Estudio experimental sobre las proporciones razonables de roca

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 9288 (2023) Citar este artículo

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El deterioro de la resistencia del macizo rocoso inducido por el agua es un factor crucial para la inestabilidad de los taludes rocosos. Para mostrar mejor el proceso de degradación de la interacción agua-roca del talud de roca, usamos bentonita como un regulador sensible al agua para construir un nuevo material similar a una roca que coincida con las características de la degradación de la resistencia inducida por el agua en base a los materiales aglomerados de cemento y yeso. Se diseñaron veinticinco esquemas de proporción de mezcla de materiales utilizando el método de diseño ortogonal considerando cuatro factores con cinco niveles de variables, y se realizaron una variedad de experimentos para obtener parámetros físico-mecánicos. Además, se seleccionó un grupo de proporción de material similar a la roca y se aplicó a la prueba del modelo físico a gran escala. Los resultados del experimento revelan que: (1) el modo de falla de este material rocoso es muy similar al de las masas rocosas naturales, y los parámetros físico-mecánicos varían en un amplio rango; (2) El contenido de bentonita tiene una influencia significativa en la densidad, el módulo elástico y la resistencia a la tracción de los materiales rocosos; (3) Es factible obtener la ecuación de regresión basada en el análisis de regresión lineal para determinar la proporción de material rocoso; (4) A través de la aplicación, el nuevo material similar a una roca puede simular o revelar de manera efectiva el mecanismo de arranque y las características de inestabilidad de las pendientes rocosas bajo la degradación inducida por el agua. Estos estudios pueden servir como guía para la fabricación de material rocoso en las otras pruebas de modelos.

La inestabilidad de taludes a menudo causa enormes pérdidas económicas y accidentes, por lo que el mecanismo de inestabilidad de taludes siempre ha sido un tema de frontera en la investigación internacional de ingeniería geológica1,2. Los efectos de debilitamiento causados ​​por la interacción agua-roca impactan significativamente en la estabilidad de los taludes rocosos3,4. Numerosos estudios de ingeniería han demostrado que la inestabilidad de las laderas se observa típicamente durante la estación húmeda5,6,7. Los derrumbes de rocas a gran escala suelen ser difíciles de examinar debido a su estructura complicada, su fuerte brusquedad y su fuerte ocultación8,9. La prueba del modelo físico puede revelar de manera efectiva las leyes de deformación y evolución de los macizos rocosos en condiciones geológicas complejas en ingeniería de rocas, lo que tiene las ventajas de una alta operatividad, un ciclo corto y resultados intuitivos10,11,12,13. Debido a que los materiales y la cantidad de mezcla tienen un impacto significativo en las propiedades del modelo físico, el requisito previo para la prueba del modelo es una selección científica y aceptable de material similar14,15.

Desde el desarrollo de las pruebas de modelos físicos, se ha realizado una gran cantidad de estudios sobre la proporción de materiales similares a rocas. Se realizaron numerosas investigaciones preliminares para descubrir los principios fundamentales de la selección y mezcla de materiales rocosos16,17,18. Posteriormente, se empleó un número cada vez mayor de materiales para imitar diferentes tipos de rocas, que podrían clasificarse en tres grupos: roca dura, roca blanda y materiales de acoplamiento fluido-sólido. Las propiedades físico-mecánicas, incluidas la resistencia y la fragilidad, son los principales indicadores de semejanza de los materiales similares a rocas duras. El material aglomerado cemento-yeso es el más utilizado para simular roca dura, y sus comportamientos mecánicos son consistentes con los del macizo rocoso natural. Sin embargo, su período de curación es mayor19,20,21. La creación de materiales similares a la colofonia y al alcohol ha reducido drásticamente el tiempo de curado de los materiales similares a la roca, y estos materiales también cuentan con un alto peso volumétrico, un módulo elástico bajo y un rendimiento estable. Sin embargo, la fragilidad del mismo se reducirá al mismo tiempo22,23,24. Para materiales similares a rocas blandas, se debe considerar su efecto de ablandamiento para mejorar la validez de las pruebas del modelo25,26,27. El material rocoso antes mencionado enriqueció enormemente la investigación de materiales rocosos y sentó las bases para futuras investigaciones de pruebas de modelos.

