文摘

碳质泥岩的裂纹扩展演化干湿交替作用下失败的重要原因是一个不稳定的这种类型的斜坡。本文试图揭示mesocrack的演化机制和宏观裂纹传播在干湿交替作用下碳质泥岩从化学、物理和机械的观点。首先,碳质泥岩浸泡溶液的干湿交替过程中提取的离子浓度测试分析碳质泥岩的化学反应。然后,CT扫描进行碳质泥岩样品研究不断变化的模式中构造的碳质泥岩在干湿交替。最后,机械性能和故障特征的碳质泥岩干湿交替后研究了三轴压缩试验。结果表明,方解石溶解等化学反应,水解钾长石、钠长石水解发生在干湿循环的碳质泥岩。干湿交替的影响,碳质泥岩中构造的逐渐从面接触和edge-face edge-corner联系和corner-corner接触接触,和层间片状结构开放和局部弯曲和断裂。干湿交替的数量的增加,碳质泥岩的故障特点从拉伸断裂剪切破坏,炭质泥岩的破坏面偏转从90°到60°,和炭质泥岩的裂纹扩展路径变得更加复杂。碳质泥岩矿物的化学反应在干湿循环的起始和发展的一个重要原因毛孔。干湿循环骨料mesocracks的传播和结构性障碍,改变均匀的岩石中构造应力状态集中应力状态,这是重要的碳质泥岩的宏观裂纹传播演变的原因。

1。介绍

碳质泥岩广泛分布于二叠纪和泥盆纪地层在中国西南部1,2]。它们富含粘土矿物和主裂缝和性能如吸水后容易软化和衰变(3]。由于炎热和潮湿的气候在中国西南部,挖掘碳质泥岩切割斜坡受干湿交替,导致大量的裂缝起始的斜坡上。一旦边坡裂缝相互连接,边坡不稳定发生故障时立即(4,5]。因此,研究裂纹扩展演化的机制炭质泥岩干湿交替作用下是重要的预防和控制这类边坡的灾难。

软岩石的裂纹扩展演化进行干湿循环一直是一个热门研究课题(6- - - - - -8]。软岩裂纹萌生、传播和聚结是复杂的物理、化学和机械水岩相互作用过程(9- - - - - -12),矿物成分密切相关,中构造、应力状态(13- - - - - -15]。矿物溶解和吸水膨胀的重要原因是裂纹萌生和传播的软岩(16- - - - - -18]。此外,主要的关节和裂隙水岩反应提供了一种方便的渠道,促进裂纹扩展和聚结19- - - - - -21]。由于各种地质构造影响,矿物质,关节,和软岩石中裂缝分布无序,复杂的进化软岩石的裂纹扩展22]。江et al。23)得出的结论是,软岩石各向异性的吸水肿胀肿胀变形是更重要的在垂直层理方向,因此,裂缝更容易传播方向平行分层。赵et al。24]发现裂缝发起和传播来自发达的一部分胶结材料软岩石后浸泡在水里。Zhang et al。25)发现,矿物组成和碳质泥岩中构造干湿交替作用下改变。刘等人,库姆斯和那依勒(26- - - - - -28]表明,干湿交替影响软岩石的孔隙逐渐收敛,连接,和软岩石的整洁致密微观结构变得无序和宽松。皮内et al。29日)认为,裂缝的发展和传播在干湿交替作用下节理面是一个重要的原因的岩石力学性能的恶化。华等人和李et al。30.,31日)发现,干湿交替产生重大影响岩石裂纹扩展和失效模式的演变,以及裂纹失效面经过几个干湿交替变化。

总之,先前的研究只简要地分析了法律mesocrack或宏观裂纹的传播在孔隙中的水-岩作用过程。然而,化学、物理和力学机制的宏观裂纹和mesocrack传播进化在干湿交替作用下碳质泥岩很少研究。中构造,本文的化学成分和机械性能的碳质泥岩干湿交替作用下进行了研究,揭示了宏观裂纹的内在机制和mesocrack传播进化干湿交替下的碳质泥岩。研究结果将提供一个参考的灾害预防和控制炭质泥岩边坡。

2。样本特征和测试过程

2.1。样本特征

碳质泥岩的样本来自的高斜率(70.0 - -80.0米)Liuzhai-Hechi在广西高速公路。样本深灰色和中风化,统一的谷物和微裂缝的发展。碳质泥岩的衍射模式获得的x射线衍射实验如图1。碳质泥岩的相分析结果如表所示1。碳质泥岩块质量是制成 样品的无水开采方法。

