Etude expérimentale sur les proportions raisonnables de roche

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 9288 (2023) Citer cet article

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La détérioration de la résistance de la masse rocheuse induite par l'eau est un facteur crucial pour l'instabilité des pentes rocheuses. Pour mieux montrer le processus de dégradation de l'interaction eau-roche de la pente rocheuse, nous avons utilisé la bentonite comme régulateur sensible à l'eau pour construire un nouveau matériau semblable à la roche qui correspond aux caractéristiques de la dégradation de la résistance induite par l'eau sur la base des matériaux liés ciment-gypse. Vingt-cinq schémas de la proportion de mélange de matériaux ont été conçus en utilisant la méthode de conception orthogonale en considérant quatre facteurs avec cinq niveaux variables, et une variété d'expériences ont été menées pour obtenir des paramètres physico-mécaniques. De plus, un groupe de proportion de matériaux rocheux a été sélectionné et appliqué au test du modèle physique à grande échelle. Les résultats de l'expérience révèlent que : (1) Le mode de rupture de ce matériau semblable à la roche est très similaire à celui des masses rocheuses naturelles, et les paramètres physico-mécaniques varient dans une large gamme ; (2) La teneur en bentonite a une influence significative sur la densité, le module d'élasticité et la résistance à la traction des matériaux de type roche ; (3) Il est possible d'obtenir l'équation de régression basée sur l'analyse de régression linéaire pour déterminer la proportion de matériau de type roche ; (4) Grâce à l'application, le nouveau matériau semblable à la roche peut simuler ou révéler efficacement le mécanisme de démarrage et les caractéristiques d'instabilité des pentes rocheuses sous la dégradation induite par l'eau. Ces études peuvent servir de guide pour la fabrication de matériaux de type roche dans les autres essais sur modèle.

L'instabilité des pentes entraîne souvent d'énormes pertes économiques et des pertes, de sorte que le mécanisme de l'instabilité des pentes a toujours été un problème de frontière dans la recherche internationale en géologie de l'ingénieur1,2. Les effets d'affaiblissement causés par l'interaction eau-roche ont un impact significatif sur la stabilité des pentes rocheuses3,4. De nombreuses études d'ingénierie ont montré que l'instabilité des pentes est généralement observée pendant la saison des pluies5,6,7. Les glissements de terrain rocheux à grande échelle sont généralement difficiles à examiner en raison de leur structure compliquée, de leur forte soudaineté et de leur forte dissimulation8,9. Le test du modèle physique peut révéler efficacement les lois de déformation et d'évolution des masses rocheuses dans des conditions géologiques complexes en ingénierie des roches, ce qui présente les avantages d'une grande opérabilité, d'un cycle court et de résultats intuitifs10,11,12,13. Étant donné que les matériaux et la quantité de mélange ont un impact significatif sur les propriétés du modèle physique, une sélection scientifique et acceptable de matériaux similaires est la condition préalable du test du modèle14,15.

Depuis le développement des essais sur modèles physiques, de nombreuses études ont été entreprises sur la proportion de matériaux de type roche. De nombreuses recherches préliminaires ont été menées pour découvrir les principes fondamentaux de la sélection et du mélange de matériaux de type roche16,17,18. Par la suite, un nombre croissant de matériaux ont été utilisés pour imiter différents types de roches, qui pourraient être classées en trois groupes : roche dure, roche tendre et matériaux de couplage fluide-solide. Les propriétés physico-mécaniques, y compris la résistance et la fragilité, sont les principaux indicateurs de ressemblance pour les matériaux de type roche dure. Le matériau lié ciment-gypse est le plus couramment utilisé pour simuler la roche dure, et ses comportements mécaniques sont cohérents avec ceux de la masse rocheuse naturelle. Cependant, sa période de durcissement est plus longue19,20,21. La création de matériaux de type colophane et alcool a considérablement réduit le temps de durcissement des matériaux de type roche, et ces matériaux présentent également un poids volumétrique élevé, un faible module d'élasticité et des performances stables. Cependant, la fragilité de celui-ci sera réduite du même coup22,23,24. Pour les matériaux de type roche tendre, son effet adoucissant doit être pris en compte pour améliorer la validité des essais sur modèle25,26,27. Le matériau semblable à la roche susmentionné a grandement enrichi la recherche sur les matériaux semblables à la roche et a jeté les bases de futures recherches sur les tests de modèles.

