文摘

进行微量、SEM研究岩盐的断裂表面后,巴西将测试和分裂疲劳试验进行了伺服机构测试机器rmt - 150 b。结果表明,使用平板电脑的分割方法的偏差大于使用钢丝分离方法,在巴西分裂岩盐的考验,传统的数据处理方法。也有类似的变形特性在常规分割试验和单轴压缩试验。应力-应变曲线包括压实、弹性、屈服和破坏阶段。分裂的纵向变形和横向变形疲劳试验常数平均载荷作用下“loosening-tightness-loosening可分为三个阶段。“分裂的失效模式变分的平均载荷作用下的疲劳试验不是常规的压裂过程控制的曲线分割测试。变分平均载荷作用下的疲劳试验的变形程度甚至大于传统的分割测试。盐岩石的抗拉强度和结晶条件的关系。抗拉强度厚晶体盐岩石比精密晶体的结合强度低。

1。介绍

岩土工程往往是循环荷载作用。循环荷载下的围岩的力学特性是影响疲劳寿命的重要因素之一的岩土工程。因此,岩石的疲劳破坏机理具有重要意义,岩体的长期稳定和安全,已广泛得到国内外学者关注。

很多材料的疲劳失效测试岩石是由国内外学者(1- - - - - -6]。他们发现,疲劳寿命与最大应力极限,加载波形以及压力振幅。调查疲劳失效过程循环荷载下的白色砂岩表明,最大应力极限和振幅是影响疲劳破坏过程的主要因素(1];应变率负相关的疲劳寿命和指数曲线的显示规则。朱等人进行了单轴循环冲击压缩试验通过使用改进的大直径为花岗岩金森(SHPB)测试系统,分析了循环冲击载荷下的力学性能和能量吸收的律法2]。苏等人进行分裂砂岩疲劳失效的测试。结果表明,疲劳极限载荷比和拉伸疲劳强度与循环数量负相关(3]。Erarslan和威廉姆斯已经研究了分割测试岩石先前存在的裂纹和断裂模式的疲劳损伤分析4]。

地下岩盐可以作为存储介质的石油,天然气和其他能源的战略优势的低渗透和破坏自我修复(7]。目前,我国正在逐步增加盐丘储能的建设。国内学者也开展了许多研究项目。李等人研究了疲劳强度、变形和破坏特征,单轴循环加载条件下岩盐(8]。结果表明,岩盐的循环疲劳失效过程也由静态控制曲线。杨等人发现,在岩石的单轴循环加载试验盐、变形模量线性部分显示一个一般的提升趋势随着负载的增加水平,是否卸载或加载9]。马等人认为三轴循环变形的上限应力阈值失败是89% ~ 80%,这是间接推断通过实验(10]。他们还发现,盐岩石的应变硬化特征在二级压缩比第一个更引人注目的压缩。

围岩的应力场不断变化的操作盐洞穴存储由于注采循环负载。然而,上述学者的研究大多关注盐岩石的单轴和三轴疲劳试验和缺乏力学性能研究张力压缩循环荷载下的岩盐。当然,岩体主要是在双轴或三轴应力状态,很少在单向拉伸断裂的工程实践。然而,有大量的伤害从当地的拉伸破坏。因此,为了分析拉伸岩盐的疲劳强度和变形特点,本文进行了实验包括巴西分割测试,恒定的平均负荷分裂疲劳试验中,我们使用恒定频率和恒幅正弦波分别和变量意味着负载分裂疲劳试验。本文的结论可以作为经验和参考的一部分提供的盐穴储气库操作。

