王牌 土木工程的发展 1687 - 8094 1687 - 8086 Hindawi 10.1155 / 2020/4185624 4185624 研究文章 卸荷速率对能源发展的影响机制在单面卸载高度紧张的大理石的失败 https://orcid.org/0000 - 0002 - 3801 - 5078 Wensong 1 2 https://orcid.org/0000 - 0002 - 4529 - 380 x 光明 1 2 Xiangrui 1 2 花王 斯明 1 2 Shunjie 1 2 Chongyan 1 2 韦恩于 1 煤矿安全重点实验室高效开采 安徽科技大学 淮南 安徽232001年 中国 aust.edu.cn 2 采矿与安全工程学院 安徽科技大学 淮南 安徽232001年 中国 aust.edu.cn 2020年 9 4 2020年 2020年 23 09年 2019年 01 01 2020年 18 01 2020年 9 4 2020年 2020年 版权©2020许Wensong et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

高度紧张的岩体不断交换物质和能量与外环境单边卸货期间,这是一种损伤演化过程与能量耗散。真三轴卸荷扰动岩石测试系统是用来执行单边卸载测试的大理石标本在不同卸率和轴向压力。的卸载失败特征大理石标本显示从能量转换的角度。结果显示如下:(1)大理石标本更容易受损单边卸载条件下比在加载条件下,与卸荷强度达到80%加载失败的力量。(2)裂纹扩展在单面卸货是间歇性的。(3)高单边卸货率与释放率很高的能量集中在岩体内,少量的能量消散是因为第二次失败,裂纹扩展不足,只发生拉伸断裂。(4)大量的轴向应变能显示大量的能量聚集在岩体和拉应力的产生是由于卸货膨胀。因此,高临界值分裂岩石标本隐含巨大的失败引起的能量耗散和故障程度高。失败的研究能量进化机制的单边卸载高度强调在不同卸荷岩体利率将提供巨大的指导意义在控制地下工程灾害和保证施工安全。

中国国家重点研究和开发项目 2017年yfc0603000 中国国家自然科学基金 51674008
1。介绍

地下工程开挖是一个复杂的加载和卸载的过程。岩石在卸荷条件下的力学性能是大大不同的加载条件下( 1- - - - - - 5]。岩石力学参数的准确性通过一个卸载测试高于参数通过载荷试验在实际的岩石开挖过程 6, 7]。岩石在卸荷条件下的力学性能是受到各种因素的影响,包括应力状态在卸货点,卸荷应力路径、尺寸效应,岩石岩性( 8- - - - - - 10]。除了上述影响因素,卸货速度大大影响岩石的卸荷力学性能。研究岩石力学性能在不同卸率将提供理论保证改善围岩的稳定性在地下工程建设和发挥支撑结构的最优效果。

开挖卸荷影响围岩的变形和破坏在卸载阶段,和卸载效应继续在巷道围岩在卸货完成后。然而,研究有关卸货率影响法律的岩石力学性能仍处于初始阶段。只有少数学者探索这方面。黄,黄 11]研究习近平大理石的变形失效和强度特征的基础上,测试在不同卸荷路径和利率。邱et al。 12)执行下大理石的三轴卸荷试验不同的卸率通过新的测试路径和加载模式,得出极限承载力是不断加强作为卸货率增加。此外,王et al。 13进行轴向和围压卸载测试的石灰石标本调查他们的变形特点和力学参数的变化在不同卸围压。在岩体并不是一个纯加载状态由于开挖地下室;具体来说,有些方向加载状态下;其他卸载状态下,瞬间从原来的三方六面体的应力状态进入三方五面体的应力状态( 14]。徐et al。 15)提出的“单边卸载”的概念的基础上,这种现象,但现有的研究特定岩石力学性能不同的卸率下忽略了单面卸( 16]。因此,真正的三轴卸荷扰动测试系统被用来调查高度强调下岩体的力学性能不同的卸率。这种方式能真正反映围岩的变形破坏法律的高度紧张的岩石开挖工程实践的过程。