Obviamente, las investigaciones previas sobre materiales rocosos se concentraron principalmente en la similitud de sus propiedades físico-mecánicas, mientras que hay pocas atenciones sobre las propiedades de desintegración de los macizos rocosos frágiles bajo la interacción agua-roca. En la ingeniería geológica real, como los deslizamientos de rocas a gran escala que ocurren durante las lluvias, cuyas inestabilidades se desencadenaron principalmente por la degradación de la resistencia de la estructura antideslizante esencial bajo la interacción agua-roca28. Para tales condiciones, el método de aplicar un gato con carga progresiva para facilitar el derrumbe de taludes no puede considerar el efecto de degradación del agua sobre la roca29,30 (Fig. 1a). Además, el uso de lluvia artificial es una forma efectiva de simular el daño hidráulico que, sin embargo, es comúnmente adecuado para los deslizamientos de tierra inducidos por la lluvia31,32. Para taludes rocosos, la degradación de la resistencia de los materiales rocosos convencionales que responden a la acción de la lluvia artificial es imperceptible, y el equipo de monitoreo preciso es propenso a romperse durante el proceso de lluvia (Fig. 1b). Por lo tanto, es de gran urgencia diseñar un material similar a la roca que pueda reaparecer de manera eficiente la pérdida de resistencia de la roca debido a la interacción agua-roca.

Las principales formas de facilitar el derrumbamiento de taludes en los ensayos del modelo físico. (a) Un gato con carga progresiva; (b) La lluvia artificial.

Este trabajo tiene como objetivo diseñar un nuevo material similar a una roca con un alto peso aparente y sensibilidad al agua para su uso en estudios de prueba modelo de degradación inducida por agua de grandes pendientes rocosas. Basado en el material tradicional aglomerado de cemento y yeso, se añadió bentonita para regular la sensibilidad al agua del material. Usando el método de experimento ortogonal, se diseñaron 25 esquemas de la proporción de mezcla de materiales de materiales similares a rocas con diferentes proporciones. Posteriormente, se realizó el análisis de rango y el análisis de varianza para revelar la importancia de varios factores en los parámetros físico-mecánicos de los materiales rocosos, y se cuantificó la correlación entre los factores que influyen y los parámetros físico-mecánicos. Finalmente, se construyó un modelo físico del talud rocoso con materiales similares a la roca, y la degradación del talud inducida por el agua se realizó mediante inyección de agua. Se investigaron el mecanismo de puesta en marcha y las características de inestabilidad de taludes rocosos bajo degradación inducida por agua. Los resultados de este estudio superan las deficiencias de los materiales de roca dura tradicionales que no son evidentes en las propiedades de desintegración y sirven como referencia para determinar la proporción de materiales similares a rocas en posteriores pruebas de modelos de deslizamientos de rocas a gran escala.

El diseño ortogonal es una forma efectiva de estudiar problemas con múltiples factores y niveles. Sobre la base de la ortogonalidad, que se caracteriza por una dispersión equilibrada, comparabilidad y uniformidad, selecciona experimentos representativos de todo el esquema experimental33.

Con respecto a los resultados de investigaciones previas34, se seleccionaron como agregados polvo de barita (malla 200), arena gruesa (malla 40–70), arena fina (malla 20–40) y bentonita (malla 400), mientras que cemento (grado 42,5) y yeso ( malla 120) fueron seleccionados como materiales cementantes en este estudio. Como se muestra en la Tabla 1, donde la relación agregado-aglutinante es la relación de agregado a aglutinante y la relación cemento-yeso es la relación de cemento a yeso. Este experimento utilizó el esquema de diseño ortogonal L25 (56) con cuatro factores y cinco niveles. La Tabla 2 describe el esquema experimental.

Las muestras cilíndricas estándar de material similar a una roca se produjeron usando un molde estándar de acero de tres pétalos (Fig. 2a). Después de ensamblar el molde, se creó la muestra siguiendo los procedimientos de pesaje (Fig. 2b), agitación (Fig. 2c), compactación (Fig. 2d), desmoldeo (Fig. 2e) y pulido (Fig. 2f).

El proceso de fabricación de la muestra de material rocoso. (a) molde de acero de tres pétalos, (b) pesaje, (c) agitación, (d) compactación, (e) desmoldeo y (f) pulido.

Para determinar los parámetros físico-mecánicos del material rocoso, se realizaron a las muestras ensayos de compresión uniaxial, ensayos de división y ensayos de corte directo. Se produjeron un total de 375 muestras, de las cuales 155 (Fig. 3a) se utilizaron para el ensayo de compresión uniaxial con una máquina de ensayos de mecánica de rocas MTS-815 (Fig. 3b), y otras muestras se utilizaron para el ensayo de división y ensayo de corte. con la máquina de prueba de presión servo electrohidráulica controlada por computadora YAW6206 (Fig. 3c). Las Figuras 3d y e representan los modos de falla de corte directo y muestras divididas, respectivamente.

Ensayos de parámetros mecánicos de muestras. (a) Muestras experimentales; (b) máquina de ensayo de mecánica de rocas MTS-815; (c) Máquina de prueba de presión servo electrohidráulica controlada por computadora YAW6206; y (d) prueba de corte directo; (e) prueba dividida.

