Investigación de la evolución del daño interno en gneis considerando el ablandamiento del agua.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 12672 (2023) Citar este artículo

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En los túneles de roca blanda, a menudo se producen grandes deformaciones durante la construcción, especialmente cuando el agua subterránea se filtra y ablanda la roca circundante. Para lograr el propósito de estudiar el efecto suavizante de la inmersión en agua sobre la resistencia y estabilidad de la roca circundante, se seleccionaron 15 muestras de roca para pruebas físicas y mecánicas en 5 condiciones: estado natural e inmersión libre durante 1, 3, 6 y 9 meses. y también se adoptó la tecnología de resonancia magnética nuclear (RMN) para probar la estructura de los poros internos de muestras con diferentes duraciones de inmersión, por lo tanto, las características de la microestructura del gneis, como el tiempo de relajación de RMN, la distribución del espectro T2, la porosidad y la relación de volumen de poros de Luego se obtuvieron diferentes tamaños de poro bajo ablandamiento con agua. Los resultados de RMN muestran que cuanto mayor sea el tiempo de inmersión libre de la muestra de roca, mayor será la porosidad; al mismo tiempo, el número de microporos en la roca disminuye gradualmente bajo la interacción del agua y la roca, y los mesoporos aumentan ligeramente primero y luego disminuyen todo el tiempo. El número de macroporos aumenta gradualmente. Cuando la duración de la inmersión es de 6 meses, el número de macroporos comienza a aumentar significativamente y las propiedades mecánicas de las muestras comienzan a disminuir significativamente. A los 9 meses, la proporción de macroporos en la roca alcanzó el 57,6%. Los resultados mostraron que el crecimiento del número de macroporos es la causa fundamental del fallo macroscópico de la muestra de roca. Los resultados del estudio son importantes para la construcción in situ en zonas ricas en agua.

En las condiciones naturales especiales de las zonas ricas en agua, las aguas subterráneas influyen inevitablemente en la construcción de ingeniería geotécnica. En comparación con otras rocas, la roca blanda tiene las características de estructura rota y alta expansibilidad, y la inmersión prolongada en agua causará una disminución de la capacidad de autoportación y una disminución obvia de la resistencia en términos de las propiedades mecánicas1, mientras que el daño interno se manifiesta por El cambio continuo de la compleja estructura de los poros existió en la roca durante el proceso de ablandamiento del agua, lo que determina las propiedades mecánicas y las características de fractura macroscópicas de la roca2. Por lo tanto, si las características del daño interno de la roca blanda bajo ablandamiento por inmersión se pueden comprender con precisión, será de gran importancia analizar la deformación y falla de la roca blanda.

