Nghiên cứu thực nghiệm về sự suy giảm cường độ đá gốc và tốc độ sóng P dưới tác động của nước biển áp suất

Qi Zhang1,2, Chenhao Zhang3,1, Yan Lin4, Yuanhai Li2, Yixin Shen1, Yifei Pei1
1School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing, China
2State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering (China University of Mining and Technology), Xuzhou, China
3Department of Architecture and Civil Engineering, City University of Hong Kong, Kowloon, China
4Shanghai Investigation, Design and Research Institute Co., Ltd., Shanghai, China

Tóm tắt

Tóm tắtĐá gốc phải được khai thác trước khi xây dựng nền móng cọc ván cho các tuabin gió ngoài khơi, dẫn đến việc bề mặt của đá tươi và khô tiếp xúc với nước biển. Giao diện cọc-đá phần nào tách biệt dưới tác động lâu dài của nhiều tải chu kỳ trong giai đoạn hoạt động của các tuabin gió ngoài khơi, và việc thẩm thấu nước biển sẽ làm suy yếu thêm đá gốc. Để nghiên cứu một cách toàn diện quá trình suy giảm của đá gốc do nước biển áp suất, các thí nghiệm về cường độ tải điểm và độ bền khô đã được thực hiện để nghiên cứu sự suy giảm lâu dài của các tính chất cơ học của đá granit, đá sa thạch và đá tuff thu thập từ một trang trại điện gió ngoài khơi. Tốc độ sóng P đàn hồi được đo để phân tích xu hướng biến đổi của tốc độ sóng P, cơ chế của nó được làm rõ bằng cách sử dụng phương trình Gassmann. Kết quả của các thí nghiệm cơ học cho thấy đá granit hầu như không thấm nước biển áp suất, trong khi các tính chất cơ học của đá sa thạch và đá tuff bị suy giảm do nước, đặc biệt là do nước biển áp suất. Sau 60 ngày ngâm trong nước biển ở áp suất 0,5 MPa, biên độ giảm cường độ tải điểm và chỉ số độ bền khô của các mẫu đá sa thạch trong nước biển lần lượt đạt 53,2% và 18,5%, trong khi đó các mẫu đá tuff là 14,6% và 1,52%. Tốc độ sóng P đàn hồi của đá granit cho thấy xu hướng tăng khi thời gian ngâm trong các môi trường khác nhau kéo dài, nhưng có sự khác biệt về xu hướng giữa tốc độ sóng P của các mẫu đá sa thạch và đá tuff trong nước hoặc nước biển với áp suất bình thường và trong nước biển với áp suất 0,5 MPa. Sự biến đổi tốc độ sóng P của các loại đá khác nhau được nghiên cứu dựa trên phương trình Gassmann, tính đến sự thay đổi của độ bão hòa, độ porosity và tính nén của vật liệu ma trận.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Azimian A, Ajalloeian R (2015) Empirical correlation of physical and mechanical properties of marly rocks with P wave velocity. Arab J Geosci 8(4):2069–2079

Bieniawski ZT, Hawkes I (1978) International Society for Rock Mechanics Commission on testing methods: suggested method for large scale sampling and triaxial testing of jointed rock. Int J Rock Mech Min 15(3):99–103

Cai X, Zhou Z, Liu K, Du X, Zang H (2019) Water-weakening effects on the mechanical behavior of different rock types: phenomena and mechanisms. Appl Sci Basel 9(20):4450

China-MEP (2015) Water quality-determination of 32 elements-inductively coupled plasma optical emission spectrometry (HJ 776-2015). China Environmental Sciences Press, Beijing

Clarke J, Adam L, van Wijk K, Sarout J (2020) The influence of fluid type on elastic wave velocity and attenuation in volcanic rocks. J Volcanol Geoth Res 403:107004

Dag S (2018) Determining the degree of saturation of rocks as a function of time: a case study from mountainous area of Turkey. J Mt Sci Engl 15(10):2307–2319