Como se muestra en la Fig. 4, la curva de tensión-deformación de la muestra presenta cinco etapas distintas: la etapa de cierre de grietas (I), la etapa de deformación elástica (II), la etapa de ruptura estable (III), la etapa de ruptura inestable (IV) y la etapa post-pico (V), que demuestra excelente elasticidad y plasticidad. Además, las formas de falla fueron predominantemente falla por fractura por tracción y falla por corte diagonal, que son muy similares a las características de falla típicas de los macizos rocosos reales y pueden reflejar con mayor precisión sus propiedades mecánicas.

La curva de tensión-deformación uniaxial de compresión de la muestra.

Para evitar la dispersión de los datos medidos, se prepararon cuatro especímenes para cada grupo de modo que al menos dos resultados fueran consistentes. Las tolerancias de planitud y perpendicularidad de la muestra cumplieron con los requisitos ISRM35. Se probaron 25 grupos de muestras de material de diferentes proporciones para determinar las propiedades físico-mecánicas (Tabla 3).

La distribución de la densidad del material rocoso oscila entre 1,95 y 2,18 g/cm3, lo que indica que este material tiene una densidad aparente relativamente alta. El UCS se distribuye en el rango de 7,24 a 25,55 MPa, el módulo de elasticidad se distribuye en el rango de 1,63 a 5,75 GPa, la relación de Poisson se distribuye en el rango de 0,14 a 0,18, la resistencia a la tracción se distribuye en el rango de 0,91 a 2,46 MPa, la resistencia interna El ángulo de fricción se distribuye en el rango de 32,74 a 60,25 °, y la cohesión se distribuye en 2,09 a 8,94 MPa, lo que indica que los parámetros mecánicos del material similar a una roca tienen un amplio rango ajustable, que puede cumplir con los requisitos de la mayoría de las rocas. Ensayos de modelos de masas para materiales rocosos.

Se utilizaron análisis de rango y análisis de varianza para determinar la sensibilidad y la importancia de los cuatro factores en esquemas de experimentos ortogonales a diferentes parámetros físico-mecánicos de materiales rocosos. El análisis de rango puede distinguir intuitivamente los factores primarios y secundarios del experimento, mientras que el análisis de varianza es una prueba estadística ampliamente utilizada que analiza las diferencias y la importancia entre muestras de múltiples grupos33.

La figura 5 muestra el análisis de sensibilidad de diferentes factores sobre la densidad. La 'R' representa rango, y el subíndice AD ​​corresponde al factor AD respectivamente. De acuerdo con la diferencia extrema de densidad (valor R), el contenido de bentonita es el factor más sensible a la densidad, y otros factores tienen un grado similar de influencia, lo que indica que el contenido de bentonita juega un papel importante en la determinación de la densidad de roca. como materiales. Como se ilustra en la Fig. 5, a medida que aumenta la relación agregado-aglutinante y el contenido de barita, la densidad se reduce drásticamente. La razón de esto es que el contenido de arena de cuarzo cae a medida que aumenta el polvo de barita, lo que tiene un impacto significativo en la densidad. Con un aumento en el contenido de bentonita (es decir, de 0 a 40 %), la densidad de la muestra primero alcanza un máximo (es decir, alrededor de 2,13 g/cm3) y luego cae a menos de 2 g/cm3. Esto se debe al hecho de que cuando el contenido de bentonita restante es bajo, las partículas de bentonita con un diámetro más pequeño llenarán el espacio entre los agregados gruesos, lo que aumentará la densidad y la compactación de la muestra. Sin embargo, la bentonita tiene una densidad aparente más baja que la arena de cuarzo y el polvo de barita.

Análisis de sensibilidad de la densidad.

La Tabla 4 muestra el análisis de varianza de la densidad. En general, p < 0,05 indica que el factor tiene un impacto significativo en el parámetro físico-mecánico de los materiales, además p < 0,01 indica que el efecto es bastante significativo. Cuanto mayor sea el valor F y menor sea el valor p, indica un resultado más fiable. Los resultados del análisis de varianza prueban que el contenido de bentonita tiene un efecto significativo en la densidad de los materiales rocosos. De acuerdo con los hallazgos del análisis de sensibilidad, los parámetros restantes tuvieron poco efecto sobre la densidad.

