一种确定干湿循环作用后红层泥岩单轴抗压强度损伤方法

1.本发明涉及岩石力学领域，具体涉及一种确定干湿循环作用后红层泥岩单轴抗压强度损伤方法。


背景技术：

2.红层泥岩具有遇水易崩解、膨胀和软化的特殊性质，受自然气候和地下水位波动的影响，边坡或地基多处于干湿循环交替作用的状态，而干湿循环作用是导致红层泥岩强度损伤的重要原因，易引发一系列工程问题。目前关于泥岩力学损伤研究大多基于单轴抗压强度试验，而为获得力学损伤程度需室内制样并进行破坏性试验，测试周期长且较繁琐。干湿循环作用下红层泥岩的宏观单轴抗压强度和微观孔隙扩展特征具有显著相关性，为快速获得干湿循环作用后泥岩单轴抗压强度损伤，提出一种基于微观孔隙扩展特征确定泥岩单轴抗压强度损伤方法，该方法具有很强的便捷性和快速性。


技术实现要素：

3.为了解决上述问题，本发明提供了一种确定干湿循环作用后红层泥岩单轴抗压强度损伤方法：
4.s1：采集经干湿循环作用后红层泥岩试样的应力-应变曲线，获得不同干湿循环作用次数后的单轴抗压强度；
5.s2：选取经单轴抗压强度试验后的试样，进行打磨、镀膜等处理，置于真空室中采用扫描电子显微镜进行拍照，获取试样在特定放大倍数下的微观图像；
6.s3：基于扫描电子显微镜下的微观图像，利用图像处理软件进行二值化处理，通过划分阈值区间选定图像中的孔隙结构，提取孔隙度；
7.s4：基于孔隙度数值，获得在不同干湿循环次数条件下，红层泥岩试样的孔隙扩展变化规律，孔隙扩展变化规律用于表示干湿循环对微观结构的影响；
8.s5：基于单轴抗压强度变化规律和孔隙扩展变化规律响应特征，通过拟合分析获取红层泥岩试样在不同干湿循环作用次数下的损伤程度，用于分析红层泥岩在干湿循环作用下导致的边坡或地基软化等工程问题。
9.进一步的，所述步骤s1中，干湿循环次数包括0次、1次、3次、5次、8次、10次。
10.进一步的，所述步骤s1中，根据压实阶段应力、弹性阶段应力、屈服阶段应力、应变软化阶段应力，获取红层泥岩试样在不同干湿循环作用条件下的单轴抗压强度。
11.进一步的，所述步骤s2中，扫描电子显微镜图像放大倍数采用5000
×
。
12.有益效果：
13.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
14.本发明通过对干湿循环作用下红层泥岩力学特性分析，随干湿循环次数增加单轴抗压强度降低。本发明提出以扫描电子显微镜图像的灰度值阈值为干湿循环条件下红层泥岩微观孔隙结构的划分界限，得到干湿0、1、3、5、8和10次的红层泥岩孔隙度分别为5.09％,
6.57％,6.96％,6.73％,8.22％和12.94％。
15.本发明提出了不同干湿循环作用次数下红层泥岩孔隙扩展系数，确定了干湿循环作用条件下红层泥岩损伤程度的计算公式，实际工程中只需通过测量待测样品的孔隙度，即可计算不同干湿循环次数后红层泥岩单轴抗压强度值和损伤量，无需再进行试样制样和室内单轴抗压试验，为确定干湿循环作用下红层泥岩的损伤程度提供了一种快速计算方法。
附图说明
16.图1为本发明所述的方法流程图；
17.图2为本发明实施例所述的干湿循环作用下红层泥岩单轴抗压强度曲线；
18.图3为本发明实施例所述的孔隙扩展系数与单轴抗压强度变化规律。
具体实施方式
19.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
20.实施例：
21.如图1～图3所示，本发明提供了一种确定干湿循环作用后泥岩强度损伤方法，包括以下步骤：
22.s1：采集经干湿循环作用后红层泥岩试样的应力-应变曲线，获得不同干湿循环作用次数后的单轴抗压强度；
23.s2：选取经单轴抗压强度试验后的试样，进行打磨、镀膜等处理，置于真空室中采用扫描电子显微镜进行拍照，获取试样在特定放大倍数下的微观图像；
24.s3：基于扫描电子显微镜下的微观图像，利用图像处理软件进行二值化处理，通过划分阈值区间选定图像中的孔隙结构，提取孔隙度；
25.s4：基于孔隙度数值，获得在不同干湿循环次数条件下，红层泥岩试样的孔隙扩展变化规律，孔隙扩展变化规律用于表示干湿循环对微观结构的影响；
26.s5：基于单轴抗压强度变化规律和孔隙扩展变化规律响应特征，通过拟合分析获取红层泥岩试样在不同干湿循环作用次数下的损伤程度，用于分析红层泥岩在干湿循环作用下导致的边坡或地基软化等工程问题。
