Untersuchung der inneren Schadensentwicklung im Gneis unter Berücksichtigung der Wasserenthärtung

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 12672 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Bei Weichgesteinstunneln kommt es während des Baus häufig zu großen Verformungen, insbesondere wenn das Grundwasser versickert und das umgebende Gestein aufweicht. Um den erweichenden Effekt des Eintauchens in Wasser auf die Festigkeit und Stabilität des umgebenden Gesteins zu untersuchen, wurden 15 Gesteinsproben für physikalische und mechanische Tests unter fünf Bedingungen ausgewählt: natürlicher Zustand und freies Eintauchen für 1, 3, 6 und 9 Monate. und die Kernspinresonanztechnologie (NMR) wurde auch eingesetzt, um die innere Porenstruktur von Proben mit unterschiedlichen Eintauchdauern zu testen, also die Mikrostrukturmerkmale des Gneis, wie z. B. die Verteilung des NMR-Relaxationszeit-T2-Spektrums, die Porosität und das Porenvolumenverhältnis Anschließend wurden unterschiedliche Porengrößen unter Wasserenthärtung erhalten. Die NMR-Ergebnisse zeigen, dass die Porosität umso größer ist, je länger die freie Eintauchdauer der Gesteinsprobe ist. Gleichzeitig nimmt die Anzahl der Mikroporen im Gestein unter der Wechselwirkung von Wasser und Gestein allmählich ab, und die Mesoporen nehmen zunächst leicht zu und nehmen dann ständig ab. Die Anzahl der Makroporen nimmt allmählich zu. Bei einer Eintauchdauer von 6 Monaten beginnt die Anzahl der Makroporen deutlich zuzunehmen und die mechanischen Eigenschaften der Proben beginnen deutlich zu sinken. Nach 9 Monaten hat der Anteil der Makroporen im Gestein 57,6 % erreicht. Die Ergebnisse zeigten, dass die Zunahme der Anzahl der Makroporen die Hauptursache für das makroskopische Versagen der Gesteinsprobe ist. Die Studienergebnisse haben Bedeutung für das Bauen vor Ort in wasserreichen Gebieten.

Aufgrund der besonderen natürlichen Bedingungen in wasserreichen Gebieten wird der geotechnische Bau zwangsläufig durch das Grundwasser beeinflusst. Im Vergleich zu anderen Gesteinen weist weiches Gestein die Eigenschaften einer gebrochenen Struktur und einer hohen Dehnbarkeit auf, und das längere Eintauchen in Wasser führt zu einer Abnahme der Selbsttragfähigkeit und einer offensichtlichen Abnahme der Festigkeit in Bezug auf die mechanischen Eigenschaften1, während sich innere Schäden manifestieren Während des Wasserenthärtungsprozesses kam es im Gestein zu einer kontinuierlichen Veränderung der komplexen Porenstruktur, die die mechanischen Eigenschaften und Brucheigenschaften des makroskopischen Gesteins bestimmt2. Wenn daher die inneren Schadenseigenschaften von weichem Gestein bei der Immersionserweichung genau erfasst werden können, ist die Analyse der Verformung und des Versagens von weichem Gestein von großer Bedeutung.