De toute évidence, les recherches antérieures sur les matériaux de type roche se sont concentrées principalement sur la similitude de leurs propriétés physico-mécaniques, alors qu'il y a peu d'attention sur les propriétés de désintégration des masses rocheuses fragiles sous l'interaction eau-roche. Dans l'ingénierie géologique actuelle, comme les glissements de terrain rocheux à grande échelle qui se produisent pendant les précipitations, ces instabilités ont été principalement déclenchées par la dégradation de la résistance de la structure anti-glissement essentielle sous l'interaction eau-roche28. Dans de telles conditions, la méthode d'application d'un vérin à chargement progressif pour faciliter la rupture du talus ne peut pas prendre en compte l'effet de dégradation de l'eau sur la roche29,30 (Fig. 1a). De plus, l'utilisation des précipitations artificielles est un moyen efficace de simuler les dommages hydrauliques, qui, pourtant, convient généralement aux glissements de terrain induits par les précipitations31,32. Pour les pentes rocheuses, la dégradation de la résistance des matériaux conventionnels de type roche répondant à l'action des précipitations artificielles est imperceptible, et l'équipement de surveillance précis est susceptible d'être brisé pendant le processus de précipitations (Fig. 1b). Ainsi, il est très urgent de concevoir un matériau semblable à la roche qui puisse réapparaître efficacement la perte de résistance de la roche due à l'interaction eau-roche.

Les principaux moyens de faciliter la rupture de pente dans les essais sur modèle physique. (a) Un cric à chargement progressif ; (b) La pluie artificielle.

Ce travail vise à concevoir un nouveau matériau ressemblant à de la roche avec un poids apparent élevé et une sensibilité à l'eau pour une utilisation dans des études d'essai sur modèle de la dégradation induite par l'eau de grandes pentes rocheuses. Sur la base du matériau ciment-gypse traditionnel, de la bentonite a été ajoutée pour réguler la sensibilité à l'eau du matériau. En utilisant la méthode d'expérience orthogonale, 25 schémas de la proportion de mélange de matériaux de matériaux de type rocheux avec des proportions différentes ont été conçus. Par la suite, l'analyse de gamme et l'analyse de variance ont été effectuées pour révéler l'importance de divers facteurs sur les paramètres physico-mécaniques des matériaux de type roche, et quantifié la corrélation entre les facteurs d'influence et les paramètres physico-mécaniques. Enfin, un modèle physique de la pente rocheuse a été construit avec des matériaux de type roche, et la dégradation induite par l'eau de la pente a été réalisée par injection d'eau. Le mécanisme de démarrage et les caractéristiques d'instabilité des pentes rocheuses soumises à une dégradation induite par l'eau ont été étudiés. Les résultats de cette étude surmontent les lacunes des matériaux de roche dure traditionnels qui ne sont pas apparents dans les propriétés de désintégration et servent de référence pour déterminer la proportion de matériaux ressemblant à de la roche dans les essais ultérieurs à grande échelle de modèles de glissements de terrain rocheux.

Le plan orthogonal est un moyen efficace pour étudier les problèmes à plusieurs facteurs et niveaux. Sur la base de l'orthogonalité, qui se caractérise par une dispersion, une comparabilité et une uniformité équilibrées, il sélectionne des expériences représentatives de l'ensemble du schéma expérimental33.

En ce qui concerne les résultats des recherches précédentes34, la poudre de barytine (200 mesh), le sable grossier (40–70 mesh), le sable fin (20–40 mesh) et la bentonite (400 mesh) ont été sélectionnés comme agrégats, tandis que le ciment (grade 42,5) et le gypse ( 120 mesh) ont été sélectionnés comme matériaux de cimentation dans cette étude. Comme le montre le tableau 1, où le rapport agrégat-liant est le rapport agrégat sur liant et le rapport ciment-gypse est le rapport ciment sur gypse. Cette expérience a utilisé le schéma de conception orthogonal L25 (56) avec quatre facteurs et cinq niveaux. Le tableau 2 décrit le schéma expérimental.

Les échantillons cylindriques standard de matériau ressemblant à de la roche ont été produits à l'aide d'un moule en acier standard à trois pétales (Fig. 2a). Après avoir assemblé le moule, l'échantillon a été créé en suivant les procédures de pesée (Fig. 2b), d'agitation (Fig. 2c), de compactage (Fig. 2d), de démoulage (Fig. 2e) et de polissage (Fig. 2f).

Le processus de fabrication de l'échantillon de matériau semblable à la roche. (a) Moule en acier à trois pétales, (b) pesée, (c) agitation, (d) compactage, (e) démoulage et (f) polissage.

Pour déterminer les paramètres physico-mécaniques du matériau de type roche, des essais de compression uniaxiale, des essais de fractionnement et des essais de cisaillement direct ont été effectués sur les échantillons. Un total de 375 échantillons ont été produits, dont 155 (Fig. 3a) ont été utilisés pour le test de compression uniaxiale avec une machine d'essai de mécanique des roches MTS-815 (Fig. 3b), et d'autres échantillons ont été utilisés pour le test de fractionnement et le test de cisaillement. avec la machine d'essai de pression servo électro-hydraulique commandée par ordinateur YAW6206 (Fig. 3c). Les figures 3d et e illustrent les modes de défaillance du cisaillement direct et des échantillons divisés, respectivement.

