文摘

基于SHPB装置,动态拉伸试验进行了花岗岩,它位于在同一钻孔深度350∼580 TianHu地区新疆省,高放射性核废料地质处置的预选的网站在中国。加载速率下的10⁵MPa / s,动态抗拉强度通常是15 MPa∼35 MPa,选址的重要参考。无论无论深度、动态张力强度随着加载速率的增加而增加,这表明脆性材料的加载速率的影响。同时,失败模型也是张力模式,这是一样的静态拉伸试验。此外,随着岩石的物理特性已经逐渐改变,岩石强度等力学性能与深度将增加或减少。从物理机制,密度,孔隙度,和别人是不同的在不同的深度,导致力学性能的差异。结果和理论知识可以应用到的爆破开挖深地球工程和HLW geodisposal。

1。介绍

随着岩土工程的发展在建设,包括液压和水电工程、地下隧道施工,甚至核废料地质处置,等等,随着埋深的增加,灾害也增加。岩石力学与岩土工程深是国内外学者的热点,并取得了大量的结果(1- - - - - -6]。领域的高放射性废物地质处置,岩体的力学性能直接关系到地下工程的稳定性相关的设计、施工和操作。强度的特点,变形、裂纹扩展机制,应详细研究岩体的渗透性。岩石是影响热高,现场压力高、高渗透压力,和深层地质条件下开挖扰动,变形和破坏特征明显不同于浅深度、力学行为是更复杂的和复杂的7,8]。

通过单轴和三轴机械测试不同深度的玄武岩在北京达泰煤矿由周et al。9),结果表明,玄武岩的密度、单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、凝聚力,和内摩擦角与深度的线性增加,但泊松比是相反的。江et al。10)还发现,弹性模量、抗压强度、抗拉强度与深度的增加通过实验室测试花岗岩。

岩石的静态参数,如抗压强度、抗拉强度、变形、弹性模量、泊松比、摩擦系数、凝聚力,等等,在设计起着指导作用,岩石工程的建设,支持和监控。然而,岩石的动态行为对工程(也很重要11- - - - - -13]。

岩石工程开挖前,已经在某些地壳应力状态,也就是说,静态应力状态下的岩石被前轴承动态载荷。不仅受到高地壳应力的影响,而且岩石等动态载荷叠加开采扰动,甚至地震(14- - - - - -16]。岩石动态参数包括机械和物理量对应的静态参数,如动态抗压强度、动态抗拉强度、动态弹性模量和动泊松比等。研究岩石工程,是不够只考虑静载或动载荷(17- - - - - -20.]。最重要的岩石动力学相关研究是爆破工程、防护工程、地震工程、抗震和减振的工程是最重要的问题。有时,它可以满足工程实际的要求,但是在某些情况下,它仍然是不够的(11,21,22]。

此外,当岩石的动态属性已获得工程设计方法可以修改和改进,如经验在岩石破裂准则,该指数的单轴抗压强度可以被动态抗压强度,更适合爆破的情况。和锚杆在岩石工程的支持,可以使用动态强度的计算,特别是对污点轴承动态张力条件(23- - - - - -25]。

高现场应力条件下,岩石破裂在深矿井仍然是摆在我们面前亟待解决的困难,这被认为是由爆破振动监测,先进的检测等等(26]。各种实验设备的振动特征在高放射性核废料地质处置室在不同的深度,以及他们的耐用性和安全性,也迫切需要解决。目前,基本的动态特性,如动态抗拉强度、动态压缩强度、动态弹性模量和岩石的动态断裂韧性与不同深度尚未系统研究[27]。因此,它具有重要意义深深度下研究岩石的动态行为。

Tianhu地区,新疆的首选地区之一的高放射性核废料地质处置在中国,逐渐进行机械测试在这个地区的花岗岩。人的静态和动态力学性能进行了研究et al。28),发现动态机械强度和耦合的静态和动态抗拉强度显示加载的效果。

然而,样本选择在同一深度(360左右),和不同深度的岩石动态特性研究。特别是岩石的拉伸性能是一个重要的特点,随着岩石破裂通常是由拉应力引起的。因此,针对钻井井眼在Tianhu区域,本文进一步实现的动态拉伸测试不同的深度。通过实验数据的分析和讨论,它可以支持设计、施工和监测的岩土工程。

2。测试计划

2.1。影响测试设备

动态参数利用SHPB系统取得的75毫米直径(图1),这是由中南大学设计的。

为了消除pci振荡,稳定semisinusoidal波是必需的,这意味着加载波的上升段应该定居在100左右μ年代。和主轴类型影响子弹用于排放国。材料和子弹的最大直径是一样的,对应于事件和传输酒吧,和恒应变速率可以实现semisinusoidal产生应力波。与此同时,SHPB的参数表中所示1。

2.2。样品制备

花岗岩与更好的完整性和均匀性是选择。核心是钻深度从350米到580米不等,和样品数量一致的顺序编号H(深度)X(没有)。完全,埋深350米,360米,380米,420米,510米,520米,530米,540米,580米。根据岩石力学的常规样品要求,样品生产。

