GEOFLUIDS Geofluids 1468 - 8123 1468 - 8115 Hindawi 10.1155 / 2020/8881936 8881936 研究文章 试验研究的机械性能和损伤演化空心圆柱花岗岩标本受到循环耦合分析动载荷 雪 永明 1 2 戴 必应 1 2 https://orcid.org/0000 - 0002 - 4819 - 4612 程ydF4y2Ba 应 1 2 张 Lei 1 2 他 Guicheng 1 2 https://orcid.org/0000 - 0002 - 3721 - 6484 张 新 1 2 首歌 正阳 1 资源环境与安全工程学院 南华大学 衡阳 中国 usc.edu.cn 2 湖南省工程技术 研究中心矿山岩土工程灾害的预测和控制 421001年衡阳 中国 usc.edu.cn 2020年 22 9 2020年 2020年 13 7 2020年 19 8 2020年 26 8 2020年 22 9 2020年 2020年 版权©2020年永明雪等。 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。

研究巷道围岩的特点造成的损害频繁的干扰不同静应力条件下,循环影响测试花岗岩与垂直孔在不同的轴向预应力条件下进行修改的分离式霍普金森压杆试验,和损坏的标本用高速摄像机记录的过程。试验结果表明,在相同的空气压力循环的影响,岩石标本主要接受compaction-fatigue-failure过渡。随着轴向预应力的增加,compaction-fatigue阶段逐步削弱,动态抗压强度降低。当轴向预应力UCS的42%和62%的UCS,岩石标本显示了一定的“加强”效应在最初阶段循环的影响。在岩石标本的失败,轴向预应力效果有限的一些横向裂纹的起始,和混合tensile-shear失效模式出现了。岩石标本的轴向预应力UCS显示62%的能量释放在循环的影响。在某种程度上,“岩石破裂”的概率被诱导。基于一维应力波理论,损伤变量的波阻抗岩石循环冲击荷载和垂直孔的定义。发现,当岩石标本是在压缩阶段和疲劳损伤,损伤小,损伤甚至降低。

 湖南省研究生创新基础 CX20200920 中国博士后科学基金会 2018年m642678 中国国家自然科学基金 51804163 51974163 1。介绍

为主要载体的负载在地下工程应用中,岩石的结构和结构稳定性是工程安全密切相关。近年来,随着连续缺乏浅不同国家资源和经济发展的需要,越来越多的地下空间开发在更大的深度,如采矿、公路隧道施工,巷道开挖工程项目( 1- - - - - - 3),引发连续变化的深部围岩的应力状态。地下岩石开挖过程中,围岩结构将不可避免地受到地应力和机械钻孔和爆破。常见的频繁干扰效应( 4, 5)和各种因素导致变形,失败,和不稳定的岩体结构,从而导致一系列的工程灾害,如加剧了不稳定的道路 6- - - - - - 8)和岩石破裂( 9, 10]。因此,一维动态静态耦合可以更好地反映巷道开挖的实际应力状态。动态特性的研究动态和静态耦合下的围岩安全施工具有重要的参考意义( 11, 12),有效操作( 13,地下岩石工程的长期稳定。

因此,国内外学者多研究执行耦合分析动荷载作用下岩石的力学性能。周et al。 14- - - - - - 18)使用一种改进的霍普金森压杆系分析岩石的力学性质的共同作用下一维动态和静态组合和测试干砂岩和水饱和砂岩与不同的轴向预应力的影响来研究水饱和岩石的动态特性在静态预应力。王等人。 19)进行实验研究在不同的轴向压力和不同的影响对红砂岩加载,分析了轴向压力和冲击负荷的影响力学性能和能量损失。龚et al。 20.- - - - - - 22]研究了耦合动荷载作用下砂岩的动态特性。研究发现,当加载砂岩和破坏率在一定范围内的轴向压力,随着入射能量的增加,砂岩先后经历了三个阶段的“吸收能量释放能量能量”。上述研究都是基于完整岩石样品冲击荷载作用下的试验研究,取得了丰富的研究成果。然而,岩石破裂和不稳定通常开始于原始岩石裂缝和孔洞等缺陷( 23, 24]。目前,很少有研究缺陷岩石在冲击荷载。李等人。 25- - - - - - 27)对样品进行了一维动态和静态组合测试包含圆形和椭圆孔,发现大小,形状,和孔的位置有一定影响的动态强度的岩石,和黑洞的存在引起岩石的剪切破坏。王等人。 28]利用霍普金森杆和结合数字图像相关技术进行冲击实验如磐石般坚韧的样品和一个角度0°- 90°之间的预制和加载方向和样品分析条件下的多个加载率,单裂缝,和多个角度。李等人。 29日]测试花岗岩与方形和圆形孔测试不稳定故障特点和获得了T2弛豫时间谱曲线,核磁孔隙度、和核磁共振图像下核磁共振(NMR)测试。总之,大多数以前的研究基于预制侧腔利用影响测试岩石样本垂直于加载方向,和一些研究已经进行垂直孔。在实际的地下隧道开挖过程中,频繁的动态扰动所产生的机械钻孔和爆破应力波的形式作用于挖掘隧道的围岩,它有一个更大的对其稳定性的影响,和隧道的围岩进行动态负载扰动。岩石受到静态负载如原位应力和构造应力 30.),如图 1。因此,了解巷道围岩的破坏机理循环冲击荷载和某些静态应力条件下是必要的基本信息和科学评估基础开挖过程中围岩的稳定性地下道路。

