砂巖干濕循環下微觀結構劣化機制

發布時間：2019-12-27 11:44

背景介紹：

隨著水利水電工程的興建與持續發展，水庫、大壩等大型水工建筑物的建設變得如火如荼。在進行大型的地質體改造的工程中，不僅需要解決復雜的地質和巖石力學問題，還需要克服水位漲落、雨水的降落與蒸發等自然環境因素對巖土穩定性的威脅。

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，在室內分別進行（1、5、10、15、20）次干濕循環實驗，并對處于濕潤狀態下的巖芯進行核磁共振及應力應變測試，對比分析巖心孔、裂縫、應力應變曲線的變化情況。

圖1泥質砂巖試件照片

2.核磁共振T2分布變化情況：

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

圖2泥質砂巖在不同干濕循環次數下的核磁T2譜圖

由于T2譜圖的總面積代表巖石內部的總孔隙體積，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。通過求取平均的譜面積與循環次數的變化規律，即可求得孔隙率與干濕循環次數之間的相關關系（圖3），從圖中可以看出，孔隙率與干濕循環次數呈現出定量的指數關系。

圖3 孔隙率與干濕循環次數的關系曲線

眾所周知，在質子加權成像中，像素點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狀態下的相同截面積的MRI圖，圖中亮色區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。當然區域中像素點越密集，代表孔隙、裂縫越發育。

從圖中可以看出，隨著干濕循環實驗的進行，巖石內部孔隙逐漸增多，孔隙尺寸增大，形成貫通的小裂縫并逐漸擴展，不同循環次數作用后的MRI內部結構變化與SEM微觀結構變化相似（圖5）。

圖4 干濕循環后泥質砂巖試樣的核磁共振成像結果

圖5 不同干濕循環下泥質砂巖試件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參數作為空間坐標的函數，利用相位編碼技術將采集的空間數據按照規則排列在一個矩陣中，再通過二維傅里葉變換得到信號強度的分布信息（巖石內部結構分布信息）。圖6為不同循環次數后的MRI灰度概率密度函數，隨著循環次數的增加，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部結構的變化程度，即分布期望隨著循環次數的證據變化程度逐漸變小。

圖6 不同循環次數的核磁共振成像灰度值概率分布片

4.應力-應變關系：

圖7為經過不同次數的干濕循環后，得到的干濕循環應力-應變曲線。從圖中可以看出，隨著循環次數的增加，峰前加載階段變化規律相似，峰后力學特性存在顯著差異。當循環次數較少時，試樣彈性階段較長，彈性模量較大，塑性區較短，巖樣呈脆性破壞；隨著干濕循環次數的增加，彈性模量逐漸變小，巖石由脆性向延性發展，達到峰值應力后還有較強的承載能力，循環次數越多，延性特征越明顯。

圖7 單軸壓縮應力-應變曲線

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

圖8 峰值應力與循環次數關系曲線

5.分析與討論：

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

圖9為隨著循環次數的增加，峰值應力與孔隙率的關系曲線，從圖中可以看出，隨著孔隙率的增大與峰值應力呈現出正相關關系。