Essais de paramètres mécaniques d'échantillons. (a) Échantillons expérimentaux ; (b) Machine d'essai mécanique des roches MTS-815 ; (c) Machine d'essai de pression électro-hydraulique YAW6206 commandée par ordinateur ; et (d) essai de cisaillement direct ; (e) test fractionné.

Comme le montre la figure 4, la courbe contrainte-déformation de l'échantillon présente cinq étapes distinctes : l'étape de fermeture de la fissure (I), l'étape de déformation élastique (II), l'étape de rupture stable (III), l'étape de rupture instable (IV) et le stade post-pic (V), qui démontre une excellente élasticité et plasticité. De plus, les formes de rupture étaient principalement des ruptures par rupture de traction et des ruptures par cisaillement diagonal, qui sont très similaires aux caractéristiques de rupture typiques des masses rocheuses réelles et peuvent refléter plus précisément leurs propriétés mécaniques.

La courbe contrainte-déformation de compression uniaxiale de l'échantillon.

Pour éviter la dispersion des données mesurées, quatre échantillons ont été préparés pour chaque groupe de sorte qu'au moins deux résultats soient cohérents. Les tolérances de planéité et de perpendicularité de l'éprouvette respectaient les exigences ISRM35. 25 groupes d'échantillons de matériaux de proportions différentes ont été testés pour leurs propriétés physico-mécaniques (tableau 3).

La distribution de la densité du matériau semblable à la roche varie de 1,95 à 2,18 g/cm3, ce qui indique que ce matériau a une densité apparente relativement élevée. L'UCS est distribué dans la plage de 7,24 à 25,55 MPa, le module d'élasticité est distribué dans la plage de 1,63 à 5,75 GPa, le coefficient de Poisson est distribué dans 0,14 à 0,18, la résistance à la traction est distribuée dans 0,91 à 2,46 MPa, l'interne l'angle de frottement est réparti dans la plage de 32,74 à 60,25 ° et la cohésion est répartie dans la plage de 2,09 à 8,94 MPa, ce qui indique que les paramètres mécaniques du matériau semblable à la roche ont une large plage de réglage, qui peut répondre aux exigences de la plupart des roches essais sur modèle de masse pour les matériaux de type roche.

Des analyses de gamme et une analyse de variance ont été utilisées pour déterminer la sensibilité et l'importance des quatre facteurs dans des schémas d'expérience orthogonaux à différents paramètres physico-mécaniques de matériaux de type roche. L'analyse de gamme peut distinguer intuitivement les facteurs primaires et secondaires de l'expérience, tandis que l'analyse de variance est un test statistique largement utilisé qui analyse les différences et la signification entre plusieurs groupes d'échantillons33.

La figure 5 illustre l'analyse de sensibilité de différents facteurs sur la densité. Le 'R' représente la plage et l'indice AD ​​correspond au facteur AD respectivement. Selon la différence extrême de densité (valeur R), la teneur en bentonite est le facteur le plus sensible à la densité, et d'autres facteurs ont un degré d'influence similaire, indiquant que la teneur en bentonite joue un rôle important dans la détermination de la densité de la roche. comme des matériaux. Comme illustré sur la figure 5, à mesure que le rapport agrégat-liant et la teneur en barytine augmentent, la densité diminue considérablement. La raison en est que la teneur en sable de quartz diminue à mesure que la poudre de barytine augmente, ce qui a un impact significatif sur la densité. Avec une augmentation de la teneur en bentonite (soit de 0 à 40 %), la densité de l'échantillon atteint d'abord un maximum (soit environ 2,13 g/cm3) puis chute à moins de 2 g/cm3. Cela est dû au fait que lorsque la teneur en bentonite restante est faible, les particules de bentonite de plus petit diamètre rempliront l'espace entre les agrégats grossiers, augmentant ainsi le compactage et la densité de l'échantillon. Cependant, la bentonite a une densité apparente inférieure à celle du sable de quartz et de la poudre de barytine.

Analyse de sensibilité de la densité.

Le tableau 4 montre l'analyse de la variance de la densité. En général, p < 0,05 indique que le facteur a un impact significatif sur le paramètre physico-mécanique des matériaux, de plus p < 0,01 indique que l'effet est assez significatif. Plus la valeur F est élevée et plus la valeur p est faible, ce qui indique un résultat plus fiable. Les résultats de l'analyse de variance prouvent que la teneur en bentonite a un effet significatif sur la densité des matériaux de type roche. Conformément aux résultats de l'analyse de sensibilité, les paramètres restants ont eu peu d'effet sur la densité.