2。实验方法

为了减少测试结果的离散程度,这个实验用高纯喜马拉雅岩盐,宏观均匀密度的优势,统一颜色,结构紧凑。标本是减少使用干锯和磨削方法制造过程的标本,取心钻井核心直径50毫米,由于岩盐是柔软和水溶性相对,和岩盐标本最后加工成一个圆柱体。分裂的厚径比测试方法是0.5±0.02毫米-1.0和端面的并行性,满足测定方法的要求。标本的具体尺寸见表1。

rmt - 150 b岩石力学测试系统采用由岩石和土壤力学研究所、台湾中央研究院、武汉。该系统可用于不同的波的频率和振幅疲劳试验。有很多岩石抗拉强度的不同,因为不同的压缩方法(11]。传统的分割测试进行了首先为了确定盐岩石的抗拉强度,使用两种类型的压缩方法。一个方法是钢丝垫加载分裂方法,称为钢丝分割方法;钢丝的直径是2毫米。钢的其他方法使用垫直接加载,称为板分割方法。垂直方向()和水平方向()被放置在传感器测量压缩和拉伸变形。然后,不变的疲劳试验平均负载和变量平均负载,和分裂疲劳试验的参数设置根据常规分割测试;疲劳载荷波形如图1。上、下限和平均负荷为代表,,分别;振幅在图1。

根据图的加载模式2,常规分割测试试样的抗拉强度根据国家标准(12可以表示为 在哪里代表岩石抗拉强度,试样的厚度,试样的直径,试样的破坏载荷。

3所示。传统的分割测试的结果分析

岩盐的常规分割测试首先设置进行疲劳试验的参数合理,与实际装载情况如图2,加载方法是根据力的控制,和加载速率为0.05 kN / s。岩盐的常规分割试验结果如表所示1,在那里是一个常规的分裂破坏载荷和是分裂的标本的抗拉强度测试。从表中我们可以得到大量分裂失败测试的第一组,5个标本,6.412 ~ 7.34 kN;平均值是6.82 kN。抗拉强度为1.939 ~ 2.061 MPa根据公式(1),平均值为2.009 MPa。尽管宏观均匀密度的标本有优势,统一颜色7第二组标本中,测试结果表明某些分散。标本BJH-1不添加平均计算,因为它不寻常的破坏载荷和抗拉强度、较大的色散。分裂失败的第二组是4.286 ~ 6.758 kN;平均值是5.73 kN。抗拉强度为1.227 ~ 1.802 MPa,平均值为1.632 MPa。第一组的平均值是23.1%高于第二组相比,上述实验数据。钢丝将测试的结果一般比直接加载试验,和结果的平均值的钢丝分裂方法显著低于板分割方法。本文采用钢丝在分裂疲劳试验加载方法,通过理论分析第四部分的结果。

曲线的垂直deformation-time和载荷变形盐岩石标本,在钢丝分裂法下,如图所示3。图中,垂直压缩变形是积极的,为代表;水平方向的拉伸变形为负,表示为。

从图可以看出3(一个)传统分裂失败的变形特点是类似于砂岩分裂失败,这是分为四个阶段:压实,弹性、屈服和失败3]。压实阶段的主要特征是在初始位置略凹,主要原因如下。第一个是样品本身有缺陷(孔洞和裂缝)在压实过程中,与试样接触钢丝尤其更加明显。第二个是样品表面不够光滑,和当地的变形发生在接触钢丝。在弹性阶段,变形增加线性随着负载的增加,表现出弹性特征。在屈服阶段,但峰值附近的非线性特性曲线主要执行略凸现象。在破坏阶段,试样破坏突然当负载达到极限承载力;与此同时仍有一定的变形。这个特点是明显不同于砂岩的破坏阶段3]。岩盐的原因可能是柔软而存在应力集中装载点和线切入标本爆发前的水平。相当大的凹向上的曲线在初始阶段的标本BJD-1更可能由表面粗糙度引起的。然而,明显的凸现象出现在标本BJF-2更可能与传感器之间的相对运动引起的误差和初始压力板。这四个阶段也可以看到在图3 (b)。垂直变形后与加载时间的增加线性增加压实阶段,然后垂直变形逐渐增加在屈服阶段,突然标本骨折和垂直变形增加突然当负载达到破坏的价值。