以前,应力-应变曲线主要用于描述岩石状态在特定的压力。全面反映岩石破裂法是困难的,因为强度准则建立了纯粹依靠应力-应变曲线( 17, 18]。从热力学的角度,没有物质没有能量,会损伤岩石破裂过程是由能量状态不稳定现象,和岩石变形密切相关,其能量转换失败。能源可以累积为一个标量 18]。因此,能量进化法则在变形破坏过程中才能真正反映岩石变形的本质特征失败,因为它与能量的关系。能量储存、分散和释放在岩石变形破坏过程与岩石破裂状态密切相关,破坏模式( 19- - - - - - 22]。相关研究表明,非线性力学行为的高度强调岩石开挖,这是由能量,有高度的相关性与环境和采矿扰动应力;能量耗散和释放的内部关系与岩石强度和岩石变形破坏过程的整体失败也分析( 23- - - - - - 25]。李等人。 21]讨论了能量释放和分布规律的大理石损坏和破裂高度强调卸载条件下,应变能的转换机制。黄和李 3]提出加载应变率大大影响岩石应变能量的耗散和释放。此外,黄和李 3)系统地分析了能量演化特性的三轴状态下大理石和不同的装载和卸载路径的基础上综合描述了破坏过程和应变能的转化率。孟et al。 5]探索岩石的声发射和能量进化法则在单轴循环加载和卸载操作。

上面的结果可以提供调查的进化规律的重要参考岩石变形破坏能量在不同装卸率,但是这些研究大多集中在单轴和常规三轴测试失败虽然不是针对能源发展法律真正的单轴单面卸在不同的卸率。真三轴扰动岩石卸荷试验系统是利用在本研究进行单面卸荷试验在不同卸率。因此,岩石的破坏过程的能量演化特征在三轴压缩、单边卸载条件下在不同的卸率可以检查。岩体的卸载失败特征揭示了从能量转换的角度。结果将提供指导意义在预防和控制地下工程开挖造成的灾害和卸货。

2。能量守恒原理在真三轴加载和卸载

在真三轴试验过程中,测试人员进行积极的朝着岩石标本。鉴于单边卸货导致标本扩张,执行负功的标本在横向方向。 (1) U 0 = U 1 + U 2 + U 3

岩石与外部环境不断交换物质和能量在变形破坏过程中,这是一个损伤演化过程与能量耗散 23, 26),和岩石变形失败是动态能量传递和转换的产物。没有考虑换热,总能量被岩石吸收包括弹性应变和耗散能量,也就是说, (2) U 0 = U d + U e 在哪里 U 0 由岩石的总能量吸收。 U d 岩石破裂过程中的能量耗散,然后呢 U e 弹性应变能被岩石吸收。在卸货过程中,外部环境不断进行努力的岩石,其中一个部分是转化成可发布的弹性应变能储存在岩石上,另一部分转化为能量消散。这种能量促进生成、扩展和渗透的裂缝。最终,岩石不断受损。卸围压过程导致连续发布的圆周岩石弹性能量和能量耗散的增加。因此,岩石加速失败。因此,研究能量演化规律准确地确定岩石卸荷条件下将重要的失败。

通过应力-应变曲线的积分在任何时间的测试过程中,岩石的弹性应变能吸收和损耗的能量可以获得岩石破裂过程如下: (3) U 1 = 0 ε 1 t σ 1 d ε 1 , (4) U 2 = 0 ε 2 t σ 2 d ε 2 , (5) U 3 = 0 ε 3 t σ 3 d ε 3 , 在哪里 ε 1 t , ε 2 t , ε 3 t 是主要的压力,第二,第三主应力,分别在任何时候的真三轴试验。以下可以获得通过的节段积分( 3)- ( 5): (6) U 1 = = 1 n 1 2 σ 1 + σ 1 + 1 ε 1 + 1 ε 1 , (7) U 2 = = 1 n 1 2 σ 2 + σ 2 + 1 ε 2 + 1 ε 2 , (8) U 3 = = 1 n 1 2 σ 3 + σ 3 + 1 ε 3 + 1 ε 3 , 在哪里 n断点的总数在应力-应变曲线和在应力-应变曲线代表了断点。

