文摘
为了研究岩石的物理和动态属性伤害之后,一个开放型的饱和水冻融试验在±20°C进行了石灰石样品,大小,质量,和纵波速度与冻融循环后测量0,10、20、30、40、50、60、70、80、90和100倍,SHPB试验装置是用来进行冲击压缩试验与八种加载速率。本文分析了损伤演化特征的物理性质石灰岩冻融循环次数和讨论了动态压缩力学特性和能量耗散定律石灰岩冻融循环后的标本。试验结果表明,试样的质量和纵波速度和体积和密度的增加而减少。二次函数的正相关因素的损害与冻融的周期时间。此外,动态压缩应力-应变曲线的标本在不同加载率相似的形状,和以提高加载速度曲线显示了一个上升趋势。此外,随着加载速率的增加,试样的动态抗压强度和动态弹性模量增加,动态应变下降。SHPB试验,反映出能量,传播能量,吸收能量与入射能量线性增加。动态抗压强度作为一个幂函数和被吸收的能量增加,应变速率和被吸收的能量增加二次函数。
1。介绍
有不同风格的地球上的气候和环境。永冻层的覆盖,季节性冻土,和短期冻土是大约50%的土地面积,和冻土的分布在地球上纬度地带性和高度地带性。然而,在中国,尽管该地区广阔,气候多样、冻土地区仍占总数的70%以上,其中季节性冻土占总土地面积的一半,通常分布在纬度较低或低温区域,在冻土分布在东北、西部高原,在东方一些更高的山峰(长白山,太白山和五台山)。当进行资源开发和工程建设在这些领域,我们必须考虑冻土地区特殊的地质条件,一般如岩石边坡,正温度气体传输管道、隧道、基金会等。1),尤其是在国家西部大开发和战略中心近年来的转移。工程建设是发展中日复一日,所以对我们来说是非常紧急的识别岩石和土壤质量在冻土地区。
冻土一般指各种岩土工程和土壤含有冰(2),其温度在0°C或以下。之间,土壤形成的岩石积累的各种处理后效果自然风化,但岩石是一种自然产生的矿物或玻璃骨料与一个稳定的外观,以某种方式相结合。岩石和土壤之间的区别是,岩石矿物粒子有很强的连接(水晶连接,巩固了连接),这不仅是一个重要的岩石的结构特征,但也区别于土壤的主要特点,给它优秀的工程地质性质。然而,土壤缺乏这样的粒子之间的连接或弱连接。岩石强度高的特点,难变形、完整性和耐水性好。但它也有缺陷,当用作基础或建筑环境,即其脆弱的飞机可能导致分手时,破坏其完整性导致贫穷和不均匀的物理和机械性能,因此,岩石(体)结构比土壤复杂得多。换句话说,岩石具有强烈的各向异性,异质性,不连续,和复杂性。与岩石相比,土壤可以被看作是连续的,均匀和各向同性材料和媒体。研究冻土的力学是比早些时候冻结岩石。但近年来,随着对工程的需求,一般的冻土力学不再适合冻结岩石的研究。 This is bound to make the frozen rock problem a new problem to explore the idea; the effect of freeze-thaw on rock damage expansion is actually very complicated. Different freezing temperatures and freezing speeds have different effects on the mechanical properties of different types of rock materials. The freeze-thaw cycle is the main factor for the freeze-thaw damage expansion of rocks [3]。