原理图在隧道开挖围岩部队( F 年代 :静态压力, F d :动态加载和 F d ′ :动态扰动)。

厚壁圆筒的首选模型模拟地下隧道,隧道、矿井、和其他结构( 31日]。正确理解力学性能、能源和围岩损伤演化的耦合作用下的静态压力和动态扰动在实际的项目中,本文选择一个花岗岩缸内外直径5毫米和25毫米,分别使用修改后的霍普金森杆系的中南大学进行循环影响测试花岗岩在相同的空气压力和不同的轴向预应力,并使用高速摄影。图像机记录试件的破坏过程,分析了机械行为,失效模式,能源发展,标本动态静态耦合作用下的损伤特征。

 2。测试方法和样品制备 2.1。样品制备和测试系统

测试材料是花岗岩相对完整性和均匀性好,加工成一个 50 毫米 × One hundred. 毫米 圆柱形岩石样本。然后,垂直孔直径10毫米圆形横截面的中心预制,和两个横截面样品的两端,展览不平行度和nonverticality小于0.02毫米,如图 2。为了减少岩石样本的离散性,岩石声波参数测试系统(HS-YS4A类型)是用于测试 P 波速度的岩石样本。岩石样本的平均密度是多少 2.79 × 10 3 公斤 / 米 3 ,平均 P 波速度是5345米/秒,平均抗压强度140 MPa。

岩石样品进行测试。

 2.2。测试设备

测试设备采用动态和静态相结合的加载测试系统基于SHPB装置由中南大学修改。它由一个打孔设备,一个入射杆、传动杆,一个缓冲杆,和一个轴向压缩装置,如图 3。棒的测试系统是由40铬合金钢,直径50毫米。纵波速度是5400米/秒,密度为7810公斤/米3,弹性模量是240 GPa。数据采集仪器和显示设备是CS-1D超动态应变仪和dl - 750示波器,分别。纺锤状子弹发射腔中用于消除波振荡,实现稳定half-sine波加载实现恒应变率加载效果。为了便于观察的microdestruction试样过程中,一个FASTCAM SA1.1同步高速摄影机用于记录试样的裂纹扩展过程。高速摄像机的帧数设置为43200帧/秒,在23日的间隔 μ年代。 4显示了动态和静态加载组合试样的示意图。

岩石动态和静态相结合的基础上SHPB装置。

原理图的结合动态和静态加载测试标本。

 2.3。测试计划 2.3.1。测试方法

研究影响机械性能、能源和损伤演化律花岗岩与垂直孔不同预应力作用下,轴向预应力加载设置为0.55 MPa (UCS)的42%,82 MPa (UCS)的62%,110 MPa在这个实验中(UCS)的83%进行循环冲击荷载。为了保证数据的可靠性,每组数据测试3样本。试样数量Z-0-1的形式,在0和1表示0和试样的轴向压力集团号码,,A, B, C的预应力力55岁,83,和110 MPa,分别。试验方案如表所示 1。

基本物理参数和岩石标本的测试计划。

岩石标本数量 直径(毫米) 高度(毫米) 轴向预应力(MPa) 影响空气压力(MPa)
Z-0-1 50.2 99.81 0 0.8
Z-0-2 49.98 100.21
Z-0-3 50.03 100.10
Z-A-1 49.81 99.89 55
Z-A-2 49.98 100.02
Z-A-3 50.12 99.89
Z-B-1 49.63 100.12 83年
Z-B-2 49.95 99.98
Z-B-3 49.95 99.91
Z-C-1 50.26 100.08 110年
Z-C-2 50.08 99.96
Z-C-3 49.89 100.18
2.3.2。测试程序