岩心钻机,裁切机,磨床应该用于精细加工准备标本,以满足测试标准。根据岩石试验方法的标准GB / T 50266 - 2013 (29日]。所有的试样都统一用一个标准尺寸加工成一个圆柱体。巴西圆盘试样,大小约Φ50毫米×H25毫米,直径×对应高度。试样的粗糙度偏差的两端是0.05毫米,高度和直径的容许偏差是0.3毫米,和部分应该垂直于轴而容许偏差是0.25度30.]。

几何尺寸、密度、纵波速度的处理标本测量。岩石标本的一部分图所示2。

3所示。动态拉伸试验

开挖造成的损害越来越明显,所以对岩石动态力学性能的研究是非常重要的。应该注意到动载荷下的力学响应的岩石是静载荷下完全不同,这是造成的惯性效应和动态效应的岩石。根据动态影响或爆破,岩石的内部粒子可以被外力破坏。由于惯性效应,粒子被不同的力学性能。也就是说,不同的加载率导致不同的失效形式。这种现象为实际项目有很强的指导意义。因此,动态拉伸测试已应用于不同深度下的标本。

控制参数和测试程序的动态拉伸试验如下:标本风干条件下,试验在室温下进行。首先,为了验证系统的稳定性,测试系统没有标本被影响。其次,是否输入栏与输出酒吧密切和波浪的影响伴随着SHPB原则是监控。第三,标本与不同加载速度使用SHPB已经受损。应该注意到初始冲击速度计算使用静态抗拉强度数据。然后,试样的应变和应力可以通过动态应力波方程,和测试数据应该使用动态力平衡方法进行检查。最后,试样的动态抗拉强度测试已经通过计算动态应力的失败点。

应该注意到,事件之间的岩石样品垂直放置酒吧和传输栏动态拉伸试验进行时(31日]。也就是说,双方的岩石样本与事件联系栏和传输栏,分别,然后行表面接触。这将标本的方法是基于加载方法采用静态巴西分裂拉伸试验。通过线面接触加载方式,脆性材料的分裂失败可以意识到,和岩石材料的抗拉强度可以通过弹性力学。

动态抗拉强度的计算方法可以称为静态巴西分裂拉伸试验。这里使用下列公式: 在那里,和长度和直径的标本分别和是两者之间的最大力量值的样本,可以计算如下: 在哪里和指的是截面积和弹性模量的输入栏或输出栏,分别;和指的是双方的力量标本; , ,和的应变是入射波、反射波和透射波。

是采用脉冲形成器技术实现动态力平衡的标本实验期间,也就是说, 。惯性效应从而消除因为没有全球力量差异引起惯性力的标本。因此,惯性效应可以忽略不计在这种情况下,我们可以执行准静态分析。

4所示。机械岩石强度的分析

动态拉伸冲击试验是获取动态抗拉强度和强度与应变率之间的关系。测试的基本测试方法也是岩石动态特性。

4.1。动态抗拉强度的特征

工程的抗拉强度具有重要意义。从微观角度,岩石的失效模式主要是由拉伸引起的。

通过一系列的动态拉伸测试,测试数据与不同深度的岩石样本在不同加载率,如表所示2- - - - - -10。

应该注意到,高放射性核废料地质处置的特殊性必须考虑,这意味着处理安全周期很长,工程稳定性要求高水平,和开挖损伤区应该是小的,所以所有的实验数据都列在这里,进行了分析。

其中,序列号、直径、厚度、密度、波速、动态抗拉强度,和特定的岩石样本加载速率在一定深度都显示在表中2- - - - - -9。根据测试结果,花岗岩的加载速率的顺序通常是10⁵MPa / s,这是一个中产和高加载率水平。

之间的动态抗拉强度通常是15 MPa∼35 MPa。此外,在不同的加载率的动态抗拉强度与不同深度显示了相同的变化规律,即动态抗拉强度与加载速率增加。因此,脆性材料的动态速率效应进一步验证。

一个典型的波形如图3。动态抗拉强度之间的关系和加载速率的花岗岩样品350米深度图所示4。可以看出,动态抗拉强度随着加载速率的增加而增加,基本上它显示了一个线性增长的趋势。

动态抗拉强度与加载速率的关系与埋深360米,380米,420米,510米,520米,530米,540米,580米图所示5- - - - - -12。同样的实验规则被发现,也就是说,随着加载速率的增加,动态拉伸优势也表现出增加的趋势。

这些测试都是在类似的条件下进行。抛射体的位置是固定的,和加载压力略有改变。因此,加载速率基本上是保持在同一水平。

众所周知,岩石的失效模式反映了它的应力状态。巴西圆盘试样分为两部分沿着中间方向在静态间接拉伸试验。

通过观察故障模式的动态拉伸试验后,发现在加载的初始阶段,一些微裂隙产生,主要位于中间的标本。与加载过程中,试样内的应力波反射来回,导致初始裂纹的扩张,然后迅速传播。扩展方向总是沿着试样的中心部分,裂缝两端延伸。继续加载,最终破裂成两半。