Actualmente, muchos científicos nacionales y extranjeros han realizado muchos experimentos y estudios teóricos sobre el impacto del efecto de ablandamiento por inmersión en agua sobre las propiedades y daños internos de la roca. En cuanto al impacto sobre las propiedades mecánicas, Hashiba et al. Se llevaron a cabo pruebas de compresión y tracción para investigar si la deformación y falla de la andesita de montaña pueden verse influenciadas por la saturación de agua. Los resultados muestran que la resistencia a la compresión y la resistencia a la tracción de las rocas disminuyen linealmente con el logaritmo de la saturación de agua3. Hasan et al. utilizó el método del calibrador saturado para realizar experimentos de interacción agua-roca y exploró cómo el agua afecta el mecanismo de resistencia del granito bajo diferentes grados de meteorización. Los resultados muestran que cuando existe agua en la microestructura de la roca, se producirán procesos de humectación y secado. En este proceso se generan muchos microporos, lo que provoca el debilitamiento de la estructura y resistencia de la roca4. Para estudiar cómo cambian las propiedades físicas y mecánicas de la piedra arenisca bajo la influencia del agua, Zhou et al. utilizaron ensayos de compresión uniaxial para estudiar areniscas con diferente contenido de humedad. Muestra que la resistencia a la compresión uniaxial y el módulo elástico de la arenisca son inversamente proporcionales al contenido de humedad, lo que significa que la presencia de agua ablandará la roca y debilitará las propiedades mecánicas5. Para conocer todo el proceso y mecanismo de erosión y destrucción de las Grutas de Longyou por el cambio del entorno acuático, Shao et al. realizaron pruebas de propiedades mecánicas y ondas elásticas de arenisca en diferentes condiciones de carga de agua. Los resultados de la investigación muestran que a medida que aumenta el contenido de humedad, las características de ablandamiento de la deformación se debilitan, mientras que la resistencia máxima y el módulo de elasticidad disminuyen exponencialmente6. Considerando que la presencia de agua provocará un cambio de gradiente en la temperatura interna de la roca, lo que afectará aún más sus propiedades mecánicas, Yu et al. Al realizar múltiples ciclos de enfriamiento y calentamiento sobre granito, y al realizar experimentos mecánicos estáticos, la prueba muestra que cuando la prueba se realiza en múltiples ciclos en condiciones de frío y calor, la resistencia del granito disminuye significativamente7. Rabat et al. evaluó el efecto del agua sobre las resistencias a la compresión máxima y residual y el módulo de tracción tangente de materiales a diferentes presiones de confinamiento mediante pruebas de compresión triaxial, y encontró que bajo diferentes condiciones de presión de confinamiento, el agua causaría que la resistencia y el módulo de tracción de la muestra de roca probada aumentaran. disminuir significativamente8. Verstrynge et al. investigó el impacto de la humedad en la forma de daño de la arenisca ferrosa desde el aspecto microscópico y macroscópico, y el análisis experimental se llevó a cabo en diferentes niveles. Se descubrió que la resistencia y rigidez de la arenisca de hierro de menor calidad disminuían de manera más evidente9. En la prueba de fluencia de control de emisiones acústicas, la adsorción de agua por la arenisca cambió el comportamiento de la muestra de falla por fluencia metaestable a falla acelerada. Explorar el mecanismo de acción del agua sobre la fuerza del olivino y los cambios estructurales internos. Tielke et al. realizaron dos pruebas de deformación en olivino sometido a condiciones anhidras e hidratadas, y encontraron que el cristal se hidrolizaría y debilitaría, y la resistencia se reduciría significativamente10.

También existen muchos estudios sobre el daño interno de la roca por el efecto suavizante de la inmersión en agua. Li y col. Se llevaron a cabo observaciones en tiempo real durante todo el proceso para investigar el daño microscópico de la brecha de yeso bajo carga de compresión uniaxial, y los resultados muestran que las microfisuras del daño inicial causadas por la influencia del ambiente acuoso son un factor importante en el efecto de ablandamiento. del agua sobre las propiedades mecánicas de las rocas blandas que se hinchan11. Nara et al. utilizaron el método de relajación de carga para estudiar la tasa de crecimiento de grietas en condiciones constantes de temperatura y humedad. Se encontró que, cuando bajo un factor de intensidad de tensión dado, la humedad relativa a una temperatura constante aumentaba tres o cuatro veces, la tasa de crecimiento de la grieta aumenta exponencialmente12. Quan et al. utilizó CT para obtener todo el proceso de interacción en tiempo real entre lutita y agua. Los resultados muestran que la naturaleza discontinua de la creación de poros diminutos proporciona el camino original para la intrusión de agua en la roca. El agua natural provoca entonces la expansión volumétrica de los minerales arcillosos y la disolución de los carbonatos, lo que afecta a la expansión y conexión de las fisuras y, en última instancia, conduce a la destrucción de la lutita13. Sobre la base de la resonancia magnética nuclear (RMN), Sun et al. analizaron los cambios de los poros internos y los mecanismos de deformación del esquisto bajo la influencia de la duración de la inmersión y la concentración de la solución de inmersión. Los resultados muestran que bajo la interacción entre agua y roca, la distribución de los poros internos de la roca afecta aún más la estabilidad del talud, lo que debe tomarse en serio14. Xing et al. inyectaron presión de agua en la superficie de la roca con defectos preexistentes y observaron el rango de distribución y el tamaño de la forma de las grietas mediante técnicas de CT y SEM. Después del análisis, se encuentra que la presión del agua acelerará la expansión adicional de la grieta original, y la forma principal de fuerza se expresa como tensión15. Al investigar sobre el cambio de resistencia de la roca en función de diferentes duraciones de inmersión, Zhu et al. tomó roca de yeso como muestra de roca experimental, realizó pruebas de microscopía electrónica y de compresión convencional en muestras de roca bajo diferentes duraciones de inmersión. Los resultados muestran que, a medida que aumenta la duración de la inmersión, los enlaces en las fracturas microporosas y los cristales en las puntas de las microfisuras se debilitarán debido a la hidrólisis y las microfisuras continuarán expandiéndose16.