为了测试效果,在开始测试之前,入射杆和透射杆紧密要求空冲,入射波的趋势和透射波在示波器上观察到,确保两个棒是否通常是安全的。

实现循环影响的岩石样本的目的在不同预应力效应,避免岩石样品被损坏,需要测试岩石样本,最后设置0.8 MPa的压力的影响。

在测试期间,润滑油应该应用在入射杆和透射杆之间减少样品的端效应,岩石应该夹在入射杆和透射杆,然后手动油泵应该慢慢的预应力值集。应变仪、示波器和高速相机开始记录数据。

 2.4。测试原理

SHPB系统可以同时实现动态和静态相结合的测试轴向预应力的0 - 200 MPa, 0 - 500 MPa的动态载荷产生影响。穿孔事件影响棒以一定的速度在空气压力的作用下,和一个入射应力波在入射杆形成。当入射应力波传播的端面岩石样本,传输压力的端面形成岩石样本由于岩石样本的不同波阻抗和杆。事件和传播波从入射杆应变仪可以测量1和传播杆应变计2,分别如图 2。使用“三波法”[ 32)处理收集到的波形,我们可以获得应变的变化,应力、应变速率和时间如下: (1) ε t = C e l 年代 ∫ 0 t ε 我 t − ε R t − ε T t d t , σ t = E e 一个 e 2 一个 年代 ε 我 t + ε R t + ε T t d t , ε • = C e l 年代 ε 我 t − ε R t − ε T t d t 。

在SHPB试验,它假定所产生的能量损失的端面标本是微不足道的。测试前的能量等于能量测试后。根据能量守恒定律( 32),入射能量、反射能量,传播能量,和被吸收的能量公式如下: (2) W 我 = 一个 e C e E e ∫ 0 t σ 我 2 t d t , W R = 一个 e C e E e ∫ 0 t σ R 2 t d t , W T = 一个 e C e E e ∫ 0 t σ T 2 t d t , W 年代 = W 我 − W R − W T , 在哪里 一个 e 和 一个 年代 表示弹性杆的横截面积和样本,分别; E e 代表弹性杆的弹性模量; C e 和 l 年代 代表弹性杆的纵波速度和样品的长度; ε 我 t , ε R t ,和 ε T t 代表事件、反映和应变波传播信号,分别; ε t 和 σ t 分别是应变和应力; W 我 , W R , W T , W 年代 入射能量、反射能量传输能量,和被吸收的能量。

 3所示。测试结果和讨论

后续测试数据处理基于三波的方法。由于空间限制,一些测试本文中选择样本进行分析。测试结果如表所示 2。

测试结果的岩石标本。

岩石标本数量 影响序列 峰值应力(MPa) 峰值应变(毫米) 最大应变(毫米) 平均应变率(s1) 被吸收的能量(J)
Z-0-1 1 148.84 0.0039 0.0040 34.74 2.77
2 144.70 0.0034 0.0035 35.10 10.64
3 118.62 0.0042 0.0043 38.78 14.43
Z-A-3 1 118.20 0.0034 0.0034 34.62 -25.03
2 121.45 0.0035 0.0035 35.99 -12.27
3 138.33 0.0027 0.0028 30.73 1.14
4 132.89 0.0028 0.0028 29.31 2.42
5 131.08 0.0029 0.0031 32.16 7.88
6 97.97 0.0028 0.0044 41.67 28.48
Z-B-2 1 106.01 0.0032 0.0033 27.43 -39.23
2 109.27 0.0028 0.0030 29.27 -30.46
3 124.45 0.0027 0.0030 27.04 -42.09
4 109.57 0.0028 0.0031 28.69 -44.10
5 109.27 0.0035 0.0037 33.57 -37.96
6 100.09 0.0033 0.0039 34.07 -16.52
7 61.42 0.0026 0.0081 41.22 -7.95
Z-C-1 1 101.93 0.0026 0.0029 25.01 -18.92
2 99.60 0.0031 0.0034 30.60 8.79
3.1。机械行为下花岗岩的动态和静态耦合 3.1.1。动态应力-应变曲线

图 5显示了岩石样品的应力-应变曲线在循环的影响在不同的轴向预应力的力量。图 5表明,应力-应变曲线大致可以分为压实阶段,裂纹扩展阶段,postpeak卸载阶段。在裂纹扩展阶段,当相对光滑曲线出现峰值应力之前临近,压力增长缓慢,以及应变增长率更快随着屈服阶段;当压力增加到一定程度时,峰值应力迅速增加,被定义为强化阶段。随着轴向预应力的增加,屈服阶段变得越来越不明显。在到达峰值应力之前,应力-应变曲线的变化趋势相似,但也有明显的区别在卸载阶段的峰值。失败前的岩石样本,在卸载阶段的最大应变峰值后增加再减少的减少压力,显示反弹现象;当岩石样本的影响和破坏,反弹现象逐渐消失。

