岩石的物理和机械性能的恶化循环干燥和湿润

文摘

表面和地下岩石性质经常接受重复干燥和湿润。干湿循环是风化作用的影响,包括物理和化学过程,具有不同程度的退化对岩石的物理力学性质的影响。本文分析和讨论了岩石的这种退化基于现有文献数据。首先,各种物理和机械性能的恶化程度(包括密度、纵波速度、孔隙度、静态和动态压缩/拉伸强度和断裂韧性)概括为干湿交替的数量增加。其次,干湿循环的可能的降解机制解释了粘土矿物的肿胀、溶质迁移和微裂纹演化。然后,岩石损伤本构模型的循环干湿治疗后。最后,在未来需要研究的问题。

1。介绍

岩石地质材料是最常见的项目,如石油和天然气开发、煤炭开采、水力发电。在工程实践中,岩石普遍受干湿循环的影响,例如,水库岸坡工程围岩的每日和季节性水位变化的影响(见图1)[1- - - - - -4];薄花岗岩胶合板覆板安装在建筑物的外观受到环境风化5];隧道开挖地下水位波动的影响下(6];露天煤矿边坡稳定的影响降雨(见图2)[7];废弃的尾矿排放的尾矿池的影响和泵8];膨胀岩的基础和边坡的输水通道(见图3)[9- - - - - -11];沿海岩体受潮汐影响(12- - - - - -15];石碑,雕塑,历史古迹受到酸雨侵蚀(16,17];路基和铁路隧道的围岩18];保持地下水库大坝(19]。干湿循环后,岩石的物理力学性质会改变不同程度,以及对设计很重要的变化,建筑、岩石和操作项目。

近年来,随着研究的不断进展水岩相互作用,岩石的干湿交替对降解的影响特性逐渐引起了学者们的广泛关注。干湿循环测试第一次被用作实验方法研究岩石风化后的耐久性,它通常被用作与冻融循环和冷热循环(18,20.- - - - - -26]。伊藤等。27)进行了岩石的冻融循环和干湿循环试验在寒冷的地区,发现岩石样本上的干湿循环的影响几乎是等于或更严重的冻融循环。Loubser的实验28)发现水饱和度似乎并没有影响的岩石变质程度的主要因素,和湿和干燥的循环次数的影响更显著。目前,大多数的实验发现,岩石样本循环干湿治疗后显著恶化。然而,仍然有实验发现干湿循环测试样本的离散差分面具退化影响岩石样本(20.]。

干湿循环本身就是一个风化作用机制,风化物质的性质是润湿的影响的方式(29日]。为了应对这个问题,不同的学者采用不同的循环干湿处理方法(见表1)。循环干湿处理方法大致分为三种类型:自然浸泡的真实wet-dry周期和室温干燥,真空压力饱和度的加速干湿循环和高温干燥、和混合循环治疗(见图4)。在干燥过程中,岩石恶化时最大的干燥温度是60°C,即孔隙度迅速增加,吸水率是最30.]。

表2细节的物理和力学性能的变化与不同岩性岩石样本在不同的测试一定数量的干湿循环。发现岩石样本的物理和力学性能退化不同程度在大多数的测试,但即使是相同类型的岩石在不同的测试由于其不同的成分。在陈et al。6测试改变花岗岩,减少内摩擦角达到了惊人的93.76%,而黑尔et al。20.]认为干湿周期没有明显的恶化影响岩石样本与冻融循环测试相比。从刘et al。31日和赵et al。32)单独的砂岩和粘土含量不同,实验可以看出,粘土含量的水平是一个重要的因素造成的岩石退化程度干湿循环。

从上面的,有必要总结干湿循环的影响岩石的物理力学性质。在本文中,我们主要回顾了岩石退化度循环治疗后从三个方面,即退化程度的定量描述,降解机制和退化的本构模型。

2。干湿循环后岩石变质程度

由于巨大的矿物成分的差异不同类型的岩石样本,其物理和机械性能是非常不同,导致不同的岩石水敏感性。因此,岩石上湿和干燥周期退化的影响是不同的。本文选择发布测试结果从不同的研究人员和规范他们让他们具有可比性。一定的物理力学参数的退化程度的特点是其相对变化,也就是说,参数值的比值差异后的岩石样本干湿循环和初始值的初始值。 在哪里退化程度,的参数值是干湿循环后的岩石样本,然后呢是初始值。