En resumen, los estudios mencionados anteriormente se concentraron principalmente en la forma de falla por ablandamiento de la roca o el cambio en las propiedades mecánicas causado por la inmersión. No existe un análisis en profundidad sobre el daño interno de la roca, y la distribución y proporción de los diferentes poros en la roca son la causa fundamental que a menudo conduce al ablandamiento hasta el daño macroscópico. Sin embargo, todavía hay pocos estudios al respecto.

Por lo tanto, sobre la base de la teoría del daño de la roca, este artículo toma como objeto de investigación el gneis, realiza ensayos de compresión uniaxial en interiores y ensayos de RMN, y analiza la resistencia a la compresión uniaxial, el módulo elástico, el espectro T2, la porosidad de la roca y el cambio en la proporción del volumen de poros de diferentes aperturas en diferentes duraciones de inmersión. Y combinado con la hipótesis de deformación equivalente, define la variable de daño sobre la base del módulo elástico, ajusta la relación entre las duraciones de inmersión y la variable de daño, analiza las características de la distribución del tamaño de los poros y el mecanismo de daño y deterioro del agua de los poros en la estructura de los poros. gneis bajo el efecto suavizante del agua, y se revela el grado de influencia y características de daño de diferentes tamaños de poros en el daño interno de las rocas.

La muestra de roca seleccionada es gneis, tomada de un túnel ferroviario desde Zhenjiangguan a Songpan en la provincia de Sichuan, con buena uniformidad e integridad, que van del gris claro al gris oscuro. Los principales componentes minerales son cuarzo, feldespato, clorita, sericita, etc. La roca es relativamente blanda, frágil al martillar y el núcleo es nudoso. Entre estas composiciones minerales, el feldespato es el mineral compuesto compuesto principalmente por magnesio (0,32%), potasio (0,67%), calcio (0,18%) y otros elementos. Es fácil de disolver bajo inmersión. Por tanto, en el proceso de inmersión se producirá la interacción agua-roca. De acuerdo con los estándares de prueba convencionales de mecánica de rocas, se procesaron 15 piezas y 5 grupos de probetas cilíndricas de 100 mm × 50 mm de acuerdo con una relación altura-diámetro de 2:1. El número de muestra es Sxy, en el que x representa la duración de inmersión libre del bloque de prueba y el valor es 0, 1, 3, 6, 9, y representa el número ordinal del bloque de prueba, el valor es 1, 2, y 3. Seleccionar el bloque de prueba numerado para la prueba de deformación por compresión uniaxial de una muestra de roca. La otra parte se procesa en 3 piezas de 3 grupos de muestras cilíndricas de 50 mm × 50 mm según una relación altura-diámetro de 1:1. El número de muestra es Si, en el que i representa el número ordinal del bloque de prueba y el valor es 1, 2, 3. Seleccione el bloque de prueba numerado para la prueba de RMN.

Las 15 muestras de roca tomadas en sitio se utilizaron en estado natural y después de inmersión libre durante 1, 3, 6 y 9 meses, respectivamente, utilizando la máquina de prueba de presión con pantalla digital YA-2000 para completar la prueba de compresión uniaxial. Las tres muestras de roca restantes se probaron con el analizador de imágenes de RMN de tamaño mediano MesoMR23-060H-I con una frecuencia de resonancia de 23,415 MHz, un diámetro de bobina de 70 mm y una temperatura del imán de 32 °C en las mismas cinco condiciones indicadas anteriormente. Cabe señalar que después de cada período de medición, es necesario tomar una muestra de roca y limpiar el agua de la superficie antes de realizar la prueba de resonancia magnética nuclear para obtener los cambios en la porosidad, el tiempo de relajación lateral del espectro T2 antes y después de la inmersión. .

Los datos obtenidos de cada grupo de pruebas de compresión uniaxial se procesaron y representaron como curvas de tensión-deformación, que se muestran en la Fig. 1 (para el análisis comparativo, se seleccionó una curva típica como curva representativa para cada grupo).

Curvas tensión-deformación uniaxiales de compresión de muestras de roca bajo diferentes duraciones de inmersión libre.

A través de pruebas de deformación por compresión uniaxial de muestras de roca dentro de diferentes duraciones de inmersión libre, se investiga cómo cambian las propiedades mecánicas de las muestras de roca bajo la influencia de los efectos de ablandamiento causados por la inmersión y también se analiza el daño de la roca desde una perspectiva macro. Los resultados de las pruebas se analizan principalmente a partir de los cambios en las propiedades mecánicas. Estudiando el módulo elástico E se analiza cuantitativamente el daño interno de la roca.