动态应力-应变曲线。

Z-0-1

Z-A-3

Z-B-2

Z-C-1

 3.1.2。在峰值应力轴向预应力的影响

在循环过程中冲击荷载下不同的轴向预应力,峰值应力和循环的数量影响变化如图 6。随着周期数的增加,峰值应力Z-0-1 Z-C-1继续减少,而岩石样本的应力峰值Z-A-3和Z-B-2有增加的趋势在最初阶段,影响和峰值应力性能之后逐渐减少。据分析,在样品的初始影响阶段Z-A-3 Z-B-2,内部微裂隙封闭在冲击载荷下,这意味着岩石样本波阻抗的增加,峰值应力增加 33]。在随后的影响过程中,岩石样本的内部裂缝逐渐增加,样品的波阻抗逐渐减少,并且能够抵抗外部负载继续走软,它反映了岩石的强度退化特征样本在循环的影响。然而,由于大型轴向预应力,Z-C-1导致许多内部微裂隙,大大削弱了岩石样品的抗外部负载。在动态加载下,峰值应力显示减少增加数量的周期。

峰值应力和循环的影响时间之间的关系。

图 6可以进一步说明轴向预应力的影响的峰值应力下岩石样本相同的空气压力。从图可以看出 6不重读的岩石样本的动态峰值强度高于预应力轴向力,和动态峰值强度降低随着轴向预应力的增加。当轴向预应力UCS的42%和62%的UCS,影响数量的增加没有轴向预应力的情况相比,当轴向预应力UCS的83%,影响的数量减少。从上面的现象,可以确定,轴向预应力对动态强度和刚度有一定影响的材料。这些现象可以解释为不同应力阶段在单轴压缩下( 14]。一般来说,行为的脆性岩石在单轴压缩可以分为三个阶段:(I)弹性变形阶段:约UCS的0 - 30%;(2)裂纹稳定扩展阶段:UCS约30 - 70%;和(3)不稳定裂纹扩展阶段:大约70 - 100%的UCS,如图 7。

单轴应力-应变曲线。

轴向预应力稳定裂纹扩展阶段,并激活再生在裂缝岩石样本。当峰值强度的动态负载低于某个值,在最初的循环影响的岩石样本,造成的损害动态负载通常是低于裂缝闭合量,和岩石样本显示了一个压缩的过程 34]。当轴向预应力UCS的42%和62%的UCS,岩石样本的动态强度低于没有预应力,表明预应力造成一些损伤岩石样本,但由于轴向预应力的影响,当地的损害影响标本的失败,有加强作用在岩石上的材料。因此,加强与预应力刚度。以83%的轴向预应力的UCS,岩石样品在不稳定裂纹扩展阶段。内部裂纹岩石的力学性能大大恶化,显示其最低动态强度和最小数量的影响。

 3.1.3。变化的平均应变率和最大压力

应变的平均应变率表示单位时间内的岩石在一个单一的影响( 34]。数据 8和 9显示平均应变率之间的关系和最大应变周期当岩石样本的数量受到不同的轴向预应力。可以看出,平均应变率和最大应变增加作为一个整体。Z-0-1显示了一个相对较大的平均应变率和最大应变在第一次的影响。根据分析,一些初始裂缝无法避免在岩石样本,和更大的压力可能是孔壁周围生成过程中由于应力集中的影响。裂纹显示更大的应变率和最大应变在最初的影响;的平均应变率和最大应变Z-A-3在第一次影响低于Z-0-1,这是由于轴向预应力。影响初始裂纹闭合,第一次启动同样的空气压力的影响,裂缝闭合量相对较小。同样,随着轴向预应力的增加,内部裂纹闭合的岩石样本的增加,平均应变率和最大应变Z-B-2和Z-C-1大大减少而Z-A-3第一影响。随着影响数量的积累,Z-A-3 Z-B-2显示平均应变率和最大应变先下降然后上升,和Z-C-1应变的增加作为一个整体。Z-A-3的分析表明,在最初的影响,裂缝闭合的岩石样本数量大于裂纹萌生,显示下降趋势的平均应变率和最大应变减小; with the increase in the number of cycles, the rock sample is in the third stage. During the fifth impact process, the average strain rate and the maximum strain change range decrease, indicating that the microcracks at this stage of the rock specimens develop slowly. The analysis indicates that the rock specimens transition from the initial compaction stage to the fatigue damage stage and finally collapse. At this time, cracks in the rock samples rapidly expand, and the average strain rate and maximum strain increase substantially. During the initial impact of Z-B-2, the average strain rate and the maximum strain change are small, and the crack growth rate of the rock sample is very slow or does not expand. The average strain rate and the maximum value during the third impact should reach a minimum, indicating that the rock sample is in the first three stages. The crack closure stage is at the initial stage of fatigue damage; when the rock sample is impacted for the fifth time, the average strain rate and maximum strain of the rock sample increase substantially, indicating that the crack growth speed of the rock sample accelerates, which represents the transition from the fatigue damage stage to the failure stage. The Z-C-1 strain rate and average strain rate increase with increasing number of cycles. According to the analysis, a large number of microcracks appear in the sample due to the prestressing effect. When the impact load is applied, the initiation cracks are promoted to develop into the macrocrack direction. No compaction stage or fatigue damage stage is shown. In summary, when the axial prestress is low, the rock sample undergoes three stages during the cyclic impact process: the compaction phase, fatigue damage phase, and failure phase; as the prestress increases, the rock sample compaction phase weakens. There are two phases: the fatigue damage phase and failure phase; when the prestress is greater than a certain value, the rock sample only shows the failure phase.

