Studio sperimentale sulle proporzioni ragionevoli delle rocce

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9288 (2023) Citare questo articolo

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Il deterioramento della resistenza dell’ammasso roccioso indotto dall’acqua è un fattore cruciale per l’instabilità dei pendii rocciosi. Per mostrare meglio il processo di degradazione dell’interazione acqua-roccia del pendio roccioso, abbiamo utilizzato la bentonite come regolatore sensibile all’acqua per costruire un nuovo materiale simile alla roccia che corrisponde alle caratteristiche di degradazione della resistenza indotta dall’acqua basata sui materiali legati cemento-gesso. Sono stati progettati venticinque schemi della proporzione della miscela di materiali utilizzando il metodo di progettazione ortogonale considerando quattro fattori con cinque livelli variabili e sono stati condotti una serie di esperimenti per ottenere parametri fisico-meccanici. Inoltre, è stato selezionato un gruppo di proporzioni di materiale simile alla roccia e applicato al test del modello fisico su larga scala. I risultati dell'esperimento rivelano che: (1) la modalità di cedimento di questo materiale simile alla roccia è molto simile a quella degli ammassi rocciosi naturali e i parametri fisico-meccanici variano entro un ampio intervallo; (2) Il contenuto di bentonite ha un'influenza significativa sulla densità, sul modulo elastico e sulla resistenza alla trazione dei materiali simili alla roccia; (3) È possibile ottenere l'equazione di regressione basata sull'analisi di regressione lineare per determinare la proporzione di materiale simile alla roccia; (4) Attraverso l'applicazione, il nuovo materiale simile alla roccia può simulare o rivelare efficacemente il meccanismo di avvio e le caratteristiche di instabilità dei pendii rocciosi sottoposti a degrado indotto dall'acqua. Questi studi possono servire come guida per la fabbricazione di materiale simile alla roccia negli altri test sui modelli.

L’instabilità dei pendii è spesso causa di ingenti perdite economiche e vittime, pertanto il meccanismo dell’instabilità dei pendii è sempre stato una questione di frontiera nella ricerca internazionale di geologia ingegneristica1,2. Gli effetti di indebolimento causati dall’interazione acqua-roccia hanno un impatto significativo sulla stabilità dei pendii rocciosi3,4. Numerosi studi ingegneristici hanno dimostrato che l'instabilità dei pendii si osserva tipicamente durante la stagione delle piogge5,6,7. Le frane rocciose su larga scala sono solitamente difficili da esaminare a causa della loro struttura complicata, della forte repentinità e del forte occultamento8,9. Il test del modello fisico può rivelare efficacemente le leggi di deformazione ed evoluzione degli ammassi rocciosi in condizioni geologiche complesse nell'ingegneria delle rocce, che presenta i vantaggi di un'elevata operabilità, un ciclo breve e risultati intuitivi10,11,12,13. Poiché i materiali e la quantità di miscelazione hanno un impatto significativo sulle proprietà del modello fisico, una selezione scientifica e accettabile di materiali simili è il prerequisito del test del modello14,15.

Dallo sviluppo dei test sui modelli fisici, sono stati intrapresi molti studi sulla proporzione di materiali simili alla roccia. Sono state condotte numerose ricerche preliminari per scoprire i principi fondamentali della selezione e della miscelazione dei materiali simili alle rocce16,17,18. Successivamente, un numero crescente di materiali fu impiegato per imitare diversi tipi di rocce, che potevano essere classificate in tre gruppi: roccia dura, roccia tenera e materiali di accoppiamento fluido-solido. Le proprietà fisico-meccaniche, comprese resistenza e fragilità, sono i principali indicatori di somiglianza con materiali simili alla roccia dura. Il materiale legato cemento-gesso è il più comunemente utilizzato per simulare la roccia dura e i suoi comportamenti meccanici sono coerenti con quelli dell'ammasso roccioso naturale. Tuttavia, il suo periodo di stagionatura è più lungo19,20,21. La creazione di colofonia e materiali simili all'alcol ha ridotto drasticamente il tempo di indurimento dei materiali simili alla roccia e questi materiali vantano anche un peso volumetrico elevato, un basso modulo elastico e prestazioni stabili. Allo stesso tempo, però, la sua fragilità verrà ridotta22,23,24. Per i materiali teneri simili alla roccia, il suo effetto ammorbidente dovrebbe essere considerato per migliorare la validità dei test sui modelli25,26,27. Il suddetto materiale simile alla roccia ha notevolmente arricchito la ricerca sui materiali simili alla roccia e ha gettato le basi per la futura ricerca sui test sui modelli.