砂岩干湿循环下微观结构劣化机制

发布时间：2019-12-27 11:44

背景介绍：

随着水利水电工程的兴建与持续发展，水库、大坝等大型水工建筑物的建设变得如火如荼。在进行大型的地质体改造的工程中，不仅需要解决复杂的地质和岩石力学问题，还需要克服水位涨落、雨水的降落与蒸发等自然环境因素对岩土稳定性的威胁。

1.基本思路：

选取同一块岩体的25块样，将试样分为5组，每组5个样品，在室内分别进行（1、5、10、15、20）次干湿循环实验，并对处于湿润状态下的岩芯进行核磁共振及应力应变测试，对比分析岩心孔、裂缝、应力应变曲线的变化情况。

图1泥质砂岩试件照片

2.核磁共振T2分布变化情况：

图2为泥质砂岩经历不同干湿循环次数后的T2谱分布图。从图中可以看出，第1次干湿循环后，泥质砂岩内部初始孔径大小分布均匀，随着干湿循环次数的增加，岩石内部的孔隙逐渐增多，并有大量小孔出现（左边的峰上升明显）。当循环次数较多后（n>=10）,泥质砂岩内部损伤明显，并产生大量微裂缝（右峰明显突出）。当循环次数n>15后，波峰的变化较小，谱面积变化增量不明显。

图2泥质砂岩在不同干湿循环次数下的核磁T2谱图

由于T2谱图的总面积代表岩石内部的总孔隙体积，而谱面积的大小与岩石中所含流体的多少成正比，即与岩石中孔隙率的大小相关。通过求取平均的谱面积与循环次数的变化规律，即可求得孔隙率与干湿循环次数之间的相关关系（图3），从图中可以看出，孔隙率与干湿循环次数呈现出定量的指数关系。

图3 孔隙率与干湿循环次数的关系曲线

众所周知，在质子加权成像中，像素点越亮表明氢原子核含量越多，即含水率越大。图4为同一块岩样在不同循环状态下的相同截面积的MRI图，图中亮色区域代表流体填充孔隙，不同亮度代表不同的含水率孔隙，灰度值越大，孔隙，裂缝中含水率越多。当然区域中像素点越密集，代表孔隙、裂缝越发育。

从图中可以看出，随着干湿循环实验的进行，岩石内部孔隙逐渐增多，孔隙尺寸增大，形成贯通的小裂缝并逐渐扩展，不同循环次数作用后的MRI内部结构变化与SEM微观结构变化相似（图5）。

图4 干湿循环后泥质砂岩试样的核磁共振成像结果

图5 不同干湿循环下泥质砂岩试件SEM图片

核磁成像是灰度值把自旋密度、横向弛豫时间、纵向弛豫时间等NMR参数作为空间坐标的函数，利用相位编码技术将采集的空间数据按照规则排列在一个矩阵中，再通过二维傅里叶变换得到信号强度的分布信息（岩石内部结构分布信息）。图6为不同循环次数后的MRI灰度概率密度函数，随着循环次数的增加，即水-岩作用的加剧，大灰度值所占的比重增大，可以通过偏移的明显程度反映出岩石内部结构的变化程度，即分布期望随着循环次数的证据变化程度逐渐变小。

图6 不同循环次数的核磁共振成像灰度值概率分布片

4.应力-应变关系：

图7为经过不同次数的干湿循环后，得到的干湿循环应力-应变曲线。从图中可以看出，随着循环次数的增加，峰前加载阶段变化规律相似，峰后力学特性存在显著差异。当循环次数较少时，试样弹性阶段较长，弹性模量较大，塑性区较短，岩样呈脆性破坏；随着干湿循环次数的增加，弹性模量逐渐变小，岩石由脆性向延性发展，达到峰值应力后还有较强的承载能力，循环次数越多，延性特征越明显。

图7 单轴压缩应力-应变曲线

由于干湿循环次数对于泥质砂岩试样是一个累积损伤的过程，可以作出峰值应力与循环次数（图8）。从图中可以看出，每组样品的平均峰值应力随着循环次数的增加呈指数关系降低。

图8 峰值应力与循环次数关系曲线

5.分析与讨论：

从图5可以看出，随着干湿循环次数的增加，在水-岩物理、化学作用等因素的影响下，水分子渗入，致使胶结物质水解，原本均质紧密的泥质砂岩试件，其松散颗粒的数量越来越多，孔隙变大增多并伴随着微裂隙的产生，从而更加有利于水分子沿着微裂隙等向泥质砂岩内部渗透，进而降低了泥质砂岩的凝聚力和颗粒之间的摩擦系数。同时，由于具有泥质砂岩粒径粗糙且棱角分明的特点，致使随着水化作用的不断加深表现出一定的卷曲、泥化、脱落现象，从而使得颗粒间的摩擦力降低。那么随着循环次数变化的孔隙率是否与岩石力学参数存在着某种关系勒？

图9为随着循环次数的增加，峰值应力与孔隙率的关系曲线，从图中可以看出，随着孔隙率的增大与峰值应力呈现出正相关关系。