Para simplificar la ecuación constitutiva de la muestra de roca, se considera el factor de daño, basándose en la hipótesis de deformación equivalente propuesta por el estudioso francés Lemaitre, que significa que la tensión total se reemplaza por la tensión efectiva, la deformación y la tensión total de la roca no obtenida. -el material destructivo actúa sobre la deformación producida por el material con pérdidas es equivalente17. Esta hipótesis ha sido ampliamente utilizada para estudiar las características de deformación y daño de rocas, concreto y otros materiales18,19. Después de la deducción, se obtiene la expresión de la variable de daño basada en el módulo de elasticidad:

donde E significa el módulo de elasticidad del material no destructivo, E` significa el módulo de elasticidad del material dañado, D significa la variable de daño y 0 ≤ D ≤ 1.

Aunque la aplicación de esta variable de daño relacionada con el comportamiento macromecánico es más conveniente, es limitada porque muchos materiales tienen daño inicial en las prácticas reales de ingeniería. Tomando como ejemplo la muestra de roca de este artículo, es el material con daño natural. Casi no hay roca libre de daños, por lo que para materiales con daños naturales como las rocas, es más difícil medir el módulo elástico del material no destructivo en la fórmula anterior. Por lo tanto, es necesario señalar que el módulo de elasticidad E en la fórmula de cálculo anterior es totalmente diferente al módulo de elasticidad en la ecuación constitutiva de daño tradicional: la ecuación constitutiva de daño tradicional toma el módulo de elasticidad de una roca verdaderamente compacta y sin daños, lo cual es más difícil. La ecuación constitutiva del daño dada aquí es el módulo de elasticidad en el estado natural de la roca (daño inicial o daño inicial), que es relativamente fácil de medir.

Con base en los datos de las pruebas de campo, las variables de daño a las rocas de cada etapa de inundación se calculan mediante la fórmula (1) y los resultados se muestran en la Tabla 1.

La Tabla 1 muestra que la resistencia a la compresión última uniaxial y el módulo de elasticidad de las muestras de roca se ven afectados en diferentes grados con el aumento de la duración de la inmersión libre, y ambos mostraron una tendencia decreciente. Cuando la inmersión libre es durante 9 meses, el módulo elástico de las muestras de roca es de solo 9,105 GPa, una disminución del 91,2% en comparación con el estado natural, la resistencia a la compresión uniaxial es de solo 6,3 MPa, una disminución del 77,7% en comparación con el bajo el estado natural, y la variable de daño D es 0,912 en este punto. Esto indica que el daño interno es grave y la roca casi pierde su resistencia original. Las curvas de resistencia a la compresión obtenidas de ensayos uniaxiales también pueden utilizarse como evidencia.

El daño por deformación por compresión uniaxial de muestras de roca bajo diferentes duraciones de inmersión libre exhibe un daño por división de la cara débil y frágil, que se descascarilla después del daño. Esta forma de daño ocurre principalmente debido a la delgada estructura laminar de la propia muestra de roca y la orientación de sus juntas internas paralelas a la sección de la muestra. La forma de daño de esta muestra de roca no está relacionada con su tiempo de ablandamiento por inmersión, pero el grado de daño aumenta con el aumento del tiempo de inmersión. Con la prolongación de la duración de la inmersión en agua libre, el daño por compresión uniaxial aparece cada vez más grietas, y el grado de daño se vuelve cada vez mayor, incluso algunas de las muestras tienen escamas o extrusión de "barra de compresión" después del daño por compresión. La superficie de fractura por cizallamiento también va acompañada de un polvo gris formado por una fuerte fricción, lo que indica que el número de poros internos aumenta y el tamaño de los poros aumenta después de la inmersión libre de la muestra de roca con la extensión del tiempo de inmersión libre. La superficie estructural débil y la superficie de la junta se ablandan continuamente, la fuerza de cementación y la fuerza de mordida mecánica disminuyen gradualmente, el fenómeno de concentración de tensión local es obvio y el grado de daño aumenta gradualmente.

Se ajustan los datos sobre la variable de daño de la muestra de roca dentro de diferentes duraciones de inmersión libre que se muestran en la Tabla 1, la variable de daño y las duraciones de inmersión libre correspondientes, que se muestran en la Fig. 2.

