岩土力学 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (S1): 245-257.doi: 10.16285/j.rsm.2021.0081

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

基于原子力显微镜的板岩杨氏模量宏微观跨 尺度表征方法研究

张妹珠1, 2,许婧璟3,江权1,唐旭海3,王正直3,张怡恒3,周俊波4,郑虹1   

  1. 1. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室,湖北 武汉 430071;2. 中国科学院大学,北京 100049; 3. 武汉大学 土木建筑工程学院,湖北 武汉 430072;4. 湖北省交通规划设计院股份有限公司,湖北 武汉 430051
  • 收稿日期:2021-01-12 修回日期:2021-04-06 出版日期:2022-06-30 发布日期:2022-07-14
  • 通讯作者: 江权,男,1978年生,博士,研究员,主要从事地下工程数值模拟、大型洞室群稳定性分析、工程地质灾害治理等方面的研究工作。 E-mail: qjiang@whrsm.ac.cn E-mail:2524167881@qq.com
  • 作者简介:张妹珠,女,1991年生,博士研究生,主要从事工程岩体稳定性及破坏机制研究工作。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(No.U1965205,No.51779251);湖北省重点研发计划项目(No.2020BCB078)。

Cross-scale characterization of the Young’s modulus of slate using atomic force microscopy

ZHANG Mei-zhu1, 2, XU Jing-jing3, JIANG Quan1, TANG Xu-hai3, WANG Zheng-zhi3, ZHANG Yi-heng3, ZHOU Jun-bo4, ZHENG Hong1   

  1. 1. State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan, Hubei 430071, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. School of Civil Engineering, Wuhan University, Wuhan, Hubei 430072, China; 4. Hubei Provincial Communications Planning and Design Institute Co., Ltd., Wuhan, Hubei 430051, China
  • Received:2021-01-12 Revised:2021-04-06 Online:2022-06-30 Published:2022-07-14
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(U1965205, 5177925) and the Key Research and Development Projects of Hubei Province(2020BCB078).

摘要: 岩石材料的微观非均匀结构和微观力学特性是制约其宏观变形与破坏力学行为的关键因素。针对川藏铁路隧道板岩,采用原子力显微镜测试技术,结合粉晶X射线衍射、扫描电子显微镜和能谱分析技术,获得了板岩纳米尺度下的矿物构像和微观结构,并揭示了微观尺度板岩矿物杨氏模量空间分布;进而采用混合高斯模型对160多万个试验数据进行反卷积分析,确定了高、中、低强度三相的平均杨氏模量和概率;最后基于Mori-Tanaka模型对板岩杨氏模量进行尺度升级,建立了板岩杨氏模量宏微观跨尺度表征方法。结果表明:(1)纳米尺度下板岩中嵌入的石英呈凸面多边形块体,伊利石薄片紧密、定向排列呈明显的层理性,而绿泥石作为基质松散地分布在孔隙中;(2)石英、伊利石、绿泥石和微观孔隙对原子力探针的黏附力依次递增,杨氏模量依次递减;(3)微观测试结果和图像分析表明,板岩孔隙度为16.61%、宏观杨氏模量为56.17 GPa。该方法适用于破碎、小尺度、任意形状岩石的力学参数精细测量分析,为通过饼化、破碎岩芯估算硬岩的宏观杨氏模量等力学参数提供了一种新的技术路线,具有较好的实用价值。

关键词: 板岩, 原子力显微镜, 纳米尺度, 杨氏模量, 跨尺度表征

Abstract: It is essential to expose the rock’s heterogeneous microstructure and micro-mechanical properties for understanding the macroscopic deformation and failure. In this paper, atomic force microscopy (AFM), combined with powder X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectrum (EDS) techniques, is used to analyze the nanoscale mineral composition and microstructure of slate taken from Sichuan-Tibet railway tunnels. The spatial distribution of Young’s modulus is revealed at the microscale. The average Young’s modulus and probability of high, medium and low strength phases are determined by statistical deconvolution of more than 1.6 million test data using a mixed Gaussian model. The upscaling of Young’s modulus of slate is carried out based on the Mori-Tanaka model. A cross-scale characterization method of Young’s modulus is proposed based on the Mori-Tanaka model and micro-mechanical properties of minerals. The results show that: (1) The quartz embedded in the slate is a convex polygon block, the thin illite sheets are closely arranged with obvious stratification, and the chlorite is loosely distributed in the micro-pores as the matrix; (2) The adhesion of quartz, illite, chlorite and micro-pore to the probe increases in turn, and the Young’s modulus decreases; (3) The porosity of slate is 16.61%, and the equivalent Young’s modulus at the macroscale is 56.17 GPa. This approach can be used to determine the mechanical properties of fractured, small-size and arbitrary-shaped hard rock, which can overcome the difficulty of collecting large-size samples of engineering rock.