La Figura 6 muestra el análisis de sensibilidad de diferentes factores en UCS. Según el valor R, el factor más sensible al UCS es la relación agregado-aglutinante, que aumentó de 4:1 a 8:1, lo que resultó en una disminución del 46,9 % en el UCS del material rocoso. Otros factores tienen un grado de impacto similar, lo que demuestra que la relación agregado-aglutinante es el factor más importante para determinar el UCS de los materiales rocosos. Como se demuestra en la Fig. 6, el UCS aumenta drásticamente a medida que disminuye la relación agregado-aglomerante y aumenta la relación cemento-yeso. Lo primero se debe a que, cuando la relación agregado-aglutinante crece, el contenido de material cementante cae y la capacidad de unión de la muestra disminuye, lo que resulta en una reducción de la resistencia. Esto último se debe a que el cemento puede aumentar la resistencia del material como material de cementación hidráulica36. El UCS del material rocoso mejora significativamente cuando el contenido de bentonita aumenta de 0 a 10%. Esto se debe principalmente a que la bentonita llena los espacios entre las partículas de arena de cuarzo, lo que hace que aumente el UCS con el aumento de la compacidad de la muestra. El UCS del material rocoso tiende a disminuir con el aumento continuo del contenido de bentonita. Esto se debe al hecho de que cuando aumenta el contenido de bentonita de la muestra, el grado de cementación de la muestra se debilita, reduciendo la resistencia a la compresión de la muestra.

Análisis de sensibilidad de la UCS.

El análisis de varianza para UCS se muestra en la Tabla 5. De acuerdo con los hallazgos del análisis de sensibilidad, los resultados indican que la relación agregado-aglutinante tiene un efecto sustancial en la UCS de materiales rocosos, mientras que otros factores son insignificantes cuando el parámetro cambios de nivel.

La Figura 7 muestra el análisis de sensibilidad de diferentes factores sobre el módulo elástico. Según el valor R, el factor más sensible es la relación agregado-aglomerante, que aumentó de 4:1 a 8:1, mientras que el módulo de elasticidad del material rocoso disminuyó en un 45,02 %. Otros factores tienen un grado de impacto similar, lo que demuestra que la relación agregado-aglutinante es el factor más importante para determinar el módulo de elasticidad de un material similar a una roca. Y el módulo elástico se reduce drásticamente con un aumento en la relación agregado-aglomerante y el contenido de bentonita.

Análisis de sensibilidad del módulo elástico.

La Tabla 6 muestra el análisis de varianza del módulo elástico. De acuerdo con los resultados del análisis de sensibilidad, el análisis de varianza indica que la relación agregado-aglutinante y el contenido de bentonita tienen un efecto sustancial en el módulo de elasticidad de los materiales rocosos, mientras que otros factores no son importantes cuando cambia el nivel del parámetro.

La figura 8 muestra el análisis de sensibilidad de diferentes factores en la relación de Poisson. A medida que cambia el nivel del parámetro, el valor R indica que la relación de Poisson fluctúa dentro de un rango estrecho. La Figura 8 demuestra que la relación de Poisson aumenta significativamente con un aumento en la relación cemento-yeso y una disminución en el contenido de bentonita, mientras que otros factores tienen poco efecto.

Análisis de sensibilidad de la relación de Poisson.

El análisis de varianza de la relación de Poisson se muestra en la Tabla 7. Todos los valores de p son superiores a 0,05, lo que indica que ninguno de los factores tuvo un impacto estadísticamente significativo en los atributos de los materiales rocosos, lo cual es consistente con los hallazgos de la sensibilidad análisis.

La Figura 9 representa el análisis de sensibilidad de diferentes factores sobre la resistencia a la tracción. De acuerdo con el valor R, el factor más sensible es el contenido de bentonita, que aumentó del 10 al 40 %, lo que resultó en una reducción del 37,69 % en la resistencia a la tracción de los materiales rocosos. Otros factores tienen un grado de influencia similar, lo que demuestra que el contenido de bentonita juega un papel importante en la determinación de la resistencia a la tracción de los materiales rocosos. La Figura 9 demuestra que la resistencia a la tracción se reduce drásticamente con un aumento en la relación agregado-aglutinante y una disminución en la relación cemento-yeso, mientras que la resistencia a la tracción inicialmente aumenta y luego disminuye con un aumento en el contenido de bentonita. Esto se debe a que el componente principal de la bentonita, la montmorillonita, tiene una estructura con múltiples fisuras37. Durante el curado, se formarán microfisuras dentro de la muestra, aumentando su porosidad y disminuyendo su resistencia en relación con los materiales rocosos.

Análisis de sensibilidad de la resistencia a la tracción.

El análisis de varianza de la resistencia a la tracción se muestra en la Tabla 8. De acuerdo con los resultados del análisis de sensibilidad, el análisis de varianza indica que el contenido de bentonita tiene un efecto significativo en la resistencia a la tracción de los materiales rocosos, mientras que otros factores no son importantes cuando el nivel del parámetro cambios.

