Experimentelle Studie über die angemessenen Proportionen von Gestein

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 9288 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Der wasserbedingte Festigkeitsverlust der Gesteinsmasse ist ein entscheidender Faktor für die Instabilität von Felsböschungen. Um den Abbauprozess der Wasser-Gesteins-Wechselwirkung am Gesteinshang besser darzustellen, haben wir Bentonit als wasserempfindlichen Regulator verwendet, um ein neues steinähnliches Material zu bauen, das den Merkmalen des wasserinduzierten Festigkeitsabbaus auf der Grundlage der mit Zement und Gips verbundenen Materialien entspricht. Fünfundzwanzig Schemata des Materialmischungsanteils wurden unter Verwendung der orthogonalen Entwurfsmethode unter Berücksichtigung von vier Faktoren mit fünf variablen Ebenen entworfen und eine Vielzahl von Experimenten durchgeführt, um physikalisch-mechanische Parameter zu ermitteln. Darüber hinaus wurde eine Gruppe von steinähnlichen Materialanteilen ausgewählt und auf den groß angelegten physikalischen Modelltest angewendet. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass: (1) der Versagensmodus dieses steinähnlichen Materials dem natürlicher Gesteinsmassen sehr ähnlich ist und die physikalisch-mechanischen Parameter über einen weiten Bereich variieren; (2) Der Bentonitgehalt hat einen erheblichen Einfluss auf die Dichte, den Elastizitätsmodul und die Zugfestigkeit von steinähnlichen Materialien; (3) Es ist möglich, die Regressionsgleichung auf der Grundlage der linearen Regressionsanalyse zu erhalten, um den Anteil an steinähnlichem Material zu bestimmen; (4) Durch die Anwendung kann das neue steinähnliche Material den Startmechanismus und die Instabilitätseigenschaften von Felshängen bei wasserbedingtem Abbau effektiv simulieren oder aufdecken. Diese Studien können als Leitfaden für die Herstellung von gesteinsähnlichem Material in den anderen Modellversuchen dienen.

Hanginstabilität verursacht oft enorme wirtschaftliche Verluste und Verluste, daher war der Mechanismus der Hanginstabilität schon immer ein Grenzthema in der internationalen Forschung der Ingenieurgeologie1,2. Die durch die Wasser-Gesteins-Wechselwirkung verursachten Schwächungseffekte wirken sich erheblich auf die Stabilität von Felshängen aus3,4. Zahlreiche technische Studien haben gezeigt, dass Hanginstabilität typischerweise während der Regenzeit beobachtet wird5,6,7. Große Felsrutsche sind aufgrund ihrer komplizierten Struktur, ihrer starken Plötzlichkeit und ihrer starken Verschleierung in der Regel schwierig zu untersuchen8,9. Der physikalische Modelltest kann die Verformungs- und Entwicklungsgesetze von Gesteinsmassen unter komplexen geologischen Bedingungen in der Felstechnik effektiv aufdecken, was die Vorteile einer hohen Bedienbarkeit, eines kurzen Zyklus und intuitiver Ergebnisse mit sich bringt10,11,12,13. Da die Materialien und die Menge der Mischung einen erheblichen Einfluss auf die Eigenschaften des physikalischen Modells haben, ist eine wissenschaftliche und akzeptable Auswahl ähnlicher Materialien die Voraussetzung für den Modelltest14,15.

Seit der Entwicklung physikalischer Modelltests wurden zahlreiche Untersuchungen zum Anteil gesteinsähnlicher Materialien durchgeführt. Zahlreiche Voruntersuchungen wurden durchgeführt, um die Grundprinzipien der Auswahl und Mischung steinähnlicher Materialien zu ermitteln16,17,18. In der Folge wurden immer mehr Materialien zur Nachahmung verschiedener Gesteinsarten eingesetzt, die in drei Gruppen eingeteilt werden konnten: Hartgestein, Weichgestein und Fluid-Feststoff-Kopplungsmaterialien. Physikalisch-mechanische Eigenschaften, einschließlich Festigkeit und Sprödigkeit, sind die Hauptindikatoren für die Ähnlichkeit hartgesteinsartiger Materialien. Das mit Zement und Gips gebundene Material wird am häufigsten zur Simulation von Hartgestein verwendet und sein mechanisches Verhalten stimmt mit dem natürlicher Gesteinsmasse überein. Die Aushärtezeit ist jedoch länger19,20,21. Die Entwicklung von Kolophonium- und alkoholähnlichen Materialien hat die Aushärtezeit von steinähnlichen Materialien drastisch verkürzt, und diese Materialien zeichnen sich außerdem durch ein hohes Volumengewicht, einen niedrigen Elastizitätsmodul und eine stabile Leistung aus. Gleichzeitig wird jedoch seine Sprödigkeit verringert22,23,24. Bei weichen, steinähnlichen Materialien sollte der erweichende Effekt berücksichtigt werden, um die Gültigkeit von Modellversuchen zu verbessern25,26,27. Das oben erwähnte steinähnliche Material hat die Forschung zu steinähnlichen Materialien erheblich bereichert und den Grundstein für zukünftige Modellversuchsforschung gelegt.