Key words: slate, atomic force microscopy (AFM), nanoscale, Young’s modulus, cross-scale characterization

中图分类号: 

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[1] 孙博, 任富强, 刘冬桥, . 基于声发射多重分形特征的层状板岩失稳前兆研究[J]. 岩土力学, 2022, 43(3): 749-760.
[2] 李二强, 张洪昌, 张龙飞, 朱天宇, 路景淦, 冯吉利, . 不同层理倾角炭质板岩巴西劈裂 试验及数值研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(9): 2869-2879.
[3] 黄智刚, 左清军, 吴立, 陈福榜, 胡圣松, 朱盛, . 水岩作用下泥质板岩软化非线性机制研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(9): 2931-2942.
[4] 李志刚,徐光黎,黄 鹏,赵 欣,伏永朋,苏 昌,. 粉砂质板岩力学特性及各向异性特性[J]. , 2018, 39(5): 1737-1746.
[5] 王 伟,李雪浩,朱其志,石 崇,徐卫亚, . 水化学腐蚀对砂板岩力学性能影响的试验研究[J]. , 2017, 38(9): 2559-2566.
[6] 傅鹤林,张加兵,黄 震,黄宏伟,史 越, . 冻融循环作用下板岩弹性参数及单轴抗压强度研究[J]. , 2017, 38(8): 2203-2212.
[7] 左清军,陈 可,谈云志,胡圣松,汪洪星. 基于时间效应的富水泥质板岩隧道围岩膨胀本构模型研究[J]. , 2016, 37(5): 1357-1364.
[8] 乔 兰 ,姜 波 ,庞林祥 ,崔 明,. 降雨入渗对板岩边坡稳定的影响及加固措施研究[J]. , 2015, 36(S2): 545-550.
[9] 左清军 ,吴 立 ,袁 青 ,陆中玏 ,李 波,. 软板岩膨胀特性试验及微观机制分析[J]. , 2014, 35(4): 986-990.
[10] 段宏飞. 底板破坏深度六因素线性预测模型[J]. , 2014, 35(11): 3323-3330.
[11] 任浩楠 ,徐 进 ,刘建锋 ,聂 明 . 破裂面水压对砂板岩峰后强度影响的试验研究[J]. , 2013, 34(4): 1053-1057.
[12] 王云龙,谭忠盛. 木寨岭板岩隧道塌方的结构失稳分析及预防措施研究[J]. , 2012, 33(S2): 263-268.
[13] 朱珍德 ,朱明礼 ,阮怀宁 ,黄 强 ,韩立军. 深埋长大隧洞围岩非线性蠕变模型研究[J]. , 2011, 32(S2): 27-35.
[14] 韩现民,孙明磊,李文江,朱永全. 复杂条件下隧道断面形状和支护参数优化[J]. , 2011, 32(S1): 725-0731.
[15] 高春玉 ,徐 进 ,李忠洪 ,邓建辉. 雪峰山隧道砂板岩各向异性力学特性的试验研究[J]. , 2011, 32(5): 1360-1364.
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[1] 姚仰平,侯 伟. 土的基本力学特性及其弹塑性描述[J]. , 2009, 30(10): 2881 -2902 .
[2] 徐金明,羌培,张鹏飞. 粉质黏土图像的纹理特征分析[J]. , 2009, 30(10): 2903 -2907 .
[3] 向天兵,冯夏庭,陈炳瑞,江 权,张传庆. 三向应力状态下单结构面岩石试样破坏机制与真三轴试验研究[J]. , 2009, 30(10): 2908 -2916 .
[4] 石玉玲,门玉明,彭建兵,黄强兵,刘洪佳. 地裂缝对不同结构形式桥梁桥面的破坏试验研究[J]. , 2009, 30(10): 2917 -2922 .
[5] 夏栋舟,何益斌,刘建华. 土-结构动力相互作用体系阻尼及地震反应分析[J]. , 2009, 30(10): 2923 -2928 .
[6] 徐速超,冯夏庭,陈炳瑞. 矽卡岩单轴循环加卸载试验及声发射特性研究[J]. , 2009, 30(10): 2929 -2934 .
[7] 张力霆,齐清兰,魏静,霍倩,周国斌. 淤填黏土固结过程中孔隙比的变化规律[J]. , 2009, 30(10): 2935 -2939 .
[8] 张其一. 复合加载模式下地基失效机制研究[J]. , 2009, 30(10): 2940 -2944 .
[9] 易 俊,姜永东,鲜学福,罗 云,张 瑜. 声场促进煤层气渗流的应力-温度-渗流压力场的流固动态耦合模型[J]. , 2009, 30(10): 2945 -2949 .
[10] 陶干强,杨仕教,任凤玉. 崩落矿岩散粒体流动性能试验研究[J]. , 2009, 30(10): 2950 -2954 .