Estudio experimental sobre las proporciones razonables de la 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 las laderas rocosas. Para mostrar mejor el proceso de degradación de la interacción agua-roca en la pendiente de la roca, utilizamos bentonita como 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 basada en los materiales unidos cemento-yeso. Se diseñaron veinticinco esquemas de proporción de mezcla de materiales utilizando el método de diseño ortogonal considerando cuatro factores con cinco niveles variables, y se realizaron una variedad de experimentos para obtener parámetros físico-mecánicos. Además, se seleccionó un grupo de proporción de material similar a una 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 similar a una roca es muy similar al de los macizos rocosos 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 similares a las rocas; (3) Es factible obtener la ecuación de regresión basada en el análisis de regresión lineal para determinar la proporción de material similar a una roca; (4) Mediante su aplicación, el nuevo material similar a una roca puede simular o revelar eficazmente el mecanismo de arranque y las características de inestabilidad de las pendientes rocosas sometidas a degradación inducida por el agua. Estos estudios pueden servir como guía para la fabricación de material similar a una roca en las pruebas de otros modelos.

La inestabilidad de las laderas a menudo causa enormes pérdidas económicas y víctimas, por lo que el mecanismo de la inestabilidad de las laderas siempre ha sido una cuestión de frontera en la investigación internacional de la ingeniería geológica1,2. Los efectos debilitantes 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 pendientes se observa típicamente durante la temporada de lluvias5,6,7. Los deslizamientos de rocas a gran escala suelen ser difíciles de examinar debido a su estructura complicada, su carácter muy repentino y su fuerte ocultamiento8,9. La prueba del modelo físico puede revelar eficazmente las leyes de deformación y evolución de 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, una selección científica y aceptable de material similar es el requisito previo de la prueba del modelo14,15.

Desde el desarrollo de las pruebas con modelos físicos, se han realizado muchos estudios sobre la proporción de materiales similares a las rocas. Se llevaron a cabo numerosas investigaciones preliminares para descubrir los principios fundamentales de la selección y mezcla de materiales similares a las rocas16,17,18. 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 duros similares a las rocas. El material aglomerado cemento-yeso es el más comúnmente utilizado para simular roca dura, y sus comportamientos mecánicos son consistentes con los del macizo rocoso natural. Sin embargo, su periodo 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 las rocas, y estos materiales también cuentan con un alto peso volumétrico, un módulo elástico bajo y un rendimiento estable. Sin embargo, al mismo tiempo se reducirá la fragilidad del mismo22,23,24. Para materiales blandos similares a rocas, se debe considerar su efecto suavizante para mejorar la validez de las pruebas del modelo25,26,27. El material rocoso antes mencionado enriqueció enormemente la investigación sobre materiales rocosos y sentó las bases para futuras investigaciones de prueba de modelos.

Obviamente, las investigaciones anteriores sobre materiales similares a rocas se concentraron principalmente en la similitud de sus propiedades físico-mecánicas, mientras que hay poca atención en las propiedades de desintegración de los macizos rocosos frágiles bajo la interacción agua-roca. En la ingeniería geológica actual, como los deslizamientos de tierra de rocas a gran escala que ocurren durante las lluvias, cuyas inestabilidades fueron provocadas 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 la falla del talud no puede considerar el efecto de degradación del agua sobre la roca29,30 (Fig. 1a). Además, el uso de lluvia artificial es una forma eficaz de simular daños hidráulicos, que, sin embargo, suele ser adecuado para deslizamientos de tierra inducidos por lluvias31,32. Para las pendientes rocosas, la degradación de la resistencia de los materiales similares a las rocas 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 una roca que pueda reaparecer eficientemente la pérdida de resistencia de la roca debido a la interacción agua-roca.

Las principales formas de facilitar el fallo de taludes en los ensayos de modelos físicos. (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 utilizarlo en estudios de prueba de modelos de degradación inducida por el agua de grandes pendientes rocosas. Basado en el tradicional material aglomerado cemento-yeso, se añadió bentonita para regular la sensibilidad al agua del material. Utilizando el método experimental ortogonal, se diseñaron 25 esquemas de la proporción de mezcla de materiales similares a rocas con diferentes proporciones. Posteriormente, se realizaron análisis de rango y análisis de varianza para revelar la importancia de varios factores en los parámetros físico-mecánicos de materiales similares a rocas y se cuantificó la correlación entre los factores que influyen y los parámetros físico-mecánicos. Finalmente, se construyó un modelo físico de la pendiente rocosa con materiales similares a la roca, y la degradación de la pendiente inducida por el agua se realizó mediante inyección de agua. Se investigaron el mecanismo de arranque y las características de inestabilidad de las pendientes rocosas sometidas a degradación inducida por el agua. Los resultados de este estudio superan las deficiencias de los materiales de roca dura tradicionales que no son evidentes en cuanto a propiedades de desintegración y sirven como referencia para determinar la proporción de materiales similares a rocas en posteriores pruebas de modelos de deslizamientos de tierra a gran escala.

