实验调查变形和强度的行为与装卸复杂应力路径的大理石

文摘

深隧道的开挖岩体经历了复杂的加载和卸载应力路径,导致肋骨剥落,剥落,甚至严重的岩爆灾害。变化规律的基础上围岩的应力路径,实验室测试岩石力学设计,大理石的变形和强度行为具有不同初始围压和卸率系统的研究。通过引入应变增量、特征应力和膨胀指数在不同卸荷条件下岩石的膨胀和脆性进行了定量分析。在卸货期间,描述岩石的能量转换机理,讨论了变形和破坏规律基于能量特征。岩石破裂强度拟合公式是由应用Mogi-Coulomb标准和弹性应变能准则。弹性应变能准则的优点是理论上解释道。这项研究表明,综合考虑复杂应力路径,围压水平,以及围岩的装卸率是一个有效的方法来准确研究岩石卸荷特征。结果可以为高压地下工程的稳定性分析提供了理论依据。

1。介绍

下的坚硬的岩石开挖期间稳定高原位应力状态一直是工程和学术界关注的一个问题。开挖的地下洞室围岩的过程本质上是一个变化迅速的三向应力状态的单向或双向应力状态。这个过程非常复杂。隧道的空间应力再分配的变化与不同的开挖方法。一般来说,它的过程可以概括为圆周loading-radial卸货和三方卸货1,2]。由于压力的快速转换和锋利的岩体的能量释放,围岩破坏特征不同,压力小的地下洞穴。基于广泛的地下工程经验和实验调查,一些研究人员研究了卸载岩石的失败行为包括剥落(3,4和岩爆5]。这些破坏的一个主要威胁地下结构和工人的安全,有必要研究岩石的强度和变形行为,确保长期稳定的挖掘深度。卸荷条件下的强度、变形和破坏特征的岩石不同于那些在传统的简单加载环境。深隧道在开挖岩体经历装卸复杂应力路径,控制岩石的变形和失效模式在一个高压力的状态。许多实验室岩石力学应力路径进行了研究。在前面的研究中,卸载测试基于不同的应力路径主要包括三种方法(1,6]:(1)卸载围压σ₃轴向压力σ₁恒定的;(2)卸货σ₃和加载σ₁;和(3)卸货σ₃和σ₁。在这些测试中有一些限制。例如,岩石的应力路径设计总是取决于学者的感知卸货岩石的应力状态或趋势。事实上,应力路径的演化规律不仅取决于发生环境和开挖方法,也在不同的位置沿隧道的围岩,比如边墙岩体和屋顶。是重要研究岩石卸载基于隧道的不同位置。

岩体的卸荷速率对不同的施工进度明显不同。相关的灾害发生在建筑通常是快速建设没有及时强化。岩体的变形在开挖有很强的空间效应(7]。这是一个有效的方法来减少高压隧道的地质灾害风险通过控制开挖速度,结合必要的支持措施。因此,研究岩石的力学性能在不同的卸率,尤其是在高压条件下,具有重要的理论和工程意义。近年来,卸货率已成为岩石力学的一个重要研究领域。一些研究人员已经研究了变形,岩石的强度和能量特征在不同装卸率通过实验室检测(7- - - - - -9],它证明了卸货速率是一个重要因素影响到岩石的物理力学性质。

根据热力学,能量转换的基本特点是物质的物理过程。岩石破裂是一个由汽车驱动的国家不稳定的能量。到目前为止,许多学者研究了卸荷岩石的力学行为从能量的角度,如在卸货过程中应变能量转换机制的岩石(10),岩石破裂准则基于断裂能量(11,12)和岩石破裂特征由于能量释放在卸货13,14]。另外,岩体的强度和变形规律总是工程稳定性分析的理论基础。很长一段时间,岩石强度和失效准则基于经典弹塑性理论判断岩石破裂在实际工程的基础15]。卸荷岩体,学者们相继应用许多实证标准和修改莫尔-库仑强度准则的理论,如Mogi-Coulomb标准(6),八面体剪应力强度条件的三个参数(16),莫尔强度准则的幂函数17),修改基于非标准基于双重还原法(18],cwf失效准则(19,20.]。然而,这些标准不能反映岩石破裂特性很好,不能反映岩石卸载失败的内在机制;也就是说,能量转换是物质的物理过程的本质属性(17]。

