Studio dell'evoluzione del danno interno nello gneiss considerando l'addolcimento dell'acqua

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12672 (2023) Citare questo articolo

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Nelle gallerie in roccia tenera si verificano spesso grandi deformazioni durante la costruzione, soprattutto quando le acque sotterranee infiltrano e ammorbidiscono la roccia circostante. Per raggiungere lo scopo di studiare l'effetto ammorbidente dell'immersione in acqua sulla resistenza e stabilità della roccia circostante, 15 campioni di roccia sono stati selezionati per test fisici e meccanici in 5 condizioni: stato naturale e immersione libera per 1, 3, 6 e 9 mesi, e la tecnologia di risonanza magnetica nucleare (NMR) è stata adottata anche per testare la struttura dei pori interni di campioni con diverse durate di immersione, quindi le caratteristiche microstrutturali dello gneiss, come la distribuzione dello spettro T2 del tempo di rilassamento NMR, la porosità e il rapporto volumetrico dei pori di sono state quindi ottenute diverse dimensioni dei pori sotto addolcimento dell'acqua. I risultati NMR mostrano che maggiore è la durata dell'immersione libera del campione di roccia, maggiore è la porosità; allo stesso tempo, il numero di micropori nella roccia diminuisce gradualmente sotto l'interazione di acqua e roccia, e i mesopori prima aumentano leggermente e poi diminuiscono continuamente. Il numero di macropori sta gradualmente aumentando. Quando la durata dell'immersione è di 6 mesi, il numero di macropori inizia ad aumentare in modo significativo e le proprietà meccaniche dei campioni iniziano a diminuire in modo significativo. Entro 9 mesi, la percentuale di macropori nella roccia ha raggiunto il 57,6%. I risultati hanno mostrato che la crescita del numero dei macropori è la causa principale del cedimento macroscopico del campione di roccia. I risultati dello studio sono importanti per la costruzione in loco in aree ricche d’acqua.

Date le particolari condizioni naturali delle zone ricche d'acqua, le costruzioni di ingegneria geotecnica saranno inevitabilmente influenzate dalle acque sotterranee. Rispetto ad altre rocce, la roccia tenera ha le caratteristiche di struttura rotta ed elevata espandibilità, e l'immersione prolungata in acqua causerà una diminuzione della capacità autoportante e un'evidente diminuzione della resistenza in termini di proprietà meccaniche1, mentre il danno interno si manifesta con il continuo cambiamento della complessa struttura dei pori presente nella roccia durante il processo di addolcimento dell'acqua, che determina le proprietà meccaniche e le caratteristiche di frattura macroscopiche della roccia2. Pertanto, se le caratteristiche del danno interno della roccia tenera durante il rammollimento per immersione possono essere comprese con precisione, sarà di grande importanza analizzare la deformazione e il cedimento della roccia tenera.

Attualmente, molti studiosi nazionali e stranieri hanno condotto numerosi esperimenti e studi teorici sull'impatto dell'effetto ammorbidente dell'immersione in acqua sulle proprietà e sui danni interni della roccia. Per quanto riguarda l'impatto sulle proprietà meccaniche, Hashiba et al. effettuato prove di compressione e trazione per verificare se la deformazione e il cedimento dell'andesite montana possono essere influenzati dalla saturazione dell'acqua. I risultati mostrano che la resistenza a compressione e la resistenza a trazione delle rocce diminuiscono linearmente con il logaritmo della saturazione dell’acqua3. Hasan et al. ha utilizzato il metodo del calibro saturo per condurre esperimenti di interazione acqua-roccia e ha esplorato come l'acqua influisce sul meccanismo di resistenza del granito sotto diversi gradi di esposizione agli agenti atmosferici. I risultati mostrano che quando è presente acqua nella microstruttura della roccia, si verificano processi di bagnatura e essiccazione. In questo processo vengono generati numerosi micropori, con conseguente indebolimento della struttura e della resistenza della roccia4. Per studiare come le proprietà fisiche e meccaniche dell'arenaria cambiano sotto l'influenza dell'acqua, Zhou et al. hanno utilizzato test di compressione uniassiale per studiare arenarie con diverso contenuto di umidità. Mostra che la resistenza alla compressione uniassiale e il modulo elastico dell'arenaria sono inversamente proporzionali al contenuto di umidità, il che significa che la presenza di acqua ammorbidisce la roccia e indebolisce le proprietà meccaniche5. Per scoprire l'intero processo e il meccanismo dell'alterazione e della distruzione delle Grotte di Longyou a causa del cambiamento dell'ambiente acquatico, Shao et al. hanno condotto test sulle proprietà meccaniche e sulle onde elastiche dell'arenaria in diverse condizioni di idratazione. I risultati della ricerca mostrano che con l’aumento del contenuto di umidità, le caratteristiche di ammorbidimento della deformazione si sono indebolite, mentre la resistenza di picco e il modulo di elasticità sono diminuiti in modo esponenziale6. Considerando che la presenza di acqua causerà un gradiente di cambiamento nella temperatura interna della roccia, che influenzerà ulteriormente le sue proprietà meccaniche, Yu et al. effettuato cicli multipli di raffreddamento e riscaldamento sul granito e condotto esperimenti meccanici statici, il test mostra che se il test viene eseguito in cicli multipli in condizioni fredde e calde, la resistenza del granito diminuisce in modo significativo7. Rabat et al. hanno valutato l'effetto dell'acqua sulle resistenze di compressione di picco e residue e sul modulo di trazione tangente dei materiali a diverse pressioni di confinamento mediante prove di compressione triassiale e hanno scoperto che in diverse condizioni di pressione di confinamento, l'acqua avrebbe causato un aumento della resistenza e del modulo di trazione del campione di roccia testato diminuire significativamente8. Verstrynge et al. hanno studiato l'impatto dell'umidità sulla forma del danno dell'arenaria ferrosa sia dagli aspetti microscopici che macroscopici e l'analisi sperimentale è stata condotta a diversi livelli. Si è riscontrato che la resistenza e la rigidità dell'arenaria ferrosa di qualità inferiore diminuivano in modo più evidente9. Nella prova di creep per il controllo delle emissioni acustiche, l'adsorbimento di acqua da parte dell'arenaria ha modificato il comportamento del provino da rottura metastabile a rottura accelerata. Esplorare il meccanismo d'azione dell'acqua sulla forza dell'olivina e i cambiamenti strutturali interni. Tielke et al. hanno condotto due test di deformazione sull'olivina sottoposta in condizioni anidra e idratata e hanno scoperto che il cristallo sarebbe stato idrolizzato e indebolito e la resistenza ridotta significativamente10.