Offensichtlich konzentrierten sich die bisherigen Forschungen zu gesteinsähnlichen Materialien hauptsächlich auf die Ähnlichkeit ihrer physikalisch-mechanischen Eigenschaften, wohingegen den Zerfallseigenschaften spröder Gesteinsmassen unter Wasser-Gesteins-Wechselwirkung wenig Beachtung geschenkt wurde. In der tatsächlichen geologischen Technik, beispielsweise bei großflächigen Felsrutschen, die während Regenfällen auftreten, werden diese Instabilitäten hauptsächlich durch den Festigkeitsabbau der wesentlichen rutschhemmenden Struktur unter Wasser-Gesteins-Wechselwirkung ausgelöst28. Unter solchen Bedingungen kann die Methode des Einsatzes eines Wagenhebers mit progressiver Belastung zur Erleichterung eines Hangversagens die schädigende Wirkung von Wasser auf das Gestein nicht berücksichtigen29,30 (Abb. 1a). Darüber hinaus ist die Verwendung künstlicher Niederschläge eine wirksame Methode zur Simulation hydraulischer Schäden, die jedoch häufig für durch Regen verursachte Erdrutsche im Boden geeignet ist31,32. Bei Felshängen ist der Festigkeitsabbau herkömmlicher steinähnlicher Materialien als Reaktion auf die Einwirkung künstlicher Regenfälle nicht wahrnehmbar, und die präzise Überwachungsausrüstung kann während des Niederschlagsprozesses kaputt gehen (Abb. 1b). Daher ist es von großer Dringlichkeit, ein steinähnliches Material zu entwickeln, das den Festigkeitsverlust des Gesteins aufgrund der Wasser-Gesteins-Wechselwirkung effizient ausgleichen kann.

Die wichtigsten Möglichkeiten zur Erleichterung des Hangversagens in den physikalischen Modelltests. (a) Ein Wagenheber mit progressiver Belastung; (b) Der künstliche Niederschlag.

Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines neuen steinähnlichen Materials mit hohem Schüttgewicht und Wasserempfindlichkeit für den Einsatz in Modellteststudien zur wasserinduzierten Degradation großer Felshänge. Basierend auf dem traditionellen Zement-Gips-gebundenen Material wurde Bentonit hinzugefügt, um die Wasserempfindlichkeit des Materials zu regulieren. Unter Verwendung der orthogonalen Experimentmethode wurden 25 Schemata des Materialmischungsanteils von steinähnlichen Materialien mit unterschiedlichen Anteilen entworfen. Anschließend wurden die Reichweitenanalyse und die Varianzanalyse durchgeführt, um die Bedeutung verschiedener Faktoren für die physikalisch-mechanischen Parameter gesteinsähnlicher Materialien aufzudecken und die Korrelation zwischen Einflussfaktoren und physikalisch-mechanischen Parametern zu quantifizieren. Schließlich wurde ein physikalisches Modell des Felshangs mit steinähnlichen Materialien erstellt und die wasserbedingte Verschlechterung des Hangs durch Wasserinjektion realisiert. Der Startmechanismus und die Instabilitätseigenschaften von Felshängen bei wasserinduzierter Degradation wurden untersucht. Die Ergebnisse dieser Studie überwinden die Mängel der traditionellen Hartgesteinsmaterialien, die hinsichtlich der Zerfallseigenschaften nicht erkennbar sind, und dienen als Referenz für die Bestimmung des Anteils steinähnlicher Materialien in nachfolgenden groß angelegten Modellversuchen zu Erdrutschen.

Das orthogonale Design ist eine effektive Methode zur Untersuchung von Problemen mit mehreren Faktoren und Ebenen. Auf der Grundlage der Orthogonalität, die sich durch ausgewogene Streuung, Vergleichbarkeit und Gleichmäßigkeit auszeichnet, werden repräsentative Experimente aus dem gesamten experimentellen Schema ausgewählt33.

In Bezug auf frühere Forschungsergebnisse34 wurden Barytpulver (200 Mesh), grober Sand (40–70 Mesh), feiner Sand (20–40 Mesh) und Bentonit (400 Mesh) als Zuschlagstoffe ausgewählt, während Zement (42,5-Grad) und Gips ( Als Befestigungsmaterialien wurden in dieser Studie 120 Mesh) ausgewählt. Wie in Tabelle 1 gezeigt, ist das Zuschlagstoff-Bindemittel-Verhältnis das Verhältnis von Zuschlagstoff zu Bindemittel und das Zement-Gips-Verhältnis das Verhältnis von Zement zu Gips. Dieses Experiment nutzte das orthogonale Designschema L25 (56) mit vier Faktoren und fünf Ebenen. Tabelle 2 skizziert das experimentelle Schema.

Die standardmäßigen zylindrischen Proben aus steinähnlichem Material wurden unter Verwendung einer standardmäßigen dreiblättrigen Stahlform hergestellt (Abb. 2a). Nach dem Zusammenbau der Form wurde die Probe durch Befolgen der Verfahren Wiegen (Abb. 2b), Rühren (Abb. 2c), Verdichten (Abb. 2d), Entformen (Abb. 2e) und Polieren (Abb. 2f) hergestellt.

Der Herstellungsprozess der steinähnlichen Materialprobe. (a) Dreiblättrige Stahlform, (b) Wiegen, (c) Rühren, (d) Verdichten, (e) Entformen und (f) Polieren.

Zur Bestimmung der physikalisch-mechanischen Parameter von gesteinsähnlichem Material wurden an den Proben einachsige Druckversuche, Spaltversuche und direkte Scherversuche durchgeführt. Insgesamt wurden 375 Proben hergestellt, von denen 155 (Abb. 3a) für den einachsigen Drucktest mit einer Felsmechanik-Prüfmaschine MTS-815 (Abb. 3b) und weitere Proben für den Split-Test und den Schertest verwendet wurden mit der computergesteuerten elektrohydraulischen Servodruckprüfmaschine YAW6206 (Abb. 3c). Abbildung 3d und e zeigen die Versagensmodi von direkten Scherproben bzw. geteilten Proben.