在真三轴试验过程中,弹性应变能的表达式被岩石吸收在任何时间如下: (9) U e = 1 2 σ 1 t 2 E 1 t + σ 2 t 2 E 2 t + σ 3 t 2 E 3 t μ t 1 E 1 t + 1 E 2 t σ 1 t σ 2 t + 1 E 2 t + 1 E 3 t σ 2 t σ 3 t + 1 E 1 t + 1 E 3 t σ 1 t σ 3 t , 在哪里 E 1 t , E 2 t , E 3 t 是主要的弹性模量的值,第二、第三主应力,分别在任何时候在真三轴单边卸载过程 μ t 在任何时候的泊松比。

3所示。真三轴单边卸载试验在不同的卸率

真三轴扰动岩石卸荷试验系统(图 1)是用于测试实现独立加载在三个相互垂直的方向。然后,突然卸载应用在一边在水平方向和试样表面暴露于模拟故障现象是由于自由脸上的释放的能量积累,在地下工程开挖后的岩体向自由的脸。的最大载荷加载圆柱在垂直方向( Z)系统的5000 kN,干扰气缸安装在较低的梁的垂直加载框架的最大动载荷500 kN。两个气缸加载在水平方向的最大负荷( X Y)3000 kN,一个缸是一个用于快速卸载动态。一个全数字伺服系统测量和控制仪表是用来控制装卸,和独立的装卸可以实现三个方向。的必要手段确定应力状态下岩石经历了失败可以提供。

真三轴扰动岩石卸荷试验系统。

3.1。测试程序与不同加载路径

1显示了基本的物理力学大理石标本。大理石标本100毫米×100毫米×200毫米。进行了单轴压缩试验,不同加载路径下单面卸荷条件比较。加载路径如图所示 2。图 2(一个)说明了常规单轴加载试验。如图 2 (b),单面卸了三个主应力加载时的初始应力值(表 2)。此后,加载使用最大主应力实现直到失败。在图 2 (c),最小主应力的单边加载时执行三个主要压力加载设置值(表 2),直到卸载完成。

大理石材料的力学性能研究。

财产 价值
密度, ρ(公斤·米−3) 27
弹性模量、 E(GPa) 25
泊松比, v 0.2
单轴抗压强度, σc(MPa) 88年
内部凝聚力, c(MPa) 21.4
内摩擦角, ϕ(°) 38

不同的加载和卸载路径的示意图。(一)传统的单轴加载。(b)卸货,然后加载。(c)加载,然后卸载。

初始应力值。

岩石数量 σ 1 (MPa) σ 2 (MPa) σ 3 (MPa)
1# 0 0 0
2# 50 20. 10
3# 140年 20. 10
4# 160年 20. 10
3.2。测试程序在不同的卸率

单边卸载了在不同围压和卸率。的卸货率标本60,120和300 kN /分钟。表 3显示了瞬时卸货、初始围压和不同的卸率。三个方向和六个面的岩石标本在等距同时加载初始围压率(图 3(一个))。单边卸货的最小主应力是由相应的速度,和其他五个面临的压力保持不变(图 3 (b))。此外,卸载过程一直持续到标本失败或最小主应力为零(图 4)。

不同的初始围压和不同的卸率。

岩石数量 σ 1 (MPa) σ 2 (MPa) σ 3 (MPa) 卸货率(kN /分钟)
5 # 160年 20. 10 60
6 # 160年 20. 10 120年
7 # 160年 20. 10 300年
8 # 160年 20. 10 瞬时
9 # 160年 20. 10 30.
10 # 180年 20. 10 30.
11 # 200年 20. 10 30.
12 # 220年 20. 10 30.
13 # 180年 20. 10 60
14 # 180年 20. 10 120年
15 # 180年 20. 10 130年
16 # 180年 20. 10 瞬时

标本装卸的示意图。(一)加载。(b)单面卸货。

装载和卸载路径的示意图。

4所示。能量的进化特征单面卸荷试验在不同的卸率 4.1。不同的加载和卸载路径的应力-应变曲线分析

测试分析,不同的加载和卸载路径执行,以确保准确评估标本卸货率的影响。

5描述了单轴压缩条件是88 MPa。当第一个采用卸载然后加载测试路径,最初的加载是50岁,20日和10 MPa,分别和故障强度200 MPa。在卸载和加载测试路径和当 σ 1 , σ 2 , σ 3 140、20、10 MPa,分别岩石标本没有经过任何失败由于单面卸货。当围压下使用不同的卸率是160,20日和10 MPa或轴向压力高于160 MPa时,卸荷速率的影响可以分析。随着轴向压力增加,单面卸实施80%的峰值之前,和岩石标本失败。因此,比加载卸载可能会更容易导致失败。因此,卸荷速率的影响可能也分析了只有当围压下使用不同的卸率是160,20日和10 MPa或轴向压力不大于160 MPa。