2.2。测试过程

测试过程如图2。首先,样本进行干湿交替。其次,浸泡溶液干湿交替拍摄期间的碳质泥岩和一瓶liquid-holding电感耦合等离子体质谱法(icp)测试。然后,随机选择样本切片,和炭质泥岩中构造是由电子显微镜扫描的。最后,进行了三轴压缩试验碳质泥岩样品,分析样品的宏观裂纹传播规律进行干湿交替。

2.2.1。干湿循环试验

为了模拟极端气候条件在广西,样本在烤箱干60°C 24 h和保湿气缸冷却至室温,然后自然地与水饱和24 h。每个干湿周期持续了48 h。碳质泥岩样品受到0、5、10、15干湿交替。

2.2.2。电感耦合等离子体质谱仪测试

水溶液浸泡的碳质泥岩样本收集和储存在密封liquid-holding瓶子。中移动iCAP icp用于测试后的水溶液中阳离子浓度wet-dry周期。测试阳离子的金属阳离子的主要矿物碳质泥岩。

2.2.3。扫描电镜观察

干湿交替后,随机选择样本制成的大小 毫米的细钢丝看到,样品表面上的灰尘打扫干净了使用洗耳球。黄金进行喷淋清洗样品,然后,中构造的样品扫描了一个s - 3000 n的扫描电子显微镜。

2.2.4。三轴压缩试验

MTS材料测试系统被用于碳质泥岩的三轴压缩试验。围压是设置为2 MPa压力来模拟真实的环境中碳质泥岩的岩石路堑边坡。围压是首先应用0.05 MPa / s的速度,2分钟后,轴向载荷应用0.5 - -1.0 MPa / s的速度。

3所示。测试结果分析

3.1。分析化学反应的矿物质

金属阳离子的浓度水溶液干湿交替作用下表所示2。可以看出金属阳离子的浓度随干湿交替的数量和浓度的增加,金属阳离子排名 。Ca的浓度^{2 +}是一个数量级高于K⁺,Na⁺,菲^{2 +}和高出两个数量级^{3 +}。

基于电中性原理,它可以假定以下化学反应发生在碳质泥岩在干湿交替。(1)方解石溶解

方解石与二氧化碳和水反应后,方解石溶解、沉淀和钙离子,导致方解石含量的降低和Ca的增加^{2 +}溶液的质量浓度。(2)长石(钾长石、钠长石)水解

钾长石、钠长石、水解后形成高岭石和Na⁺和K⁺沉淀,导致长石含量的减少和增加的碳质泥岩和高岭石含量的增加Na⁺和K⁺溶液的质量浓度。(3)黄铁矿水解

氧化反应后氧溶解在水和黄铁矿之间,铁^{2 +}沉淀,增加铁的浓度^{2 +}在水里的解决方案。黄铁矿的氧化吸附在产品表面将使钝化和抑制氧化反应,导致黄铁矿的氧化反应强度的减弱,黄铁矿含量的原因,铁的质量浓度^{2 +}无关紧要的改变。

3.2。微观结构变化模式

扫描电镜观察的结果为炭质泥岩在并行分层方向如图所示3。在干湿循环,如图3(一个),碳质泥岩样品的致密结构,平面,和中构造面接触,颗粒之间的孔隙分布无序。5干湿交替后,如图3 (b),有一些粒子脱落。毛孔数量的增加,表面变得粗糙和坎坷。骨架结构面和edge-face接触逐渐扭曲。10干湿交替后,如图3 (c),更多的粒子暴露,轮廓清晰。明显减少粒子数量的增加,孔隙的数量和尺寸增加。面接触的粒子结构的变化和edge-face接触edge-edge edge-corner接触和联系变得松散。15干湿交替后,如图3 (d)有大量的粒子脱落。许多溶蚀坑出现在样品表面。粒子腐蚀,轮廓变得模糊和粗糙。中构造的变化从edge-edge接触和edge-corner edge-corner接触和corner-corner联系联系。