2.1。物理性质

岩石的物理性质主要包括密度,弹性波速度、孔隙度、吸水率、磁化率、电阻率、热导率、放射性和耐用性,形成各种地球物理领域的基础。水的渗透在岩石上导致岩石内部的盐溶解,水与岩石矿物化学反应,从而改变岩石的内部成分和微观结构,进而导致其物理性能的恶化。以周等的测试结果为代表(33),在干湿循环;这种渗透发生多次,岩石的各种物理性质变化不同程度(如图5)。可以看出,与干、湿式的循环次数的增加,干重,纵波速度,和满足耐久性指数的岩石样本逐渐减少,而孔隙率和吸水率逐渐增加。值得注意的是,干重的减少和消除耐久性指数相对较小。由于岩石材料保持水的能力在很大程度上取决于其孔隙度、吸水率和孔隙度的岩石样本同时会改变,具有良好的线性关系(34]。从的角度变化趋势,20 th-30th周期前的恶化速度更快,然后趋于稳定。随着周期的数量增加,造成的损害效应减少了水岩相互作用对岩石。这些物理参数之间的关系和干湿交替的数量通常可以被一个指数方程(34,35]。

在岩石的各种物理性质,纵波速度是受内部孔隙的特征和岩石的水含量,及其监测方法是相对简单和广泛使用。此外,它还与弹性模量和强度等力学参数,所以它是一个非常重要的岩石物性参数。在实验室测试中,纵波速度通常是用于岩石样本的选择尽可能减少岩石样本的色散(31日]。大量的试验结果表明,干湿交替的次数的增加,岩石的纵波速度样本不同程度的降低。图6显示了纵波速度的变化在不同的实验根据以往的文献,和图7显示了退化程度的纵波速度。可以看出,即使是所有的砂岩,纵波速度变化规律不同的是由于不同的产地和微妙的不同的测试方法。不同类型的岩石之间的差别甚至更大。例如,对于熔结凝灰岩岩石具有不同的颜色21],尽管初始波速度是不同的,纵波速度的退化程度在10%,湿和干燥周期的数量增加。然而,对于砂岩样品在不同的测试中,不仅初始波速度大于熔结凝灰岩的岩石,但降解程度可以达到近20% (34),甚至超过20% (36,37)经过少量的湿和干燥周期。此外,水温也会加速恶化的纵波速度(30.]。简而言之,空气中的纵波传播速度远小于固体,这相当于增加的概率p波在空气中传播由于干湿交替后岩石孔隙度增加,所以纵波速度降低(38]。如果这些毛孔都装满水,水中的纵波速度远远大于在空气中,空气和水完全取代了孔隙和微裂隙的饱和状态,所以样品在干燥状态的恶化率远远大于饱和状态(34,38]。但总的来说,随着湿和干燥的循环次数的增加,样本的纵波速度会减少干燥和饱和条件下。这可以解释为增加的孔隙度和密度(38]。

岩石孔隙度和孔隙大小分布的宏观表现开始,发展,内部微裂纹的产生和扩展,它可以测量通过核磁共振(NMR)、汞入侵porosimetry (MIP),扫描电子显微镜(SEM)等测试方法。图8显示了岩石样本在不同的孔隙度测试与干湿交替的数量。发现岩石的孔隙度显示了一个微分增加干湿交替的数量的增加,这大致遵循线性关系与不同斜坡(39]。不管它是否熔结凝灰岩的岩石或砂岩,孔隙度增加20%后50干湿交替,而它可以超过40%,44.4%为泥岩样品从Simianshan钻39]。孔隙度的增加将导致恶化的单轴抗压强度等机械性能(UCS)和弹性模量的岩石样本。UCS和孔隙度之间的关系可以定量描述的一个指数函数(39]。干湿循环不仅增加了岩石的孔隙度也改变其孔隙结构,导致毛孔从小孔(0.01 ~ 0.1μ大的毛孔(0.1 ~ 1.0米)μ米)(35]。孔隙大小分布集中在两个区间,有一个最优值。随着周期的数量的增加,最优孔径的增加,减少和相应的组件。这种变化可能与周期性的水岩相互作用[39]。