在加载和卸载条件下应力-应变曲线的比较。

4.2。应力-应变曲线分析在单边卸载测试在不同的卸率

单边的初始围压卸荷的大理石标本都160,20日和10 MPa,分别和单面卸率60,120和300 kN /分钟下瞬时卸货。在真三轴试验,三个方向的压力和五个脸保持不变。最小主应力的单边卸货过程中偏应力不断增加。因此,它属于一个单调的有效的加载路径。最小主应力导致的单边卸载扩展岩石标本向自由的脸。因此,生成。与此同时,菌株在最大主应力的方向扩大(图 6)。

下的单面卸荷试验应力-应变曲线不同的卸率。

6说明,从卸荷变形破坏的起点,第一主应力略有改变,甚至卸载回弹的现象发生。因此,主要的导致因素卸载变形岩石标本的失败不是第一主应力。卸货开始后,在自由变形的脸立刻变成了膨胀。卸货脸上的应变大于最大主应力。微分卸货造成的反弹变形产生的拉伸应力集中自由表面上的岩石标本。因此,拉伸断裂增加。单边卸载的初始阶段,自由表面变形的试样增加缓慢,与自由面临压力提出了一个线性关系。试样变形主要是弹性变形,其次是不可逆的塑性变形。卸货脸上的压力继续减少,卸货的脸变形突然提出了一个非线性增长。不可恢复的塑性变形发生的标本,标本内的微裂隙进一步生成,扩展和互联。 Ultimately, penetrating fissure planes formed and failure occurred. However, this nonlinear process was short, that is, the duration when the peak strength of the specimen declined to residual strength was short with evident brittle failure. As the single-side unloading rate increased, the stress value for the specimen to enter the plastic phase was small. When the unloading rate was 60 kN/min, the specimen entered the plastic phase under an unloading value of 4.6 MPa. When the unloading rate was 120 kN/min, the specimen entered the plastic phase under an unloading value of 3.8 MPa. When the unloading rate was 300 KN/min, the specimen entered the plastic phase under an unloading value of 1.7 MPa. When the unloading rate was instantaneous unloading, the specimen entered the plastic phase under an unloading value of 0.2 MPa. Meanwhile, the strain value of the maximum principal stress declined as the unloading rate increased.

4.3。Macrofailure特征在单边卸载测试在不同的卸率

根据前面的应力-应变曲线规则分析大理石的单边卸载测试标本在不同卸率,macrodeformation失败进一步调查。在卸载测试在不同的卸率,明显分裂董事会失败是自由表面上生成的岩石标本(图 7)。

Macrofailure图在单边卸载测试在不同的卸率。

比较分析四种不同的卸率在图下的失效模式 7表明,随着卸货脸上的压力逐渐降低,压力在其他五个面临限制的扩展方向标本,及其应变主要是扩展向卸荷的脸。拉伸断裂的脸出现在卸货的脸,这是平行于卸货的脸。然后,附近的主要失效模式标本卸货脸上拉伸断裂。不同卸率造成了很大的差异在最后失效模式不同的标本。卸货率60 kN /分钟时,明显的分割板附近出现卸载的脸,和一些裂缝生成。120 kN /分钟的加载速率下,分裂块出现在卸货的脸,但没有明显的失败出现在里面。在卸载300 kN /分钟的速度和瞬时卸货,剥落的现象只出现在当地的卸货位置附近的脸。随着单面卸荷速率的增加,分离板的厚度变得很小。这一结果表明,岩石强度改善作为卸货率增加。卸货率高,经历塑性变形标本已经太晚了。 The deformation tended to be localized with evident brittleness, and the strength correspondingly improved.