La figure 6 illustre l'analyse de sensibilité de différents facteurs sur l'UCS. Selon la valeur R, le facteur le plus sensible à l'UCS est le rapport agrégat-liant, qui est passé de 4:1 à 8:1, ce qui a entraîné une diminution de 46,9 % de l'UCS du matériau semblable à la roche. D'autres facteurs ont un degré d'impact similaire, démontrant que le rapport agrégat-liant est le facteur le plus important dans la détermination de l'UCS des matériaux de type roche. Comme le montre la figure 6, l'UCS augmente considérablement à mesure que le rapport agrégat-liant diminue et que le rapport ciment-gypse augmente. Le premier est dû au fait que, lorsque le rapport agrégat-liant augmente, la teneur en matériau de cimentation diminue et la capacité de liaison de l'échantillon est réduite, ce qui entraîne une réduction de la résistance. Ce dernier est dû au fait que le ciment peut augmenter la résistance du matériau en tant que matériau de cimentation hydraulique36. L'UCS du matériau semblable à la roche est considérablement amélioré lorsque la teneur en bentonite est augmentée de 0 à 10 %. C'est principalement parce que la bentonite remplit les espaces entre les particules de sable de quartz, ce qui provoque l'augmentation de l'UCS avec l'augmentation de la compacité de l'échantillon. L'UCS du matériau semblable à la roche a tendance à diminuer avec l'augmentation continue de la teneur en bentonite. Cela est dû au fait que lorsque la teneur en bentonite de l'échantillon augmente, le degré de cimentation de l'échantillon s'affaiblit, réduisant la résistance à la compression de l'échantillon.

Analyse de sensibilité de l'UCS.

L'analyse de la variance pour l'UCS est présentée dans le tableau 5. Conformément aux conclusions de l'analyse de sensibilité, les résultats indiquent que le rapport agrégat-liant a un effet substantiel sur l'UCS des matériaux de type rocheux, alors que d'autres facteurs sont insignifiants lorsque le paramètre changements de niveau.

La figure 7 illustre l'analyse de sensibilité de différents facteurs sur le module d'élasticité. Selon la valeur R, le facteur le plus sensible est le rapport agrégat-liant, qui est passé de 4:1 à 8:1 tandis que le module d'élasticité du matériau de type roche a diminué de 45,02 %. D'autres facteurs ont un degré d'impact similaire, démontrant que le rapport agrégat-liant est le facteur le plus important dans la détermination du module d'élasticité d'un matériau semblable à la roche. Et le module d'élasticité diminue considérablement avec une augmentation du rapport agrégat-liant et de la teneur en bentonite.

Analyse de sensibilité du module d'élasticité.

Le tableau 6 montre l'analyse de la variance du module d'élasticité. Conformément aux résultats de l'analyse de sensibilité, l'analyse de la variance indique que le rapport agrégat-liant et la teneur en bentonite ont un effet substantiel sur le module d'élasticité des matériaux de type roche, alors que d'autres facteurs sont sans importance lorsque le niveau des paramètres change.

La figure 8 illustre l'analyse de sensibilité de différents facteurs sur le coefficient de Poisson. Lorsque le niveau du paramètre change, la valeur R indique que le coefficient de Poisson fluctue dans une plage étroite. La figure 8 montre que le coefficient de Poisson augmente significativement avec une augmentation du rapport ciment-gypse et une diminution de la teneur en bentonite, alors que les autres facteurs ont peu d'effet.

Analyse de sensibilité du coefficient de Poisson.

L'analyse de la variance du coefficient de Poisson est présentée dans le tableau 7. Toutes les valeurs p sont supérieures à 0,05, ce qui indique qu'aucun des facteurs n'a eu d'impact statistiquement significatif sur les attributs des matériaux de type rocheux, ce qui est cohérent avec les résultats de la sensibilité analyse.

La figure 9 illustre l'analyse de sensibilité de différents facteurs sur la résistance à la traction. Selon la valeur R, le facteur le plus sensible est la teneur en bentonite, qui est passée de 10 à 40 %, entraînant une réduction de 37,69 % de la résistance à la traction des matériaux de type roche. D'autres facteurs ont un degré d'influence similaire, démontrant que la teneur en bentonite joue un rôle important dans la détermination de la résistance à la traction des matériaux de type roche. La figure 9 montre que la résistance à la traction diminue considérablement avec une augmentation du rapport agrégat-liant et une diminution du rapport ciment-gypse, tandis que la résistance à la traction augmente initialement puis diminue avec une augmentation de la teneur en bentonite. En effet, le composant principal de la bentonite, la montmorillonite, a une structure multifissurée37. Pendant le durcissement, des microfissures se forment dans l'échantillon, augmentant sa porosité et diminuant sa résistance par rapport aux matériaux de type roche.

Analyse de sensibilité de la résistance à la traction.