已经有许多研究在强度、变形、和故障特征的岩石在卸荷条件下,但大多数集中在一个变化的应力路径或没有考虑开挖后围岩的应力路径在实际工程情况。此外,很难有效地分析复杂应力变化和整体卸载岩石的失败行为许多现有标准(21]。本文考虑岩石的应力路径的变化规律,我们开展岩石力学测试的大理石习近平II水电站具有不同初始围压和不同的轴向loading-lateral卸货率。然后,我们系统地研究失败,膨胀,能量,岩石在高压力的卸荷条件下的强度特征。此外,我们定量地描述岩石的变形和能量转换过程样本在不同围压和卸率。基于莫尔-库仑准则,Mogi-Coulomb判据和弹性应变能准则,研究了岩石强度与复杂的加载和卸载应力路径和理论表达的差异岩体在加载和卸载条件下的力学性能与相对简单的数学公式(21]。结果可以提供一个理论依据深隧道的初步设计和安全施工。

2。实验材料和测试方法

2.1。测试了岩石的物理性质

大理石样品用于测试是从一个新的完整岩石空心块在该地区的隧道股份SK 09年+ 300,位于一个排水洞。研究岩石样本是灰白色大理石,这属于白山组(T₂三叠纪地层的b)。表1显示了习近平的矿物组分T2b大理石、白云石的矿物成分的88.0%以上。圆柱形岩石样本被钻的内径空心50毫米。样品的直径是48.9 - -49.5毫米,和他们的长度是98.9 - -103.2毫米。平均自然密度是2.721克/立方厘米,和干密度是2.685克/立方厘米。波速变化从5338 m / s - 6354 m / s。

2.2。测试方法

深埋岩体中隧道的开挖和进步面临障碍和再分配的主要结果原位应力场。开挖的围岩是一个加载和卸载的过程(22,23]。隧道边墙岩体和屋顶的习近平II水电站进行复杂应力路径在推进隧道面临(24]。隧道墙和屋顶的偏应力不断增加直径范围内(D,在那里D= 7.2 m)背后的工作面,增加更快接近隧道的脸。工作面通过后,隧道顶部的偏应力明显降低并保持在平面应变的解析解(32 MPa)。与此同时,隧道壁的偏应力急剧增加,往往是常数逐渐在2 d远离工作面。这反映了同时卸货径向和周向的变化加载岩石隧道面临的进步。基于偏应力分布沿围岩及其两个不同的应力路径如图1我们执行卸载三轴测试(σ₁−σ₃)常数和卸载confining-loading轴向压力测试(σ₁−σ₃)不断增加。因此,我们可以研究变形、强度、岩石的失效特点,这些结果更符合实际的地下洞室的开挖过程。

步骤1:岩石样本首先保持在静水压力 ,将10 MPa, 20 MPa,或40 MPa。这些围压值反映的小主应力原位应力场在不同股权习近平II水电站排水洞。步骤2:轴向σ₁压力是,逐步增加到目标价值。在这些测试中,轴向压力σ₁加载到0.85σ₍₁₀₎,0.5σ₍₁₀₎,0.85σ₍₂₀₎,0.5σ₍₂₀₎,0.85σ₍₄₀₎和0.5σ₍₄₀₎,大约85%或50%的峰值强度不同围压的习近平大理石,如表所示2。步骤3:不同的装卸方法和利率是用于不同围压测试。当轴向压力是0.85σ,有两种不同应力路径条件下(表2):(1)围压和轴向应力卸载0.1 MPa / s的速度,直到样品坏了;(2)围压和轴向应力卸载0.5 MPa / s的速度,直到样品坏了。当围压是0.5σ,也有两种不同的应力路径条件(表2):(1)围压卸载0.1 MPa / s的速度,在轴向应力增加0.5 MPa / s的速度,直到样品坏了;(2)围压卸载率0.5 MPa / s,而轴向应力增加0.5 MPa / s的速度,直到样品坏了。

基于这些压力的变化,一系列的机械文本的大理石。我们进行了常规三轴试验和复杂的装卸应力路径测试,分别。三轴测试可以为卸载测试提供参考。在加载测试,鞣制- 2000三轴刚性试验机,以及岩石的围压设置为10 MPa, 20 MPa,或40 MPa。测试应力路径的原理图如图2(一个)。同时,装卸复杂应力路径的测试样本设计通过分析实际的隧道开挖过程的习近平。测试应力路径的原理图如图2 (b)。流程总结如下。