在寒冷地区,由于季节性气候变化和温度变化,岩石的物理力学性质改变了冻融循环作用下。随着中国继续增加施工冻结岩石地区在西部大开发的过程中(4),如Tamu盆地Sebei-Xining-Lanzhou天然气管道、青藏铁路、南水北调工程,和西输电项目,周围的岩体取消和降低冰点一次或多次扰动下的外部环境,导致岩体的内部连续冻结和融化,这是一个重要的因素影响工程的安全与稳定。因此,研究是具有重要意义的机械和物理特性在冰冻地区岩体冻融循环作用下工程建设、资源开发利用和经济。
目前,研究岩体的特征在冻融循环下,通常使用静态负载,和岩石的动态力学特性进行了研究。其中,不同周期下的岩石力学特性的温度,循环次数,多周期进行了研究,同时从某个循环温度正常温度、冻融循环对岩石的影响研究较少。由于爆破、开挖和动态载荷在露天工程建设受到自然因素的影响,本文旨在研究岩石的力学性能在SHPB动态影响压缩测试在某些冻融循环和不同的应变率,为寒冷地区工程具有重要意义。
目前,国内外做了大量的工作研究冻融条件下的岩石物理力学特征。公园等。5]使用闪长岩,玄武岩,凝灰岩标本保持饱和和研究岩石的内部微观结构的变化在反复冻融周期;Khalari et al。6)进行冻融,干湿、冷热循环测试砂岩,测量纵波速度、孔隙度、单轴抗压强度和岩石标本的物理和力学性能分析。Martinez-Martinez [7)进行测试的一系列变化波速度、强度、孔隙度等对碳酸盐岩100次冻融循环后的标本。邓et al。8)进一步研究冻融风化砂岩破坏的影响,从能量的角度分析。刘等人。9)用核磁共振技术研究岩石的损伤演化规律和macrodefects microdefects冻融循环。杨Niange et al。10]研究了砂岩的动态特性和故障法在冻融循环和揭示冻融损伤的机制。Lei et al。11]分析与动态负荷强度的关系,应变速率,在花岗斑和冻融循环。海亮et al。12)进行的一项研究在冻融循环作用下饱和砂岩的损伤模型。杨et al。13)澄清了冻融损伤识别方法和损伤机制不同尺度条件下。
在上面的结果中,SHPB试验更常见的不同数量的周期和相同的应变率下的岩石标本冻融循环(14]。考虑动态特性不同的应变率的影响在某些冻融循环,有更少的实验研究。
摘要冻融循环试验−20°C∼+ 20°C从Bagong石灰岩山地,淮南,安徽,执行静态和动态载荷力学实验岩石冻融前后的标本。研究规律的动态车辆的性能和物理性能也进行,探索形式的动态故障并提供研究思路和方法的动态扰动岩石冻融循环下的寒冷地区。
2。测试设计
2.1。样品制备
石灰石粒度和均匀性好的被选为标本。为了比较动态和静态负载测试强度,减少最终效应和惯性效应的标本15),标本均匀加工成25毫米高度和50毫米直径的圆柱体。所有的标本都地面两端。不均匀的容许偏差的两个终端面临±0.05毫米。端面应垂直于试样的轴线,并容许偏差为±0.25°。
2.2。测试设备
相关设备的冻融试验:试验- 1000年冰冻室的工作空间是1000 mm×1000 mm×1000 mm,温度范围−60°C∼150°C, 101 - 3 -电鼓风恒温干燥箱,C61非金属超声波探测器、电子天平、烘干机、试样饱和设备,和静态力学实验系统(rmt - 150 b),冰冻的水和溶解在水中协议进行冻融试验。
岩石试样的冲击试验使用了霍普金森压杆试验装置(SHPB)矿业国家重点实验室的响应和灾难预防和控制煤矿深处安徽科技大学研究岩石的动态响应特性。设备由压力产生设备,压力传播机制、应力吸收装置,一个轴向压力系统,围压系统和数据采集系统。设备的穿孔、入射杆、传动杆,和吸收杆是由40铬合金钢。泊松比为0.28时,弹性波速度是5380 mm / s,入射杆和透射杆的直径50毫米,长度2000毫米和1500毫米,分别使用轴打孔,数据采集和显示设备SDY2107A超动态应变仪和DL850E示波器。
2.3。文本的方法