La figura 10 muestra el análisis de sensibilidad de varios factores en el ángulo de fricción interna. Según el valor R, el factor más sensible al ángulo de fricción interna es el contenido de bentonita. Como varió de 0 a 40%, el ángulo de fricción interna del material rocoso se redujo en un 21,91%. Otros factores muestran un grado de influencia comparable, lo que indica que el contenido de bentonita juega un papel importante en la determinación del ángulo de fricción interna de los materiales rocosos. Como se demuestra en la Fig. 10, el ángulo de fricción interna disminuye drásticamente a medida que aumenta el contenido de bentonita, mientras que otras variables tienen poco efecto.

Análisis de sensibilidad del ángulo de fricción interna.

El análisis de varianza del ángulo de fricción interna se muestra en la Tabla 9. Todos los valores de p son mayores que 0,05, lo que indica que a medida que cambia el nivel del parámetro, todos los factores son insignificantes.

La figura 11 muestra el análisis de sensibilidad de varios factores de ángulo de fricción interna. Según el valor R, el factor más sensible es la relación árido-aglutinante, que pasó de 4:1 a 8:1 y disminuyó la cohesión de los materiales rocosos en un 43,49 %. Otros factores tienen un grado de impacto comparable, lo que demuestra que la relación agregado-aglutinante es el elemento más importante para determinar la cohesión de los materiales rocosos. La Figura 11 demuestra que la cohesión se reduce drásticamente a medida que aumenta la relación agregado-aglutinante, mientras que otros factores tienen un efecto mínimo. La explicación principal es que cuando crece la relación agregado-aglutinante, aumenta la cantidad de arena de cuarzo de gran tamaño, lo que aumenta la rugosidad de la superficie de contacto y reduce la cohesión de la muestra.

Análisis de diferencias extremas de cohesión.

La Tabla 10 muestra el análisis de varianza de cohesión. De acuerdo con los resultados del análisis de sensibilidad, el análisis de varianza indica que la relación agregado-aglutinante tiene un efecto sustancial en la cohesión de los materiales rocosos, mientras que otros factores no son importantes a medida que cambia el nivel del parámetro.

La desintegración es una característica importante que refleja las propiedades hidráulicas de las rocas. Las rocas se desintegran en una variedad de fragmentos, que incluyen piezas detríticas uniformes, granulares, fangosas y rotas38. Aquí, el estudio se centra en si la desintegración de la muestra está estrechamente relacionada con la composición mineral, la composición del tamaño de las partículas y la forma de cementación de la muestra. Para estudiar las propiedades de desintegración de materiales similares a rocas, se sumergió una muestra cilíndrica de φ50 × 50 mm en cristalería transparente llena de agua clara para llevar a cabo el experimento de remojo. El tiempo de remojo en el esquema del experimento se fijó en 4 h luego de una evaluación exhaustiva de la duración total del experimento y el rango de cambios en la masa corporal residual. La Figura 12 muestra los resultados de la desintegración final para cada grupo. El grado de desintegración se clasifica en cinco categorías según la relación entre la masa seca del residuo y la masa original: cero (0,98, 1,0], débil (0,8, 0,98), moderada (0,5, 0,8), fuerte (0,1, 0.5] y desintegración total [0, 0.1] La Tabla 11 describe las calificaciones para cada grupo.

Experimento de desintegración de muestras de material rocoso.

Para materiales cuyo grado de desintegración es 0 o débil, se puede utilizar para simular rocas con buena integridad antes y después del contacto con el agua, pero cuya resistencia disminuye evidentemente con el tiempo de remojo, como areniscas, calizas, etc. Para materiales con grados moderados o fuertes de desintegración, se puede usar para simular rocas que se desintegran parcialmente y pierden fuerza significativamente cuando se exponen al agua, como arenisca arcillosa, macizo rocoso estructural parcial, etc. Para materiales cuyo grado de desintegración es desintegración total, se puede usar para simular la rocas como la lutita y la marga, que están relativamente completas antes de entrar en contacto con el agua y se desintegran rápidamente una vez que lo hacen.

Después de 4 h de remojo, las muestras permanecieron intactas y no hubo desintegración perceptible en los grupos con 0 o 10% de contenido de bentonita. Sin embargo, el grado de desintegración aumenta drásticamente a medida que aumenta el contenido de bentonita. En los grupos que contenían 20% de bentonita, se despegó el exterior, pero el interior permaneció intacto. La muestra se desintegró rápidamente en un corto período de tiempo, y el grado de desintegración fue relativamente alto en el contenido de bentonita del 30% y 40%. Esto se debe principalmente a que el principal componente mineral de la bentonita es la montmorillonita, que tiene una alta capacidad de absorción de agua y se expande rápidamente en volumen después de absorber agua, lo que hace que la muestra se desintegre.