L'analyse de la variance de la résistance à la traction est présentée dans le tableau 8. Conformément aux résultats de l'analyse de sensibilité, l'analyse de la variance indique que la teneur en bentonite a un effet significatif sur la résistance à la traction des matériaux de type roche, alors que d'autres facteurs sont sans importance lorsque le niveau de paramètre changements.

La figure 10 illustre l'analyse de sensibilité de divers facteurs sur l'angle de frottement interne. Selon la valeur R, le facteur le plus sensible à l'angle de frottement interne est la teneur en bentonite. Comme il variait de 0 à 40 %, l'angle de frottement interne du matériau semblable à la roche a été réduit de 21,91 %. D'autres facteurs montrent un degré d'influence comparable, indiquant que la teneur en bentonite joue un rôle important dans la détermination de l'angle de frottement interne des matériaux de type roche. Comme le montre la figure 10, l'angle de frottement interne diminue considérablement à mesure que la teneur en bentonite augmente, tandis que d'autres variables ont peu d'effet.

Analyse de sensibilité de l'angle de frottement interne.

L'analyse de la variance de l'angle de frottement interne est affichée dans le tableau 9. Toutes les valeurs de p sont supérieures à 0,05, ce qui indique que lorsque le niveau du paramètre change, tous les facteurs sont négligeables.

La figure 11 illustre l'analyse de sensibilité de divers facteurs d'angle de frottement interne. Selon la valeur R, le facteur le plus sensible est le rapport agrégat-liant, qui est passé de 4:1 à 8:1 et a diminué la cohésion des matériaux de type roche de 43,49 %. D'autres facteurs ont un degré d'impact comparable, démontrant que le rapport agrégat-liant est l'élément le plus important pour déterminer la cohésion des matériaux de type roche. La figure 11 montre que la cohésion diminue considérablement à mesure que le rapport agrégat-liant augmente, alors que d'autres facteurs ont un effet minimal. L'explication principale est que lorsque le rapport agrégat-liant augmente, la quantité de sable de quartz de grande taille augmente, ce qui augmente la rugosité de la surface de contact et réduit la cohésion de l'échantillon.

Analyse des différences extrêmes de cohésion.

Le tableau 10 montre l'analyse de variance de cohésion. Conformément aux résultats de l'analyse de sensibilité, l'analyse de la variance indique que le rapport agrégat-liant a un effet substantiel sur la cohésion des matériaux de type roche, alors que d'autres facteurs sont sans importance lorsque le niveau des paramètres change.

La désintégration est une caractéristique importante qui reflète les propriétés hydrauliques des roches. Les roches se désintègrent en une variété de fragments, y compris des morceaux détritiques uniformes, granuleux, boueux et brisés38. Ici, l'étude se concentre sur la question de savoir si la désintégration de l'échantillon est étroitement liée à la composition minérale, à la composition granulométrique et à la forme de cémentation de l'échantillon. Pour étudier les propriétés de désintégration des matériaux rocheux, un échantillon cylindrique de φ50 × 50 mm a été immergé dans de la verrerie transparente remplie d'eau claire pour effectuer l'expérience de trempage. Le temps de trempage dans le schéma expérimental a été fixé à 4 h après une évaluation approfondie de la durée totale de l'expérience et de la plage de variations de la masse corporelle résiduelle. La figure 12 illustre les résultats finaux de désintégration pour chaque groupe. Le degré de désintégration est classé en cinq catégories en fonction du rapport de la masse sèche du résidu à la masse d'origine : zéro (0,98, 1,0], faible (0,8, 0,98], modéré (0,5, 0,8], fort (0,1, 0,5] et désintégration totale [0, 0,1].Le tableau 11 présente les notes pour chaque groupe.

Expérience de désintégration d'échantillons de matériaux rocheux.

Pour les matériaux dont le degré de désintégration est 0 ou faible, il peut être utilisé pour simuler des roches avec une bonne intégrité avant et après avoir rencontré l'eau, mais dont la résistance diminue évidemment avec le temps de trempage, comme le grès, le calcaire, etc. Pour les matériaux avec des degrés modérés ou forts de désintégration, il peut être utilisé pour simuler des roches qui se désintègrent partiellement et perdent considérablement leur résistance lorsqu'ils sont exposés à l'eau, tels que le grès argileux, la masse rocheuse structurale partielle, etc. Pour les matériaux dont le degré de désintégration est la désintégration totale, il peut être utilisé pour simuler le des roches comme le mudstone et la marne, qui sont relativement complètes avant d'entrer en contact avec l'eau et se désintègrent rapidement une fois qu'elles le font.