的最大应变和循环影响时间之间的关系。

平均应变率之间的关系和数量的周期。

 3.1.4。不同的预应力效应对动态变形模量的影响

图 10显示了岩石样本的动态变形模量之间的关系和数量的周期在不同的轴向预应力循环的影响。动态变形模量反映了岩石的抗变形。因为动态应力-应变曲线没有明显的直线段,以更好地反映了岩石的变形阻力的影响,减少错误,并减少测试分散,本文采用以下唐等人提出的计算方法。 35]: (3) E 1 = σ d 50 ε d 50 , E 2 = σ d − σ d 50 ε d − ε d 50 , E 3 = 棕褐色 α , E d = E 1 + E 2 + E 3 3 , 在哪里 E 1 是第一个割线模量, E 2 第二种类型的割线模量, E 3 是加载部分的变形模量, E d 动态变形模量, σ d 50 是50%的峰值应力, ε d 50 是50%的峰值应力。相应的应变 σ d 峰值应力, ε d 峰值应变, α 切和轴之间的角度是50%的峰值应力,然后呢 E 0 材料的弹性模量没有损伤。

动态变形模量之间的关系和数量的周期。

结合应力-应变曲线在图 3可以看出,当轴向预应力时低,最初动载荷作用于岩石样本,内部裂缝进一步关闭,显示动态变形模量先增加,然后下降周期数量的增加。当轴向预应力大于一定程度上有更多的微裂隙的岩石样本,但总体结构由于轴向压缩应力平衡状态。应用动态负载时,内部裂缝迅速扩张,表明动态变形模量变化。周期数量的增加在较小的水平。Z-0-1的总体趋势,Z-A-3 Z-B-2动态变形模先增加然后减少,而Z-C-1显示一个下降的趋势。动态变形模量的增加意味着它的抗变形性增强。Z-A-3的动态变形模量和增加Z-B-2岩石样本在第一个三个影响,表明岩石样本在冲击载荷下的crack-closing阶段,表现出一定的硬化效应。动态变形模量的周期数减少,和岩石样品的抗变形减弱。

这是进一步从图 8最大轴向预应力的变形模量42%的UCS和62%的UCS时大大高于轴向预应力并不适用。这是由于岩石轴向预应力时增强低。样品的能力抵抗变形和动态变形模量影响下的岩石样品失败时低于轴向预应力并不适用。根据分析,岩石样品有足够的内部裂纹扩张当受到多个负载的影响。变形模量低。当轴向预应力UCS的83%,最大的岩石样本的动态变形模量和动态变形模量低于那些没有轴向预应力的失败。这是因为当轴向预应力大,预应力促进微裂隙的形成的岩石样本,减少其抗变形。