根据相关规范和测试条件,试样首先放在烤箱中,然后它被烤在105°C到110°C 24小时,取出,放入干燥器中冷却至室温,然后重。然后,自由液浸法用于饱和试样在48小时自由吸收水,和相关的物理参数测量。单一的岩石冻融循环周期是8 h,也就是说,把饱和试样放入存储箱,然后把它放在冷冻室(图1),冻结在−20°C±2°C 4 h。然后取出试样,把它放在装满水的温度箱。在水温框中,水温保持在20°C±2°C溶解4 h,这是一个冻融循环(16]。循环温度和时间的关系如图2。
测试分为8组根据冲击压力,和100年冻融周期执行。SHPB装置后使用周期(如图3冲击压力的文本)。影响压力0.3 MPa, 0.325 MPa, 0.35 MPa, 0.375 MPa, 0.4 MPa, 0.425 MPa, 0.45 MPa,和0.475 MPa, 4是一组用于测试岩石动态力学性能。
质量、大小、波速和岩石标本的密度测量后每10冻融循环。在冲击试验之前,标本进行静态测试,测量其单轴抗压强度。入射波、透射波和反射波形的标本在不同冲击压力在动态冲击试验记录,这是方便以后的动态应力-应变曲线拟合。
3所示。物理性能和损伤的比例冻融饱和岩石
3.1。冻融的损伤比形态学饱和岩石
图4是一个典型的饱和石灰在冻融循环后的照片。发现饱和石灰的损害比形态主要表现为水分子形态的变化在岩石标本,这削弱了表面粒子之间的连接20冻融循环后,伴随着解理的生成。60循环冻融循环后,石灰石表面开始在片脱落和裂纹扩展越来越多。100年之后冻融周期,严重的个人标本断裂沿层理。这种现象是由于不均匀的扩张毛孔内的岩石标本的连续冰水变换下孔隙水,导致内部裂缝不断扩大和发展的脆弱带岩石,最终导致岩石样本收敛沿着层理骨折和扩大,并最终通过岩石样本运行。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
3.2。冻融损伤性能的饱和岩石
在主要材料,有损害。与外部环境和负载的影响,解理,微孔,剪切带,材料和其他mesodamaged元素开始启动,收敛,和发展,最后形成了一个动态演化过程的伤害(17]。因此,本文选择宏观方面作为测量的基准损伤,研究冻融饱和岩石的损伤变化,揭示了岩石的损伤特点反映在变化macrophysical现象。
本文旨在使用超声波作为媒介来探索饱和岩石内部的相关信息(18]。超声检测是一种无损检测方法,它使用材料的声学性能的差异及其缺陷,以反映超声传播波形和能量变化的渗透时间检查材料的内部缺陷。由于纵波的传播速度快,纵波通常用于检测。
纵波的传播速度显示在以下方程:
的公式,是连续介质材料的泊松比(假定材料是各向同性材料的泊松比与伤害不会改变),和弹性模量和密度的饱和岩石nondamaged状态,和是受损材料的弹性模量和密度,和体积变化引起的水和冰的两阶段转换的条件下冻融循环导致的解理的扩张,导致宏观物理性能的恶化。弹性模量通常被用来量化损伤的程度。损伤公式所示以下方程:
将纵波速度公式为以下,我们获得
当D很小,在公式可以约等于1,因此可以假定
100年冻融循环后,造成的损伤变化的平均波速8组饱和岩石标本如表所示1。
从表可以看出1与冻融循环的数量的增加,饱和石灰的损伤程度持续增加,以及各种岩石中矿物晶体扭曲的水冰两相干扰,导致初始裂缝的扩张,以及接口的损坏的晶体颗粒,最后各种裂纹生成的晶体颗粒。精确是因为内部的微裂隙岩石的冻融循环示例继续发展,导致macrophysical岩石样品的性质的变化,如连续衰减的纵波速度。然而,在后期阶段的冻融循环,由于冻融的削弱作用,损伤变量的增长率有所下降(19]。
3.3。质量的变化冻融岩石饱和
从图可以看出5100年冻融循环后,平均饱和质量增加率( )每个组都有一个明显的相关性的冻融循环的特征,它随冻融循环的数量的增加。三次函数及其拟合公式所示增加以下方程:
相关系数是 ,和基本的变化如下:(1)在第一个40冻融循环,增加率平均饱和水的质量几乎线性增加,增加率相对较大,达到了0.096%。由于冻融循环测试的初始阶段,霜产生的膨胀力连续转换引起岩石样本的两个水阶段裂缝继续扩展和增加,新裂纹的萌生,内部裂缝岩石样本膨胀更快。在融化过程中,外部水不断迁移到新的裂缝,成为饱和,和岩石样品的含水量增加20.),导致质量增加率增加。(2)从50到90冻融循环,饱和水质量平均增长率增加较慢,增加率仅为0.02%。这是因为,在冻融循环,粒子表面的岩石标本剥落是由于水迁移和剥落和侵蚀所造成的损伤,导致减少的速度岩石标本的质量影响孔隙水含量增加,导致岩石标本,和质量提高的速度慢。(3)在第100冻融循环,岩体样本的增长率的速度比以前更快了。这是因为减少的速度的影响在岩石样品的质量增加孔隙水的速度逐渐削弱了在冻融循环。
3.4。冻融饱和岩石密度的变化
如图6,平均率(体积变化 )岩石的样本与冻融循环的数量负相关。它随一个三次函数的冻融循环次数增加。拟合公式(6)如下:
相关系数是 ,从图可以看出。前60冻融循环,岩石样本的平均体积变化率下降了0.14%,最大音量降低率为0.24%。在60到90冻融循环第二次冻融循环后,岩石样本的平均体积变化率下降了0.18%,这是一个提高与前一个相比。过去100冻融循环后,降低利率的平均体积变化率下降。
如图7,平均饱和密度( )岩石的样本与冻融循环的数量呈正相关,与它增加一个二次函数随着冻融循环的数量增加。拟合公式(7)如下:
相关系数是 。从图也可以看出,在60冻融循环之前,主裂缝的扩张和开发新的裂缝由于霜隆起和扩张引起的水迁移,提高质量,增加和平均体积变化率是负面的。所以样品的岩石的平均饱和密度增加了大幅增长,增长率为0.478%。第70届第100次冻融循环后,岩石样本的平均饱和密度增加比以前少,增长率仅为0.037%。这是因为在冻融循环,水分子严重削弱岩石样本的内部连接,导致裂缝的扩张越来越快,,减少岩石样品的体积变得逐渐小于岩石的质量增加率样本。
3.5。冻融饱和岩石的波速变化
如图8随着冻融的循环次数的增加,饱和岩石样本的平均波速继续下降。都可以用三次多项式函数,拟合公式如下: 的平均波速的平均饱和度的变化和是周期的数量,两者之间的相关系数是什么 。和20的冻融循环之前,岩石标本的波速下降幅度更大,最大的减少幅度为12.48%。这主要是由于大增加孔隙水的冻融循环,和波在水中的传播速度小于岩石,导致在波传播速度明显降低。但在20次,波速下降较慢。这是因为孔隙水逐渐递增的速度变得更慢,因为连续一代新的裂缝,波传播能量衰减。
4所示。力学性能和能量耗散的冻融岩石饱和
4.1。动态应力-应变曲线变化规律
如图9石灰石静载荷下的应力-应变曲线分为整合过程,弹性阶段、屈服阶段,和破坏阶段,岩石破裂强度为110.295 MPa,整合过程的更明显,残余强度减少得更快。
如图10在啸叫,为了使试样加载应变率动态机械测量之前,确保SHPB试验的可靠性(21摘要],事件栏是一个锥形过渡变量截面形式,可以增加的应力均匀性标本(22]。甚至postfailure阶段的标本,它可以保持良好的应力平衡状态(23]。
如图11可以得出以下结论,石灰石在不同加载下的动态应力-应变曲线变化的压力:(1)随着冲击压力的增加,岩石的动态应力-应变曲线往往远离压力坐标轴,也弹塑性阶段方法坐标轴的压力。此外,曲线在不同冲击压力显示一个信封。一定数量的冻融循环条件下,岩石的动态抗压强度随冲击压力的增加。(2)与石灰岩静载荷下应力-应变曲线相比,动态应力-应变曲线有一个小应变范围和最大价值只有0.015,只有一半的静态负载。在动态的影响过程中,岩石标本直接进入前的弹性阶段整合过程。这是由于应变速率过快,和岩石试样变形,才能巩固。塑性屈服阶段更为明显,残余强度的下降趋势在破坏阶段是温和的。