Mechanische Parameterprüfungen von Proben. (a) Experimentelle Proben; (b) Felsmechanik-Prüfmaschine MTS-815; (c) YAW6206 computergesteuerte elektrohydraulische Servodruckprüfmaschine; und (d) direkter Schertest; (e) Split-Test.

Wie in Abb. 4 dargestellt, weist die Spannungs-Dehnungs-Kurve der Probe fünf verschiedene Stadien auf: das Rissschlussstadium (I), das elastische Verformungsstadium (II), das stabile Bruchstadium (III), das instationäre Bruchstadium (IV). und das Post-Peak-Stadium (V), das eine ausgezeichnete Elastizität und Plastizität aufweist. Darüber hinaus handelte es sich bei den Versagensformen überwiegend um Zugbruchversagen und Diagonalschubversagen, die den typischen Versagenseigenschaften realer Gesteinsmassen sehr ähnlich sind und deren mechanische Eigenschaften genauer widerspiegeln können.

Die einachsige Druckspannungs-Dehnungs-Kurve der Probe.

Um eine Streuung der Messdaten zu verhindern, wurden für jede Gruppe vier Proben vorbereitet, sodass mindestens zwei Ergebnisse konsistent waren. Die Ebenheits- und Rechtwinkligkeitstoleranzen der Probe erfüllten die ISRM-Anforderungen35. 25 Gruppen von Materialproben unterschiedlicher Anteile wurden auf physikalisch-mechanische Eigenschaften getestet (Tabelle 3).

Die Dichteverteilung von steinähnlichem Material liegt zwischen 1,95 und 2,18 g/cm3, was darauf hinweist, dass dieses Material eine relativ hohe Schüttdichte aufweist. Das UCS ist im Bereich von 7,24–25,55 MPa verteilt, der Elastizitätsmodul ist im Bereich von 1,63–5,75 GPa verteilt, die Poisson-Zahl ist im Bereich von 0,14–0,18 verteilt, die Zugfestigkeit ist im Bereich von 0,91–2,46 MPa verteilt, die interne Der Reibungswinkel liegt im Bereich von 32,74–60,25° und die Kohäsion ist im Bereich von 2,09–8,94 MPa verteilt, was darauf hinweist, dass die mechanischen Parameter des steinähnlichen Materials einen großen einstellbaren Bereich haben, der die Anforderungen der meisten Gesteine erfüllen kann Massenmodelltests für gesteinsähnliche Materialien.

Mithilfe von Reichweitenanalysen und Varianzanalysen wurde die Sensitivität und Bedeutung der vier Faktoren in orthogonalen Versuchsplänen für verschiedene physikalisch-mechanische Parameter gesteinsähnlicher Materialien bestimmt. Die Bereichsanalyse kann intuitiv die primären und sekundären Faktoren des Experiments unterscheiden, während die Varianzanalyse ein weit verbreiteter statistischer Test ist, der Unterschiede und Signifikanz zwischen Stichproben mehrerer Gruppen analysiert33.

Abbildung 5 zeigt die Sensitivitätsanalyse verschiedener Faktoren auf die Dichte. Das „R“ steht für den Bereich und der Index AD entspricht jeweils dem Faktor AD. Gemäß der extremen Dichtedifferenz (R-Wert) ist der Bentonitgehalt der empfindlichste Faktor für die Dichte, und andere Faktoren haben einen ähnlichen Einfluss, was darauf hindeutet, dass der Bentonitgehalt eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Dichte von Gestein spielt. wie Materialien. Wie in Abb. 5 dargestellt, nimmt die Dichte mit zunehmendem Zuschlagstoff-Bindemittel-Verhältnis und Barytgehalt drastisch ab. Der Grund hierfür liegt darin, dass mit zunehmendem Schwerspatmehl der Gehalt an Quarzsand sinkt, was einen erheblichen Einfluss auf die Dichte hat. Bei einer Erhöhung des Bentonitgehalts (also von 0 auf 40 %) erreicht die Probendichte zunächst ein Maximum (also etwa 2,13 g/cm3) und sinkt dann auf weniger als 2 g/cm3. Dies liegt daran, dass bei einem geringen verbleibenden Bentonitgehalt Bentonitpartikel mit kleinerem Durchmesser die Lücke zwischen groben Aggregaten füllen und so die Probenverdichtung und -dichte erhöhen. Allerdings hat Bentonit eine geringere Schüttdichte als Quarzsand und Barytpulver.

Sensitivitätsanalyse der Dichte.

Tabelle 4 zeigt die Varianzanalyse der Dichte. Im Allgemeinen bedeutet p < 0,05, dass der Faktor einen erheblichen Einfluss auf die physikalisch-mechanischen Parameter der Materialien hat. Darüber hinaus bedeutet p < 0,01, dass der Effekt recht erheblich ist. Je größer der F-Wert und je niedriger der p-Wert, desto zuverlässiger ist das Ergebnis. Die Ergebnisse der Varianzanalyse belegen, dass der Bentonitgehalt einen erheblichen Einfluss auf die Dichte gesteinsähnlicher Materialien hat. In Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Sensitivitätsanalyse hatten die übrigen Parameter kaum Einfluss auf die Dichte.