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

Respecto a resultados de investigaciones anteriores34, como agregados se seleccionaron barita en polvo (malla 200), arena gruesa (malla 40-70), arena fina (malla 20-40) y bentonita (malla 400), mientras que cemento (grado 42,5) y yeso ( 120 mesh) fueron seleccionados como materiales cementantes en este estudio. Como se muestra en la Tabla 1, donde la relación agregado-aglutinante es la relación entre agregado y aglutinante y la relación cemento-yeso es la relación entre cemento y 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 utilizando un molde de acero estándar 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 similar a una roca. (a) Molde de acero de tres pétalos, (b) pesar, (c) agitar, (d) compactar, (e) desmoldar y (f) pulir.

Para determinar los parámetros físico-mecánicos del material similar a la roca, se llevaron a cabo pruebas de compresión uniaxial, pruebas de división y pruebas de corte directo en las muestras. 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 el ensayo de corte. con la máquina de prueba de presión servo electrohidráulica controlada por computadora YAW6206 (Fig. 3c). Las figuras 3d ye representan los modos de falla de muestras divididas y de corte directo, respectivamente.

Ensayos de parámetros mecánicos de muestras. (a) Muestras experimentales; b) máquina de ensayos 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 tensión-deformación de la muestra presenta cinco etapas distintas: la etapa de cierre de grieta (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 tensión-deformación de compresión uniaxial de la muestra.

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

La distribución de densidad del material similar a una roca varía de 1,95 a 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, el índice de Poisson se distribuye en 0,14 a 0,18, la resistencia a la tracción se distribuye en 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 el rango de 2,09 a 8,94 MPa, lo que indica que los parámetros mecánicos del material similar a la roca tienen un amplio rango ajustable, que puede cumplir con los requisitos de la mayoría de las rocas. Pruebas de modelos de masa para materiales similares a rocas.

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 para diferentes parámetros físico-mecánicos de materiales similares a rocas. 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 significancia entre muestras de múltiples grupos33.

La Figura 5 muestra el análisis de sensibilidad de diferentes factores sobre la densidad. La 'R' representa el rango y el subíndice AD ​​corresponde al factor AD respectivamente. Según 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 la roca. como materiales. Como se ilustra en la Fig. 5, a medida que aumentan la relación agregado-aglutinante y el contenido de barita, la densidad se reduce drásticamente. La razón es que el contenido de arena de cuarzo disminuye 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, aumentando así la compactación y la densidad de la muestra. Sin embargo, la bentonita tiene una densidad aparente menor 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 el valor p, lo que indica un resultado más confiable. Los resultados del análisis de varianza demuestran que el contenido de bentonita tiene un efecto significativo sobre 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 a la UCS es la relación agregado-aglutinante, que aumentó de 4:1 a 8:1, lo que resultó en una disminución del 46,9% en la UCS del material similar a la roca. Otros factores tienen un grado similar de impacto, lo que demuestra que la relación agregado-aglomerante es el factor más importante para determinar la UCS de materiales similares a rocas. Como se demuestra en la Fig. 6, la UCS aumenta dramáticamente a medida que disminuye la relación agregado-aglutinante y aumenta la relación cemento-yeso. Lo primero se debe a que, cuando la relación agregado-aglutinante aumenta, el contenido de material cementante disminuye 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 cementante hidráulico36. La UCS del material rocoso mejora significativamente cuando el contenido de bentonita aumenta del 0 al 10%. Esto se debe principalmente a que la bentonita llena los espacios entre las partículas de arena de cuarzo, lo que provoca que el UCS aumente con el aumento de la compacidad de la muestra. La 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 similares a rocas, 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-aglutinante, que aumentó de 4:1 a 8:1 mientras que el módulo de elasticidad del material similar a la roca 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 elástico de un material similar a una roca. Y el módulo elástico se reduce drásticamente con un aumento en la relación agregado-aglutinante 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-aglomerante y el contenido de bentonita tienen un efecto sustancial sobre el módulo elástico de los materiales similares a las rocas, mientras que otros factores no son importantes cuando cambia el nivel del parámetro.