A medida que la relación cemento-yeso cambia de 7:3 a 3:7 mientras el contenido de bentonita permanece constante, el grado de desintegración de los materiales rocosos tiende a aumentar. Este comportamiento es más notorio cuando el contenido de bentonita es del 40%. Por un lado, el grado de cementación se debilitará con la disminución del contenido de cemento. Por otro lado, el yeso tiene poca resistencia al agua y sus características sueltas y porosas proporcionan canales de filtración para una mayor desintegración. Por lo tanto, a medida que cae la relación cemento-yeso, se potencia la desintegración.

Las características físico-mecánicas de los materiales rocosos están influenciadas simultáneamente por múltiples factores, y el cambio de cada factor producirá ciertas fluctuaciones en los parámetros. Sobre la base de los datos del experimento, se realizó un análisis de regresión lineal múltiple para cuantificar la relación entre varios factores y parámetros (Tabla 3). Suponiendo que Y es la variable dependiente y Xn (n = 1, 2, …, m) es la variable independiente, entonces el modelo de análisis de regresión puede establecerse como la fórmula (1)39:

donde b es el término constante; a1,a2,…,am son los coeficientes de regresión parcial.

Sea Yk(k = 1, 2, …, 7) la densidad, el UCS, el módulo elástico, la relación de Poisson, la resistencia a la tracción, el ángulo de fricción interna y la cohesión del material rocoso; sean X1, X2, X3 y X4 las relaciones agregado-aglomerante, cemento-yeso, contenido de polvo de barita y contenido de bentonita que influyen en los parámetros físico-mecánicos del material rocoso. A continuación se muestra cómo se obtuvieron las ecuaciones de regresión:

Verificar la validez del resultado de una ecuación de regresión. Utilizando el análisis comparativo, se determina la diferencia entre el resultado experimental y el resultado del cálculo de la ecuación de regresión para cada parámetro, como se ilustra en la Fig. 13.

Comparación de los resultados experimentales y de regresión de cada parámetro.

La Fig. 13 demuestra que los resultados del experimento y los resultados del análisis de regresión para cada parámetro están en buena concordancia, lo que indica que el método de análisis de regresión se puede utilizar para construir la relación cuantitativa entre varios factores y los parámetros para obtener los parámetros de la roca correspondiente. como material

Para investigar el mecanismo de inestabilidad inducido por el agua de un talud rocoso, establecimos una prueba de modelo físico utilizando materiales similares a rocas y medimos el desplazamiento y la emisión acústica (AE) del talud rocoso durante el proceso de falla progresiva.

El deterioro de la resistencia de las rocas naturales es un proceso relativamente lento de interacción agua-roca, lo que implica que la evolución de un deslizamiento de tierra es un proceso físico y mecánico prolongado. Para reconstruir el estado de tensión real del talud de roca en las pruebas de modelos físicos, se deben considerar las características del deterioro de la resistencia inducido por el agua mediante el examen de las propiedades frágiles de los materiales similares a rocas. En estudios previos, nuevos materiales similares a rocas con un 10 % de bentonita (grupos 2, 10, 13 y 24) exhibieron un grado relativamente alto de deterioro con especímenes intactos, particularmente el grupo 24, lo que demuestra que la adición de bentonita puede replicar el agua. significativamente la degradación de la fuerza inducida. En consecuencia, se seleccionó la proporción del grupo 24 para la prueba del modelo, y los parámetros correspondientes se detallan en la Tabla 3.

El deslizamiento de rocas de Saleshan ocurrió el 7 de marzo de 1983, destruyó tres aldeas y mató a 237 personas40. El perfil geológico se muestra en la Fig. 14. La estabilidad de esta forma de deslizamiento de tierra está controlada por el segmento bloqueado en el medio, y hay una capa intermedia débil en el pie de la pendiente casi horizontal o con una pendiente suave. Bajo el efecto del estrés por peso propio a largo plazo y el deterioro continuo del agua, la capacidad de carga del segmento bloqueado se redujo gradualmente, lo que condujo a la expansión hacia abajo de la grieta de tracción de la pendiente y, finalmente, se desencadenó el deslizamiento de tierra.

El perfil geológico del deslizamiento de rocas de Saleshan (modificado después de Huang et al.41).

Para investigar el mecanismo de inestabilidad de este tipo de deslizamiento de tierra bajo la interacción del agua y la roca, se estableció un modelo de deslizamiento de roca a escala, cuyo tamaño y forma se muestran en la Fig. 15. La fisura de tracción posterior a la fuente tiene una profundidad de 55 cm, y un espesor de 3 cm. La capa intermedia débil tiene una longitud de 80 cm, un espesor de 3 cm y un ángulo de inclinación de 20°, está rellena con polvo de mica. El sistema de medición consistió en galgas extensiométricas, AE y sensores de monitoreo de desplazamiento. Se instalaron tres galgas extensiométricas en el segmento bloqueado. La parte delantera del cuerpo del tobogán estaba equipada con tres sensores de control de desplazamiento. Se instalaron cinco sensores AE alrededor del segmento bloqueado.

