砂巖干濕循環(huán)下微觀結(jié)構(gòu)劣化機(jī)制

發(fā)布時間：2019-12-27 11:44

背景介紹：

隨著水利水電工程的興建與持續(xù)發(fā)展，水庫、大壩等大型水工建筑物的建設(shè)變得如火如荼。在進(jìn)行大型的地質(zhì)體改造的工程中，不僅需要解決復(fù)雜的地質(zhì)和巖石力學(xué)問題，還需要克服水位漲落、雨水的降落與蒸發(fā)等自然環(huán)境因素對巖土穩(wěn)定性的威脅。

1.基本思路：

選取同一塊巖體的25塊樣，將試樣分為5組，每組5個樣品，在室內(nèi)分別進(jìn)行（1、5、10、15、20）次干濕循環(huán)實(shí)驗(yàn)，并對處于濕潤狀態(tài)下的巖芯進(jìn)行核磁共振及應(yīng)力應(yīng)變測試，對比分析巖心孔、裂縫、應(yīng)力應(yīng)變曲線的變化情況。

圖1泥質(zhì)砂巖試件照片

2.核磁共振T2分布變化情況：

圖2為泥質(zhì)砂巖經(jīng)歷不同干濕循環(huán)次數(shù)后的T2譜分布圖。從圖中可以看出，第1次干濕循環(huán)后，泥質(zhì)砂巖內(nèi)部初始孔徑大小分布均勻，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，巖石內(nèi)部的孔隙逐漸增多，并有大量小孔出現(xiàn)（左邊的峰上升明顯）。當(dāng)循環(huán)次數(shù)較多后（n>=10）,泥質(zhì)砂巖內(nèi)部損傷明顯，并產(chǎn)生大量微裂縫（右峰明顯突出）。當(dāng)循環(huán)次數(shù)n>15后，波峰的變化較小，譜面積變化增量不明顯。

圖2泥質(zhì)砂巖在不同干濕循環(huán)次數(shù)下的核磁T2譜圖

由于T2譜圖的總面積代表巖石內(nèi)部的總孔隙體積，而譜面積的大小與巖石中所含流體的多少成正比，即與巖石中孔隙率的大小相關(guān)。通過求取平均的譜面積與循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，即可求得孔隙率與干濕循環(huán)次數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系（圖3），從圖中可以看出，孔隙率與干濕循環(huán)次數(shù)呈現(xiàn)出定量的指數(shù)關(guān)系。

圖3 孔隙率與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線

眾所周知，在質(zhì)子加權(quán)成像中，像素點(diǎn)越亮表明氫原子核含量越多，即含水率越大。圖4為同一塊巖樣在不同循環(huán)狀態(tài)下的相同截面積的MRI圖，圖中亮色區(qū)域代表流體填充孔隙，不同亮度代表不同的含水率孔隙，灰度值越大，孔隙，裂縫中含水率越多。當(dāng)然區(qū)域中像素點(diǎn)越密集，代表孔隙、裂縫越發(fā)育。

從圖中可以看出，隨著干濕循環(huán)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，巖石內(nèi)部孔隙逐漸增多，孔隙尺寸增大，形成貫通的小裂縫并逐漸擴(kuò)展，不同循環(huán)次數(shù)作用后的MRI內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化與SEM微觀結(jié)構(gòu)變化相似（圖5）。

圖4 干濕循環(huán)后泥質(zhì)砂巖試樣的核磁共振成像結(jié)果

圖5 不同干濕循環(huán)下泥質(zhì)砂巖試件SEM圖片

核磁成像是灰度值把自旋密度、橫向弛豫時間、縱向弛豫時間等NMR參數(shù)作為空間坐標(biāo)的函數(shù)，利用相位編碼技術(shù)將采集的空間數(shù)據(jù)按照規(guī)則排列在一個矩陣中，再通過二維傅里葉變換得到信號強(qiáng)度的分布信息（巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)分布信息）。圖6為不同循環(huán)次數(shù)后的MRI灰度概率密度函數(shù)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，即水-巖作用的加劇，大灰度值所占的比重增大，可以通過偏移的明顯程度反映出巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化程度，即分布期望隨著循環(huán)次數(shù)的證據(jù)變化程度逐漸變小。

圖6 不同循環(huán)次數(shù)的核磁共振成像灰度值概率分布片

4.應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系：

圖7為經(jīng)過不同次數(shù)的干濕循環(huán)后，得到的干濕循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖中可以看出，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，峰前加載階段變化規(guī)律相似，峰后力學(xué)特性存在顯著差異。當(dāng)循環(huán)次數(shù)較少時，試樣彈性階段較長，彈性模量較大，塑性區(qū)較短，巖樣呈脆性破壞；隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，彈性模量逐漸變小，巖石由脆性向延性發(fā)展，達(dá)到峰值應(yīng)力后還有較強(qiáng)的承載能力，循環(huán)次數(shù)越多，延性特征越明顯。

圖7 單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由于干濕循環(huán)次數(shù)對于泥質(zhì)砂巖試樣是一個累積損傷的過程，可以作出峰值應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)（圖8）。從圖中可以看出，每組樣品的平均峰值應(yīng)力隨著循環(huán)次數(shù)的增加呈指數(shù)關(guān)系降低。

圖8 峰值應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

5.分析與討論：

從圖5可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，在水-巖物理、化學(xué)作用等因素的影響下，水分子滲入，致使膠結(jié)物質(zhì)水解，原本均質(zhì)緊密的泥質(zhì)砂巖試件，其松散顆粒的數(shù)量越來越多，孔隙變大增多并伴隨著微裂隙的產(chǎn)生，從而更加有利于水分子沿著微裂隙等向泥質(zhì)砂巖內(nèi)部滲透，進(jìn)而降低了泥質(zhì)砂巖的凝聚力和顆粒之間的摩擦系數(shù)。同時，由于具有泥質(zhì)砂巖粒徑粗糙且棱角分明的特點(diǎn)，致使隨著水化作用的不斷加深表現(xiàn)出一定的卷曲、泥化、脫落現(xiàn)象，從而使得顆粒間的摩擦力降低。那么隨著循環(huán)次數(shù)變化的孔隙率是否與巖石力學(xué)參數(shù)存在著某種關(guān)系勒？

圖9為隨著循環(huán)次數(shù)的增加，峰值應(yīng)力與孔隙率的關(guān)系曲線，從圖中可以看出，隨著孔隙率的增大與峰值應(yīng)力呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。