Derzeit haben viele in- und ausländische Wissenschaftler zahlreiche Experimente und theoretische Studien über die Auswirkungen des Erweichungseffekts beim Eintauchen in Wasser auf die Eigenschaften und inneren Schäden von Gestein durchgeführt. Bezüglich der Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften haben Hashiba et al. Um zu untersuchen, ob die Verformung und das Versagen von Gebirgsandesit durch die Wassersättigung beeinflusst werden können, wurden Druck- und Zugversuche durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Druckfestigkeit und Zugfestigkeit von Gesteinen linear mit dem Logarithmus der Wassersättigung abnehmen3. Hasan et al. nutzten die Methode des gesättigten Bremssattels, um Experimente zur Wechselwirkung zwischen Wasser und Gestein durchzuführen und untersuchten, wie Wasser den Festigkeitsmechanismus von Granit bei verschiedenen Verwitterungsgraden beeinflusst. Die Ergebnisse zeigen, dass bei Vorhandensein von Wasser in der Gesteinsmikrostruktur Benetzungs- und Trocknungsprozesse stattfinden. Bei diesem Prozess entstehen viele Mikroporen, was zu einer Schwächung der Gesteinsstruktur und Festigkeit führt4. Um zu untersuchen, wie sich die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Sandstein unter dem Einfluss von Wasser verändern, haben Zhou et al. verwendeten einachsige Kompressionstests, um Sandsteine mit unterschiedlichem Feuchtigkeitsgehalt zu untersuchen. Es zeigt, dass die einachsige Druckfestigkeit und der Elastizitätsmodul von Sandstein umgekehrt proportional zum Feuchtigkeitsgehalt sind, was bedeutet, dass die Anwesenheit von Wasser das Gestein weicher macht und die mechanischen Eigenschaften schwächt5. Um den gesamten Prozess und Mechanismus der Verwitterung und Zerstörung der Longyou-Grotten durch die Veränderung der Wasserumgebung herauszufinden, haben Shao et al. führte Tests zu mechanischen Eigenschaften und elastischen Wellen von Sandstein unter verschiedenen wasserführenden Bedingungen durch. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass mit steigendem Feuchtigkeitsgehalt die Dehnungserweichungseigenschaften schwächer wurden, während die Spitzenfestigkeit und der Elastizitätsmodul exponentiell abnahmen6. In Anbetracht der Tatsache, dass das Vorhandensein von Wasser zu einer Gradientenänderung der Innentemperatur des Gesteins führt, die sich weiter auf seine mechanischen Eigenschaften auswirkt, haben Yu et al. Durch die Durchführung mehrerer Kühl- und Heizzyklen an Granit und die Durchführung statischer mechanischer Experimente zeigt der Test, dass die Festigkeit des Granits erheblich abnimmt, wenn der Test in mehreren Zyklen unter kalten und heißen Bedingungen durchgeführt wird7. Rabat et al. untersuchten die Wirkung von Wasser auf die Spitzen- und Restdruckfestigkeit und den Tangentenzugmodul von Materialien bei unterschiedlichen Grenzdrücken durch triaxiale Kompressionstests und stellten fest, dass Wasser unter unterschiedlichen Grenzdruckbedingungen zu einer Veränderung der Festigkeit und des Zugmoduls der getesteten Gesteinsprobe führen würde deutlich abnehmen8. Verstrynge et al. untersuchte den Einfluss von Feuchtigkeit auf die Schadensform von Eisensandstein sowohl unter mikroskopischen als auch unter makroskopischen Gesichtspunkten und führte die experimentelle Analyse auf verschiedenen Ebenen durch. Es wurde festgestellt, dass die Festigkeit und Steifigkeit von Eisensandstein geringerer Qualität deutlicher abnahm9. Im Kriechtest zur Schallemissionskontrolle veränderte die Adsorption von Wasser durch den Sandstein das Verhalten der Probe von metastabilem Kriechversagen zu beschleunigtem Versagen. Untersuchung des Wirkungsmechanismus von Wasser auf die Stärke von Olivin und interne Strukturveränderungen. Tielke et al. führten zwei Verformungstests an Olivin unter wasserfreien und hydratisierten Bedingungen durch und stellten fest, dass der Kristall hydrolysiert und geschwächt wurde und die Festigkeit erheblich verringert wurde10.

Es gibt auch viele Studien über die innere Schädigung von Gestein durch den Erweichungseffekt beim Eintauchen in Wasser. Li et al. Während des gesamten Prozesses wurden Echtzeitbeobachtungen durchgeführt, um die mikroskopische Schädigung der Gipsbrekzie unter einachsiger Druckbelastung zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Mikrorisse der anfänglichen Schädigung, die durch den Einfluss der Wasserumgebung verursacht werden, ein wichtiger Faktor für den Erweichungseffekt sind von Wasser auf die mechanischen Eigenschaften von quellendem Weichgestein11. Nara et al. verwendeten die Lastrelaxationsmethode, um die Risswachstumsrate unter konstanten Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen zu untersuchen. Es wurde festgestellt, dass die Risswachstumsrate exponentiell zunimmt, wenn unter einem bestimmten Spannungsintensitätsfaktor die relative Luftfeuchtigkeit bei konstanter Temperatur um das Drei- oder Vierfache ansteigt12. Quan et al. nutzte CT, um den gesamten Prozess der Echtzeit-Interaktion zwischen Tonstein und Wasser zu erfassen. Die Ergebnisse zeigen, dass die diskontinuierliche Bildung winziger Poren den ursprünglichen Weg für das Eindringen von Wasser in das Gestein darstellt. Das natürliche Wasser bewirkt dann eine Volumenausdehnung der Tonminerale und eine Auflösung von Karbonaten, was sich auf die Ausdehnung und Verbindung der Treibrisse auswirkt und letztendlich zur Zerstörung des Tonsteins führt13. Auf der Grundlage der Kernspinresonanz (NMR) haben Sun et al. analysierten die inneren Porenveränderungen und Verformungsmechanismen von Schiefer unter dem Einfluss der Eintauchdauer und der Konzentration der Eintauchlösung. Die Ergebnisse zeigen, dass bei der Wechselwirkung zwischen Wasser und Gestein die Verteilung der inneren Poren im Gestein einen weiteren Einfluss auf die Stabilität des Hangs hat, was ernst genommen werden sollte14. Xing et al. injizierte Wasserdruck in die Gesteinsoberfläche mit bereits vorhandenen Defekten und beobachtete den Verteilungsbereich und die Formgröße von Rissen mithilfe von CT- und SEM-Techniken. Nach der Analyse wurde festgestellt, dass der Wasserdruck die weitere Ausdehnung des ursprünglichen Risses beschleunigt und die Hauptform der Kraft als Spannung ausgedrückt wird15. Zhu et al. untersuchten die Veränderung der Gesteinsfestigkeit aufgrund unterschiedlicher Eintauchdauern. nahmen Gipsgestein als experimentelle Gesteinsprobe und führten konventionelle Kompressions- und elektronische Mikroskoptests an Gesteinsproben bei unterschiedlichen Eintauchdauern durch. Die Ergebnisse zeigen, dass mit zunehmender Eintauchdauer die Bindungen in den mikroporösen Brüchen und den Kristallen an den Spitzen der Mikrorisse durch Hydrolyse schwächer werden und die Mikrorisse sich weiter ausdehnen16.