Après 4 h de trempage, les échantillons sont restés intacts et il n'y avait pas de désintégration perceptible dans les groupes avec 0 ou 10 % de bentonite. Cependant, le degré de désintégration augmente considérablement à mesure que la teneur en bentonite augmente. Dans les groupes contenant 20 % de bentonite, l'extérieur a été décollé, mais l'intérieur est resté intact. L'échantillon s'est désintégré rapidement en peu de temps et le degré de désintégration était relativement élevé dans les teneurs en bentonite de 30 % et 40 %. Cela est principalement dû au fait que le principal composant minéral de la bentonite est la montmorillonite, qui a une capacité d'absorption d'eau élevée et se dilate rapidement en volume après avoir absorbé de l'eau, provoquant la désintégration de l'échantillon.

Lorsque le rapport ciment-gypse passe de 7:3 à 3:7 alors que la teneur en bentonite reste constante, le degré de désintégration des matériaux de type roche a tendance à augmenter. Ce comportement est le plus visible lorsque la teneur en bentonite est de 40 %. D'une part, le degré de cimentation sera affaibli avec la diminution de la teneur en ciment. D'autre part, le gypse a une faible résistance à l'eau et ses caractéristiques lâches et poreuses fournissent des canaux d'infiltration pour une désintégration ultérieure. Par conséquent, à mesure que le rapport ciment-gypse diminue, la désintégration est renforcée.

Les caractéristiques physico-mécaniques des matériaux de type roche sont simultanément influencées par de multiples facteurs, et le changement de chaque facteur produira certaines fluctuations dans les paramètres. Sur la base des données expérimentales, une analyse de régression linéaire multiple a été effectuée pour quantifier la relation entre divers facteurs et paramètres (tableau 3). En supposant que Y est la variable dépendante et Xn (n = 1, 2, …, m) est la variable indépendante, alors le modèle d'analyse de régression peut être énoncé comme la formule (1)39 :

où b est le terme constant ; a1,a2,…,am sont les coefficients de régression partielle.

Soit Yk(k = 1, 2, …, 7) représenter la densité, l'UCS, le module d'élasticité, le coefficient de Poisson, la résistance à la traction, l'angle de frottement interne et la cohésion du matériau de type roche ; soit X1, X2, X3 et X4 représentent le rapport agrégat-liant, le rapport ciment-gypse, la teneur en poudre de barytine et la teneur en bentonite qui influencent les paramètres physico-mécaniques du matériau de type roche. Voici comment les équations de régression ont été obtenues :

Vérifier la validité du résultat d'une équation de régression. À l'aide d'une analyse comparative, la différence entre le résultat expérimental et le résultat du calcul de l'équation de régression pour chaque paramètre est déterminée, comme illustré à la Fig. 13.

Comparaison des résultats expérimentaux et des résultats de régression de chaque paramètre.

La Fig. 13 démontre que les résultats de l'expérience et les résultats de l'analyse de régression pour chaque paramètre sont en bon accord, indiquant que la méthode d'analyse de régression peut être utilisée pour construire la relation quantitative entre divers facteurs et les paramètres pour obtenir les paramètres de la roche correspondante. comme matière.

Pour étudier le mécanisme d'instabilité induite par l'eau d'une pente rocheuse, nous avons établi un test de modèle physique utilisant des matériaux de type rocheux et mesuré le déplacement et l'émission acoustique (AE) de la pente rocheuse au cours du processus de rupture progressive.

La détérioration de la résistance des roches naturelles est un processus relativement lent d'interaction eau-roche, ce qui implique que l'évolution d'un glissement de terrain est un long processus physique et mécanique. Pour reconstruire l'état de contrainte réel de la pente rocheuse dans les essais de modèles physiques, les caractéristiques de la détérioration de la résistance induite par l'eau doivent être prises en compte en examinant les propriétés fragiles des matériaux de type roche. Dans des études précédentes, de nouveaux matériaux ressemblant à des roches avec 10 % d'ajout de bentonite (groupes 2, 10, 13 et 24) présentaient un degré relativement élevé de détérioration avec des spécimens intacts, en particulier le groupe 24, démontrant que l'ajout de bentonite peut reproduire l'eau- induit une dégradation significative de la résistance. Par conséquent, le ratio du groupe 24 a été sélectionné pour le test du modèle, et les paramètres correspondants sont détaillés dans le tableau 3.

L'éboulement de Saleshan s'est produit le 7 mars 1983, qui a détruit trois villages et tué 237 personnes40. Le profil géologique est illustré à la Fig. 14. La stabilité de cette forme de glissement de terrain est contrôlée par le segment verrouillé au milieu, et il y a une couche intermédiaire faible sur le pied de la pente près de l'horizontale ou en pente douce. Sous l'effet d'une contrainte de poids propre à long terme et d'une détérioration continue de l'eau, la capacité portante du segment verrouillé s'est progressivement réduite, ce qui a conduit à l'expansion vers le bas de la fissure de traction de la pente, et finalement, le glissement de terrain s'est déclenché.

