文摘

横向各向同性岩石的动态压缩性能及其对围压的依赖和床上用品方向性在地下工程活动是很重要的。在这项研究中,一个板的特点是使用一个分离式霍普金森压杆(SHPB)试验。五组样本的首选层理方向(倾斜角度为0°、30°、45°、60°、90°)是受耦合的轴向冲击荷载(低、中、高)围压(0、5、10 MPa)。故障模式、动态强度和杨氏模量。测试结果表明,该拉裂没有围压时影响是显著的。然而,在围压(5和10 MPa)条件下,沿着加载方向的裂缝发展可以极大地限制和样品沿层理面被迫倒闭。随着围压增加,临界动态强度显著增加,杨氏模量增加的时候虽然减少时 。

1。介绍

横向各向同性岩石,广泛分布在地球表面,是一种特定形式的各向异性岩石。不同于各向同性岩石在各个方向相同的属性,横向各向同性岩石的性质(即不同层面的方向变化。平面各向异性的岩石包含一个主导方向)1]。这个描述一般适用于完整的层压,层状,层状沉积类,和某些完整的层状变质岩(如石板,页岩、砂岩和煤炭)(2,3]。

在过去的几十年里,大量的测试,数值模拟,对失效模式分析计算和力学性能已经完成(4- - - - - -7]。三轴压力下的断裂行为被发现不同,在单轴压力下(8]。随着围压的增加,各向异性岩石变得更加韧性(9]。然而,大多数以前的研究都集中在静态应力状态。许多工程应用领域,如爆破和钻探,暴露岩石动态加载,可能会导致崩溃等地下工程事故,屋顶下降,岩石破裂,喷的事件。因此,了解岩石在动态加载的属性很重要,因为工程师优化设计和施工。

最近,各向异性的动态特性主要受到关注。戴et al。10和刘et al。11]研究了横档花岗岩的动态属性的三个原则的方向。秋等人使用静态和动态单轴压缩测试煤岩的层理方向(12]。李等人研究了千枚岩的动态拉伸性能与五倾斜角度(0°、30°、45°,60°、90°)(13]。SHPB Koerber等人所描述的最新进展,即通过使用一个基于图像的方法来研究聚合物基复合材料(14]。这些研究主要集中在单轴压缩测试的影响。一般来说,影响分割效果很容易检测到在一维冲击测试(15]。然而,测试结果可能不能完全描述岩石的实际性能,特别是在深的深处。

在自然条件下,岩石属性状态的影响原位在爆破前的地层压力和无聊。多个爆破工程观测和实验室实验表明,属性如波传播的影响和爆破的影响和岩石碎片三轴之间的不同和单轴压力(16]。围压一般用于动态模拟测试原位压力。克里斯腾森et al。16)是第一个测试岩石围压和动态加载17]。然后,三轴分离式霍普金森压杆(SHPB)测试系统用于岩石很快实现世界范围内(18]。然而,尽管它的重要性,相关研究横向各向同性岩石仍相对稀缺。

在这项研究中,我们的目标是调查围压的影响的故障模式和动态压缩性能横向各向同性岩石。床上用品方向性也感兴趣的;因此,五组样本(θ= 0°30°、45°60°、90°)接受的SHPB三个负载水平(低、中、高)和三种围压(0 MPa, 5 MPa, 10 MPa)。进行了测试与0 MPa围压动态单轴压缩试验。然后,结果进行分析,以确定围压影响的物理性质岩石样本。

2。实验配置

2.1。动态测试设备

SHPB广泛用于描述岩石的动态响应19- - - - - -22]。这个装置可以实现应变率的10¹-10年⁴年代⁻¹,它可以匹配典型动态载荷与岩石碎片。如图1动态测试是使用50 mm SHPB系统进行中南大学(湖南、中国)。一个锥形的前锋被用来生成一个half-sine入射波和提供恒定应变率的样品失败(23,24]。此法适用于测试如磐石般坚韧的材料。在图所示的围压装置2由一个钢框架有一个关联的油缸,一个橡胶套,和石油进口/出口阀门。提供的围压是石油压力室(如手工加压泵)。必要时封闭压力可以达到200 MPa。

基于一维应力波理论(25),假设在动态加载(即压力达到平衡。 ),常用的公式计算应变率 ,应变 ,和压力如下: 在哪里是纵波速度的酒吧,杨氏模量的酒吧,样品的长度,和的横截面区域是酒吧和样本,分别。的索引、r和t是指事件,反映出,分别和传播。

2.2。动态测试方案

的严重故障样本在不同倾斜角度测量使用方法,使用到低加载步骤来测试样品。评估标准是基于岩石破裂和剥落的碎片。然后,加载失败被定义为低负荷水平至关重要。三种不同加载水平(低、中、高)是用来测试五组样品。在测试期间,加载水平依赖于气压值的发射器。气压值在不同围压表所示1。

2.3。样品制备

五组不同的层面倾斜角度(0°、30°、45°,60°、90°)被纳入本研究。动态测试样本准备长细比为0.5(直径50毫米和25毫米长度),如图3。确保至少3结果可以每级荷载和围压,获得150年岩石样本准备五倾斜角度。