Zusammenfassend konzentrierten sich die oben genannten Studien hauptsächlich auf die erweichende Bruchform von Gestein oder die Änderung der mechanischen Eigenschaften durch Eintauchen. Es gibt keine eingehende Analyse der inneren Schädigung von Gestein, und die Verteilung und das Verhältnis verschiedener Poren im Gestein sind die Hauptursache, die häufig zu einer Erweichung bis hin zu makroskopischen Schäden führt. Allerdings gibt es hierzu noch wenige Studien.

Daher wird in diesem Artikel auf der Grundlage der Theorie der Gesteinsschädigung Gneis als Forschungsobjekt verwendet, einachsige Kompressionstests und NMR-Tests in Innenräumen durchgeführt und die einachsige Druckfestigkeit, der Elastizitätsmodul, das T2-Spektrum, die Porosität des Gesteins usw. analysiert die Änderung des Anteils des Porenvolumens verschiedener Öffnungen bei unterschiedlichen Eintauchdauern. In Kombination mit der Hypothese der äquivalenten Dehnung definiert es die Schadensvariable auf der Grundlage des Elastizitätsmoduls, passt die Beziehung zwischen Eintauchdauer und Schadensvariable an, analysiert die Eigenschaften der Porengrößenverteilung und den Schädigungs- und Verschlechterungsmechanismus von Porenwasser auf der Porenstruktur von Gneis unter der weichmachenden Wirkung von Wasser sowie der Einfluss und die Schädigungseigenschaften unterschiedlicher Porengrößen auf die innere Schädigung von Gesteinen werden aufgezeigt.

Bei der ausgewählten Gesteinsprobe handelt es sich um Gneis, der aus einem Eisenbahntunnel von Zhenjiangguan nach Songpan in der Provinz Sichuan stammt und eine gute Gleichmäßigkeit und Integrität aufweist und von hellgrau bis dunkelgrau reicht. Die wichtigsten mineralischen Bestandteile sind Quarz, Feldspat, Chlorit, Serizit usw. Das Gestein ist relativ weich, beim Hämmern brüchig und der Kern ist noppenig. Unter diesen Mineralzusammensetzungen ist Feldspat das zusammengesetzte Mineral, das hauptsächlich aus Magnesium (0,32 %), Kalium (0,67 %), Kalzium (0,18 %) und anderen Elementen besteht. Unter Eintauchen löst es sich leicht auf. Daher kommt es beim Eintauchvorgang zu einer Wasser-Gesteins-Wechselwirkung. Gemäß herkömmlichen felsmechanischen Prüfnormen wurden 15 Stück und 5 Gruppen von 100 mm × 50 mm großen zylindrischen Proben gemäß dem Höhen-Durchmesser-Verhältnis von 2:1 verarbeitet. Die Probennummer ist Sxy, wobei x die freie Eintauchdauer des Testblocks darstellt und der Wert 0, 1, 3, 6, 9 ist, y die Ordnungszahl des Testblocks darstellt und der Wert 1, 2 ist. und 3. Wählen Sie den nummerierten Testblock für den einachsigen Druckverformungstest der Gesteinsprobe aus. Der andere Teil wird in 3 Stücke von 3 Gruppen von 50 mm × 50 mm großen zylindrischen Proben entsprechend dem Höhen-Durchmesser-Verhältnis von 1:1 verarbeitet. Die Probennummer ist Si, wobei i die Ordnungszahl des Testblocks darstellt und der Wert 1, 2, 3 ist. Wählen Sie den nummerierten Testblock für den NMR-Test aus.