Le profil géologique du glissement rocheux de Saleshan (modifié d'après Huang et al.41).

Pour étudier le mécanisme d'instabilité de ce type de glissement de terrain sous l'interaction de l'eau et de la roche, un modèle de glissement rocheux à l'échelle a été établi, dont la taille et la forme sont illustrées à la Fig. 15. La fissure de traction post-source a une profondeur de 55 cm et une épaisseur de 3 cm. L'intercalaire faible a une longueur de 80 cm, une épaisseur de 3 cm et un angle d'inclinaison de 20°, il est rempli de poudre de mica. Le système de mesure se composait de jauges de contrainte, d'EA et de capteurs de surveillance de déplacement. Trois jauges de contrainte ont été installées sur le segment verrouillé. L'avant du corps de la glissière était équipé de trois capteurs de surveillance de déplacement. Cinq capteurs AE ont été installés autour du segment verrouillé.

La configuration du modèle de pente à l'échelle et le schéma de surveillance (unité : cm).

Sur la plate-forme expérimentale de modèle structurel d'ingénierie géotechnique YDM-D avec les dimensions maximales du modèle de 1,6 m × 1,6 m × 0,4 m, le test de modèle physique à grande échelle a été effectué (Fig. 16e). Le modèle a été créé par compactage (Fig. 16a) et démoulé après 48 h de moulage (Fig. 16b). Après le démoulage, polir la surface du modèle (Fig. 16c) et le durcir à température ambiante pendant 30 jours pour s'assurer que l'intérieur du modèle est complètement formé (Fig. 16d). La fissure de traction post-source a été générée en insérant puis en retirant une plaque d'acier de 3 cm. Enfin, un matériau imperméable a été appliqué pour imperméabiliser les deux côtés de la fissure. Des équipements de surveillance tels qu'un système AE, des jauges de contrainte et des compteurs de déplacement ont été utilisés pour surveiller (fournir des détails sur les paramètres ou propriétés surveillés au cours des processus de cette expérience) le processus d'instabilité de la pente (Fig. 16e).

Le processus de production principal et le système de surveillance du modèle. (a) compactage ; (b) moulage; (c) polissage; (d) durcissement; (e) modèle de système de suivi.

Étant donné que la détérioration de la résistance des roches induite par l'eau est un processus mécanique extrêmement lent, même si de nouveaux matériaux de type roche peuvent considérablement accélérer ce processus, l'expérience prendra inévitablement beaucoup de temps. Pour raccourcir la période, cette expérience adopte la méthode consistant à charger d'abord puis à injecter de l'eau pour favoriser l'endommagement de la pente du modèle. Tout d'abord, le dispositif de chargement supérieur a appliqué la charge par étapes à environ 90 % de la résistance à long terme du matériau, puis la charge a été maintenue. À ce stade, de l'eau a été injectée dans la fissure de traction post-source et l'eau a dégradé la résistance du segment médian verrouillé. A terme, le modèle de pente évoluera vers l'instabilité sous son propre poids. Le nœud temporel de l'injection d'eau a été déterminé sur la base des données de déformation et d'émission acoustique. Lorsque les données de déformation ont considérablement augmenté (Fig. 17a) ou lorsque les données AE ont produit plusieurs événements de haut niveau (Fig. 17b), qui pourraient être déterminés comme le nœud critique d'injection d'eau.

L'indice d'identification du nœud de temps d'injection d'eau. (a) la déformation du segment verrouillé en fonction du temps ; (b) l'énergie AE du segment verrouillé en fonction du temps.

La figure 18 révèle l'ensemble du processus de rupture de la pente du modèle. Initialement, une fois le chargement supérieur stabilisé, quelques minuscules fractures se sont formées à l'intersection du segment verrouillé et de la fissure de traction post-source (Fig. 18a). Cela est dû à la présence d'une énorme concentration de contraintes au sommet du segment verrouillé, ce qui a provoqué le développement progressif de la fissure de traction vers le bas. Par conséquent, la capacité portante du segment central verrouillé a été diminuée. Avec l'injection d'eau jusqu'à saturation progressive du massif rocheux dans le segment verrouillé, le corps glissant a commencé à générer des dislocations considérables dans le sens de l'intercalaire faible (Fig. 18b). En effet, l'existence d'eau augmente la force de glissement et, plus important encore, l'effet eau-roche accélère la détérioration du segment verrouillé. Après 16 jours d'injection continue d'eau, le segment verrouillé a finalement été entièrement cisaillé et le glissement de terrain s'est déclenché (Fig. 18c). Avant le déclenchement du glissement de terrain, un bruit énorme peut être clairement entendu, qui est généré par la pénétration complète du segment verrouillé. Ce phénomène a été observé dans de nombreux glissements de terrain rocheux42,43.

