( )可以表现为指数形式: 在哪里UCS和 , ,和是拟合常数。具体地说,这个词的是一个无量纲的常数,它表示强度降低率的增加 。的更高的价值意味着UCS WD周期的敏感性越强。

比较UCS灵敏度测试砂岩的WD周期,我们测试数据根据方程(1)如图4。特定的关系表达式 在哪里 , ,和UCS的S1、S2、S3,分别;是确定系数。从方程(2),我们可以看到,S1 UCS WD周期敏感性最大,其次是S2和S3。

3.2。WD周期对岩石弹性模量的影响

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。

图6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6(一)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6 (b)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。

图7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。

4所示。讨论

4.1。削弱WD周期引起的强度降低的机制

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[19,30.- - - - - -34]。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(35]。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(25]:(1)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36]。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(25](2)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(37]:

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(13,25和电脑断层摄影术17]。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840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。

4.2。削弱WD周期引起的模量降低的机制

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4.1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。

4.3。工程意义

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38]。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(25]:(1)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(2)必须应用于关键的岩石结构防水措施(3)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

5。结论

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:(1)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(2)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(3)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

数据可用性

数据可以通过请求可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金青年科学家的中国(52004036)、湖南省教育局的研究基金会(20 b040),和工程技术研究中心开放基金的灾难性的道路和交通安全的预防和治疗教育部(长沙科技大学),中国(kfj190402)。

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