La configuración del modelo de pendiente a escala y el esquema de seguimiento (unidad: cm).

En la plataforma experimental del modelo estructural de ingeniería geotécnica YDM-D con las dimensiones máximas del modelo de 1,6 m × 1,6 m × 0,4 m, se realizó la prueba del modelo físico a gran escala (Fig. 16e). El modelo fue creado por compactación (Fig. 16a) y desmoldado después de 48 h de moldeado (Fig. 16b). Después de desmoldar, pulir la superficie del modelo (Fig. 16c) y curarlo a temperatura ambiente durante 30 días para asegurar que el interior del modelo esté completamente formado (Fig. 16d). La fisura por tracción posterior a la fuente se generó insertando y luego retirando una placa de acero de 3 cm. Finalmente, se aplicó material impermeabilizante para impermeabilizar ambos lados de la grieta. Se utilizaron equipos de monitoreo como un sistema AE, galgas extensométricas y medidores de desplazamiento para monitorear (brindar detalles sobre qué parámetros o propiedades monitorearon durante los procesos de este experimento) el proceso de inestabilidad del talud (Fig. 16e).

El principal proceso de producción y sistema de seguimiento del modelo. (a) compactación; (b) moldeado; (c) pulido; (d) curado; e) modelo de sistema de seguimiento.

Debido a que el deterioro de la resistencia de la roca inducido por el agua es un proceso mecánico extremadamente lento, incluso si los nuevos materiales similares a la roca pueden acelerar significativamente este proceso, el experimento inevitablemente llevará mucho tiempo completarlo. Para acortar el período, este experimento adopta el método de cargar primero y luego inyectar agua para promover el daño de la pendiente del modelo. Primero, el dispositivo de carga superior aplicó la carga en etapas hasta aproximadamente el 90 % de la resistencia a largo plazo del material, y luego se mantuvo la carga. En esta etapa, se inyectó agua en la fisura de tracción posterior a la fuente y el agua degradó la resistencia del segmento bloqueado central. Eventualmente, el modelo de pendiente evolucionará hacia la inestabilidad por su propio peso. El nodo de tiempo de inyección de agua se determinó en base a los datos de tensión y emisión acústica. Cuando los datos de deformación aumentaron mucho (Fig. 17a) o cuando los datos de AE ​​produjeron múltiples eventos de alto nivel (Fig. 17b), lo que podría determinarse como el nodo crítico de inyección de agua.

El índice de identificación del nodo de tiempo de inyección de agua. (a) la tensión del segmento bloqueado frente al tiempo; (b) la energía AE del segmento bloqueado frente al tiempo.

La Figura 18 revela todo el proceso de falla del talud del modelo. Inicialmente, una vez que la carga superior se había estabilizado, se formaron unas pocas fracturas diminutas en la intersección del segmento bloqueado y la grieta de tracción posterior a la fuente (Fig. 18a). Esto se debe a la presencia de una gran concentración de tensiones en la parte superior del segmento bloqueado, lo que provocó que la fisura por tracción se desarrollara gradualmente hacia abajo. En consecuencia, se redujo la capacidad de carga del segmento central bloqueado. Con la inyección de agua hasta que el macizo rocoso en el segmento bloqueado se saturó gradualmente, el cuerpo deslizante comenzó a generar dislocaciones considerables a lo largo de la dirección de la capa intermedia débil (Fig. 18b). Esto se debe a que la existencia de agua aumenta la fuerza de deslizamiento y, lo que es más importante, el efecto agua-roca acelera el deterioro del segmento bloqueado. Después de 16 días de inyección continua de agua, el segmento bloqueado finalmente se cortó por completo y se desencadenó el deslizamiento de tierra (Fig. 18c). Antes de que se desencadene el derrumbe, se puede escuchar claramente un tremendo ruido, el cual es generado por la penetración completa del segmento trabado. Este fenómeno se ha observado en numerosos deslizamientos de rocas42,43.

La evolución de la falla de la pendiente del modelo. (a) estado original; (b) estado de fluencia; (c) estado de inestabilidad.