27.实施例1：
28.本发明通过试验的方法进行技术验证，具体试验过程如下。
29.干湿循环作用下红层泥岩单轴抗压强度试验：
30.现场采样并按规范要求进行室内制样和干湿循环试验，对完成干湿循环的试样进行单轴抗压强度试验，采用微机控制伺服万能试验机进行单轴抗压强度试验；采用位移控制式控制加载速率，设定加载速率为0.12mm/min，保持其加载速率直至泥岩试样破坏。
31.单轴抗压强度试验结果分析：
32.干湿循环作用下红层泥岩单轴抗压试验结果见图2。从图2中可知：红层泥岩单轴抗压强度随干湿循环次数增加而降低；相同应变条件下，红层泥岩应力随干湿循环次数增
加而降低；干湿循环0、1、3、5、8和10次的红层泥岩试样单轴抗压强度分别为55.88mpa、50.12mpa、42.72mpa、44.71mpa、45.59mpa和36.22mpa，平均每次干湿循环单轴抗压强度降低1.77mpa。
33.干湿循环作用下红层泥岩扫描电子显微镜试验：
34.对完成干湿循环试样进行扫描电子显微镜试验，扫描电子显微镜试验采用quanta650feg，试样表面进行镀膜处理，置于样品室内，在真空环境下拍照记录特定放大倍数下的图像。采用image-pro plus图像处理软件对图像进行二值化阈值分割处理，运用his曲线调节图像分割，选定孔隙结构，从而获取红层泥岩孔隙度。
35.扫描电子显微镜试验结果分析：
36.干湿循环作用下红层泥岩扫描电子显微镜试验定量结果见表1。从表1中可知：红层泥岩孔隙度随干湿循环次数增加而增加，其中孔隙面积随干湿循环次数增加逐渐增加，孔隙数量在前5次干湿循环呈增长趋势，而10次循环后孔隙数量与循环3～5次基本相同。在前5次干湿循环过程中，水分进入生成大量次生孔隙；随干湿循环次数继续增加，大量微孔不断扩展延伸，孔径逐渐扩展，孔隙数量逐渐降低。
37.表1干湿循环作用后孔隙参数
[0038][0039]
通过计算孔隙扩展系数(d
δn
)反映红层泥岩试样受干湿循环作用影响的微观孔隙扩展程度。计算式如下：
[0040][0041]
式中：δ0为初始状态下岩石材料孔隙度，δn为干湿循环n次后孔隙度，d
δn
为干湿循环n次后孔隙扩展系数。
[0042]
岩石微观孔隙扩展特征反映了岩石内部结构完整性和宏观物理力学性质的损伤程度。随干湿循环次数增加，孔隙扩展系数逐渐增大。因为干湿循环作用下红层泥岩中的矿物成分表面出现溶蚀孔洞，次生孔隙发育，随干湿循环作用次数增加，孔径逐渐扩展，孔隙面积增大。
[0043]
孔隙扩展系数与宏观单轴抗压强度相关性分析：
[0044]
岩石材料微观结构特征是影响其物理力学特性衰减的主要因素。干湿循环作用下
孔隙扩展系数与宏观单轴抗压强度值的相关性如图3所示。从图3中可以看出：不同干湿循环次数作用下红层泥岩单轴抗压强度与孔隙扩展系数具有显著相关性，通过拟合可得到与孔隙扩展系数的函数关系为：
[0045]
ucsn＝ucs
0-ad
δn
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5.2)
[0046]
式中：ucs0为未经干湿循环作用的单轴抗压强度，ucsn为干湿循环n次后单轴抗压强度。
[0047]
参数a与干湿循环有关，本发明实施例中参数a取值为0.13。
[0048]
根据岩石材料损伤量定义，通过计算单轴抗压强度损伤量反映岩石试样受干湿循环作用影响的力学特性的损伤程度。计算式如下：
[0049][0050]
式中：d
ucsn
为循环n次后单轴抗压强度损伤量。
[0051]
将式(5.2)代入式(5.3)中可得：
[0052]ducsn
＝ad
δn
×
100％
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5.4)
[0053]
实际工程中，通过建立的单轴抗压强度与孔隙扩展系数公式(式5.2)，现场只需取样并进行干湿循环试验，干湿循环试验前后分别采用扫描电镜测试试样孔隙度并计算孔隙扩展系数，即可计算不同干湿循环次数后损伤后的单轴抗压强度损伤值，无需再进行试样制样和室内单轴抗压试验。根据式(5.4)即可计算循环n次后单轴抗压强度损伤量。
[0054]
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。