Diagrama de curva de ajuste de la variable de daño de la muestra de roca y diferentes duraciones de inmersión libre.

La Figura 2 indica que el ajuste de la variable de daño de la muestra de roca y las duraciones de inmersión libre es básicamente consistente, el coeficiente de correlación de ajuste R2 = 0,9976 y la relación de ajuste es un polinomio cuadrático, como se muestra en la fórmula (2).

Se compararon y analizaron los errores de los valores predichos ajustados de las variables de daño de las muestras de roca bajo diferentes duraciones de inmersión libre y los valores medidos de las pruebas, como se muestra en la Tabla 2. De la Tabla 2, se puede ver que los valores ajustados y Los valores medidos están dentro de un rango razonable y, por lo tanto, la confiabilidad de la ecuación. 2 se pueden verificar.

La variable de daño de la muestra de roca mostró una tendencia creciente gradual con la extensión de las duraciones de inmersión libre, y en el noveno mes, D estaba cerca de 1 y la roca se acercaba al estado de falla.

El tiempo que tarda un protón en moverse en presencia de un campo magnético se llama tiempo de relajación, el cual está representado por T2. El tiempo de relajación T2 no sólo está relacionado con las características del propio núcleo atómico, sino que también se ve afectado por el volumen de los poros y la superficie. En términos generales, el tiempo de relajación disminuye a medida que disminuye el tamaño de los poros, por lo que la distribución del espectro T2 observada puede representar la distribución del tamaño de los poros de la muestra de roca después de una escala o conversión razonable. El área bajo la curva puede representar el porcentaje del volumen de los poros.

Dado que la relajación libre, la relajación superficial y la relajación difusiva son los tres mecanismos de relajación de los fluidos de los poros de las rocas, T2 se puede representar como:

A través de la investigación de muchos académicos, se ha descubierto que la relajación libre y la relajación por difusión son muy pequeñas en comparación con la relajación superficial. Por tanto, la relajación T2 está determinada principalmente por la relajación superficial. Por lo tanto, la ecuación. (3) se puede simplificar como:

donde V significa el volumen de poros (cm3); S significa el área de superficie de los poros (cm2); ρ2 significa la fuerza de relajación de la superficie lateral (μm/ms).

Según la fórmula (4), se puede calcular la apertura. Al mismo tiempo, se puede ver en la fórmula (4) que existe una cierta relación proporcional entre la tasa de tiempo de relajación lateral 1/T2 y el área de superficie de los poros y el volumen del material medido. Por lo tanto, a través de la distribución del tiempo de relajación transversal T2 dentro del material de prueba, se puede calcular indirectamente el tamaño de los poros y la información de distribución dentro del material de prueba. Los resultados se analizan principalmente desde los dos aspectos siguientes: el cambio de porosidad de la muestra de roca dentro de diferentes duraciones de inmersión libre y el cambio de distribución de poros de la muestra de roca dentro de diferentes duraciones de inmersión libre.

Análisis del cambio de porosidad.

La porosidad interna de la muestra de roca dentro de diferentes duraciones de inmersión libre obtenidas de los resultados de la prueba de RMN se muestran en la Tabla 3 y la Figura 3.

Curvas de variación de la porosidad media de muestras de roca bajo diferentes duraciones de inmersión libre.

La Tabla 3 y la Fig. 3 muestran que los cambios de porosidad de la muestra de roca con la extensión de las duraciones de inmersión libre muestran las dos características siguientes:

La porosidad de las muestras de roca se correlaciona positivamente con la duración de la inmersión libre. La porosidad de las muestras de roca en estado natural es de aproximadamente 0,437%, y aquellas en condiciones de inmersión libre durante 1 mes, 3 meses, 6 meses y 9 meses son de aproximadamente 0,542%, 0,716%, 0,904% y 1,248% respectivamente, lo que muestran los aumentos de 0,105%, 0,279%, 0,467% y 0,811% respectivamente en comparación con la porosidad en estado natural.

Cuando la duración de la inmersión libre alcanza los 6 meses, la tasa de crecimiento de la porosidad de las muestras de roca comienza a aumentar. Durante el 1er mes de inmersión libre, la porosidad tiene un pequeño cambio, que aumentó un 24,0% respecto al estado natural. En el noveno mes, la porosidad ha aumentado un 185,6% respecto a la del estado natural y un 38,1% respecto a la del sexto mes. La porosidad de la muestra de roca ha cambiado significativamente antes y después, y el daño interno es grave.