Die 15 vor Ort entnommenen Gesteinsproben wurden im natürlichen Zustand und nach freiem Eintauchen für 1, 3, 6 bzw. 9 Monate verwendet, wobei die Druckprüfmaschine YA-2000 mit Digitalanzeige zur Durchführung des einachsigen Kompressionstests verwendet wurde. Die verbleibenden drei Gesteinsproben wurden mit dem mittelgroßen NMR-Bildgebungsanalysator MesoMR23-060H-I mit einer Resonanzfrequenz von 23,415 MHz, einem Spulendurchmesser von 70 mm und einer Magnettemperatur von 32 °C unter denselben fünf zuvor angegebenen Bedingungen getestet. Es ist zu beachten, dass nach jedem Messzeitraum eine Gesteinsprobe entnommen und das Oberflächenwasser abgewischt werden muss, bevor der Kernspinresonanztest durchgeführt wird, um die Änderungen der Porosität und das Spektrum der lateralen Relaxationszeit T2 vor und nach dem Eintauchen zu erhalten .

Die aus jeder Gruppe von einachsigen Kompressionstests erhaltenen Daten wurden verarbeitet und als Spannungs-Dehnungs-Kurven dargestellt, was in Abb. 1 dargestellt ist (zur Vergleichsanalyse wurde eine typische Kurve als repräsentative Kurve für jede Gruppe ausgewählt).

Einachsige Druckspannungs-Dehnungs-Kurven von Gesteinsproben bei verschiedenen freien Eintauchdauern.

Durch einachsige Druckverformungstests von Gesteinsproben innerhalb verschiedener freier Eintauchdauern wird untersucht, wie sich die mechanischen Eigenschaften von Gesteinsproben unter dem Einfluss von Erweichungseffekten durch Eintauchen ändern, und die Gesteinsschäden werden auch aus einer Makroperspektive analysiert. Die Testergebnisse werden hauptsächlich anhand der Änderungen der mechanischen Eigenschaften analysiert. Durch die Untersuchung des Elastizitätsmoduls E wird die innere Schädigung des Gesteins quantitativ analysiert.

Um die konstitutive Gleichung der Gesteinsprobe unter Berücksichtigung des Schädigungsfaktors unkompliziert zu gestalten, basiert sie auf der Äquivalentdehnungshypothese des französischen Gelehrten Lemaitre, was bedeutet, dass die Vollspannung durch die effektive Spannung, die Dehnung und die Vollspannung der erhaltenen Nichtspannung ersetzt wird Die Wirkung des zerstörerischen Materials auf die durch das verlustbehaftete Material erzeugte Belastung ist gleichwertig17. Diese Hypothese wurde häufig verwendet, um die Verformungs- und Schadenseigenschaften von Gestein, Beton und anderen Materialien zu untersuchen18,19. Nach der Ableitung wird der Ausdruck der Schadensvariablen basierend auf dem Elastizitätsmodul erhalten:

Dabei bedeutet E den Elastizitätsmodul des zerstörungsfreien Materials, E` den Elastizitätsmodul des beschädigten Materials, D die Schadensvariable und 0 ≤ D ≤ 1.

Obwohl die Anwendung dieser Schadensvariablen im Zusammenhang mit dem makromechanischen Verhalten praktischer ist, ist sie begrenzt, da viele Materialien in der tatsächlichen technischen Praxis einen anfänglichen Schaden erleiden. Nehmen wir als Beispiel die Gesteinsprobe in diesem Artikel: Es handelt sich um Material mit natürlichen Schäden. Da es kaum schadensfreies Gestein gibt, ist es bei natürlichen Schadensmaterialien wie Gesteinen schwieriger, den Elastizitätsmodul des zerstörungsfreien Materials in der obigen Formel zu messen. Daher muss beachtet werden, dass sich der Elastizitätsmodul E in der obigen Berechnungsformel völlig vom Elastizitätsmodul in der herkömmlichen Schadenskonstitutivgleichung unterscheidet: Die traditionelle Schadenskonstitutivgleichung verwendet den Elastizitätsmodul eines wirklich kompakten und unbeschädigten Gesteins, was schwieriger ist in der Praxis gemessen werden muss, und die hier angegebene Schadenskonstitutivgleichung ist der Elastizitätsmodul im natürlichen Zustand des Gesteins (Grundschaden oder Anfangsschaden), der relativ einfach zu messen ist.