 3.2。能量演化特征下花岗岩的动态和静态耦合

图 11显示了岩石样品的吸收能量之间的关系和数量的周期在不同的轴向预应力的力量。从图可以看出 11吸收能量的变化规律随不同的轴向预应力。没有应用轴向预应力时,吸收的能量增加的周期,和吸收能量是积极的,这意味着在循环的影响过程中,岩石样本不断吸收能量的起始和扩张其内部裂纹。此外,当轴向预应力UCS的42%,岩石样品随周期的数量,和释放的能量转换能量被吸收的能量。这是由于岩石样本有一定数量的能量储存在轴向预应力,和前两个影响负载,在行动,岩石样本表现出能量释放,释放能量增加的数量的影响减少。分析表明,在最初的影响过程中,岩石样品的内部结构调整,和微裂隙不断关闭,导致减少释放能量和能量循环的数量增加。在第三的影响,岩石样本开始吸收能量,和被吸收的能量是1.14 J,表明岩石样本有一个相对稳定的内部结构在第三的影响,基本上是没有能量耗散;岩石样品受到第五的影响。应用负载时,能量吸收值是7.88 J,这是大大超过,在第三和第四的影响,表明岩石样本的裂纹扩展速率和程度增加。当岩石样本的影响和破坏,能量吸收值28.4 J,大幅增加,表明样品有更多吸收能量时消失,和损害程度的增加。轴向预应力的62% UCS,岩石样本期间释放能量循环的影响,和整体趋势是下降的。 The analysis shows that the rock sample stores substantial strain energy. As the number of cycles accumulates, the internally activated cracks will increase. Due to the release of energy, the internal cracks will continue to expand. During impact failure, the residual elastic energy inside the rock sample will be greater than the fracture. The surface requires energy, and under the action of dynamic loading, it triggers the release of its energy, which eventually leads to a “rock burst” in the rock sample. The axial prestress is 83% of the UCS, and more cracks have been induced inside the rock sample, resulting in less stored energy. During the first impact, the energy is released internally, causing more cracks to activate and propagate inside, and a certain macroscopic damage occurs on the surface. In this state, because the internal energy storage is low, the rock sample is under the impact of the impact load. “Rock bursts” are less likely to occur in this stage, so the specimens show absorbed energy when they finally fail.

轴向预应力和被吸收的能量之间的关系。

 3.3。花岗岩的动态和静态耦合失效模式

了解实际工程意义的岩石破坏模式为地下开采过程和预防危害如岩石破裂。图 12显示了试样的断裂过程在不同的轴向预应力力量在相同的空气压力的影响,和图 11显示相应的故障模式。

不同的轴向预应力加载破坏过程图。

Z-0-1

Z-A-3

Z-B-2

Z-C-1

当轴向预应力不应用,在样本的动态负载周期的影响,反射波和透射波在岩石样品不能及时传送到样品的两端,导致叠加在一个特定的位置在岩石样本和更大的拉伸波。漏洞的存在,进一步削弱了抗拉强度的岩石样本,以便在其他位置的微裂隙岩石样品将无法传播和渗透在未来,和通过拉伸裂纹垂直于加载方向出现在某一位置,引发破坏岩石的样本。的剥落损伤会导致更大的大小最终伤害和更少的伤害。图 12(一个)显示一个故障过程图的岩石样本没有轴向预应力的失败。在1104 μ年代,裂纹垂直于加载方向开始出现在岩石样品的中心,和碎片出现在事件的岩石样本,最终导致岩石剥落故障样本为3335 μ年代。

当轴向预应力下的岩石样本,一个潜在的震支座表面形成。在初始循环的影响过程中,由于冲击强度低于预应力的最大抗压强度,岩石样品不接受宏观破坏。循环影响积累到一定程度,预应力的最大力量不断削弱。当预应力的冲击强度高于最低强度的预应力是接受,岩石样本将会失败。

当轴向预应力UCS和62%的UCS的42%,同时轴向预应力和动态载荷法,导致混合tensile-shear失败。当轴向预应力UCS的42%,数字 12 (b)显示,当传输的岩石样本是276 μ年代,压缩裂缝开始出现,在345年 μ年代,拉伸裂缝出现在末端端面的岩石样本时剪切和碎片在598年开始脱落。 μ年代,出现拉伸裂纹表面的岩石样本。当轴向预应力UCS的62%,数字 12 (c)表明,岩石样本开始接受震支座失效时,岩石样品坏了。在161 μ年代,压缩剪切裂缝出现的入口侧标本。在368 μ年代,压缩剪切表面上的碎片从侧面开始喷射,一声巨响。这种现象类似于岩爆岩石工程。

当轴向预应力UCS的83%,轴向预应力中起着重要作用,剪切强度混合故障。它可以看到从图 12 (d)岩石样本裂缝,享年253岁 μ在414年代, μ年代,凿发生的岩石。分析表明,预应力UCS的83%,更明显的压缩区形成的样本,和内部裂纹平行于加载方向扩展到内部( 21),形成一个潜在的“剪切破坏面”,导致双方更明显的压缩。剪切断裂表面,当冲击载荷作用时,进一步促进这一趋势形成和触发器岩石凿的岩石。

滑动载荷作用于不同的轴向预应力失效模式。图 13表明,随着轴向预应力的增加,岩石样本的故障块大小不大幅减少。这种行为的主要原因是,在这项研究中,花岗岩没有严重受损。预应力时的裂纹扩展阶段的稳定,这是低于裂纹损伤应力(UCS)的70% ( 14),循环冲击载荷作用下,岩石样品进行一定的疲劳损伤,其内部微裂隙逐渐改变初始压实阶段。裂纹扩展阶段过渡,裂纹扩展速度慢。当最后坏了,影响裂缝充满,碎片很小。当预应力高于应力裂纹损伤,循环影响的岩石样本的数量较低,这表明主裂纹传播速度,和内部微裂隙有时间成长。主裂纹扩展和渗透,导致更大的碎片在失败。