4所示。理论分析的常规分割测试

使用巴西圆盘分割测试的方法获得岩石材料的抗拉强度间接建议由国际岩石力学学会(ISRM),其理论基础是巴西圆盘可以简化为一个解析解的弹性力学平面应变问题的对称和收敛性的线路负荷(13]。如图4(一),盘的直径是受集中载荷的吗。一个点的应力状态在阀瓣 在参数盘直径,是磁盘的厚度,是破坏载荷。和时积极点在盘的右边;相反,和是负的。

在圆圈的中心,,代入到公式(2)和(3),我们可以得到的拉应力和压应力试样的中心: 因此,它可以发现中心的压应力拉伸应力的3倍。岩石的抗压强度远远高于材料的抗拉强度;因此,岩石的裂缝中间拉应力引起的。在加载过程的实际测试中,虽然有错误使用线分割方法时,合金钢丝可以被认为是类似的传输线路负荷。可以根据公式计算结果(6)。岩盐的强度较低与花岗岩和其它硬摇滚,因为它是软岩。使用板分割方法时,塑性变形产生接触的标本和承载板在加载过程和线路负荷逐渐变成表面负载。这时,盘的力量不是点荷载的垂直方向如图4(一)但线路负荷,如图4 (b)。平台相关线路负荷的长度是2角α。因此,负载被表示为失败

现在,如果我们使用公式(1)抗拉强度计算它将不可避免地导致一个更大的错误。的原因,第一组的平均抗拉强度高于第二组23.1%。为了解决这个问题,作者认为我们可以尝试利用格里菲斯强度准则,平台盘,当拉应力达到标本损坏: 在哪里代表格里菲斯强度准则的应力计算,抗拉强度,和分别反映,最大和最小主应力。抗拉强度计算公式在文献[14)如下: 在哪里代表的临界载荷的最大负载测量测试,参数是直径,参数是试样厚度,的系数是平台的规模。这个计算方法测试的结果数据将列在另一篇论文由于空间的限制。

5。巴西分裂疲劳试验的结果分析

5.1。恒载荷疲劳试验

基于上述分析,线分割方法进行分割疲劳试验。恒载荷疲劳试验进行了首先为了澄清整个过程的变形和破坏特征分割岩盐的疲劳试验。组的平均负载分裂疲劳试验水平3.4 kN,和负载上限4.86 kN,上限载荷(应力)比率约为0.85,较低的极限载荷是1.79 kN,和下极限载荷(应力)比率约为0.31根据常规分割测试的结果。采集系统将记录1磁滞回线当变形超过0.0125毫米,避免疲劳试验的载荷变形曲线太密集。

从测试结果来看,分裂岩盐的疲劳寿命的离散性比较大,但它具有明显的阶段性特征视图的累积塑性变形和变形发展的进化。下面的分析将标本BJF-3为例。图5显示整个过程的标本BJF-3载荷变形曲线。

可以看出load-vertical变形曲线与图分成两部分5。曲线的第一部分(OA部分)是一个静态加载阶段,负载增加的恒定速率0.05 kN / s到平均负荷水平,它是一个线性负载和变形之间的关系。曲线的第二部分(AB部分)是一个分裂疲劳阶段;循环负荷开始的平均负载级别1赫兹的频率。AB的曲线显示了三个明显的阶段,sparse-dense-sparse。第一阶段是周期的开始阶段,轴向变形发展迅速,每个周期都有一个更明显的变形,积累大量变形。几个周期后,变形速率趋于稳定的增长周期,代表变形进入第二阶段、稳定发展阶段。应变在此阶段的发展速度是相对稳定和轴向应变发展缓慢,占大部分的疲劳寿命。试样的变形速率急剧增加与周期的数量的增加,代表变形变成第三阶段。标本突然破坏,经历过很短的时间和周期的数量非常小。 The feature of this curve is similar to the feature of cyclic compression of white sandstone [1]。从失效机理、弹性和塑性变形的标本是在每次生成的循环加载中,塑性变形是由于标本的内部应力变化引起的损伤,和塑性变形累积滞回线与周期数逐渐增加,最终导致快速破坏的标本。不难发现load-horizontal变形曲线类似于图的垂直变形曲线3,这三个阶段显示sparse-dense-sparse阶段的明显特征。这个特征明显不同于水平循环荷载下的红色砂岩变形(15]。