3所示。结果与讨论

3.1。加载测试结果

三轴压缩试验进行了不同围压下。应力-应变曲线呈现在图3不同的围压力值:10 MPa, 20 MPa, 40 MPa。加载测试结果如表所示3。根据这些测试结果,大理石的力学性能可以概括如下:(1)大理石样品呈现典型elasto-brittle-plastic特征在传统三轴围压试验。随着围压的增加,峰值强度点逐渐向后移动,和峰前的屈服阶段是显而易见的;与此同时,岩石逐渐从脆韧性转换。(2)应力-应变曲线峰值强度之前提供了一个近似的线性关系。这是紧随其后的是一个重要的压力下降,和标本显示脆性破坏某些残余强度值。(3)岩石的峰值强度和残余强度和较大的初始围压增加,主要是由于岩石的承载力与围压的增加加强。(4)李等人的研究成果。25和王et al。26)表明,脆性和韧性转变的临界点的大理石在习近平II水电站40 MPa。测试结果发现,习近平大理石仍然呈现脆性40 MPa围压下。

3.2。卸载测试结果

3.2.1之上。应力-应变特征

在目前的研究中,12个大理石标本进行测试。数据4- - - - - -6显示偏应力之间的关系(σ1−σ3)和压力(轴向,横向,和体积)的样本。从数据可以看出4- - - - - -6应力-应变曲线显示,在峰值强度近似线性关系。达到峰值强度后,横向、轴向、体积应变迅速增加,样品从一个压缩状态变化到膨胀状态。岩石的偏应力显著降低,压力下降。同时,脆性破裂的声音可以听到在测试网站;的岩石样本,卸围压试验显示明显的脆性。在下面的讨论中,初始围压的影响,装卸率和应力路径对岩石膨胀,失败,能量,和强度特征进行了研究。

3.2.2。膨胀特性

基于应力-应变曲线,这个过程从卸货起点到残余强度分为两个阶段:卸货起点峰值强度阶段峰值强度和残余强度阶段。卸货的膨胀岩研究通过分析应变增量,特征压力,膨胀参数。

1。应变增量特点:数据7和8轴向应变增量Δ的变化ε₁和横向应变增量Δε₃在复杂的加载和卸载应力路径。观察到以下几点:(1)与横向应变增量Δ相比ε₃轴向应变增量Δε₁更小的卸载残余强度阶段的起点。与此同时,横向应变增量Δε₃通常是大于Δ吗ε₁,这表明侧向膨胀现象是明显的围压较低。此外,岩石样本的失败是由于强烈的膨胀。峰值强度后的应变增量明显高于峰值强度之前,这表明集成微裂隙的岩石峰值强度后增加了膨胀。(2)Δ卸货率的增加ε₁减少和Δε₃增加,这表明,卸率的增加,从峰值强度、残余强度的时间短;卸货,更高的利率将缩短时间岩石通过自我调节来满足当前的压力环境,和微裂隙生成过程,发展和相互融合无法在足够的时间完成,导致变形模量越高。因此,岩石显示更明显的脆性和膨胀相应增加。这也表明,在地下工程项目,加快开挖的岩体或较大的单循环进尺的钻探和爆破方法,围岩更容易受到失败由于脆性和岩爆灾害严重。(3)卸载应变增量与更高的初始卸围压大。这是因为最初的契约环境下,随着围压的增加,新的微裂隙更有可能发生或加剧现有的微裂隙,导致脆性急剧增加。(4)应变增量随不同的应力路径。在卸载confining-loading轴向压应力路径下,轴向应变增量相对较大的峰值强度之前。这是因为在这个路径初始卸荷水平较低和轴向压力需要更大的强度达到峰值。在这样一个时代,相应的Δε₁值相对较大。

2。压力特点:在不同的应力路径和卸载速度,初始屈服应力(σ_cd),峰值应力(σ_f)和残余应力(σ_r)对应于卸货起点,峰值强度点,剩余强度如表所示4。stress-confining压力曲线如图9。

在不同的应力路径和卸载速率下,应力随围压的增加特征。这是因为高围压有效抑制内部裂缝的发展,导致增加凝聚力的岩石样本。较大的峰值应力和残余应力较小的卸货率。因此,增加卸货率加速岩石变形和破坏。在相同初始围压和卸率、卸载confining-loading轴向压力下的应力特征应力路径通常小于卸载围压下路径,表明岩石更容易受到横向压缩和轴向压缩环境下失败。因此,在实际工程中,隧道的围岩更容易接受失败由于脆性卸货过程中径向和圆周装载。这可能导致宏观失败,如肋剥落,剥落或崩溃。

