含水率对泥质粉砂岩物理力学性质影响机制研究获进展

2018-07-19

  含泥质类软岩遇水后强度会发生显著弱化,引发一系列工程问题,如库岸边坡失稳、矿井巷道 坍塌、隧道围岩破坏、水电站坝基变形等。国内外学者对含泥质类软岩遇水后物理、力学性质的变化进行了大量的研究。现有的研究大多集中在对各类软岩遇水后物理、力学性质变化的观测和描述,软岩的软化机制则多从其微观结构的变化进行阐释。


  一个由西安科技大学、长安大学、中国地质大学(武汉)的科研人员组成的研究团队认为,软岩遇水软化的诱因是孔隙水含量和赋存状态的动态变化,对软化原因的分析不仅要考虑孔隙水对岩石结构潜在的损伤机制(反映于力学性质的变化),还要考虑不同含水率下孔隙水自身的性质和状态(反映于物理性质的变化)。


  研究人员对泥质粉砂岩进行了室内吸水、脱水全过程试验,并测定了其在脱水过程中物理性质的变化及不同饱和度下的力学性质。继而提出孔隙水对泥质粉砂岩的微(细)观软化机制,并将其分为两类:荷载依赖性机制——主要包括孔隙水压力变化、孔隙水的流动、结合水膜的润滑、Rhebinder 效应等软化机制;非荷载依赖性机制——主要包括以黏土矿物水化为基础的软化机制,以及以可溶性矿物的溶蚀为基础的软化机制。这项成果以《含水率对泥质粉砂岩物理力学性质影响的规律与机制》为题发表于《岩石力学与工程学报)2018年第7期。


  研究发现,脱水过程中,泥质粉砂岩尺寸的变化表现出明显的“四阶段”减小趋势,其中饱和度在100%降至85%和从55%降至40%左右范围内,直径和高度快速降低,其余饱和度范围内尺寸下降缓慢;脱水过程中纵波波速呈现先减小后增加的趋势,极小值出现在饱和度65%左右。泥质粉砂岩强度和弹性模量均随含水量的增加而降低,且超过60%的强度损失发生在低饱和度的状态下。泥质粉砂岩纵波波速的变化趋势受孔隙水含量和赋存状态的控制。岩样脱水前期(饱和度由100%至65%),水–气界面的出现,以及弹性波在水、岩中振动不同步导致波速呈下降趋势;脱水后期(饱和度由65%至25%),随着弹性波振动不同步现象消失,以及岩石骨架收缩导致弹性模量增大,波速呈增加趋势。


  研究人员同时指出,泥质粉砂岩在低饱和度下强度的显著衰减,除了由于黏土矿物的水化及可溶性矿物的溶蚀产生的岩石骨架的损伤外,在外荷载变化的过程中,结合水膜的润滑效应是另外一个重要原因。


  这项研究得到了中国博士后科学基金面上项目及国家自然科学基金的资金支持。


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  责任编辑:宫在芹
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男,1965年11月6日生,山西五台人,中国共产党十六大、十八大、十九大...

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