La Figura 8 muestra el análisis de sensibilidad de diferentes factores sobre el índice 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 del ratio de Poisson.

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

La Figura 9 muestra el análisis de sensibilidad de diferentes factores sobre la resistencia a la tracción. Según 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 similares a las rocas. Otros factores tienen un grado similar de influencia, lo que demuestra que el contenido de bentonita juega un papel importante en la determinación de la resistencia a la tracción de materiales similares a las rocas. 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 posteriormente 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 multifisurada37. Durante el curado, se formarán microfisuras dentro de la muestra, lo que aumentará su porosidad y disminuirá su resistencia en relación con los materiales similares a las rocas.

Análisis de sensibilidad de la resistencia a la tracción.

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

La Figura 10 muestra el análisis de sensibilidad de varios factores sobre el ángulo de fricción interna. Según el valor R, el factor más sensible al ángulo de fricción interna es el contenido de bentonita. Al variar de 0 a 40%, el ángulo de fricción interna del material similar a una roca 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 similares a las rocas. Como se demuestra en la Fig. 10, el ángulo de fricción interna disminuye dramáticamente 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-conglomerante, que aumentó 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-aglomerante es el elemento más importante para determinar la cohesión de materiales similares a las rocas. La Figura 11 demuestra que la cohesión se reduce drásticamente a medida que aumenta la relación agregado-aglomerante, mientras que otros factores tienen un efecto mínimo. La explicación principal es que cuando aumenta 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 la varianza de la cohesión. De acuerdo con los resultados del análisis de sensibilidad, el análisis de varianza indica que la relación agregado-aglutinante tiene un efecto sustancial sobre la cohesión de materiales similares a rocas, 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, incluidos pedazos detríticos uniformes, granulares, parecidos al barro y rotos38. 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 material de vidrio transparente lleno de agua para llevar a cabo el experimento de remojo. El tiempo de inmersión en el esquema del experimento se estableció 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 hallazgos finales de desintegración 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], moderado (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 materiales similares a rocas.

Para materiales cuyo grado de desintegración es 0 o débil, se puede utilizar para simular rocas con buena integridad antes y después del encuentro con el agua, pero cuya resistencia disminuye obviamente con el tiempo de remojo, como areniscas, calizas, etc. Para materiales con grados moderados o fuertes. de desintegración, se puede utilizar para simular rocas que se desintegran parcialmente y pierden significativamente fuerza cuando se exponen al agua, como areniscas arcillosas, macizos rocosos estructurales parciales, etc. Para materiales cuyo grado de desintegración es desintegración total, se puede utilizar para simular la rocas como lutita y 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 dramáticamente a medida que aumenta el contenido de bentonita. En los grupos que contenían un 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 provoca 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 similares a las rocas tiende a aumentar. Este comportamiento es más notorio cuando el contenido de bentonita es del 40%. Por un lado, el grado de cementación se verá debilitado 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 disminuye la relación cemento-yeso, se potencia la desintegración.

Las características físico-mecánicas de los materiales similares a las rocas 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 se puede expresar 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, UCS, módulo elástico, relación de Poisson, resistencia a la tracción, ángulo de fricción interna y cohesión de un material similar a una roca; Dejemos que X1, X2, X3 y X4 representen la relación agregado-aglutinante, la relación cemento-yeso, el contenido de polvo de barita y el contenido de bentonita que influyen en los parámetros físico-mecánicos del material similar a la roca. A continuación se muestra cómo se obtuvieron las ecuaciones de regresión:

Verificar la validez del resultado de una ecuación de regresión. Mediante 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 resultados de regresión de cada parámetro.

La Fig. 13 demuestra que los resultados del experimento y los resultados del análisis de regresión para cada parámetro concuerdan bien, 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 materia.