2.2。机械性能

干湿交替对岩石的物理性质最终导致机械性能的恶化,这是体现在静态抗压和抗拉强度,动态抗压和抗拉强度、断裂韧性、弹性模量、摩擦角、凝聚力、等不同程度的减少,它通常可以被一个指数函数(35]。

岩石的强度性能将显著恶化后循环干湿治疗。Khanlari et al。22],古代[21),赵et al。32),黄等。40陈,et al。41)进行静态压缩试验在砂岩干湿循环之后,融化了石灰石、泥岩和coalstone分别。所有的结果表明,干燥和潮湿的循环次数的增加,单轴抗压强度和三轴抗压强度的岩石样本在不同程度下降。有相对较少的研究岩石的静态抗拉强度后湿和干燥周期。赵et al。32)进行了巴西分割测试在一个较低的砂岩粘土含量,发现日益恶化的干湿循环对静态抗拉强度的影响并不显著。岩石的动态压缩试验,Du et al。37)发现,样品的动态抗压强度与湿和干燥周期的数量和加载速率。考虑到加载速率的影响,他提出了一个衰减函数来预测砂岩的长期动态抗压强度考虑湿和干燥周期的数量。周et al。34)建立了一个基于实验结果的经验方程,描述应变率的影响和wet-dry周期的动态抗压强度岩石材料。因为涉及在隧道围岩的应力路径是一个卸载过程,也就是说,它可以被视为一个动态拉伸过程中,周et al。33和李et al。42)和其他人进行了相关实验,发现循环干湿处理增加密度,复杂性,和微裂隙的连通性,这也大大降低了岩石的动态抗压强度。裂隙岩体的抗剪强度也会恶化后干燥和潮湿的周期,这是由变化引起的关节表面的微观形态学和关节墙强度(43]。

根据湿和干燥周期的总数在测试和监控之间的间隔点,干和湿周期的数量低于20被认为是短期测试,和超过20次被认为是一个长期的测试。数据9和10显示的变化在不同的测试单轴抗压强度退化短期和长期的湿和干燥周期。以来长期的干湿循环试验,监测间隔至少10干湿交替,10内的非线性变化的干湿交替将被忽略,并且没有明显的规律总体上和单轴抗压强度甚至在一定程度上增强。在短期内测试,岩石的单轴抗压强度的变化大大当干湿交替的数量小于5,和变化大于5时更稳定。

干湿循环也有一定的降解影响岩石的断裂韧性。华et al。44- - - - - -46)指出,砂岩的抗拉强度和断裂韧性的I型和II型裂缝减少与干湿交替的数量的增加,和之间存在良好的线性关系I型裂纹的断裂韧度和抗拉强度。循环湿和干燥的治疗也可以降低凝聚力和摩擦角。图11表明,单轴抗拉强度、弹性模量、凝聚力和内摩擦角降低不同程度的数量增加湿和干燥周期。然而,一些研究表明,干湿交替的影响不同于砂岩凝聚力对摩擦角的影响。凝聚力wet-dry周期的变化类似于峰值强度的变化,而摩擦角似乎与wet-dry周期(36]。

2.3。化学腐蚀

水溶蚀、侵蚀和软化对岩石的影响(47- - - - - -52]。然而,在许多情况下,岩石受到化学腐蚀和干湿交替的耦合。因此,许多学者也做了相关研究的恶化下岩石nonneutral干湿交替。史密斯(53)系统地研究了沙漠的风化岩石由于温度、水分、盐和化学反应。元等。54,55]研究了砂岩的力学性能和离子变化特点 ,分别为7和9。冯et al。56列出了各种材料的化学反应方程在酸碱和中性条件下砂岩。太阳et al。16]MgSO4解决方案使用不同浓度(4%,6%,8%)饱和砂岩,发现与纯水湿和干燥周期相比,在到达阈值在干湿循环30次,纵波速度开始上升在相反的方向,和抗拉强度突然急剧下降。发现颜色的亮度和岩石样品的热导率显示良好的抗拉强度的线性关系。