Domede N, Parent T, Sellier A (2019) Mechanical behaviour of granite: a compilation, analysis and correlation of data from around the world. Eur J Environ Civ En 23(2):193–211

Dotta G, Gigli G, Ferrigno F et al (2017) Geomechanical characterization and stability analysis of the bedrock underlying the Costa Concordia Cruise Ship. Rock Mech Rock Eng 50(9):2397–2412

Duan X, Liu X (2018) Two-phase pore-fluid distribution in fractured media: acoustic wave velocity vs saturation. Appl Geophys 15(2):311–317

Ercikdi B, Karaman K, Cihangir F, Yilmaz T, Aliyazicioglu S, Kesimal A (2016) Core size effect on the dry and saturated ultrasonic pulse velocity of limestone samples. Ultrasonics 72:143–149

Gassmann F (1951) Elastic waves through a packing of spheres. Geophysics 4(16):673–685

He R, Ji J, Zhang J, Peng W, Sun Z, Guo Z (2019) Dynamic impedances of offshore rock-socketed monopiles. J Mar Sci Eng 7(5):134

Hu K, Feng QS, Wang X (2017) Experimental research on mechanical property of phyllite tunnel surrounding rock under different moisture state. Geotech Geol Eng 35(1):303–311

Hu H, Hu Z, Zhong K et al (2020) Long-term offshore wind power prediction using spatiotemporal kriging: a case study in China’s Guangdong Province. Energy Explor Exploit 38(3):703–722

Kahraman S (2007) The correlations between the saturated and dry P-wave velocity of rocks. Ultrasonics 46(4):341–348

Kahraman S, Yeken T (2008) Determination of physical properties of carbonate rocks from P-wave velocity. Bull Eng Geol Environ 67(2):277–281

Kassab MA, Weller A (2015) Study on P-wave and S-wave velocity in dry and wet sandstones of Tushka Region. Egypt Egypt J Pet 24(1):1–11

Khajevand R, Fereidooni D (2018) Assessing the empirical correlations between engineering properties and P Wave velocity of some sedimentary rock samples from Damghan, Northern Iran. Arab J Geosci 11:1–17

Lajtai EZ, Schmidtke RH, Bielus LP (1987) The effect of water on the time-dependent deformation and fracture of a granite. Int J Rock Mech Min Geomech Abstr 24(4):247–255

Li Y, Huang X, Tee KF, Li Q, Wu X (2020) Comparative study of onshore and offshore wind characteristics and wind energy potentials: a case study for Southeast Coastal Region of China. Sustain Energy Technol Assess 39:100711

Li H, Song K, Tang M et al (2021) Determination of scale effects on mechanical properties of Berea Sandstone. Geofluids 2021:1–12

Majeed Y, Abu Bakar MZ (2018) Water saturation influences on engineering properties of selected sedimentary rocks of Pakistan. J Min Sci 54(6):914–930

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China (2015) Standard for engineering classification of rock mass (GB/T50218-2014). China Planning Press, Beijing

Naithani AK (2007) RMR—a system for characterizing rock mass classification: a case study from Garhwal Himalaya. Uttarakhand J Geol Soc India 70(4):627–640

Niyartama TF, Fauzi U (2017) Influence of water saturation on ultrasonic P-wave velocity in weakly compacted sandstone

Ozdemir E, Sarici DE (2018) Combined effect of loading rate and water content on mechanical behavior of natural stones. J Min Sci 54(6):931–937

Park K, Lee BY, Lee K, Kim D (2020) Analysis of effects of rock physical properties changes from freeze-thaw weathering in Ny-Angstrom Lesund Region: part 2—correlations and prediction of weathered properties. Appl Sci Basel 10:1707

Picotti S, Carcione JM, Santos JE, Gei D, Cavallini F (2020) Finite-element numerical simulations of seismic attenuation in finely layered rocks. J Acoust Soc Am 148(4):1978–1983

Qin X, Li X, Cao Z, Liu Y (2018) The effect of water saturation on P-wave dispersion in a fractured porous medium with two immiscible fluids. J Geophys Eng 15(6):2556–2565