扫描电镜观测结果的碳质泥岩在垂直分层方向如图所示4。在干湿循环,如图4(一),碳质泥岩的叠片结构,定期安排和片状框架,粘土矿物胶结。有少量脱落的颗粒层中,气孔分布无序。5干湿交替后,如图4 (b)有大量的粒子脱落。片框架逐渐打开,开始卷发,导致层间粗糙度增加。10干湿交替后,如图4 (c),片状结构更严重卷曲和无序;开幕式层间距明显增加。有些骨折和碎片在当地的片状结构。气孔的数量急剧增加,他们现在一个合并的趋势。15干湿交替后,如图4 (d)基本上,粘土矿物溶解。大量的片状结构断裂,碎片脱落。一些夹层形成沟槽表面的片状结构,和粘土矿物深埋在薄片结构暴露出来。

3.3。力学性能分析

碳质泥岩的应力-应变曲线如图所示5。可以看出,干湿交替的数量的增加,应力-应变曲线变得更加温和,压缩阶段和裂纹扩展阶段的非线性增强,线弹性阶段的斜率和峰值应力逐渐降低,和应变峰值应力增加。岩石破裂后压力下降缓慢,岩石的破坏模式从脆性破坏变为韧性失败。

碳质泥岩样品的失效特征如图所示6。可以看出,在干湿循环,如图6(一)受损的样本显示,3垂直裂缝通过示例与少量的碎片脱落和呈现的拉伸断裂的特征。5干湿交替后,如图6 (b),垂直裂缝约90°出现在碳质泥岩,和一个分支裂纹发生在中上的样本(样本高度的1/3),延伸到顶部。样例呈现tension-shear失败的特征。大量的碎片从故障样本表面脱落的。10干湿交替后,如图6 (c)裂缝扩展通过样本显示,大约60°的偏转,这表明典型的剪切破坏。有很多碎片脱落从顶部和低表面的样本。15干湿交替后,如图6 (d)约60°,两个斜裂缝的出现在受损的样本。一个裂缝延伸穿过样品,与当地分支裂缝呈现无序传播。另从中间下裂纹扩展样本的高度的2/3。从失败的某些部分有碎片脱落的表面。综上所述,可以得出结论,干湿循环将转移宏观裂纹传播的碳质泥岩样品,和样品的失效模式的变化从拉伸断裂剪切破坏,而延性破坏特征增强。

4所示。碳质泥岩裂缝传播的进化机制

根据扫描电子显微镜,可以简化为炭质泥岩中构造的水泥矿物组成的叠片结构和骨架,如图7(一)。碳质泥岩中构造的干湿循环是整洁的,之前和叠片均匀压力加载后。随着层间应力的增加,碳质泥岩中构造的经历拉伸断裂沿最大剪应力的方向。裂纹扩展路径经常由于组织和整洁中构造。碳质泥岩中构造的干湿交替作用下如图7 (b)。之间的可溶性矿物质层炭质泥岩的叠片结构逐渐溶解,导致的毛孔中构造逐步传播并连接。此外,叠片结构的骨架挤压和变形是由于吸水后膨胀的矿物质和体积膨胀矿物反应,和骨架结构逐渐从面接触和edge-face edge-corner接触和corner-corner联系联系。片状骨架中构造的局部弯曲和断裂。中构造压力,压力很容易发生在edge-corner浓度和corner-corner接触点的骨架。后的剪切破坏发生片状骨架是强调,和裂缝传播中构造的薄弱部分。由于干湿交替的影响,碳质泥岩中构造的无序和中构造不均匀压力。它是混乱的裂纹扩展路径的一个重要原因。

5。结论

本文宏观裂纹和mesocrack传播演变的机制炭质泥岩干湿交替作用下通过一系列的实验研究,可以得出以下结论。(1)方解石溶解、钾长石水解和钠长石水解的起始和发展的重要原因是碳质泥岩裂缝在干湿交替(2)干湿交替的数量的增加,碳质泥岩中构造的逐渐变化从面接触和edge-face edge-corner联系和corner-corner接触接触,和层间片状结构打开,更严重的弯曲和断裂(3)在干湿交替的影响下,碳质泥岩的承载力降低。岩石的破坏模式从拉伸断裂剪切破坏,破坏面偏转从90°到60°,和裂纹扩展路径变得复杂(4)吸水肿胀和矿物化学反应的碳质泥岩干湿交替作用下导致的压力变化形式中构造,直接将宏观裂纹传播模式在负载下的碳质泥岩的损害。这些发现揭示宏观裂纹的机理和mesocrack传播进化在干湿交替作用下碳质泥岩

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。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金(52108405),湖南省自然科学基金项目(2022 jj40122),湖南省教育部门和科学研究基金会(20 a118 21 a0462, 21 b0659)。