岩石的失效模式标本从脆性破坏变为韧性失败,这是因为尽管冻融实验造成损害的室内岩石标本,扩大裂缝削弱了粒子之间的连接岩石标本。但与此同时,它也增加了粒子之间的摩擦,摩擦,这导致了可变形性。随着应变率的增加,岩石试样的屈服阶段变得越来越长,和卸荷破坏阶段的应变率的趋势变得越来越迅速,和延性特征逐渐模糊。这是因为水分子之间的力的作用下饱和岩石标本高应变率的影响变得强大,所以颗粒之间的摩擦效应逐渐减弱,从而导致延性的削弱。(3)随着冲击压力的增加,岩石试样的平均应变率逐渐增加。随着岩石的动态弹性模量逐渐增加,弹性阶段的应力-应变曲线的斜率变得越来越大,和动态弹性模量的岩石标本有很强的敏感性(24)到相应的速率如图12。
有一个多项式关系,拟合关系所示以下方程:
E动态弹性模量,平均应变率,相关系数是0.8494。当应变速率小于132.5秒−1曲线是温和的,和动态弹性模量增加得更慢。当应变速率大于132.5秒−1,曲线逐渐变得陡峭,增长速度变得更快。应力-应变曲线的初始阶段,当应变率低于164.5−1因为岩石标本是在比较阶段,岩石试样的初始弹性模量很小。而应变速率高于164.5 s−1岩石试样的初始固结状态消失,并很快趋于弹性状态。
4.2。加载速率和动态峰值应力
冲击压力增加,加载速率增加,石灰岩的动态加载强度有显著的加载速率的影响。条件下,冻融循环是一个固定值,动态峰值强度一般随加载速率的增加。岩石标本有不同的应变率敏感性,所以个人动态负荷的优势是不同的。我们可以使用三次函数曲线拟合曲线模式,如图13。
其中,相关系数 。当加载速率增加从1.7 m / s, 2.2 m / s,峰值强度从51.95 MPa提高到70.7 MPa,增加幅度为36.09%。当加载速率增加从2.3 m / s, 2.9 m / s,相应的峰值强度从77.1 MPa提高到113.85 MPa,增加幅度为47.67%。结果表明,加载速率有显著的加载速率强化影响的动态峰值强度岩石标本。
的时间岩石破裂所需所示以下方程: 米和α都是常数。从上面的公式可以看出,当平均应变速率逐渐随着冲击速度的增加而增加,岩石的破裂时间逐渐减少。伟大的传导关系的动态强度岩石和裂缝扩展的不稳定性和岩石经历的时间一般不稳定扩张阶段通常是整个测试时间的十分之一25]。自饱和石灰经历了100次冻融循环,其内部裂缝发育良好。在动态故障过程中,由于岩石试样的压缩变形,孔隙水压力不断促进裂纹的扩展。所以,当冲击速度的增加,裂缝扩大。速度逐渐增加,不稳定扩张所需的时间变得越来越少,甚至小于估计失败时间在整个实验阶段,导致在峰值强度逐渐增加,证明了双水和应变率对强度的影响(26]。和过高的冲击速度之间的碰撞概率增加初始裂纹和气孔,使孔隙水压力逐渐增加,因此增加的速度峰值强度逐渐上升(27,28]。
4.3。SHPB系统的能量分析原理
天然岩石含有大量缺陷,及其变形和破坏过程可以被视为一个连续的过程能量和物质交换与外部环境。机械能和热能的外部环境在岩石上发出热量,辐射能量,和其他能源(29日]。根据一维弹性波理论,入射能量、反射能量,传播能量在SHPB实验可以获得30.),得到以下方程:
一个测试棒的横截面积,C和E代表了纵波速度和弹性模量测试的酒吧。σ是测试杆的应力波的应力-时间历程。
根据能量守恒原理,吸收能量的岩石所示以下方程: 破碎的能量,即,能量消耗的标本时压碎(裂纹在试样的扩散和扩张),然后呢Wk的动能弹射,能量由标本破碎时,溅。WO是指其他能源消耗,如声音能量和热能。其中,弹射动能(Wk)和其他能源消耗(WO)太少,可以忽略,吸收能量使用而不是破碎的能量( ),这对研究结果(几乎没有影响31日,32]。
根据压力波形和能量耗散公式SHPB的压缩试验,可获得能量变化的随时间的变化曲线如图14( )。