Basierend auf den Feldtestdaten werden die Gesteinsschadensvariablen jeder Überschwemmungsstufe nach Formel (1) berechnet und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1 zeigt, dass die einachsige Druckfestigkeit und der Elastizitätsmodul der Gesteinsproben mit zunehmender Dauer des freien Eintauchens unterschiedlich stark beeinflusst werden und beide einen abnehmenden Trend aufweisen. Bei freiem Eintauchen für 9 Monate beträgt der Elastizitätsmodul von Gesteinsproben nur 9,105 GPa, was einem Rückgang von 91,2 % im Vergleich zum natürlichen Zustand entspricht. Die einachsige Druckfestigkeit beträgt nur 6,3 MPa, was einem Rückgang von 77,7 % im Vergleich dazu entspricht im natürlichen Zustand, und die Schadensvariable D beträgt zu diesem Zeitpunkt 0,912. Dies weist darauf hin, dass der innere Schaden schwerwiegend ist und das Gestein fast seine ursprüngliche Festigkeit verliert. Als Nachweis können auch die aus einachsigen Versuchen ermittelten Druckfestigkeitskurven herangezogen werden.

Die Schäden durch einachsige Kompressionsverformung von Gesteinsproben bei unterschiedlicher freier Eintauchdauer weisen alle spröde, schwache Spaltschäden auf, die nach der Beschädigung flockig sind. Diese Form der Beschädigung entsteht hauptsächlich aufgrund der dünnen Lamellenstruktur der Gesteinsprobe selbst und der Ausrichtung ihrer inneren Fugen parallel zum Probenabschnitt. Die Schadensform dieser Gesteinsprobe hängt nicht mit der Erweichungszeit durch das Eintauchen zusammen, sondern der Grad der Schädigung nimmt mit zunehmender Eintauchzeit zu. Mit der Verlängerung der Dauer des Eintauchens in freies Wasser treten bei einachsigen Kompressionsschäden immer mehr Risse auf und der Schadensgrad wird immer größer, sogar einige der Proben sind nach Kompressionsschäden schuppig oder „Kompressionsstab“-Extrusion. Die Scherbruchoberfläche wird auch von grauem Pulver begleitet, das durch starke Reibung entsteht, was darauf hindeutet, dass die Anzahl der inneren Poren zunimmt und die Porengröße nach dem freien Eintauchen der Gesteinsprobe mit der Verlängerung der freien Eintauchzeit zunimmt. Die schwache Strukturoberfläche und die Gelenkoberfläche werden kontinuierlich weicher, die Zementierungskraft und die mechanische Bisskraft nehmen allmählich ab, das Phänomen der lokalen Spannungskonzentration ist offensichtlich und der Schadensgrad nimmt allmählich zu.

Die Daten zur Schädigungsvariable der Gesteinsprobe innerhalb verschiedener freier Eintauchdauern sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Schädigungsgröße und die entsprechenden freien Eintauchdauern sind angepasst, was in Abb. 2 dargestellt ist.

Anpasskurvendiagramm der Schädigungsgröße der Gesteinsprobe und verschiedener freier Eintauchdauern.

Abbildung 2 zeigt, dass die Anpassung der Schadensvariablen der Gesteinsprobe und der freien Eintauchdauer grundsätzlich konsistent ist, der Anpassungskorrelationskoeffizient R2 = 0,9976 ist und die Anpassungsbeziehung ein quadratisches Polynom ist, dargestellt als Formel (2).

Die Fehler der angepassten vorhergesagten Werte der Schadensvariablen der Gesteinsproben bei unterschiedlichen freien Eintauchdauern und den Messwerten der Tests wurden verglichen und analysiert, wie in Tabelle 2 dargestellt. Aus Tabelle 2 ist ersichtlich, dass die angepassten und Die gemessenen Werte liegen in einem vernünftigen Bereich und somit ist die Zuverlässigkeit von Gl. 2 kann überprüft werden.

Die Schadensvariable der Gesteinsprobe zeigte mit zunehmender Dauer des freien Eintauchens einen allmählich steigenden Trend, und im 9. Monat lag D nahe bei 1 und das Gestein näherte sich dem Versagenszustand.