Abbildung 6 zeigt die Sensitivitätsanalyse verschiedener Faktoren auf UCS. Dem R-Wert zufolge ist das Aggregat-Bindemittel-Verhältnis der empfindlichste Faktor für UCS, der von 4:1 auf 8:1 anstieg, was zu einem Rückgang des UCS von steinähnlichem Material um 46,9 % führte. Andere Faktoren haben einen ähnlichen Einfluss, was zeigt, dass das Aggregat-Bindemittel-Verhältnis der wichtigste Faktor bei der Bestimmung des UCS von steinähnlichen Materialien ist. Wie in Abb. 6 gezeigt, steigt der UCS dramatisch an, wenn das Zuschlagstoff-Bindemittel-Verhältnis abnimmt und das Zement-Gips-Verhältnis zunimmt. Ersteres liegt daran, dass bei steigendem Zuschlagstoff-Bindemittel-Verhältnis der Gehalt an Zementmaterial sinkt und die Bindungsfähigkeit der Probe abnimmt, was zu einer Verringerung der Festigkeit führt. Letzteres liegt daran, dass Zement als hydraulisches Zementierungsmaterial die Festigkeit des Materials erhöhen kann36. Die UCS des steinähnlichen Materials wird deutlich verbessert, wenn der Bentonitgehalt von 0 auf 10 % erhöht wird. Dies liegt vor allem daran, dass Bentonit die Räume zwischen den Quarzsandpartikeln füllt, was zu einem Anstieg des UCS mit zunehmender Kompaktheit der Probe führt. Der UCS des steinähnlichen Materials nimmt tendenziell mit der kontinuierlichen Erhöhung des Bentonitgehalts ab. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass mit zunehmendem Bentonitgehalt der Probe der Zementierungsgrad der Probe abnimmt und die Druckfestigkeit der Probe abnimmt.

Sensitivitätsanalyse des UCS.

Die Varianzanalyse für UCS ist in Tabelle 5 dargestellt. In Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Sensitivitätsanalyse deuten die Ergebnisse darauf hin, dass das Aggregat-Bindemittel-Verhältnis einen wesentlichen Einfluss auf das UCS von steinähnlichen Materialien hat, während andere Faktoren bei diesem Parameter unbedeutend sind Niveauänderungen.

Abbildung 7 zeigt die Sensitivitätsanalyse verschiedener Faktoren für den Elastizitätsmodul. Laut R-Wert ist das Aggregat-Bindemittel-Verhältnis der empfindlichste Faktor, der von 4:1 auf 8:1 anstieg, während der Elastizitätsmodul von steinähnlichem Material um 45,02 % abnahm. Andere Faktoren haben einen ähnlichen Einfluss, was zeigt, dass das Aggregat-Bindemittel-Verhältnis der wichtigste Faktor bei der Bestimmung des Elastizitätsmoduls von steinähnlichem Material ist. Und der Elastizitätsmodul nimmt mit zunehmendem Zuschlagstoff-Bindemittel-Verhältnis und Bentonitgehalt dramatisch ab.

Sensitivitätsanalyse des Elastizitätsmoduls.

Tabelle 6 zeigt die Varianzanalyse des Elastizitätsmoduls. In Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Sensitivitätsanalyse zeigt die Varianzanalyse, dass das Aggregat-Bindemittel-Verhältnis und der Bentonitgehalt einen wesentlichen Einfluss auf den Elastizitätsmodul von gesteinsähnlichen Materialien haben, während andere Faktoren bei einer Änderung des Parameterniveaus unwichtig sind.

Abbildung 8 zeigt die Sensitivitätsanalyse verschiedener Faktoren für die Poissonzahl. Wenn sich die Parameterebene ändert, zeigt der R-Wert an, dass die Poisson-Zahl innerhalb eines engen Bereichs schwankt. Abbildung 8 zeigt, dass die Poisson-Zahl mit zunehmendem Zement-Gips-Verhältnis und abnehmendem Bentonitgehalt deutlich zunimmt, während andere Faktoren kaum Einfluss haben.

Sensitivitätsanalyse der Poissonzahl.

Die Varianzanalyse der Poisson-Zahl ist in Tabelle 7 dargestellt. Alle p-Werte sind größer als 0,05, was darauf hinweist, dass keiner der Faktoren einen statistisch signifikanten Einfluss auf die Eigenschaften von gesteinsähnlichen Materialien hatte, was mit den Ergebnissen der Sensitivität übereinstimmt Analyse.

Abbildung 9 zeigt die Sensitivitätsanalyse verschiedener Faktoren auf die Zugfestigkeit. Laut R-Wert ist der Bentonitgehalt der empfindlichste Faktor, der von 10 auf 40 % anstieg, was zu einer Verringerung der Zugfestigkeit von steinähnlichen Materialien um 37,69 % führte. Andere Faktoren haben einen ähnlichen Einfluss, was zeigt, dass der Bentonitgehalt eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Zugfestigkeit von steinähnlichen Materialien spielt. Abbildung 9 zeigt, dass die Zugfestigkeit mit zunehmendem Zuschlagstoff-Bindemittel-Verhältnis und abnehmendem Zement-Gips-Verhältnis dramatisch abnimmt, während die Zugfestigkeit zunächst zunimmt und anschließend mit zunehmendem Bentonitgehalt abnimmt. Dies liegt daran, dass der Hauptbestandteil von Bentonit, Montmorillonit, eine mehrfach rissige Struktur aufweist37. Während des Aushärtens bilden sich in der Probe Mikrorisse, die ihre Porosität erhöhen und ihre Festigkeit im Vergleich zu steinähnlichen Materialien verringern.

Sensitivitätsanalyse der Zugfestigkeit.

Die Varianzanalyse der Zugfestigkeit ist in Tabelle 8 dargestellt. In Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Sensitivitätsanalyse zeigt die Varianzanalyse, dass der Bentonitgehalt einen signifikanten Einfluss auf die Zugfestigkeit von steinähnlichen Materialien hat, während andere Faktoren auf der Parameterebene unwichtig sind Änderungen.