不同的轴向预应力失效模式。

 3.4。损伤特征分析 3.4.1。选择和建立岩石动态损伤模型

目前,常用的损伤变量定义为弹性模量、最大应变,超声波速度。超声波的速度被广泛使用,因为它是容易操作,可以有效地反映岩石的裂纹扩展趋势,但它有一个在一定轴向预应力下的循环。影响测试限制了该方法的应用。出于这个原因,金解放基于一维应力波理论建立了一个方法。横截面积相同的情况下,试样和弹性杆,波阻抗是用来定义损伤变量第一次见方程( 4)。能量耗散,弹性模量和最大应变不适合岩石的损伤变量定义在循环的影响( 36]。摘要垂直中心孔预制中心的样本。因此,方程( 4)不能直接应用于这个测试。假设岩石样本之间的不连续接触表面弹性杆之间的接触表面被认为是两个弹性半空间内位移不连续,应力波的传播的位移不连续面可以转化为边值问题求解波动方程( 32),如图 14。 (4) D = 1 − ρ C ¯ ρ C 1。6 , 在哪里 D 损伤变量,( ρ C ¯ )̅一定影响的波阻抗,和 ρ C 是岩石的初始波阻抗。

一维压缩波的传播和反射岩石样本。

如图,基于一维波动理论,当入射杆的应力波传播 一个 测试片 b ,其波阻抗变化 米 一个 来 米 b 。根据一维应力波理论,接口有一个持续的力量和速度 O 1 O 2 可以使用以下条件: (5) σ R t 我 = λ σ 我 t 我 , (6) σ T t 我 = 1 + λ 1 − λ , (7) 米 一个 = ρ 一个 C 一个 一个 一个 , (8) 米 b = ρ b C b 一个 b , (9) λ = 米 一个 − 米 b 米 一个 + 米 b 。

同样的, σ T ′ t 我 岩石内部的传动杆进入界面 O 3 O 4 生成一个透射波: (10) σ T t 我 = 1 + λ 1 − λ σ 我 t 我 。

透射波与入射波之间的关系在任何时候可以写成: (11) ξ t 我 = σ T t 我 σ 我 t 我 = 1 + λ 1 − λ 。

如果 米 一个 和 米 b 众所周知,方程( 11)可以重新排列,方程( 7),( 8)和( 9)可以同时用于获得的实际波阻抗岩石标本在某一时刻 我 时间的影响: (12) ρ 我 C 我 = 一个 b 2 − ξ t 我 − 2 1 − ξ t 我 一个 一个 ξ t 我 ρ 一个 C 一个 。

通过方程( 12)方程( 4),岩石的损伤程度的表达如下: (13) D = 1 − 一个 b 2 − ξ t 我 − 2 1 − ξ t 我 ρ 一个 C 一个 一个 一个 ξ t 我 ρ C 1。6 , 在哪里 σ 我 , σ R , σ T , σ ′ T 入射波、反射波、透射波、透射波的标本,分别; 一个 一个 和 一个 b 是弹性杆的横截面区域和岩石样本,分别; ρ 一个 和 C 一个 , ρ b 和 C b 是弹性杆的密度、纵波速度和岩石样本,分别; λ 进入标本是波的反射系数的弹性杆;和 我 是 我 时间的影响。

上面的推理公式假设应力波在岩石标本生成一个transreflective反射。在入射波传播到标本在一段时间内,多个递送的反射发生在每个瞬间的标本。从研究[ 36),很明显,当 t ≤ 2 l b / C b ,获得的反映和传播波测试不受多个传输和反射的影响。图 15显示趋势图的波阻抗的变化,当某些标本受到影响。部分的阻抗AB基本上保持不变。产生类似的结果,一个特定的时间中AB作为参考点选择为每个循环的测试标本。

波阻抗随时间变化的趋势图。

 3.4.2。影响轴向预应力的损失

图 16显示了损伤程度的变化和影响的岩石样本在不同的轴向预应力的力量。从图可以看出,岩石样本显示不同的损伤演化趋势的增长周期不同预应力下的数量。的初始损伤Z-0-1低于其他的岩石样本,和Z-A-3的初始伤害,Z-B-2, Z-C-1随轴向预应力的增加。岩石样本有不同程度的损伤,当预应力UCS的42%,62%的UCS, UCS的83%。Z-C-1大量微裂隙,因为轴向预应力高于裂纹破坏应力,导致大量减少周期的岩石样本的数量受到循环的影响。损伤的累积增长率Z-0-1继续增长,增长率为60%和150%,分别。在最初的循环过程,影响Z-A-3被压实,导致前三个损伤水平降低,然后增加数量的周期,岩石样品的累积伤害增长率增加与内部裂纹的加速度增长。Z-B-2增加累积破坏率在第一次四个周期的缓慢的影响,与0.24 - -0.25的范围内。从动态损伤模型的建立,可以看出损伤D是一个函数的应变 37),与前面分析的最大应变一致。由于岩石样本属于疲劳损伤阶段,在这个阶段,应变振幅的变化很小,这意味着在这个影响过程中,岩石损伤样本很小,几乎可以忽略。这表明岩石样品的累积伤害增长在前4的影响是缓慢的,而在随后的循环影响过程中损伤积累的最大应变增加而增加。