3所示。干湿循环后岩石恶化机制

3.1。浸泡和Drying-Soaking周期

干湿循环期间,有一个交替浸泡和drying-soaking复合效应。它也可以被视为水岩石的疲劳损伤过程。范Eeckhout [47]总结五个可能机制水浸的影响岩石的强度退化,也就是说,减少断裂能量,减少毛细管张力,增加孔隙压力,降低摩擦系数,由于化学腐蚀和退化。为了区分浸泡和drying-soaking周期的影响,赵et al。32)进行了比较测试的纯浸泡(16天)和干湿交替(浸泡持续15天)较低的泥砂岩。试验结果表明,岩石强度降低了59%纯净水浸泡16天之后,虽然它只下降了5%,此前15湿和干燥周期。然而,这个测试有一个比较大的问题:岩石样本的测试状态是不同的,也就是说,纯净水浸泡试验不可避免地需要测试岩石样品在饱和状态,在干湿循环的岩石样品强度试验是在干燥状态。的断裂行为,动态断裂起始,传播韧性,饱和试样的裂纹扩展速度明显低于干的在同一加载速率(57]。虽然有很强的相关性之间的岩石样品的水分含量和各种物理性质的恶化58- - - - - -64年),没有明显的差异后岩石不同含水率的降低湿和干燥周期(65年]。

岩石样品是否在饱和状态或干燥状态在干湿循环之后,它的力量是非常不同的。元等。54,55对砂岩强度进行测试在不同的州。图12显示的强度比饱和岩石样本后干燥的岩石样本相同数量的干湿交替。可以看出随着干湿交替的数量增加,saturation-dry强度比值显著降低,这意味着强度饱和岩石样本之间的差异和干燥岩石样本正变得越来越大。这个下降趋势包含干湿循环损伤信息。此外,围压越大,下降越小,和saturation-dry强度比在高围压下(6 MPa)显著大于低围压(0 MPa)。图13显示之间的不同强度折减饱和状态和干燥状态下不同的湿和干燥周期和围压。强度退化的区别是定义为后强度的比值差异湿和干燥周期的初始力量。发现强度恶化的区别在低围压下逐渐增加而干和湿的循环次数的增加,在高围压下的趋势并不明显。围压的增感效应部分涵盖了恶化造成的干、湿式循环。

3.2。粘土含量和肿胀的行为

岩石的膨胀行为往往是与它的粘土成分有关。粘土矿物主要包括蒙脱石、伊利石、绿泥石、高岭石和蛇形。这些矿物质会吸水后膨胀,最终导致岩石损伤和破坏66年- - - - - -70年]。度循环处理过程会导致重复扩张和收缩的粘土组件,和水分波动的主要原因[71年- - - - - -74年]。的体积膨胀粘土与水的波动变化,导致孔隙中的空气压力急剧上升,最后破裂形成裂缝。这个不可逆转的现象称为“断裂”(75年]。另一方面,会有明显的泥化现象后接受wetting-drying周期,这会削弱矿物颗粒之间的胶结岩石和抚平颗粒本身的形状(36]。饱和度的增加也会增加粘土矿物的溶解和矿物颗粒之间的润滑。因此,这些效应显著降低岩石的强度和变形特性(35),还会降低其脆性,导致的失效模式标本从扩展剪失败36]。还应该指出,可溶性物质的溶解和降水都伴随着物质迁移。贝克et al。76年]观察石灰石样品的表面50干湿交替后,发现石灰石的外观改变了颜色,变得稍微布朗和硬薄层出现在大约20%的地方,类似于金属的氧化层,和岩石样品的表面粗糙度下降。原因是在饱和过程中,可溶性物质溶解,并在随后的干燥过程中,可溶性物质迁移到表面的岩石样品的水蒸气,结晶出来。这种现象是宏观上表现为可逆性的岩石属性在一定程度上,也就是说,力量复苏发生在干燥状态(77年,78年)(如图12和13)。

内部微观损伤造成的干湿周期将取决于粘土含量的数量。林等。79年)发现,所有干砂岩的断裂机理主要是晶内断裂,而饱和砂岩与绿泥石含量高主要是晶内断裂和绿泥石含量较低的饱和砂岩晶间断裂。王等人。80年)观察到泥质岩石有一定的不可逆变形不管他们是否潮湿或干燥。表单是一个典型的1μ米开气孔显微裂纹网络:前者位于块和/或inclusion-matrix粘土基质的界面;后者主要存在于粘土块矩阵。粘土矿物含量较低的岩石,主要降解机制是减少断裂能量和摩擦系数,而可能的软化、扩张,和粘土矿物的溶解行为只能扮演一个小角色(32]。简而言之,粘土的内容组件是一个关键因素,影响了干湿交替对岩石的影响下降。