Para investigar el mecanismo de inestabilidad inducida por el agua de un talud rocoso, establecimos una prueba de modelo físico utilizando materiales similares a las 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 de la pendiente de la roca en pruebas de modelos físicos, se deben considerar las características del deterioro de la resistencia inducido por el agua examinando las propiedades frágiles de los materiales similares a las rocas. En estudios anteriores, nuevos materiales similares a rocas con un 10% de adición 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. indujo una degradación significativa de la resistencia. 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 desprendimiento de rocas de Saleshan ocurrió el 7 de marzo de 1983, que 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 pendiente suave. Bajo el efecto de la tensión del peso propio a largo plazo y el continuo deterioro del agua, la capacidad de carga del segmento bloqueado se redujo gradualmente, lo que llevó 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 según 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 grieta 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°, y está rellena con polvo de mica. El sistema de medición constaba de galgas extensométricas, AE y sensores de seguimiento de desplazamiento. Se instalaron tres galgas extensométricas en el segmento bloqueado. La parte frontal 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 se creó mediante compactación (Fig. 16a) y se desmoldó después de 48 h de moldeado (Fig. 16b). Después del desmoldeo, se pulió la superficie del modelo (Fig. 16c) y se curó a temperatura ambiente durante 30 días para garantizar que el interior del modelo estuviera completamente formado (Fig. 16d). La grieta de tracción posterior a la fuente se generó insertando y luego retirando una placa de acero de 3 cm. Finalmente, se aplicó material impermeable para impermeabilizar ambos lados de la grieta. Se utilizaron equipos de monitoreo como un sistema AE, galgas extensométricas y medidores de desplazamiento para monitorear (proporcionar detalles sobre qué parámetros o propiedades monitoreados durante los procesos de este experimento) el proceso de inestabilidad de la pendiente (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 nuevos materiales similares a rocas pudieran acelerar significativamente este proceso, el experimento inevitablemente tardará mucho tiempo en completarse. 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 grieta de tracción posterior a la fuente y el agua degradó la resistencia del segmento bloqueado medio. Con el tiempo, el modelo de pendiente evolucionará hacia la inestabilidad por su propio peso. El nodo de tiempo de inyección de agua se determinó en función de 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 versus el tiempo.

La Figura 18 revela todo el proceso de falla del talud del modelo. Inicialmente, una vez que la carga superior se estabilizó, se formaron algunas pequeñas fracturas 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 enorme concentración de tensiones en la parte superior del segmento bloqueado, lo que provocó que la grieta de tracción se desarrollara gradualmente hacia abajo. En consecuencia, la capacidad de carga del segmento bloqueado medio disminuyó. 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 deslizamiento de tierra, se escucha claramente un ruido tremendo, que se genera por la penetración completa del segmento bloqueado. Este fenómeno se ha observado en numerosos desprendimientos de rocas42,43.

La evolución del fallo 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 medio de la pendiente se degrada al entrar en contacto con el agua, y la fuerza antideslizante que proporciona se reduce, haciendo 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 resultó en la rápida expansión de las grietas internas, y luego la pendiente 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 versus el 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 similar a una roca puede duplicar con precisión el mecanismo de fractura de una pendiente rocosa bajo la interacción entre el agua y la roca, así como la ley de evolución de la inestabilidad de la pendiente. De igual forma, este tipo de material también es apto para otros estudios similares de ingeniería de rocas.

En este estudio, se estudiaron las propiedades físico-mecánicas y desintegrantes de materiales similares a rocas duras 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 similares a las rocas 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 similares a las rocas, mientras que la relación agregado-aglutinante afecta significativamente la resistencia a la compresión uniaxial, el módulo elástico y la cohesión de los materiales similares a las rocas.

El experimento de desintegración demuestra que el contenido de bentonita y la relación cemento-yeso son factores importantes que afectan la desintegración de materiales similares a rocas, 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 similares a rocas que simulen las características de la degradación de la resistencia inducida por el agua.

A partir de los resultados de las pruebas ortogonales se derivaron ecuaciones de regresión entre los factores influyentes y las propiedades físico-mecánicas, que pueden usarse para estimar los parámetros físico-mecánicos y así seleccionar materiales adecuados para las pruebas de modelos físicos.

Después del análisis de la aplicación, se confirma que el material similar a la roca producido para este estudio es aplicable a pruebas de modelos físicos a gran escala de deslizamientos de tierra y que el modo de falla es consistente con la ingeniería real. Además, tiene un alto valor de aplicación y puede utilizarse 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 previa solicitud razonable.

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Este trabajo fue apoyado financieramente por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China con las subvenciones n.º 42090052 y 41977249, y el Programa Nacional Clave de Investigación y Desarrollo de China con la subvención n.º 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 de Ciencias de China, Beijing, 100049, China

Yuan Cui, Chao Xu y Lei Xue

Facultad de Geociencias 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 del manuscrito principal 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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Cui, Y., Xu, C., Xue, L. et al. Estudio experimental sobre las proporciones razonables de materiales similares a rocas para la degradación de la resistencia inducida por el agua en una prueba de modelo de pendiente de roca. Informe científico 13, 9288 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36511-8

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Recibido: 06 de enero de 2023

Aceptado: 05 de junio de 2023

Publicado: 07 de junio de 2023

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

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