从图可以看出15在动态压缩的初始阶段的石灰岩标本,每个能源值随时间增加,逐步稳定在达到某一时刻(33]。总入射应力波加载时间约为150μ年代,应力波传播的加载时间约为120μ美国这一次后,入射能量不再增加和剩余能量的变化趋势也大约水平。
它还可以看到从图15反射的能量远远大于传输能量,这是由于标本之间的密切联系和横截面的压力吧,导致最终的效果发生。当入射应力波到达试样横截面,大部分的入射能量是通过事件反射回来的酒吧,除了大量的能量吸收的变形和破坏样品,只有少量的能量是通过传动杆。
八种加载压力对饱和石灰用于执行SHPB压缩测试标本以不同的速率。之间的关系反映、传播和吸收能量和入射能量图所示14。
从图可以看出15当入射能量的增加,剩余的能量增加。吸收率和透光率都随着入射能量的增加,增加,反射率随入射能量的增加而减小。入射能量之前97.53 J,反射的能量大于吸收能量,表明当空气压力很低,大部分的能量被释放的反射波。当入射能量大于97.53 J,能量耗散主要是由能量吸收的岩石标本。因为岩石标本经历了100年冻融周期,在初始伤害大的情况下,随着入射能量增加,破碎度增加,透光率增加。如上所述,岩石试件的动态弹性模量随空气压力的增加。岩石标本破碎所需的能量也逐渐增加。吸收速率增加。
4.4。应变率效应和动态抗压强度的岩石能量耗散
从图可以看出16饱和石灰的应变速率具有明显的能量吸收的影响,以及应变速率的增加之间的关系和能量吸收可以表达的拟合公式,见以下方程:
相关系数(R2)是0.9635。与被吸收的能量的增加,岩石标本内的能量转移速度加快,以及岩石试样的应变单位时间增加。但由于饱和灰岩裂缝不扩大或穿透,试样的变形是滞后,导致岩石试样的应变速率增加越来越缓慢。
动态抗压强度之间的关系和能量吸收的饱和石灰岩如图17。
从图可以看出17动态抗压强度增加功率吸收的能量增加的函数及其拟合关系所示以下方程:
相关系数(R2)是0.96689。这是由于试样的变形滞后随着吸收能量的增加(34]。内部的孔隙水饱和岩石样本没有时间影响原始裂缝和新裂缝,导致裂缝的增长率滞后增加的能量吸收,导致加强动态强度的岩石标本。当被吸收的能量太多,岩石样本内的弹性应变能逐渐减少,和耗散能量逐渐增加,岩样的强度逐渐减弱(35]。滞后的时间可以忽略不计,导致增加的趋势的动态抗压强度变小。
5。结论
(1)平均饱和度质量增加率的岩石标本显示了持续增长的趋势,但增长率逐渐下降。岩石试样的平均体积变化率继续减少,并降低利率下降和增加。岩石的纵波波速的标本持续下降,和变化的速度的降低逐渐变得越来越小。(2)随着冲击压力的增加,岩石试件的弹性模量有明显的应变率效应,表现出日益增长的趋势,降低经济增长率。在初始阶段,由于小冲击压力,大部分的能量反射,导致反射能量大于吸收能量。随着入射能量的增加,岩石标本破碎程度增加,透光率增加。岩石试样的动态弹性模量随冲击压力的增加,所以岩石标本破碎所需的能量也逐渐增加,吸收的能量增加。(3)随着吸收能量的增加,平均应变率和岩石标本的动态强度增加,但增长率持续下降。而耗散的能量逐渐增加,岩石试样的强度逐渐减弱。
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在合理的请求。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
本研究获得金融支持中国的国家自然科学基金(51674008),安徽省自然科学基金(1808085 me134),安徽博士后科学基金会(2015号b058)和国家大学生创新创业训练计划(201910361024)。由于地下矿山建设工程研究中心,教育部,安徽科技大学和国家重点实验室的挖掘响应和灾难预防和控制煤矿深处,提供实验条件。