3.3。微观组织演变

通过扫描电子显微镜(SEM)观察、图像分析、模拟和离散元素,岩石表面的微观形貌和结构,包括颗粒接触网络,颗粒力链分布,微裂纹直径,长度,面积,可以获得。循环干燥和湿润的治疗后,岩石的微观结构的变化从一个组织良好的致密结构阶段,多孔阶段然后开裂阶段(1,6,7,30.,31日,34- - - - - -37,45,80年- - - - - -82年]。微裂隙岩石的增长和扩大,密度、长度、复杂性和互联性增加。同时,大小、形状和分布的毛孔也经历了重大的变化,和谷物也退化。这些变化的主要原因是机械性能的退化33,34]。裂纹的萌生和扩展是主要的结果引起的拉应力循环装卸水吸收和解吸的循环润湿岩石和干燥过程30.]。

图14显示了岩石表面的SEM图像后不同wet-dry周期。当岩石样本不吸收水分,粒子的微观结构显示清晰的轮廓不明显的重叠。水岩相互作用后,岩石样品表面的微观结构不再是紧凑,制服,从块状和颗粒形状逐渐变化,平絮状和无序83年]。当湿润和干燥周期的数量达到10倍以上时,岩石的微观结构变化很大程度上与自然状态(6,82年]。原小毛孔逐渐渗透和合并成大毛孔,和叠加和重叠的现象,大量的降水出现,颗粒的形状改变从一个清晰、整洁,密集的边缘一层泥。当湿润和干燥周期的数量达到30多倍,毛孔进一步扩大和变得更大,明显的微裂隙出现。

干湿循环有很大的恶化对岩石的动态能量吸收的影响。元等。84年)发现砂岩样品的断裂表面能降低由于压力在干湿循环的砂岩矿物颗粒之间的转换。胡锦涛et al。(85年]分析了岩石的降解机制在干湿循环通过考虑温度引起的压力,负载,和流体效果,也就是说,温度引起压力和应用负载引起岩石样本内拉应力和压应力在表面上;当温度和过重的负荷所产生的压力大于岩石的抗拉强度样本,内部裂纹开始扩展,为水的行动提供一个通道,以及水和岩石之间的接触面积增加;水力压裂和削弱的作用下,骨折连接和裂缝的宽度增加,最终导致失败。

总之,开发过程循环干燥和湿处理后的岩石微观结构大致如图15。没有湿和干燥处理,由水泥矿物颗粒紧密相连的,颗粒的形状是清晰的。在1到10的干和湿处理周期,可溶性物质溶解和迁移,导致小侵蚀颗粒之间的孔隙,但不改变粒子的形态。10到30湿和干燥周期后,毛孔逐渐变大,溶解物质脱落和解决毛孔的边缘,显然和矿物颗粒变得光滑。30多个湿和干燥周期后,粒子之间的微裂隙出现,表面圆度的矿物颗粒较大,凝聚力大大减少,和次生裂缝也出现在粒子,这往往是松散和解体破碎。应该注意的是,上面提到的干、湿式的循环次数只是一个近似值。对于不同的岩石,这些特定的时间是不同的,但是整个过程的变化是大致相同的。