Roy DG, Singh TN, Kodikara J, Das R (2017) Effect of water saturation on the fracture and mechanical properties of sedimentary rocks. Rock Mech Rock Eng 50(10):2585–2600

Seyedi-Viand SM, Eseller-Bayat EE (2021) An alternative empirical function to predict air–water mixture bulk modulus for numerical modeling of liquefaction behavior of induced partially saturated sands. Bull Earthq Eng 19(5):1987–2011

Si W, Di B, Wei J, Li Q (2016) Experimental study of water saturation effect on acoustic velocity of sandstones. J Nat Gas Sci Eng 33:37–43

Siddiqui NA, Mathew MJ, Ramkumar M et al (2020) Sedimentological characterization, petrophysical properties and reservoir quality assessment of the Onshore Sandakan Formation, Borneo. J Petrol Sci Eng 186:106771

Sun W, Ba J, Mueller TM, Carcione JM, Cao H (2015) Comparison of P-wave attenuation models of wave-induced flow. Geophys Prospect 63(2):378–390

Sun X, Cao S, Chi Y, Zhu Z (2019) Monitoring typhoon-induced vibration and tilt of offshore wind turbine system for batholith seabed. Int J Offshore Polar 29(1):8–14

Sun X, Cao S, Chen Q, Feng X, Liu D (2020) Innovative application of large diameter implanted monopile foundation in offshore wind power. Acta Energiae Solaris Sinica 41(8):295–303

Wang J, Feng B, Zhang X, Tang Y, Yang P (2010) Hydraulic failure mechanism of karst tunnel surrounding rock. Chin J Rock Mech Eng 29(7):1363–1370

Wang Z, Wang R, Weger RJ, Li T, Wang F (2015) Pore-scale modeling of elastic wave propagation in carbonate rocks. Geophysics 80(1):D51–D63

Wang H, Zhu R, Zhang R, Tian Z, Liu H, Tu Z (2021) Influence of grouting material on the bearing behavior of Type III rock-socketed monopile for offshore wind turbines. Ship Eng 43(10):10–16

Wu C, Hong Y, Chen Q, Karekal S (2019) A modified optimization algorithm for back analysis of properties for coupled stress-seepage field problems. Tunn Undergr Space Technol 94:103040

Yagiz S (2009) Predicting uniaxial compressive strength, modulus of elasticity and index properties of rocks using the Schmidt Hammer. Bull Eng Geol Environ 68(1):55–63

Yang Y, Zhou J, Xu F, Xing H (2016) An experimental study on the water-induced strength reduction in Zigong argillaceous siltstone with different degree of weathering. Adv Mater Sci Eng 2016:4956986

Yang L, Ma X, Luan Z, Yan J (2021) The spatial-temporal evolution of heavy metal accumulation in the offshore sediments along the Shandong Peninsula over the last 100 years: anthropogenic and natural impacts. Environ Pollut 289:117894

Zhang H, Zhang X (2013) Wind energy resource analysis of East China Sea. J Hydraul Eng 44(9):1118–1123

Zhang D, Gamage RP, Perera MSA, Zhang C, Wanniarachchi WAM (2017) Influence of water saturation on the mechanical behaviour of low-permeability reservoir rocks. Energies 10(2):236

Zhang CH, Zhang Q, Liu J, Tian LG, Dai GL (2020) Experimental research on mechanical property of granite under erosion by seawater. IOP Conf Ser Earth Environ Sci 570:032040

Zhang N, Zhang X, Xiao L, Wei H, Chen W (2021) Evaluation of long-term power capture performance of a bistable point absorber wave energy converter in South China Sea. Ocean Eng 237:109338

Zhou YX, Xia K, Li XB et al (2012) Suggested methods for determining the dynamic strength parameters and mode-I fracture toughness of rock materials. Int J Rock Mech Min 49:105–112

Zhu Y, Wang P, Pang S, Zhang S, Xiao R (2021) A review of the resource and test production of natural gas hydrates in China. Energy Fuel 35(11):9137–9150