3所示。板岩的地质和力学特征

研究了板岩是来自中国江西省。板岩的化学成分分析取得了以下成分:59.05% SiO₂,18.56%的₂O₃,6.87%的铁₂O₃曹,0.24%,分别以1.84%,3.47% K₂O, 2.03% Na₂o .微观结构已经由扫描电子显微镜(SEM)观察。如图4两层主要存在于这个石板,硬层和软层,分别。硬层主要包含片状结构和安排。这一层的裂纹未开发。相反,软层相对破碎的裂纹是显著提高在这一层。单轴抗压强度(σ_公元前)和杨氏模量(E)表中列出2。

4所示。测试结果和讨论

4.1。动态平衡和应变率

图5显示了一个典型的结果:在这里,标本60-1受到5 MPa围压。应用锥形前锋为目的,应用常应变率加载,直到样品失败。图6显示事件的总和应力和反射应力波几乎等于应变波传播,这表明样品的两端力平衡维护所有的动态测试过程中,包括那些在样品受围压。

4.2。失效模式

首先,板岩样品的失效模式在低负荷水平分析。图7显示了样品的失效模式与不同层面的角度在低负荷水平和三种不同的围压压力。四种典型的失效模式与不同的倾斜角度下三种不同的围压可以概括如下:(I)劈裂抗拉在床上用品、(2)剪切滑动在床上用品、失败(3)滑动沿着床上用品,及(IV)沿着层理拉裂。

表3列出了石板的关键失效模式样本在不同围压下。板岩在不同围压的失效模式是相似的θ= 0°、45°,60°、90°。然而,在θ= 30°,II, III的失效模式的变化与围压的增加。围压约束的差异可能导致骨折沿着加载方向的发展。此外,由于小角度交叉层面和围压方向,围压可能打开了裂隙固有的床上用品的飞机。因此,裂缝可能开发之前在床上用品的飞机。

图8介绍了故障模式θ= 45°在高围压下负荷水平0 MPa和10 MPa。当围压是0 MPa,失败的模式θ= 45°样本转换从一个单一的失效模式(III)混合模式(III + I)与加载水平从低到高的变化25]。然而,当围压是10 MPa,尽管许多细裂缝沿着加载方向发展,主要失效模式仍沿层理面滑动。它可能由于围压可有效削弱影响分割效果和限制裂缝沿加载方向发展。

4.3。应力-应变行为

图9显示了典型的应力-应变曲线的五组样品(0°、30°、45°,60°、90°)进行三种不同的围压(0 MPa, 5 MPa, 10 MPa)。在整个样本组,塑性阶段显著增加相对于一维冲击试验的结果。一维影响测试的应力-应变曲线表明脆性破坏。相比之下,在围压条件下,特别是在相对较高的水平(10 MPa),应力-应变曲线呈现典型的弹塑性行为的特征。例如,当的价值θ是30°,高原的峰值出现在曲线,表明样品从脆性模式过渡到韧性模式随着围压的增加。

在θ= 90°,塑性阶段是不容易发现,当围压是0 MPa。这一结果表明,裂缝迅速发展在整个样本期间动态加载。这种现象可能由于以下两个因素:(1)分裂效应的影响在一维动态测试和(2)弱飞机被平行于加载方向。因此,失败模式θ= 90°分为沿层理面。然而,当围压的增加,塑性阶段再次出现。很明显,围压可以限制裂缝沿加载方向的发展。

4.4。影响围压的动态强度和杨氏模量

图10显示动态强度之间的关系( ),杨氏模量(E)和应变率在不同围压。实线和虚线表示和E,分别。

如图10,第一个点的压力线显示关键的动态强度,这是压力至少可能导致岩石的动态故障样本。关键的动态强度随着围压的增加而增加。可能是因为围压是垂直于加载方向,使得样品难以分割,特别是θ= 0°和θ= 90°。30°≤θ≤60°,围压也可以增加层面上的正应力。因此,床上用品的飞机上的摩擦变大,使它需要一个更高的压力使样品沿层理面滑移破坏。

应变率效应是明显的倾斜角度,当围压5 MPa和10 MPa。然而,当不同θ= 60°和围压是0 MPa (25]。它可能由于围压可减少影响分割效果的影响,使试样的失效模式相对简单的媒介或高载荷作用下的水平。

尽管岩石样本筛选的纵波测试以减少动态测试结果的差异的影响,没有明确的趋势杨氏模量可以发现当比较不同加载在一个围压水平。陆等人表示E,材料的力学性能之一,是应变速率不敏感(27]。

此外,一般的趋势E是增加随着围压时θ≥45°。它可能由于围压力微裂缝在床上用品的飞机关闭这些倾斜角度。为θ= 0°和θ= 30°床上用品的飞机和围压的方向非常相似。微裂缝的围压可能会迫使床上用品的飞机开放。因此,一般的趋势E是降低围压增加这两个角。

5。结论

横向各向同性岩石的压缩动态特性受围压使用一种改进的SHPB试验进行了调查。

四个主要失效模式是观察到的动态测试。围压可以显著抑制裂缝发展和突破。因此,塑性阶段的应力-应变曲线扩展样本受围压时,表明样品从脆韧性。通过约束裂缝发展沿着加载平面,围压力沿层理面样品失败。

此外,围压可以提高岩石样本的完整性和动态强度诱导在层理面法向应力。倾角和围压,石板的杨氏模量应变速率不敏感。然而,当倾角围压的增加而增加θ≥45°倾角30°时虽然减少≤θ。

数据可用性

使用的实验数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

本文中给出的工作是由中国国家自然科学基金(没有。51378505和51378505)和基础研究基金为中央大学中南大学(没有。2017 zzts161)。