根据图6原始曲线的数据,我们计算每个磁滞回线的变形差异之间的开始和结束点的变形量为每个生成的磁滞回路和画出散点图上的数量的变化周期6。在图6,很明显,疲劳变形的整个过程可分为三个阶段,证实了上述三个阶段的特点。

5.2。变量是指负载分裂疲劳试验

过程中变量的意思是负载分割疲劳试验、交变载荷的振幅保持不变,开始加载当初始平均负载水平达到500倍;之后,500年周期的负载,增加0.5 kN的平均负荷加载。然后,每个500周期的循环荷载增加0.5 kN的平均负载,直到试样完全被毁。此外,BJF-4加载在负载水平的3100倍与其他标本。变量的结果意味着分裂岩盐的疲劳试验载荷如表所示2,在那里第一级负荷值,代表完整的循环周期的最大负荷值之前测试失败,是周期的总数,时竖直方向的总变形标本被摧毁。从表可以看出2,总数循环加载的每个标本都有相对较大的色散;平均值是6.52 kN,平均变形值是0.93毫米。磁滞回线号和变形有明显规律从500年的每一个周期。每单位重量的价值水平,磁滞回线的数量,和变形,如表所示3更精确的分析,(= 1 ~ 6)代表的平均负荷的等级,是周期的数量水平装卸的负荷等级,(= 1 ~ 6)代表磁滞回线中形成数量负载等级的过程,(= 1 ~ 6)代表的垂直变形荷载等级的过程。标本BJF-4是加载和卸载在第一次加载水平的3000倍。磁滞回线的数量和在第一个负载级别每500次变形量如表所示3在最后一行为了比较轻松学习。

试样的纵向deformation-load曲线BJD-2图所示7。可以从图7和表3,循环荷载加载曲线在第一个500倍负载水平和经历的三个阶段,第一阶段“sparse-dense-sparse”,导致更大的变形。提高负荷水平和负荷500次,平均变形小于第一级。它仍然是在“密集”阶段(第二阶段);因此,尽管平均负荷比上次略大,变形量小于第一阶段。每个阶段的变形逐渐增加逐渐增加的负载水平。在最后阶段的负荷水平,变形增加快速循环加载过程中,标本是突然破坏随着变形的增加。图8分别给出了平均负荷水平和变形之间的关系和磁滞回线号码。从图8可以看到,在第一级的平均负载,变形和磁滞回路的数量变得更大,因为它是“稀疏”的开始阶段。从一开始的第二层次的平均负载,变形、磁滞回线号和平均负荷水平呈现近似线性增长。

常规标本BJH-2分裂和分裂疲劳试样BJB-4绘制如图9一起为了比较传统分裂的强度和变形特性与分裂疲劳试验。从图可以发现,分裂疲劳失效前的最大负荷值低于传统的分裂破坏载荷。然而,一般来说,传统的分裂破坏载荷的平均值是5.73 kN,而疲劳失效的平均负荷是6.52 kN;疲劳损伤的平均负荷稍有增加,而不是减少。变形,我们可以看到,样品的总变形量BJB-4疲劳失败不是由变形控制的传统分裂,但明显大于常规标本BJH-2分裂的变形破坏。其他疲劳失效标本,只有BJD-2的总变形量小于BJH-2,所以巴西分裂岩盐的疲劳损伤不会由传统控制整个过程曲线的分割;这种变形特征不同于分裂疲劳失效的砂岩3]。