4.4。能源法律进化单面卸荷试验在不同的卸率

标本被包围的真三轴试验过程中夹具(图 3(一个)),标本失败过程无法获得。能量演化曲线可以解释标本的失败现象由于单片卸货。根据通过试验所获得的应力-应变曲线,能量计算方法用于单边卸货过程中获取能量的值在不同围压下演化曲线和相应的能量。

试样的变形破坏过程是一个动态的能量传递和转换的过程。在真三轴单面卸荷过程中,单面卸诱导可发布的弹性应变能和能量耗散的增加在介质介导的。因此,它导致的不断扩展microdefects标本内直到失败。围压的应用过程中,试样在压缩阶段。总能量吸收的标本在这个阶段主要是存储在弹性应变能的形式,和耗散的能量几乎是0。因此,能源在卸货的起点是0。图 8说明,当卸载率为60 kN /分钟,失败是分为三个阶段。第一阶段:释放的能量逐渐增加卸货脸上的减压,偏应力的应变能量也逐渐增加,而轴向应变能量的增加幅度很小。当试样的轴向应变能到达−0.0124乔丹·m−3随着时间的发展,轴向应变急剧增加。标本也经历了膨胀。因此,当地分裂失败发生,这与第一个裂纹在图1 #试样失败 7。第二阶段:第一次裂纹的生成导致能量释放,标本内的能量聚合下降,裂纹扩展停止,能量聚合标本增加作为卸货再次面临压力不断降低。当试样的轴向应变能达到0.1762乔丹·m−3再次,标本展出失败。因此,第二个裂纹生成,它对应于第二1 #试样的裂纹故障图 5。第三阶段:能量被释放,因为第二代的裂纹,试样内部的能量聚合下降,裂纹扩展停止,能量聚合标本增加作为卸货再次面临压力不断降低。当试样的轴向应变能达到0.3781乔丹·m−3再次,标本经历了失败。因此,第三个裂纹生成,它对应于第三1 #试样的裂纹故障图 5。因此,单面unloading-induced裂缝随时间呈现逐步增长。这种情况表明,单边裂纹扩张卸载过程是间歇的,也就是说,标本卸载面对经验丰富的拉应力(拉伸裂纹的传播)⟶应力集中和释放(裂裂缝的快速传播)⟶压力调整(裂缝分裂停滞不前)⟶失败的压力调整(标本被打破)⟶应力集中并再次释放(第二分裂或剪切裂缝传播)。

能源的进化图不同的卸率1600 kN的轴向压力。卸货率(a) 60 kN /分钟,(b) 120 kN /分钟,(c) 300 kN /分钟和(d)瞬时卸货。

样品经过膨胀作为卸货率增加。卸载120 kN /分钟的速度下,卸货脸上的应变能减少其压力下降,和偏应力的应变能增加。当轴向应变能减少−0.01032乔丹·m−3,减少轴向应变能量加速,突然膨胀发生标本向卸荷的脸,和分裂失败形成,即2 #裂缝图 5。作为卸货面临压力持续下降,轴向应变能增加后保持不变。单边卸货结束时,轴向应变能增加到0.7102乔丹·m−3,标本没有经历第二次失败。随着卸荷速率的增加,轴向应变能量的减少幅度增加。卸货率300 kN /分钟时,轴向应变能−0.3823乔丹·m−3。在瞬时卸载条件下,轴向应变能−0.4125乔丹·m−3。上述研究表明,高卸率与压力调整时间短,短时间内需要达到的应力差当地岩石的极限承载力。此外,当地的微裂隙呈现快速传播和互连,因此瞬时岩石破裂引起的。这一现象然后提供动态条件动态岩石破裂的发生。岩石的变化卸载失败能源主要发生在卸载点。岩石的初始时间失败的准确的掌握将提供一个理论依据确定最优支持时间和力量。

5。围压效应的能量在单边卸载条件下进化 5.1。围压对单面卸荷应力-应变

后标本5 #,6 #,7 #,8 #和加载初始载荷,最小主应力的单边卸载应用卸载30 kN /分钟的速度。图 9给出了应力-应变曲线。作为卸货面临压力减少,试样经历了膨胀。鉴于第二主应力的限制作用,膨胀扩展向卸荷的脸,轴向应力保持不变。标本展出失败当卸货面对压力下降到某个值。