通过动态拉伸试验,发现岩石样本的故障模式如下:冲击荷载不大时,岩石断裂成两半。冲击载荷的增加,岩石碎片数量的增加和分形的大小通常是统一的,如图13。这也证实了动态加载强度高于静载荷强度。动载荷的作用下,裂缝的数量可以承受静载荷下的损伤比,因此,动态强度高于静态强度。简而言之,动态拉伸条件下岩石的破坏模式基本上是拉伸模式。

4.2。动态抗拉强度在不同深度的特点

岩石脆性材料,抗拉强度远低于抗压强度,被广泛应用于工程爆破。以隧道爆破开挖为例,不仅应该考虑爆破后的断口表面,而且轮廓线应符合设计要求,合理分布的岩石碎片也应该被考虑。

岩石炸药引爆时,应该主要在拉应力的爆炸冲击波的传播。如果岩体的极限抗拉强度低于最大剪应力,岩石破碎和粉碎。因此,预裂爆破方法用于释放原始岩石的压力在一定程度上,这有利于实现良好的切割爆破效果,从而获得更高的爆破孔利用率。爆破作用下,加载速率不同于静载荷,一般10⁵∼10⁶MPa / s。

此外,有必要调查区域的拉伸性能加载速率。一个特定的加载速率0.4×10⁶MPa / s的岩石样本选择具有不同深度,和动态抗拉强度变化与深度图所示14。

从图14,发现花岗岩的动态抗拉强度先增加,然后下降的深度从350米到580米不等。这一现象的原因应该是详细的分析和讨论从岩石的物理力学特征样本。

有必要指出的是,实验仅供不同深度的标本在同一钻孔,因此它适用于一起进行比较和分析。

5。讨论

上述选择加载速率条件下(0.4×10⁶MPa / s),动态抗拉强度之间的关系和自身密度和波速图所示15,,黑色的圆形数据点显示动态抗拉强度和波速之间的关系和数据点显示的蓝色框动态抗拉强度和密度之间的关系。

从图可以看出15动态抗拉强度更高的密度和波速花岗岩都大。也就是说,岩石的密度,波的传播速度越快,动态抗拉强度越高。当密度低和波速相对较低,动态抗拉强度也较低。当密度和波速在中间层,动态抗拉强度也在区间范围内的中间值。随着埋藏深度的增加,岩石密度。特别是在3000米的深度,这种现象更明显。

对于这个测试,使用标本略有不同,获得的密度由岩性的识别和分析证实了在显微镜下,如图16。花岗岩测试主要由石英、钾长石、黑云母。石英颗粒,颗粒大小是1∼2毫米,约35%∼40%内容。钾长石粒度是主要在1∼2毫米,局部1厘米的钾长石、钾长石的总含量是55%∼65%,和黑云母的含量约为5%。

它可以进一步解释说,这种差异的主要原因的物理和机械特性的深度相同的岩石是多样的地质环境,特别是现场应力环境周围的岩石。显然,岩石的力学性能在不同的深度是由岩石非均质性。特别是在动态加载率下,这种差异表现更为重要。和解释是符合朱et al .,那些通过数值计算获得32]。RFPA软件是用来模拟动态负载下的岩石断裂过程。与断裂理论相比,结果表明,岩石材料的非均质性的主要原因之一是动态强度的提高。

也就是说,岩石强度随深度是由属性和外部加载条件。它不能被简单地认为岩石强度与深度增加然后减少。不仅一个非凡的表达式的测试,而且岩石强度的变化,的基本原因。应该注意到,这并不是严格的说岩石强度与深度的增加或减少。

根据上述研究,相信随着岩石物理特征的逐步改变,岩石强度等力学性能与深度将增加或减少。从物理机制,密度,孔隙度,和别人是不同的在不同的深度,导致力学性能的差异。

6。结论

(1)基于SHPB装置,动态拉伸试验进行了花岗岩,它位于在同一钻孔深度350∼580 TianHu地区新疆省,高放射性核废料地质处置的预选的网站在中国。加载速率下的10⁵MPa / s,动态抗拉强度通常是15 MPa∼35 MPa,选址的重要参考。(2)所有的测试动态抗拉强度随着加载速率的增加而增加,这显示了脆性材料的加载速率效应的特征。然而,动态抗拉强度和深度之间的关系不是一个单一的趋势,但后来呈现先增加,然后降低。(3)岩石的物理特性已经逐渐改变,岩石强度等力学性能与深度将增加或减少。从物理机制,密度,孔隙度,和别人是不同的在不同的深度,导致力学性能的差异。

数据可用性

的数据支持本研究的发现可以从相应的作者在合理的请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(批准号41202207)。作者最感谢李教授x b和z l .周在中南大学宝贵的帮助测试。