Análisis de cambios en la distribución de poros.

Porque la proporción de diferentes tamaños de poros en la roca seguirá cambiando con la extensión del tiempo de inmersión libre. La proporción de macroporos tiene un mayor impacto en las propiedades mecánicas de la roca que los microporos y mesoporos. Y la diferencia en el tamaño, la forma y la distribución de los poros dentro de la roca también causarán diferencias en la distribución del agua de los poros, lo que a su vez causará diferentes formas de daño y deterioro de la estructura de los poros. Por lo tanto, comprender bien las características de la distribución del tamaño de los poros de la roca es importante para analizar la ley de daño interno de la roca bajo el efecto de ablandamiento del agua (material suplementario).

Haciendo referencia al método de clasificación del radio de poro de medición de la presión capilar en el laboratorio y combinándolo con las características de distribución del tamaño de los poros del gneis utilizado, este artículo divide el tamaño de los poros del gneis en tres intervalos con fines estadísticos: la r de los microporos es inferior a 0,01 µm; la r de los mesoporos está entre 0,01 µm y 0,05 µm; y la r de los macroporos está entre 0,05 µm y 1 µm20,21. De acuerdo con la fórmula (4) y el espectro T2 de la muestra de roca dentro de diferentes duraciones de inmersión libre medidas por resonancia magnética nuclear, se obtiene la distribución de volumen de diferentes radios de poro. Se analizaron los resultados y se trazó el histograma del radio de poro y el porcentaje de volumen de poro de las muestras diagenéticas, y en la Fig. 4 se muestra el gráfico de líneas discontinuas de las duraciones de inmersión libre y el porcentaje de volumen de poro.

Distribución y cambio de la relación de volumen de poros de muestras de roca dentro de diferentes duraciones de inmersión libre. (A) S-1. (B) S-1 Cambios en la relación de volumen de cada poro. (C) S-2. (D) S-2 Cambios en la relación de volumen de cada poro. (MI) S-3. (F) S-3 Cambios en la relación de volumen de cada poro. (G) Cambio en la proporción promedio de cada volumen de poro.

La Figura 4 indica que la distribución del radio de los poros y la proporción del volumen de los poros de los microporos, mesoporos y macroporos en la muestra de roca dentro de diferentes duraciones de inmersión libre muestran los dos cambios siguientes:

La distribución del radio de los poros dentro de la muestra de roca está entre 0 µm y 100 µm, y la mayor parte del radio de los poros está en el rango de 0,01 µm ~ 40 µm.

En estado natural y en condiciones de inmersión libre durante 1, 3, 6 y 9 meses, el volumen de microporos en las muestras de roca representó el 47,41%, 39,03%, 31,98%, 29,92% y 21,61% respectivamente, el de mesoporos el 36,49%. , 39,93%, 41,10%, 35,64% y 28,63% respectivamente, y macroporos 16,10%, 21,04%, 26,92%, 34,43% y 49,76% respectivamente. Muestra que, con la extensión de la duración de la inmersión libre, el número de microporos disminuye gradualmente, los mesoporos primero aumentan y luego disminuyen, y los macroporos aumentan gradualmente. Esto se debe a que el tamaño de las partículas y la morfología del mineral dentro de la roca afectarán las características de sus poros. Con la extensión del tiempo de remojo, muchos componentes minerales dentro de la filita, como el feldespato, se disuelven fácilmente bajo el remojo en agua. Las partículas y cementos que llenan los poros se desprenden fácilmente y migran bajo la acción de la fuerza de corte del fluido, lo que da como resultado los pequeños poros originales dentro de la roca. Los poros están interconectados y eventualmente se convierten en poros medianos y poros grandes, y el grado de daño aumenta gradualmente. Cuando la duración de la inmersión alcanza los 6 meses, el número de macroporos comienza a aumentar significativamente y las propiedades mecánicas de las muestras comienzan a disminuir significativamente. A los 9 meses, la proporción de macroporos en la roca ha alcanzado el 57,6%, lo que indica que los microporos en la roca, bajo el impacto de las reacciones agua-roca, se han convertido gradualmente en mesoporos y macroporos, y el aumento de macroporos agravará el deterioro interno. daño de la roca y eventualmente conducir a su destrucción macroscópica.