6。解理断裂的微观结构分析

可以认识从宏观来看,钢线分割方法的分割标本有明显的加载在负载基线缩进,大多数标本断裂在两个对称的半圆形沿着线钢加载的加载基线酒吧,和没有断裂表面的摩擦痕,显示拉伸断裂的脆性破坏特征。在本文中,我们给出一个断裂的图片代表BJH-1 BJD-5,如图所示10。为了弄清楚之间的关系断裂形态和盐岩石的抗拉强度,岩盐的解理断裂试样实验后在扫描电子显微镜下得到30多个图像在不同的多个。

虽然样品的外观有相同的颜色和质地均匀的从宏观来看,岩盐的粗粒度的形式,Microtek,精密,和混合晶体盐岩石压实作用,胶结和溶蚀,digenetic阶段等等。许多因素,如微裂纹和杂质含量影响盐岩石的抗拉强度,但岩盐的结晶条件也是一个重要因素。

岩石的微观断裂模式主要有穿晶断裂和沿晶断裂从微观角度的观点。骨折可分为解理断裂,晶间断裂,微孔聚合断裂,联轴器。岩石材料的拉伸断裂微观结构包括9种河模式,模式,麟贵形成模式,人字形图案,像根的模式,轴微坑和三角craterlike模式,晶界裂纹模式,晶界和晶粒间破裂模式,晶间断裂模式(16]。的面积图10在扫描电子显微镜图所示11。断口扫描区域的标本BJD-5礼物随机晶界断裂模式的自相似性在裂缝表面,接触面积更大,有更多的晶间断裂特征,观察其他骨折标本的形态,伴随着少量的耦合的穿晶断裂。试样的断口扫描区域BJH-1,试样的断裂表面形成不规则的步骤和断裂表面的接触面积很小,显示不同的穿晶断裂特征,观察其他骨折标本的形态,用少量的耦合后晶间断裂。我们考虑到盐的结晶岩影响盐岩石的抗拉强度,抗拉强度是相对较大时细水晶标本主要是基于晶间断裂和伴随着少量的穿晶断裂,和混合晶体的抗拉强度相对较小,当混合晶体样品的粗粒主要是基于穿晶断裂和伴随着少量的晶间断裂。然而,一般来说,颗粒之间的粘结强度通常是低于自己的多个颗粒材料的岩石。上面的结论是不矛盾的常识,因为混合晶体盐岩石包含少量的粗晶体;粗晶体的抗拉强度低于细粒度的粘结强度;从宏观方面,岩石抗拉强度的粗晶体盐含粗晶体低于纯细晶体盐(17]。当然,影响盐岩石的抗拉强度的因素也有许多人,例如,微裂纹和岩盐包容;结论仍需在以下的实验研究。

7所示。结论

(1)变量的载荷变形曲线意味着负载分裂疲劳试验不是由传统的分裂过程曲线,和变形量的损失甚至大于传统的分割测试。(2)在变量意味着分裂疲劳试验载荷,变形和磁滞回路的数量更大,因为变形在于“稀疏”的开始阶段的第一阶段平均载荷作用下。变形、磁滞回线数和平均负荷水平呈现近似线性增长从第二个平均荷载阶段的开始。(3)load-vertical变形曲线不断分裂疲劳失效的平均负荷包括“sparse-dense-sparse”的三个阶段,分别为周期的初始阶段,变形和稳定发展阶段,加速变形阶段。load-horizontal变形曲线还包括三个阶段的“sparse-dense-sparse”,这显然是不同于红色砂岩。(4)软岩如岩盐,直接加载过程相对较大的变形引起的标本的分割测试的过程。故障状态类似于平台磁盘分割失败状态;因此,通过传统的数据处理方法的结果有较大的误差。分割测试进行了使用线分割的方法,结果相对比传统的数据更精确的方法。(5)传统的变形特征分割测试类似于单轴压缩,它分为四个阶段,包括压实、弹性、屈服,失败。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

提供的金融支持这项工作,河南大学的基础研究基金(项目没有。NSFRF140145)深部矿山建设开放实验室,河南理工大学(项目号2014 kf-06)。