3所示。膨胀参数特征。在[27),肥大指数的概念我_d提出了量化的岩石剪切膨胀。它是表达如下: 在哪里是明显的扩张角;o和p分别表示单轴和三轴卸荷试验;和和分别是轴向和体积塑性应变增量。常规三轴卸荷试验, ,在哪里是弹性应变,它可以表示为 ,和E卸载弹性模量。邱et al。28)建议E大约能模量弹性变形阶段的应力-应变曲线。图10显示肥大指数之间的拟合曲线我_d和围压的大理石样品。陆ν代表卸围压路径,代表了卸载confining-loading轴向压应力路径。

随着围压的增加,膨胀指数我_d逐渐减少。它有一个良好的指数与围压的关系 ,表明围压的增加可以有效地限制岩石样本的膨胀。在相同的应力路径和围压水平,卸货率的增加,岩石样本逐渐膨胀的增加,导致明显的脆性。膨胀指数我_d卸载confining-loading轴向压应力路径下的岩石高于卸围压下的道路。因此,岩石的脆性加载轴向压应力路径下更加明显。这是符合测试结果报告在文献[29日]。这些结果也表明,在地下洞穴中,应力路径有经验的在不同的位置是不同的。故障阈值和岩石样本损坏的程度也不同。

3.2.3。故障特征

图11显示了典型的失效模式的大理石样品。单轴试验、常规三轴压缩试验和卸载测试明显的脆性和明显的膨胀,尤其是卸载测试。

不同应力路径试验显示不同的岩石宏观失效模式。分裂失败主要发生在单轴压缩试验,失败的表面和表面最大主应力大约在小角度相交(1 -4)(30.]。一个简单的剪切破坏发生在常规三轴压缩试验,与断裂表面的划痕和细岩石样本片段(5,7,8)。观察了在卸载测试失败的类型更复杂(29日,31日]。当样品11日,13,17被摧毁,围压是0 MPa,表明没有横向效应。这些样本是张力的主要失效模式失败,失败与大量的张力表面观察到。当样品10日,12日,14日,15日,16日,20,25受损,相应的围压通常是不到15 MPa。这些样本的主要失效模式是剪切破坏。有当地的拉伸破坏痕迹,和一个简单的宏观发生故障。当样品22日,23受损,相应的失败围压大于15 MPa(分别为18.8和22 MPa)。剪切破坏仍然是主要的失效模式,但是表面是失败的X或Y类型。因此,故障状态的岩石样本与围压在这失败。当没有横向的行动,拉伸断裂一般发生在岩石。当有一个横向的行动,剪切破坏是主导。

3.2.4。能量特征

岩石破裂是由能量状态不稳定现象。在卸围压试验,轴向压缩变形吸收应变能,而横向膨胀变形消耗应变能。根据文献[10),总应变能U₀常规三轴压缩试验的岩石样本可以表示为 在哪里U₁是轴向压缩应变能吸收的吗σ₁;U₃是应变能消耗的负功的σ₃;U_e弹性应变能释放;U_d是耗散能量;和μ和E是平均卸货泊松比和弹性模量,分别。

1。能量转换过程:在卸载测试应变能量转换伴随着裂纹萌生,传播和渗透。图12显示了典型的应变能变化曲线卸载压力条件下(样品15)。能量转换的过程可以分为三个阶段。(1)压实和弹性部件内的加载过程的早期阶段,有明显的能量积累。总能量吸收岩石样本主要是转化为储存的弹性应变能,和耗散能量的增加相对缓慢,这主要是由于岩石样本的压实和当地微裂隙的形成。(2)非线性变形阶段内卸货起点的峰值强度、岩石样本的偏应力增加。与此同时,吸收应变能U₁快速增加,弹性能量U_e基本上仍然是不变的。的耗散应变能U_d增加峰值点附近由于内部裂缝的快速传播,但大多数的能量仍然存储在弹性应变能的形式;弹性应变能主要是存储在峰值强度之前。(3)在峰值强度后,横向应变进一步增加,导致宏观裂缝的发生和传播。弹性应变能U_e逐渐减少,而横向变形耗散应变能U₃继续减少。消散的能量U_d迅速增加,逐渐高于弹性能量。这将一直持续到岩石样品损坏,特点是抗拉断裂或分裂近垂直于卸货的方向。