Abbildung 10 zeigt die Sensitivitätsanalyse verschiedener Faktoren für den inneren Reibungswinkel. Laut R-Wert ist der Bentonitgehalt der empfindlichste Faktor für den inneren Reibungswinkel. Bei einer Variation zwischen 0 und 40 % verringerte sich der innere Reibungswinkel von steinähnlichem Material um 21,91 %. Andere Faktoren zeigen einen vergleichbaren Einfluss, was darauf hindeutet, dass der Bentonitgehalt eine wesentliche Rolle bei der Bestimmung des inneren Reibungswinkels von steinähnlichen Materialien spielt. Wie in Abb. 10 gezeigt, nimmt der innere Reibungswinkel mit steigendem Bentonitgehalt dramatisch ab, während andere Variablen kaum Einfluss haben.

Sensitivitätsanalyse des inneren Reibungswinkels.

Die Varianzanalyse des inneren Reibungswinkels ist in Tabelle 9 dargestellt. Alle p-Werte sind größer als 0,05, was darauf hinweist, dass alle Faktoren vernachlässigbar sind, wenn sich das Parameterniveau ändert.

Abbildung 11 zeigt die Sensitivitätsanalyse verschiedener interner Reibungswinkelfaktoren. Der empfindlichste Faktor ist laut R-Wert das Gesteinskörnungs-Bindemittel-Verhältnis, das von 4:1 auf 8:1 anstieg und die Kohäsion gesteinsähnlicher Materialien um 43,49 % verringerte. Andere Faktoren haben einen vergleichbaren Einfluss, was zeigt, dass das Gesteinskörnungs-Bindemittel-Verhältnis das wichtigste Element bei der Bestimmung der Kohäsion von steinähnlichen Materialien ist. Abbildung 11 zeigt, dass die Kohäsion mit zunehmendem Zuschlagstoff-Bindemittel-Verhältnis dramatisch abnimmt, während andere Faktoren nur minimale Auswirkungen haben. Die primäre Erklärung besteht darin, dass mit zunehmendem Aggregat-Bindemittel-Verhältnis die Menge an großformatigem Quarzsand zunimmt, was die Rauheit der Kontaktoberfläche erhöht und die Kohäsion der Probe verringert.

Extremum-Differenz-Analyse der Kohäsion.

Tabelle 10 zeigt die Kohäsionsvarianzanalyse. In Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Sensitivitätsanalyse zeigt die Varianzanalyse, dass das Aggregat-Bindemittel-Verhältnis einen wesentlichen Einfluss auf die Kohäsion von gesteinsähnlichen Materialien hat, wohingegen andere Faktoren unwichtig sind, wenn sich das Parameterniveau ändert.

Der Zerfall ist ein wichtiges Merkmal, das die hydraulischen Eigenschaften von Gesteinen widerspiegelt. Gesteine zerfallen in eine Vielzahl von Fragmenten, darunter gleichmäßige Schutt-, Granulat-, Schlamm- und Bruchstücke38. Hier konzentriert sich die Studie darauf, ob der Probenzerfall in engem Zusammenhang mit der Mineralzusammensetzung, der Partikelgrößenzusammensetzung und der Zementierungsform der Probe steht. Um die Zerfallseigenschaften von steinähnlichen Materialien zu untersuchen, wurde eine zylindrische Probe mit einem Durchmesser von 50 × 50 mm in mit klarem Wasser gefüllte transparente Glasgefäße eingetaucht, um das Einweichexperiment durchzuführen. Die Einweichzeit im Versuchsschema wurde nach einer gründlichen Bewertung der Gesamtdauer des Experiments und der Bandbreite der Veränderungen der Restkörpermasse auf 4 Stunden festgelegt. Abbildung 12 zeigt die endgültigen Desintegrationsergebnisse für jede Gruppe. Der Zerfallsgrad wird anhand des Verhältnisses der Trockenmasse des Rückstands zur ursprünglichen Masse in fünf Kategorien eingeteilt: null (0,98, 1,0], schwach (0,8, 0,98], mäßig (0,5, 0,8], stark (0,1, 0,5] und vollständige Desintegration [0, 0,1]. In Tabelle 11 sind die Noten für jede Gruppe aufgeführt.

Zerfallsexperiment von gesteinsähnlichen Materialproben.

Für Materialien, deren Zerfallsgrad 0 oder schwach ist, können damit Gesteine mit guter Integrität vor und nach dem Kontakt mit Wasser simuliert werden, deren Festigkeit jedoch mit der Einweichzeit offensichtlich abnimmt, wie z. B. Sandstein, Kalkstein usw. Für Materialien mit mäßigem oder starkem Zerfallsgrad des Zerfalls kann es zur Simulation von Gesteinen verwendet werden, die teilweise zerfallen und erheblich an Festigkeit verlieren, wenn sie Wasser ausgesetzt werden, wie z. B. Tonsandstein, teilweise strukturelle Gesteinsmasse usw. Für Materialien, deren Zerfallsgrad vollständiger Zerfall ist, kann es zur Simulation verwendet werden Gesteine wie Tonstein und Mergel, die relativ vollständig sind, bevor sie mit Wasser in Kontakt kommen, und sich dann schnell auflösen, wenn sie mit Wasser in Berührung kommen.