Die Zeit, die ein Proton benötigt, um sich in Gegenwart eines Magnetfelds zu bewegen, wird als Relaxationszeit bezeichnet und durch T2 dargestellt. Die T2-Relaxationszeit hängt nicht nur von den Eigenschaften des Atomkerns selbst ab, sondern wird auch vom Porenvolumen und der Oberfläche beeinflusst. Im Allgemeinen nimmt die Relaxationszeit mit abnehmender Porengröße ab, sodass die beobachtete T2-Spektrumverteilung die Porengrößenverteilung einer Gesteinsprobe nach einem angemessenen Maßstab oder einer angemessenen Umrechnung darstellen kann. Die Fläche unter der Kurve kann den Prozentsatz des Porenvolumens darstellen.

Da freie Entspannung, Oberflächenentspannung und diffusive Entspannung die drei Entspannungsmechanismen von Gesteinsporenflüssigkeiten sind, kann T2 wie folgt dargestellt werden:

Durch die Forschung vieler Wissenschaftler wurde festgestellt, dass die freie Relaxation und die Diffusionsrelaxation im Vergleich zur Oberflächenrelaxation sehr gering sind. Daher wird die T2-Relaxation hauptsächlich durch die Oberflächenrelaxation bestimmt. Daher ist Gl. (3) kann vereinfacht werden als:

wobei V das Porenvolumen (cm3) bedeutet; S bedeutet die Porenoberfläche (cm2); ρ2 bedeutet die laterale Oberflächenrelaxationsstärke (μm/ms).

Nach Formel (4) kann die Apertur berechnet werden. Gleichzeitig ist aus Formel (4) ersichtlich, dass ein gewisser proportionaler Zusammenhang zwischen der lateralen Relaxationszeitrate 1/T2 und der Porenoberfläche und dem Volumen des gemessenen Materials besteht. Daher können durch die Verteilung der Querrelaxationszeit T2 innerhalb des Testmaterials die Porengröße und die Verteilungsinformationen innerhalb des Testmaterials indirekt berechnet werden. Die Ergebnisse werden hauptsächlich unter folgenden zwei Aspekten analysiert: der Änderung der Porosität der Gesteinsprobe innerhalb verschiedener freier Eintauchdauern und der Änderung der Porenverteilung der Gesteinsprobe innerhalb verschiedener freier Eintauchdauern.

Analyse der Porositätsänderung

Die aus den NMR-Testergebnissen ermittelte innere Porosität der Gesteinsprobe innerhalb verschiedener freier Eintauchdauern ist in Tabelle 3 und Abb. 3 dargestellt.

Mittlere Porositätsvariationskurven von Gesteinsproben bei verschiedenen freien Eintauchdauern.

Tabelle 3 und Abb. 3 zeigen, dass die Porositätsänderungen der Gesteinsprobe mit der Verlängerung der freien Eintauchdauer die folgenden zwei Merkmale aufweisen:

Die Porosität der Gesteinsproben korreliert positiv mit der freien Eintauchdauer. Die Porosität der Gesteinsprobe im natürlichen Zustand beträgt etwa 0,437 %, und die Porosität unter den Bedingungen des freien Eintauchens für 1 Monat, 3 Monate, 6 Monate und 9 Monate beträgt etwa 0,542 %, 0,716 %, 0,904 % bzw. 1,248 % zeigen die Zunahmen von 0,105 %, 0,279 %, 0,467 % bzw. 0,811 % im Vergleich zur Porosität im natürlichen Zustand.

Wenn die Dauer des freien Eintauchens 6 Monate erreicht, beginnt die Porositätswachstumsrate der Gesteinsproben zuzunehmen. Während des 1. Monats des freien Eintauchens weist die Porosität eine kleine Veränderung auf, die im Vergleich zum natürlichen Zustand um 24,0 % zunahm. Im 9. Monat ist die Porosität im Vergleich zum Naturzustand um 185,6 % und im Vergleich zum 6. Monat um 38,1 % gestiegen. Die Porosität der Gesteinsprobe hat sich vorher und nachher erheblich verändert und die inneren Schäden sind schwerwiegend.

Analyse von Porenverteilungsänderungen

Denn der Anteil unterschiedlicher Porengrößen im Gestein wird sich mit der Zeitverlängerung des freien Eintauchens weiter verändern. Der Anteil der Makroporen hat einen größeren Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Gesteins als der Anteil der Mikro- und Mesoporen. Und der Unterschied in der Größe, Form und Verteilung der Poren im Gestein führt auch zu Unterschieden in der Verteilung des Porenwassers, was wiederum zu unterschiedlichen Formen der Schädigung und Verschlechterung der Porenstruktur führt. Daher ist das gute Verständnis der Eigenschaften der Porengrößenverteilung von Gesteinen für die Analyse des inneren Schadensgesetzes von Gestein unter Wasserenthärtungseffekt von Bedeutung (Ergänzungsmaterial).