L'évolution de l'échec de la pente du modèle. (a) état d'origine ; (b) état de fluage; (c) état d'instabilité.

La loi d'évolution des données de déplacement obtenues par le compteur de déplacement au milieu de la pente est illustrée à la Fig. 19. Comme illustré à la Fig. 19a, le déplacement de la pente a augmenté de manière significative après le début de l'injection d'eau. Cela se produit parce que la force du segment verrouillé au milieu de la pente se dégrade lorsqu'il entre en contact avec l'eau, et la force anti-glissement qu'il fournit diminue, ce qui fait avancer la pente. Avec une injection d'eau continue, le segment verrouillé devient progressivement saturé et le taux de croissance du déplacement commence à ralentir. Après 16 jours d'injection d'eau continue, les dommages cumulés du segment verrouillé ont atteint leur apogée, entraînant l'expansion rapide des fissures internes, puis la pente est entrée dans la phase de déformation accélérée (Fig. 19b), indiquant que le taux de croissance du déplacement augmenté de façon significative.

Le déplacement du corps coulissant en fonction du temps. (a) Agrandissement partiel de l'état de fluage ; (b) agrandissement partiel de l'état de déformation accélérée.

Grâce à l'analyse susmentionnée, il n'est pas difficile de conclure que le nouveau matériau semblable à la roche peut reproduire avec précision le mécanisme de fracture d'une pente rocheuse sous l'interaction entre l'eau et la roche, ainsi que la loi d'évolution de l'instabilité de la pente. De même, ce type de matériau convient également à d'autres études similaires d'ingénierie des roches.

Dans cette étude, les propriétés physico-mécaniques et de désintégration des matériaux de type roche dure sous différentes proportions de mélange de matériaux ont été étudiées. Sur la base des résultats de l'expérience, les conclusions suivantes peuvent être tirées :

Un nouveau matériau semblable à la roche composé de poudre de barytine, de sable de quartz, de bentonite, de ciment et de gypse favorise la détérioration de la résistance de la roche lors de l'interaction eau-roche. Ce nouveau matériau semblable à la roche présente un poids volumétrique élevé, une sensibilité à l'eau et un processus de préparation simple. Les propriétés physico-mécaniques des matériaux de type roche ont une large gamme de distribution, ce qui leur permet de répondre aux besoins de différents types de roches.

La teneur en bentonite affecte de manière significative la densité, le module d'élasticité et la résistance à la traction des matériaux de type roche, tandis que le rapport agrégat-liant affecte de manière significative la résistance à la compression uniaxiale, le module d'élasticité et la cohésion des matériaux de type roche.

L'expérience de désintégration démontre que la teneur en bentonite et le rapport ciment-gypse sont des facteurs importants qui affectent la désintégration des matériaux de type rocheux, la teneur en bentonite étant le facteur le plus pertinent. Par conséquent, la teneur en bentonite et le rapport ciment-gypse doivent être soigneusement pris en compte dans le processus de sélection de matériaux de type roche qui simulent les caractéristiques de dégradation de la résistance induite par l'eau.

Sur la base des résultats des essais orthogonaux, des équations de régression entre les facteurs d'influence et les propriétés physico-mécaniques ont été dérivées, qui peuvent être utilisées pour estimer les paramètres physico-mécaniques et ainsi sélectionner des matériaux appropriés pour les essais sur modèle physique.

Après analyse de l'application, il est confirmé que le matériau semblable à la roche produit pour cette étude est applicable aux essais de modèles physiques à grande échelle de glissements de terrain rocheux et que le mode de défaillance est cohérent avec l'ingénierie réelle. En outre, il a une valeur d'application élevée et peut être utilisé dans l'excavation de tunnels et la recherche sur les mines de charbon.

Toutes les données qui appuient les conclusions de cette étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Collège des sciences de la Terre et des planètes, Université de l'Académie chinoise des sciences, Pékin, 100049, Chine

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Collège de géosciences et d'ingénierie, Université des ressources en eau et de l'énergie électrique du nord de la Chine, Zhengzhou, 450045, Chine

Jinyu Dong et Tong Jiang

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YC et CX ont mené des expériences modèles. YC a rédigé le texte principal du manuscrit avec les commentaires de tous les auteurs. LX a analysé les résultats de l'expérience. LX, JD, TJ ont contribué au développement de l'idée. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance à Lei Xue.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Cui, Y., Xu, C., Xue, L. et al. Étude expérimentale sur les proportions raisonnables de matériaux de type roche pour la dégradation de la résistance induite par l'eau dans l'essai sur modèle de pente rocheuse. Sci Rep 13, 9288 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36511-8

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Reçu : 06 janvier 2023

Accepté : 05 juin 2023

Publié: 07 juin 2023

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

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