Nach 4 Stunden Einweichen blieben die Proben intakt und es war kein Zerfall in den Gruppen mit 0 oder 10 % Bentonitgehalt erkennbar. Allerdings nimmt der Zerfallsgrad mit steigendem Bentonitgehalt dramatisch zu. Bei den Gruppen mit 20 % Bentonit wurde die Außenseite abgeblättert, die Innenseite blieb jedoch intakt. Die Probe zerfiel innerhalb kurzer Zeit schnell und der Zerfallsgrad war bei 30 % und 40 % Bentonitgehalt relativ hoch. Dies liegt vor allem daran, dass der Hauptmineralbestandteil von Bentonit Montmorillonit ist, der über eine hohe Wasseraufnahmekapazität verfügt und nach der Wasseraufnahme schnell an Volumen zunimmt, wodurch die Probe zerfällt.

Da sich das Zement-Gips-Verhältnis von 7:3 auf 3:7 ändert, während der Bentonitgehalt konstant bleibt, nimmt der Zerfallsgrad gesteinsartiger Materialien tendenziell zu. Dieses Verhalten macht sich am deutlichsten bemerkbar, wenn der Bentonitgehalt 40 % beträgt. Einerseits wird der Zementierungsgrad mit abnehmendem Zementgehalt abgeschwächt. Andererseits weist Gips eine geringe Wasserbeständigkeit auf und seine lockeren und porösen Eigenschaften bieten Sickerkanäle für einen weiteren Zerfall. Daher nimmt der Zerfall zu, wenn das Zement-Gips-Verhältnis sinkt.

Die physikalisch-mechanischen Eigenschaften gesteinsähnlicher Materialien werden gleichzeitig von mehreren Faktoren beeinflusst, und die Änderung jedes Faktors führt zu bestimmten Schwankungen der Parameter. Auf der Grundlage der Versuchsdaten wurde eine multiple lineare Regressionsanalyse durchgeführt, um die Beziehung zwischen verschiedenen Faktoren und Parametern zu quantifizieren (Tabelle 3). Unter der Annahme, dass Y die abhängige Variable und Xn (n = 1, 2, …, m) die unabhängige Variable ist, kann das Regressionsanalysemodell als Formel (1)39 angegeben werden:

wobei b der konstante Term ist; a1,a2,…,am sind die partiellen Regressionskoeffizienten.

Angenommen, Yk(k = 1, 2, …, 7) repräsentiert die Dichte, das UCS, den Elastizitätsmodul, die Poisson-Zahl, die Zugfestigkeit, den inneren Reibungswinkel und den Zusammenhalt von steinähnlichem Material; X1, X2, X3 und Im Folgenden erfahren Sie, wie die Regressionsgleichungen ermittelt wurden:

Um die Gültigkeit des Ergebnisses einer Regressionsgleichung zu überprüfen. Mithilfe einer vergleichenden Analyse wird die Differenz zwischen dem experimentellen Ergebnis und dem Berechnungsergebnis der Regressionsgleichung für jeden Parameter ermittelt, wie in Abb. 13 dargestellt.

Vergleich der experimentellen Ergebnisse und Regressionsergebnisse jedes Parameters.

Die Abbildung 13 zeigt, dass die Versuchsergebnisse und die Ergebnisse der Regressionsanalyse für jeden Parameter gut übereinstimmen, was darauf hinweist, dass die Regressionsanalysemethode verwendet werden kann, um die quantitative Beziehung zwischen verschiedenen Faktoren und den Parametern zu konstruieren, um die Parameter des entsprechenden Gesteins zu erhalten. wie Material.

Um den wasserinduzierten Instabilitätsmechanismus eines Felshangs zu untersuchen, haben wir einen physikalischen Modelltest mit steinähnlichen Materialien durchgeführt und die Verschiebung und akustische Emission (AE) des Felshangs während des fortschreitenden Versagensprozesses gemessen.

Der Festigkeitsverlust des natürlichen Gesteins ist ein relativ langsamer Prozess der Wasser-Gesteins-Wechselwirkung, was bedeutet, dass die Entwicklung eines Erdrutschs ein langwieriger physikalischer und mechanischer Prozess ist. Um den tatsächlichen Spannungszustand von Felsböschungen in physikalischen Modellversuchen zu rekonstruieren, müssen die Eigenschaften der wasserbedingten Festigkeitsverschlechterung durch die Untersuchung der spröden Eigenschaften von felsähnlichen Materialien berücksichtigt werden. In früheren Studien zeigten neue steinähnliche Materialien mit 10 % Bentonitzusatz (Gruppen 2, 10, 13 und 24) einen relativ hohen Grad der Verschlechterung bei intakten Proben, insbesondere Gruppe 24, was zeigt, dass die Zugabe von Bentonit Wasser- verursachte einen erheblichen Festigkeitsabbau. Daher wurde für den Modellversuch das Verhältnis der Gruppe 24 gewählt, die entsprechenden Parameter sind in Tabelle 3 aufgeführt.

Der Felssturz in Saleshan ereignete sich am 7. März 1983, bei dem drei Dörfer zerstört und 237 Menschen getötet wurden40. Das geologische Profil ist in Abb. 14 dargestellt. Die Stabilität dieser Art von Erdrutsch wird durch das blockierte Segment in der Mitte kontrolliert, und am Fuß des Hangs befindet sich eine schwache Zwischenschicht in der Nähe der Horizontalen oder leicht geneigt. Unter der Wirkung der langfristigen Eigengewichtsbelastung und der kontinuierlichen Wasserverschlechterung verringerte sich die Tragfähigkeit des gesperrten Abschnitts allmählich, was zu einer Erweiterung des Zugrisses des Hangs nach unten führte und schließlich den Erdrutsch auslöste.

Das geologische Profil des Felssturzes von Saleshan (modifiziert nach Huang et al.41).