Unter Bezugnahme auf die Methode zur Klassifizierung des Porenradius zur Messung des Kapillardrucks im Labor und in Kombination mit den Porengrößenverteilungseigenschaften des verwendeten Gneis unterteilt dieser Artikel die Porengröße des Gneis zu statistischen Zwecken in drei Intervalle: Der r der Mikroporen beträgt weniger als 0,01 µm; der r von Mesoporen liegt zwischen 0,01 µm und 0,05 µm; und der r der Makroporen liegt zwischen 0,05 µm und 1 µm20,21. Gemäß Formel (4) und dem T2-Spektrum der Gesteinsprobe innerhalb verschiedener freier Eintauchdauern, gemessen durch Kernspinresonanz, wird dann die Volumenverteilung verschiedener Porenradien erhalten. Analysierte die Ergebnisse und zeichnete das Histogramm des Porenradius und des Porenvolumenprozentsatzes der diagenetischen Proben auf. Das gestrichelte Liniendiagramm der freien Eintauchdauer und des Porenvolumenprozentsatzes ist in Abb. 4 dargestellt.

Verteilung und Änderung des Porenvolumenverhältnisses von Gesteinsproben innerhalb verschiedener freier Eintauchdauern. (A) S-1. (B) S-1 Änderungen im Volumenverhältnis jeder Pore. (C) S-2. (D) S-2 Änderungen im Volumenverhältnis jeder Pore. (E) S-3. (F) S-3 Änderungen im Volumenverhältnis jeder Pore. (G) Änderung des durchschnittlichen Anteils jedes Porenvolumens.

Abbildung 4 zeigt, dass die Verteilung des Porenradius und der Anteil des Porenvolumens von Mikroporen, Mesoporen und Makroporen in der Gesteinsprobe innerhalb verschiedener freier Eintauchdauern die folgenden zwei Veränderungen aufweisen:

Die Porenradiusverteilung innerhalb der Gesteinsprobe liegt zwischen 0 μm und 100 μm, und der größte Teil des Porenradius liegt im Bereich von 0,01 μm bis 40 μm.

Im natürlichen Zustand und unter freien Eintauchbedingungen für 1, 3, 6 und 9 Monate betrug das Volumen der Mikroporen in Gesteinsproben 47,41 %, 39,03 %, 31,98 %, 29,92 % bzw. 21,61 %, das der Mesoporen 36,49 % , 39,93 %, 41,10 %, 35,64 % bzw. 28,63 % und Makroporen 16,10 %, 21,04 %, 26,92 %, 34,43 % bzw. 49,76 %. Es zeigt sich, dass mit der Verlängerung der freien Eintauchdauer die Anzahl der Mikroporen allmählich abnimmt, die Anzahl der Mesoporen zunächst zunimmt und dann abnimmt und die Anzahl der Makroporen allmählich zunimmt. Dies liegt daran, dass die Partikelgröße und die Mineralmorphologie im Inneren des Gesteins dessen Poreneigenschaften beeinflussen. Mit der Verlängerung der Einweichzeit lösen sich viele mineralische Bestandteile im Phyllit, wie z. B. Feldspat, unter dem Einweichen von Wasser leicht auf. Die in die Poren eingefüllten Partikel und Zemente fallen unter der Wirkung der Flüssigkeitsscherkraft leicht ab und wandern, wodurch die ursprünglichen kleinen Poren im Gestein entstehen. Die Poren sind miteinander verbunden und werden schließlich zu mittleren Poren und großen Poren, und der Grad der Schädigung nimmt allmählich zu. Wenn die Eintauchdauer 6 Monate erreicht, beginnt die Anzahl der Makroporen deutlich zuzunehmen und die mechanischen Eigenschaften der Proben beginnen deutlich abzunehmen. Nach 9 Monaten hat der Anteil der Makroporen im Gestein 57,6 % erreicht, was darauf hindeutet, dass sich die Mikroporen im Gestein unter dem Einfluss von Wasser-Gestein-Reaktionen allmählich in Mesoporen und Makroporen verwandelt haben und die Zunahme der Makroporen die inneren Poren verschlimmern wird Schäden am Gestein und schließlich zu dessen makroskopischer Zerstörung führen.