4所示。岩石恶化在干湿循环本构模型

宏观上,岩石样本的质量损失,纵波速度衰减,相对含水量的变化,弹性模量、摩擦角、和凝聚力;显微镜下,CT的CT扫描,扫描电镜获得的微观裂缝特征参数的图像处理包括数量、大小和面积;此外,统计参数,分形维数等都可以作为损伤变量。岩石损伤的本构模型是很难统一由于损伤变量的复杂性86年- - - - - -89年]。根据不同的损伤变量,干燥后的本构方程描述岩石的恶化和湿周期也不同。胡锦涛et al。(90年]建立损伤本构方程的耦合作用下的干湿循环和负载的影响基于温度和干湿交替的数量衰减率,结合基于能量原理的损伤演化方程。杜et al。91年]分离宏观损伤变量和微观损伤本构方程的变量和构造砂岩在冲击载荷和干湿循环耦合。王等人。92年)提出了一种改进的 - - - - - - 方程来描述初始压缩阶段和高峰期间后的剩余阶段岩石变形。王等人。93年]提出了一种损伤非线性汉堡viscoelastic-plastic (DNBVP)模型考虑saturation-dehydration周期的影响通过引入一个非线性粘塑性的身体和损伤变量描述干湿交替,然后推导出三维蠕变方程的新模型,并确定其蠕变参数。此外,王et al。94年]提出四种功能包括一个指数递减函数,线性递减函数,线性递增函数,和一个指数级递增函数表达剪切模量之间的关系,汉堡的粘弹性参数模型,不同的干湿交替下的偏应力。通过比较分析,发现使用提出了四种函数生成的理论曲线与实验数据吻合较好。刘等人。95年]提出了损伤变量考虑循环wetting-drying和加载的联合影响,进一步建立了一种改进的损伤模型,考虑了影响循环wetting-drying内摩擦角和非线性变形特性和统计损伤力学在裂隙闭合阶段。测定方法,提出了损伤模型中的参数也被引入。他等。96年)探讨了退化特性和声波参数和电阻率(AWPR)循环湿润和干燥砂岩的实验,提出了累积损伤模型的AWPR通过瞬时损伤分析。黄等。97年]研究酸干湿交替下的物理和力学性能,建立了本构模型基于威布尔的单轴压缩损伤变量,具有最好的效果与循环次数少或酸溶液pH值大于6的解决方案。Zhang et al。98年)派生一个进化模型成果的解体破碎软岩使用Morgan-Mercer-Florin (MMF)模型,测量成果的分裂行为软岩的衰变率,和派生一个新公式计算解体比基于传统的衰变率的概念,通过建立模型。徐et al。99年)建立了一个传统的强度预测模型基于纵波速度结合损伤理论和Lemaitre应变等效假设,然后提出修改模型考虑drying-wetting周期数和围压。

在页岩气开发和其他工程实践,研究岩体扩散和渗流方程是非常重要的One hundred.- - - - - -102年]。很少有研究干湿循环的影响在水迁移的规律。Van der胃气胀(103年)进行了详细的分析非饱和流动和溶质运移的多孔基质岩石在干湿循环,和平流通量的建模结果表明,溶质从骨折到矩阵的矩阵在润湿大于回骨折在干燥,导致净溶质的存储矩阵,和岩石系统表现得更像一个完全饱和系统,扩散是主要运输过程骨折和矩阵之间的增加数量的干湿交替。

5。结论和前景

本文总结了地质和工程场景的干湿循环和岩石的研究结果退化效应。通过收集和规范化的干湿循环试验数据在现有文献,降解程度和机理,岩石的物理力学性质进行了分析。主要结论如下。(1)随着湿和干燥的循环次数的增加,物理性质(包括干重、纵波速度、孔隙度、吸水率,和耐久性指数)和岩石力学性能(包括静态抗压/抗拉强度、弹性模量、动态抗压/抗拉强度、抗剪强度、断裂韧性、凝聚力和内摩擦角)都经历不同程度的恶化(2)干湿交替的影响的可能机制摇滚退化包括减少骨折的能源,减少毛细管张力,孔隙压力的增加,摩擦系数降低,化学腐蚀,矿物溶解、膨胀和软化,溶质迁移(3)粘土的内容组件是一个关键因素,影响了干湿交替对岩石的影响下降。岩石具有不同的降解机制粘土含量也是不同的(4)岩石微观结构的演变,特别是微裂隙,在干湿交替变化密切相关的物理和机械性能

基于这些结论,我们需要关注以下几个方面。首先,什么是实际的干湿循环过程在本质上(频率和模式)?第二,岩石的矿物成分和结构是什么?解决方案的组件是什么?什么样的化学、生物、物理和机械解决方案和岩石之间的相互作用发生吗?第三,什么样的使用或建立理论模型来描述干湿循环过程,以预测岩石的物理力学性能的退化行为?

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者支持由中国国家自然科学基金(批准号42030810和42030810)和中央大学的基础研究基金(批准号2017 qna31)。

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