不同的轴向预应力和损害之间的关系水平。

 4所示。道路在不同预应力下的围岩工程应用

原位应力和动载荷影响巷道的安全与稳定。其中,地应力的大小(预应力)决定了巷道的围岩的强度和刚度。图 17显示了最大峰值应力和动态变形模量,间接反映了岩体刚度。试验结果表明,预应力时高于裂纹开裂压力(UCS)的30%,动态强度和刚度降低,增加,分别与轴向预应力的缺席,这表明原位应力提高围岩的“韧性”。相同的动态负载扰动作用下,抵抗能力的不稳定和破坏巷道的围岩是增强。当轴向预应力高于裂纹损伤压力(UCS)的70%,强度和刚度与轴向预应力相比减少。可以得出结论,高预应力条件下,动态负载扰动非常不利于巷道的围岩的稳定性,它更有可能导致不稳定。

动态变形模量之间的关系,峰值应力和轴向预应力。

故障类型和能量进化定律巷道的围岩也是很重要的特性,揭示了围岩的破坏机理。为隧道浅深度,可以认为没有静态压力。如果巷道的围岩稳定和破坏,有必要吸收外部能量,巷道的围岩的失败通常是由拉伸造成的剥落破坏引起的应力波的叠加,由于动态负载在一定的巷道围岩的位置。围岩的巷道,预应力在裂纹的稳定扩展阶段,随着深度的增加,一定程度的剪切面内,形成和储存能量增加;外部负载扰动时,巷道的围岩从被吸收的能量转化为能量释放当围岩破坏,导致触发岩爆的可能性更大。预应力的巷道围岩不稳定裂纹扩展阶段,这是高于应力裂纹损伤,巷道围岩的结构几乎是处于不稳定状态,有许多微裂隙内,岩石密度很低,储存能量相对较小。负载扰动时,内部被吸收的能量大于释放能量。在这种情况下,不容易发生岩爆,道路很容易导致崩溃和脱落。

 5。结论

轴向预应力有一定影响的动态强度和刚度花岗岩:轴向预应力稳定裂纹扩展阶段,及其动态强度低于纯动态抗压强度,但其刚度增加。轴向预应力的不稳定裂纹扩展阶段,显示最薄弱的动态强度和刚度

在失败过程的循环影响花岗岩,花岗岩主要经历着一个从压实阶段的疲劳损伤阶段破坏阶段。随着预应力的增加轴向压力,压实阶段和疲劳损伤阶段继续削弱。当轴向预应力UCS的42%,岩石样本显示了压实stage-fatigue损害stage-failure阶段趋势;当轴向预应力UCS的62%,削弱了岩石样品压实阶段,显示疲劳损伤stage-failure阶段趋势;当轴向预应力UCS的83%,岩石样本只显示了破坏阶段

静态应力的存在是“岩爆发生的必要条件。花岗岩在不同的轴向预应力,岩石能量耗散随数量的影响。一般来说,当轴向预应力和冲击荷载在一定价值,“岩爆的可能性很大

花岗岩在不同的轴向预应力的失效模式是不同的。当轴向预应力是0,剥落拉伸断裂发生。随着轴向预应力的增加,混合tensile-shear故障。这是由于轴向预应力的影响,和不同程度的剪切面形成内部,这限制了横向裂纹的萌生

基于一维应力波理论,方法定义岩石波阻抗损伤程度的进一步研究。当岩石样品的压实阶段,疲劳损伤阶段,试样的损伤很小,伤害减免现象发生

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

 的利益冲突

作者宣称他们没有竞争的经济利益或个人关系可能出现影响工作报告。

 作者的贡献

必应戴负责方法和概念化。永明雪负责调查和数据管理。Lei张负责初稿的编写、验证和可视化。陈应负责审查和编辑的资源和写作。杨洁篪张负责监督。

 确认

这项研究的共同资助下进行中国的国家自然科学基金(51804163和51804163号)和《中国博士后科学基金会(2018 m642678),它支持湖南省研究生创新基础(CX20200920)。

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