不同围压下的应力-应变曲线。

5.2。围压对单边卸载失败的影响特性

鉴于围压的存在,岩石标本在弹性阶段时加载的初始值(轴向压力:160、180、200、220 MPa)。标本5 #、6 #、7 #、8 #经历了分裂失败在卸货的脸,和两个大斜剪裂缝出现在内部的每个标本,并伴随着增加轴向应力。分裂的宽度逐渐增加对内部的部分。最终的失效模式如图 10。模式表明,第二主应力限制标本的横向扩张,开发向免费的脸,在单面最小主应力的卸载过程。岩石标本从stress-bearing状态变成拉伸状态由于可持续的变形。抗拉强度后,附近的纵向裂缝穿透岩石标本生成卸货的脸。这些裂纹平行于岩石板在卸货的脸上。标本的能量突然被消耗作为卸货脸上不断卸载,剪切破坏是达到临界故障值时触发。因此,标本属于复杂的失败和改变pressure-induced紧张(分裂失败)压力调整(剪切破坏)单边卸货过程中。

示意图的macrofailure单面卸在不同围压下。

5.3。能源不同围压下的演变规律和单面卸率

应力-应变曲线的综合分析和故障特征的标本5 #,6 #,7 #,8 #显示,作为初始围压上升,总能量被岩石吸收不断增加。存储弹性应变能和弹性应变能的比例在加载阶段的总能量也增加了。所需要的能量引起相同的岩石破裂和承载力和岩石标本消散的能量增加。从峰值点残余强度在卸载阶段,能量被岩石吸收几乎全部转化为能量消散,消散的能量发挥了主导作用。因此,当四个不同的卸率,即60,120,和300 kN /分钟和瞬时卸货,利用,1800 kN的轴向压力下的测试结果进行比较与那些低于1600 kN的轴向压力。

比较数据 9 11显示两个因素,即第一个卸货率和第二个围压,影响单一卸载失败。单边卸货率低,标本的失败是足够的,分为三个阶段:所造成开裂⟶分裂失败⟶剪切破坏。随着轴向压力的增加,试样经历了额外的卸货阶段进一步明显多级失败。1800 kN的轴向压力下,剪切破坏发生在卸载120 kN /分钟的速度。当卸货率高于300 kN /分钟和作为卸货面临压力减少,卸脸上的应变能量减少,而偏应力的应变能增加。当轴向应变能减少−0.3641乔丹·m−3,减少轴向应变能加速,突然试样膨胀发生向卸荷的脸。因此,分裂失败发生。

能量进化图在1800 kN的轴向压力和不同的卸率。卸货率(a) 60 kN /分钟,(b) 120 kN /分钟,(c) 300 kN /分钟和(d)瞬时卸货。

6。结论和讨论

真三轴扰动岩石卸荷试验系统是用来进行三方six-face装载、单边卸载在不同卸率,这是近似自由面在两代墙由于现场巷道(隧道)开挖。周围的岩石破裂引起的施工进度是准确模拟。仿真提供了一定指导意义的预防和控制地下工程开挖造成的灾害和卸货。

单面unloading-induced裂缝随时间呈现逐步增长。具体地说,下的裂纹扩展是间歇性的单面卸货。大型轴向应变能显示一个伟大的临界值的岩石分裂失败引起的拉应力,卸载后由膨胀和发展从单一的拉裂splitting-shear复杂失败。失败也是暴力。

在相同围压下,单面卸率岩石破裂程度起到了至关重要的作用。当单面卸率很低,内部由岩石破裂是能源消耗大,失败是足够了。作为卸货率增加,岩体主要经历了分裂失败由于拉应力。高轴向压力显示一个大的临界值stretching-splitting-shear复杂失败率在单面卸货和高程度的失败。

数据可用性

生成的数据集和分析在当前研究可从相应的作者以合理的要求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

所有作者发表这篇论文。Wensong徐的构思和设计实验,Wensong徐做了实验,光明赵和孟Xiangrui修订和回顾了手稿,斯明拷数据,分析黄Shunjie Chongyan刘执行实验,Wensong徐写的论文。

确认

这项工作得到了中国国家重点研究和开发项目(2017 yfc0603000)和中国国家自然科学基金(51674008)。

补充材料

数据的具体时间和压力的单面卸在实验中。

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