In dieser Arbeit wurden auf der Grundlage von Gesteinsschäden und unter Berücksichtigung der erweichenden Wirkung des Eintauchens übliche makromechanische Tests und Mikro-NMR-Tests an Gneis im natürlichen Zustand und unter Bedingungen des freien Eintauchens für 1, 3, 6 und 9 Monate durchgeführt . In Kombination mit den makroskopischen und mikroskopischen Testergebnissen wird der Zusammenhang zwischen der inneren Gesteinsschädigung und der freien Eintauchdauer analysiert und die Regel zusammengefasst. Es wurden folgende Schlussfolgerungen gezogen:

Mit zunehmender Dauer des freien Eintauchens zeigten der Elastizitätsmodul und die einachsige Druckfestigkeit von Gesteinen einen abnehmenden Trend. Ab dem 6. Monat des freien Eintauchens nehmen die einachsige Druckfestigkeit und der Elastizitätsmodul mit einer Rate von 66,0 % bzw. 77,2 % stark ab. Bis zum 9. Monat beträgt der Elastizitätsmodul nur noch 9,105 GPa, was einem Rückgang von 91,2 % im Vergleich zum natürlichen Zustand entspricht, und die einachsige Druckfestigkeit beträgt nur noch 6,3 MPa, was einem Rückgang von 77,7 % im Vergleich zum natürlichen Zustand entspricht . Die Testdaten zeigen, dass Wasser die mechanischen Eigenschaften und inneren Schäden von Gestein stark beeinflusst.

In Kombination mit den verwandten Prinzipien der Schadensmechanik und basierend auf der Annahme der äquivalenten Dehnung von Lemaitre wird der kontinuierliche Elastizitätsmodul E verwendet, um die durch Eintauchdauern verursachte Schädigung von Gneis quantitativ zu beschreiben und die Beziehung zwischen der Schadensvariablen D und dem Ausdruck für die Eintauchdauer t anzupassen .

Aus den NMR-Testergebnissen von Gneis bei unterschiedlichen Eintauchdauern geht hervor, dass die Porosität der Gesteinsprobe im natürlichen Zustand und unter freien Eintauchbedingungen für 1, 3, 6 und 9 Monate 0,437 %, 0,542 %, 0,716 %, 0,904 % beträgt. bzw. 1,248 %. Die Porosität des Gesteins korreliert positiv mit der Eintauchdauer. Als außerdem die Eintauchdauer einen bestimmten kritischen Wert erreichte, begann die Porositätswachstumsrate der Gesteinsproben einen signifikanten Anstieg zu zeigen, und die Porositätsänderung war nach 6 Monaten Eintauchdauer und Porositätswachstumsrate der Gesteinsproben am größten betrug 38,1 % von 6 Monaten Eintauchen bis 9 Monaten Eintauchen.

Der Anteil der Poren in der Gesteinsprobe ändert sich ständig mit zunehmender Eintauchdauer. Die Anzahl der Mikroporen nimmt allmählich ab, die Anzahl der mittleren Poren nimmt zunächst zu und dann ab, und die Anzahl der Makroporen nimmt allmählich zu. Ab dem 6. Monat beginnt die Anzahl der Makroporen deutlich zuzunehmen und die mechanischen Eigenschaften der Proben beginnen deutlich zu sinken. Bis zum 9. Monat hat der Anteil der Makroporen im Gestein 57,6 % erreicht, da sich die ursprünglichen Mikroporen mit der Hydratation im Gestein allmählich in Mesoporen und Makroporen verwandeln. Da der Anteil der Makroporen entscheidend für die mechanischen Eigenschaften und die innere Schädigung von Gesteinen ist, kann der Grad der Schädigung im Inneren des Gesteins durch den Anteil der Makroporen quantitativ beschrieben werden.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel [und seinen ergänzenden Informationsdateien] enthalten.

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Diese Forschung wird durch das lokale Sonderprojekt (22JC040) des Bildungsministeriums der Provinz Shaanxi und das naturwissenschaftliche Grundlagenforschungsprogramm (2023-JC-YB-327) des Ministeriums für Wissenschaft und Technologie der Provinz Shaanxi finanziell unterstützt Provinz Shaanxi.

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

Changhai Sun

Fakultät für Bau- und Architekturingenieurwesen, Xi'an Technological University, Xi'an, 710021, China

Bingxin Xie, Rui Wang, Xianghui Deng und Jin Wu

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CS, BX haben das Manuskript geschrieben, RW, XD haben das Experiment durchgeführt und JW hat die experimentellen Daten zusammengestellt.

Korrespondenz mit Rui Wang.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Sun, C., Xie, B., Wang, R. et al. Untersuchung der inneren Schadensentwicklung im Gneis unter Berücksichtigung der Wasserenthärtung. Sci Rep 13, 12672 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39664-8

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Eingegangen: 13. April 2023

Angenommen: 28. Juli 2023

Veröffentlicht: 04. August 2023

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

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