En este trabajo, basándose en el daño de la roca y considerando el efecto suavizante de la inmersión, se han realizado pruebas macromecánicas comunes y pruebas de micro-RMN sobre gneis en estado natural y en condiciones de libre inmersión durante 1, 3, 6 y 9 meses. . Combinando los resultados de las pruebas macroscópicas y microscópicas, se analiza la relación entre el daño interno de la roca y las duraciones de inmersión libre y se resume la regla. Se obtuvieron las siguientes conclusiones:

A medida que aumenta la duración de la inmersión libre, el módulo de elasticidad y la resistencia a la compresión uniaxial de las rocas mostraron una tendencia decreciente. A partir del sexto mes de inmersión libre, la resistencia a la compresión uniaxial y el módulo de elasticidad decrecen bruscamente con una tasa de 66,0% y 77,2% respectivamente. Para el noveno mes, el módulo de elasticidad es de sólo 9,105 GPa, lo que supone una disminución del 91,2 % en comparación con el del estado natural, y la resistencia a la compresión uniaxial es de sólo 6,3 MPa, lo que supone una disminución del 77,7 % en comparación con la del estado natural. . Los datos de las pruebas muestran que el agua influye en gran medida en las propiedades mecánicas y en el daño interno de la roca.

Combinando con los principios relacionados de la mecánica de daños y basándose en el supuesto de deformación equivalente de Lemaitre, el módulo elástico continuo E se utiliza para describir cuantitativamente el daño al gneis causado por las duraciones de inmersión y ajustar la relación entre la variable de daño D y la expresión t de las duraciones de inmersión. .

A partir de los resultados de la prueba de RMN del gneis bajo diferentes duraciones de inmersión, la porosidad de la muestra de roca en su estado natural y en condiciones de inmersión libre durante 1, 3, 6 y 9 meses es 0,437%, 0,542%, 0,716%, 0,904%. y 1,248%, respectivamente. La porosidad de la roca se correlaciona positivamente con la duración de la inmersión. Además, cuando la duración de la inmersión alcanzó un cierto valor crítico, la tasa de crecimiento de la porosidad de las muestras de roca comenzó a mostrar un aumento significativo, y el cambio de porosidad fue el mayor después de 6 meses de duración de la inmersión, y la tasa de crecimiento de la porosidad de las muestras de roca fue del 38,1% desde los 6 meses de inmersión hasta los 9 meses de inmersión.

La proporción de poros en la muestra de roca cambia constantemente con el aumento de la duración de la inmersión. El número de microporos disminuye gradualmente, los poros medianos primero aumentan y luego disminuyen, y los macroporos aumentan gradualmente. Hacia el sexto mes, el número de macroporos comienza a aumentar significativamente y las propiedades mecánicas de las muestras comienzan a disminuir significativamente. Para el noveno mes, la proporción de macroporos en la roca ha alcanzado el 57,6%, debido a que, con la hidratación dentro de la roca, los microporos originales se irán transformando gradualmente en mesoporos y macroporos. Dado que la proporción de macroporos es decisiva para las propiedades mecánicas y el daño interno de las rocas, el grado de daño dentro de la roca se puede describir cuantitativamente mediante la proporción de macroporos.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado [y sus archivos de información complementaria].

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Esta investigación cuenta con el apoyo financiero del proyecto especial local del servicio del Departamento de Educación de la provincia de Shaanxi (22JC040) del Departamento de Educación de la provincia de Shaanxi y el Programa de investigación básica de ciencias naturales de la provincia de Shaanxi (2023-JC-YB-327) del Departamento de Ciencia y Tecnología de Provincia de Shaanxi.

Shaanxi Transportation Holding Group Co., Ltd., Xi'an, 710065, China

Sol de Changhai

Escuela de Ingeniería Civil y Arquitectura, Universidad Tecnológica de Xi'an, Xi'an, 710021, China

Bingxin Xie, Rui Wang, Xianghui Deng y Jin Wu

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CS, BX escribieron el manuscrito, RW, XD realizaron el experimento y JW cotejaron los datos experimentales.

Correspondencia a Rui Wang.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Sun, C., Xie, B., Wang, R. et al. Investigación de la evolución del daño interno en gneis considerando el ablandamiento del agua. Informe científico 13, 12672 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39664-8

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Recibido: 13 de abril de 2023

Aceptado: 28 de julio de 2023

Publicado: 04 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39664-8

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