La ley de evolución de los datos de desplazamiento obtenidos por el medidor de desplazamiento en el medio de la pendiente se muestra en la Fig. 19. Como se muestra en la Fig. 19a, el desplazamiento de la pendiente creció significativamente después del inicio de la inyección de agua. Esto ocurre porque la fuerza del segmento bloqueado en el medio de la pendiente se degrada cuando entra en contacto con el agua, y la fuerza antideslizamiento que proporciona se reduce, provocando que la pendiente avance. Con la inyección continua de agua, el segmento bloqueado se satura progresivamente y la tasa de crecimiento del desplazamiento comienza a desacelerarse. Después de 16 días de inyección continua de agua, el daño acumulativo del segmento bloqueado alcanzó su punto máximo, lo que provocó la rápida expansión de las grietas internas y luego el talud entró en la etapa de deformación acelerada (Fig. 19b), lo que indica que la tasa de crecimiento del desplazamiento aumentado significativamente.

El desplazamiento del cuerpo deslizante frente al tiempo. (a) Ampliación parcial del estado de fluencia; (b) ampliación parcial del estado de deformación acelerada.

A través del análisis antes mencionado, no es difícil concluir que el nuevo material rocoso puede duplicar con precisión el mecanismo de fractura de un talud rocoso bajo la interacción entre el agua y la roca, así como la ley de evolución de la inestabilidad de taludes. Del mismo modo, este tipo de material también es adecuado para otros estudios de ingeniería de rocas similares.

En este estudio, se estudiaron las propiedades físico-mecánicas y de desintegración de materiales duros similares a rocas bajo diferentes proporciones de mezcla de materiales. Con base en los resultados del experimento, se pueden sacar las siguientes conclusiones:

Un nuevo material similar a una roca compuesto por polvo de barita, arena de cuarzo, bentonita, cemento y yeso promueve el deterioro de la resistencia de la roca durante la interacción agua-roca. Este novedoso material similar a una roca presenta un alto peso volumétrico, sensibilidad al agua y un proceso de preparación simple. Las propiedades físico-mecánicas de los materiales rocosos tienen un amplio rango de distribución, lo que les permite satisfacer las necesidades de diversos tipos de rocas.

El contenido de bentonita afecta significativamente la densidad, el módulo elástico y la resistencia a la tracción de los materiales rocosos, mientras que la relación agregado-aglutinante afecta significativamente la resistencia a la compresión uniaxial, el módulo elástico y la cohesión de los materiales rocosos.

El experimento de desintegración demuestra que el contenido de bentonita y la relación cemento-yeso son factores importantes que afectan la desintegración de materiales rocosos, siendo el contenido de bentonita el factor más relevante. Por lo tanto, el contenido de bentonita y la relación cemento-yeso deben considerarse enfáticamente en el proceso de selección de materiales rocosos que simulen las características de degradación de la resistencia inducida por el agua.

Sobre la base de los resultados de las pruebas ortogonales, se derivaron ecuaciones de regresión entre los factores de influencia y las propiedades físico-mecánicas, que se pueden utilizar para estimar los parámetros físico-mecánicos y, por lo tanto, seleccionar materiales adecuados para las pruebas del modelo físico.

Después del análisis de la aplicación, se confirma que el material similar a una roca producido para este estudio es aplicable a pruebas de modelos físicos a gran escala de deslizamientos de rocas y que el modo de falla es consistente con la ingeniería real. Además, tiene un alto valor de aplicación y se puede utilizar en la excavación de túneles y en la investigación de la minería del carbón.

Todos los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Este trabajo fue apoyado financieramente por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China bajo la subvención No. 42090052 y 41977249, y el Programa Nacional de Investigación y Desarrollo Clave de China bajo la subvención No. 2019YFC1509701.

Laboratorio clave de gas de esquisto y geoingeniería, Instituto de Geología y Geofísica, Academia de Ciencias de China, Beijing, 100029, China

Yuan Cui, Chao Xu y Lei Xue

Academia de Innovación para Ciencias de la Tierra, Academia China de Ciencias, Beijing, 100029, China

Yuan Cui, Chao Xu y Lei Xue

Facultad de Ciencias Planetarias y de la Tierra, Universidad de la Academia China de Ciencias, Beijing, 100049, China

Yuan Cui, Chao Xu y Lei Xue

Facultad de Geociencia e Ingeniería, Universidad de Recursos Hídricos y Energía Eléctrica del Norte de China, Zhengzhou, 450045, China

Jinyu Dong y Tong Jiang

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YC y CX realizaron experimentos modelo. YC escribió el texto principal del manuscrito con comentarios de todos los autores. LX analizó los resultados del experimento. LX, JD, TJ contribuyeron al desarrollo de la idea. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Lei Xue.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Cui, Y., Xu, C., Xue, L. et al. Estudio experimental sobre las proporciones razonables de materiales rocosos para la degradación de la resistencia inducida por el agua en ensayos de modelos de taludes rocosos. Informe científico 13, 9288 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36511-8

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Recibido: 06 enero 2023

Aceptado: 05 junio 2023

Publicado: 07 junio 2023

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

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