Um den Instabilitätsmechanismus dieses Erdrutschtyps unter der Wechselwirkung von Wasser und Gestein zu untersuchen, wurde ein skaliertes Felsrutschmodell erstellt, dessen Größe und Form in Abb. 15 dargestellt sind. Der Zugriss nach der Quelle hat eine Tiefe von 55 m cm und eine Dicke von 3 cm. Die schwache Zwischenschicht hat eine Länge von 80 cm, eine Dicke von 3 cm und einen Neigungswinkel von 20°, sie ist mit Glimmerpulver gefüllt. Das Messsystem bestand aus Dehnungsmessstreifen, AE und Wegüberwachungssensoren. Am verriegelten Segment wurden drei Dehnungsmessstreifen angebracht. Die Vorderseite des Schlittenkörpers war mit drei Wegüberwachungssensoren ausgestattet. Um das gesperrte Segment herum wurden fünf AE-Sensoren installiert.

Die Konfiguration des skalierten Neigungsmodells und des Überwachungsschemas (Einheit: cm).

Auf der YDM-D-Versuchsplattform für geotechnische Strukturmodelle mit den maximalen Modellabmessungen von 1,6 m × 1,6 m × 0,4 m wurde der groß angelegte physikalische Modelltest durchgeführt (Abb. 16e). Das Modell wurde durch Verdichten erstellt (Abb. 16a) und nach 48 h Formgebung entformt (Abb. 16b). Nach dem Entformen wurde die Oberfläche des Modells poliert (Abb. 16c) und 30 Tage lang bei Raumtemperatur ausgehärtet, um sicherzustellen, dass das Innere des Modells vollständig geformt war (Abb. 16d). Der Zugriss nach der Quelle wurde durch Einsetzen und anschließendes Entfernen einer 3 cm dicken Stahlplatte erzeugt. Abschließend wurde wasserdichtes Material aufgetragen, um beide Seiten des Risses wasserdicht zu machen. Überwachungsgeräte wie ein AE-System, Dehnungsmessstreifen und Verschiebungsmesser wurden verwendet, um den Instabilitätsprozess des Hangs zu überwachen (liefern Details darüber, welche Parameter oder Eigenschaften während der Prozesse dieses Experiments überwacht wurden) (Abb. 16e).

Der Hauptproduktionsprozess und das Überwachungssystem des Modells. (a) Verdichten; (b) Formen; (c) Polieren; (d) Aushärten; (e) Modellüberwachungssystem.

Da es sich bei der durch Wasser verursachten Verschlechterung der Gesteinsfestigkeit um einen äußerst langsamen mechanischen Prozess handelt, wird die Durchführung des Experiments zwangsläufig lange dauern, selbst wenn neue gesteinsähnliche Materialien diesen Prozess erheblich beschleunigen können. Um den Zeitraum zu verkürzen, verwendet dieses Experiment die Methode, zuerst Wasser zu laden und dann Wasser einzuspritzen, um die Beschädigung des Modellhangs zu fördern. Zunächst wurde die Belastung über die obere Belastungseinrichtung stufenweise auf ca. 90 % der Dauerfestigkeit des Materials aufgebracht und anschließend gehalten. Zu diesem Zeitpunkt wurde Wasser in den Zugriss hinter der Quelle injiziert, und das Wasser verringerte die Festigkeit des mittleren verschlossenen Segments. Letztendlich wird sich das Neigungsmodell unter seinem eigenen Gewicht in Richtung Instabilität entwickeln. Der Zeitpunkt der Wassereinspritzung wurde anhand von Dehnungs- und Schallemissionsdaten bestimmt. Wenn die Belastungsdaten stark anstiegen (Abb. 17a) oder wenn die AE-Daten mehrere Ereignisse auf hoher Ebene erzeugten (Abb. 17b), konnte dies als kritischer Knoten der Wasserinjektion bestimmt werden.

Der Identifikationsindex des Wassereinspritzzeitknotens. (a) die Belastung des gesperrten Segments über der Zeit; (b) die AE-Energie des gesperrten Segments über der Zeit.

Abbildung 18 zeigt den gesamten Ausfallprozess der Modellsteigung. Nachdem sich die obere Belastung stabilisiert hatte, bildeten sich zunächst einige winzige Brüche am Schnittpunkt des verriegelten Segments und des Zugrisses nach der Quelle (Abb. 18a). Dies ist auf die enorme Spannungskonzentration an der Oberseite des verriegelten Segments zurückzuführen, die dazu führte, dass sich der Zugriss allmählich nach unten entwickelte. Dadurch verringerte sich die Tragfähigkeit des mittleren Sperrsegments. Mit der Injektion von Wasser bis zur allmählichen Sättigung der Gesteinsmasse im verriegelten Segment begann der Gleitkörper, erhebliche Versetzungen entlang der Richtung der schwachen Zwischenschicht zu erzeugen (Abb. 18b). Dies liegt daran, dass das Vorhandensein von Wasser die Gleitkraft erhöht und, was noch wichtiger ist, der Wasser-Stein-Effekt die Verschlechterung des blockierten Segments beschleunigt. Nach 16 Tagen kontinuierlicher Wasserinjektion wurde das blockierte Segment schließlich vollständig abgeschert und der Erdrutsch ausgelöst (Abb. 18c). Bevor der Erdrutsch ausgelöst wird, ist deutlich ein gewaltiger Lärm zu hören, der durch das vollständige Durchdringen des verriegelten Segments entsteht. Dieses Phänomen wurde bei zahlreichen Felsrutschen beobachtet42,43.

Die Fehlerentwicklung der Modellsteigung. (a) Originalzustand; (b) Kriechzustand; (c) Instabilitätszustand.

Das Entwicklungsgesetz der vom Verschiebungsmesser in der Mitte des Hangs erhaltenen Verschiebungsdaten ist in Abb. 19 dargestellt. Wie in Abb. 19a dargestellt, nahm die Verschiebung des Hangs nach Beginn der Wasserinjektion deutlich zu. Dies liegt daran, dass die Festigkeit des verriegelten Segments in der Mitte der Böschung abnimmt, wenn es mit Wasser in Kontakt kommt, und die von ihm bereitgestellte Anti-Rutsch-Kraft abnimmt, was dazu führt, dass die Böschung voranschreitet. Bei fortgesetzter Wassereinspritzung wird das blockierte Segment zunehmend gesättigt und die Geschwindigkeit des Verdrängungswachstums beginnt sich zu verlangsamen. Nach 16 Tagen kontinuierlicher Wasserinjektion erreichte der kumulative Schaden des blockierten Segments seinen Höhepunkt, was zu einer schnellen Ausdehnung der inneren Risse führte, und dann trat der Hang in das Stadium der beschleunigten Verformung ein (Abb. 19b), was auf die Wachstumsrate der Verschiebung hinweist deutlich erhöht.

Die Verschiebung des Gleitkörpers über der Zeit. (a) Teilweise Vergrößerung des Kriechzustands; (b) teilweise Vergrößerung des beschleunigten Verformungszustands.

Aus der oben genannten Analyse lässt sich leicht schließen, dass das neue steinähnliche Material den Bruchmechanismus eines Felshangs unter der Wechselwirkung zwischen Wasser und Gestein sowie das Evolutionsgesetz der Hanginstabilität genau nachbilden kann. Ebenso eignet sich diese Art von Material auch für andere ähnliche Felsingenieurstudien.

In dieser Studie wurden die physikalisch-mechanischen und zerfallenden Eigenschaften hartgesteinsartiger Materialien bei unterschiedlichen Materialmischungsverhältnissen untersucht. Basierend auf den Ergebnissen des Experiments können folgende Schlussfolgerungen gezogen werden:

Ein neues steinähnliches Material bestehend aus Barytpulver, Quarzsand, Bentonit, Zement und Gips fördert die Verschlechterung der Gesteinsfestigkeit während der Wechselwirkung zwischen Wasser und Gestein. Dieses neuartige steinähnliche Material zeichnet sich durch ein hohes Volumengewicht, Wasserempfindlichkeit und einen einfachen Herstellungsprozess aus. Die physikalisch-mechanischen Eigenschaften gesteinsähnlicher Materialien weisen ein breites Verbreitungsspektrum auf, das es ihnen ermöglicht, den Anforderungen verschiedener Gesteinsarten gerecht zu werden.

Der Bentonitgehalt hat einen erheblichen Einfluss auf die Dichte, den Elastizitätsmodul und die Zugfestigkeit von steinähnlichen Materialien, während das Aggregat-Bindemittel-Verhältnis die einachsige Druckfestigkeit, den Elastizitätsmodul und die Kohäsion von steinähnlichen Materialien erheblich beeinflusst.

Das Desintegrationsexperiment zeigt, dass der Bentonitgehalt und das Zement-Gips-Verhältnis wichtige Faktoren sind, die den Zerfall von gesteinsähnlichen Materialien beeinflussen, wobei der Bentonitgehalt der relevantere Faktor ist. Daher sollten der Bentonitgehalt und das Zement-Gips-Verhältnis bei der Auswahl steinähnlicher Materialien, die die Eigenschaften eines wasserbedingten Festigkeitsabbaus simulieren, nachdrücklich berücksichtigt werden.

Auf Basis der orthogonalen Testergebnisse wurden Regressionsgleichungen zwischen Einflussfaktoren und physikalisch-mechanischen Eigenschaften abgeleitet, anhand derer die physikalisch-mechanischen Parameter abgeschätzt und somit geeignete Materialien für physikalische Modellversuche ausgewählt werden können.

Nach der Anwendungsanalyse wurde bestätigt, dass das für diese Studie hergestellte steinähnliche Material auf groß angelegte physikalische Modelltests von Felsrutschen anwendbar ist und dass der Versagensmodus mit der tatsächlichen Technik übereinstimmt. Darüber hinaus hat es einen hohen Anwendungswert und kann im Tunnelaushub und in der Kohlebergbauforschung eingesetzt werden.

Alle Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China unter den Grant-Nrn. 42090052 und 41977249 sowie vom National Key Research and Development Program of China unter der Grant-Nr. 2019YFC1509701 finanziell unterstützt.

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Yuan Cui, Chao Xu und Lei Xue

Innovationsakademie für Geowissenschaften, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Peking, 100029, China

Yuan Cui, Chao Xu und Lei Xue

College of Earth and Planetary Sciences, Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Peking, 100049, China

Yuan Cui, Chao Xu und Lei Xue

Hochschule für Geowissenschaften und Ingenieurwesen, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou, 450045, China

Jinyu Dong & Tong Jiang

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YC und CX führten Modellversuche durch. YC hat den Haupttext des Manuskripts mit dem Feedback aller Autoren verfasst. LX analysierte die Versuchsergebnisse. LX, JD, TJ haben zur Entwicklung der Idee beigetragen. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Lei Xue.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Cui, Y., Xu, C., Xue, L. et al. Experimentelle Studie über die angemessenen Anteile von steinähnlichen Materialien für wasserbedingten Festigkeitsabbau im Felshang-Modelltest. Sci Rep 13, 9288 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36511-8

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Eingegangen: 06. Januar 2023

Angenommen: 05. Juni 2023

Veröffentlicht: 07. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36511-8

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