2。能源:特征数据13和14显示的变化在不同卸荷条件下峰值和残余能量。以下是观察:(1)随着围压的增加,峰值和残余能量增加。这表明高围压极限裂纹扩展,进一步增加了偏应力,导致储存能量的增加,需要更少的能量达到峰值强度后的残余强度。(2)卸货速率有很大的影响在能量转换。在相同的应力路径下,峰值和残余应变能与更高的卸货率低。卸荷速率的增加,岩石破裂所需的能量少,样本显示明显的脆性。的过程生成、传播和微裂隙的渗透在足够的时间完成,导致更少的积累和应变能耗散。(3)能量随不同的应力路径特征。在剩余强度条件下,弹性应变能U_e低于耗散能量U_d,这两个值之间的差别很大。在峰值强度条件下,U_e和U_d相互接近,这是一个伟大的峰值能量的差异在不同的路径。卸围压下路径,峰值能量少,U_e>U_d。卸载confining-loading轴向压应力路径下,能量是相当大的U_e<U_d。这表明,在加载轴向压力的过程中,由于初始轴向应力小,岩石需要从外界吸收更多的能量,进一步刺激裂纹生成、传播和渗透在峰值强度和进一步增加耗散能量。

3.2.5。强度特性

大量的试验结果表明,莫尔-库仑准则是无效的在描述的故障强度高围压下岩石卸荷。使用它的改进形式,即Mogi-Coulomb标准(6),复杂的加载和卸载应力路径下岩石强度进行了研究。常规三轴试验,σ₂=σ₃。表达式如下:

在这里, 在哪里八面体剪应力和吗是有效的中间主应力。在[32)之间的线性关系和提出了: 在哪里一个和b的线性参数Mogi-Coulomb标准。抱合力之间的关系c和内摩擦角φ如下:

数据15和16卸载岩石强度的拟合曲线是基于莫尔-库仑准则和Mogi-Coulomb标准,分别。可以看出,当使用Mogi-Coulomb标准拟合相关系数,R²高于莫尔-库仑准则。所以Mogi-Coulomb则可以更好地应用于高围压下岩石破裂的研究。

大部分的强度标准目前使用基于弹性应变能,但相信只有当U_e达到一定临界值ν= 0.5 (21)材料开始屈服或被摧毁。这限制了其应用程序卸载岩石的力学特性的研究。例如,莫尔-库仑准则不能反映岩石的中间主应力的影响,不能揭示在岩石破裂能量转换的内在机制。

郭et al。21)考虑卸荷岩体的裂纹扩展现象的收益率或失败状态(ν> 0.5),认为泊松比是材料参数与应力状态有关,和研究岩石产生的根本原因和失败在卸货过程中基于弹性应变能。以最大能量储存假说Drucker-Prager标准为例,基于现有的强度准则的物理意义,并考虑到什么时候U_e达到一定的临界值,材料开始屈服,被摧毁,弹性应变能强度准则(方程(7提出了)。习近平大理石复杂载荷作用下的破坏强度和卸荷应力路径,研究了通过使用这一标准,如图17。

从图可以得出结论17拟合曲线的相关系数基于弹性应变能量强度准则是相对较高的,可以现在卸货岩石样品的强度特征。此外,标准可以描述以下现象:“当围压小于临界值(大于),卸载岩石的峰值强度低于(高于)的峰值强度加载在相同围压条件下岩石。“针对摩尔-库仑准则Mogi-Coulomb判据和相比,这个结果更符合实际工程岩体的力学特性。

本文的主要影响因素,如应力路径,初始围压,卸载率进行了讨论,卸载岩石的力学性能是系统地表达。然而,缺乏我们的理论是,只有两个初始卸荷水平设计基于两个测试方案;即卸货点是50%和85%的极限载荷装卸时轴向压力,分别。有必要进一步研究卸荷岩石在不同初始卸荷水平。同时,深岩石的力学性能明显受水压的影响,这已被证明在33,34),但不是在这个研究调查。深岩的卸载过程是复杂的,和一个更全面的研究岩石卸荷的影响因素在未来将是一个重点。通过这种方式,实验室检测更符合工程实际,提供更可靠的依据深隧道的开挖。

4所示。结论

(1)习近平大理石的常规三轴压缩试验典型elasto-brittle-plastic特征,而复杂的加载和卸载压力测试显示明显elastobrittle特征。(2)卸载失败的横向应变增量比轴向应变大得多,这表明横向扩张明显,岩石破裂是密集的膨胀的结果。峰值强度后的应变增量明显高于峰值强度之前,和岩石的膨胀增加传播的微裂隙。卸荷速率的增加和初始卸围压,横向应变增量逐渐增加,膨胀变得明显。(3)初始屈服应力、峰值应力和残余应力随着围压的增加而增加。卸载较大的峰值和残余应力较低利率。这表明卸货率的增加加速了断裂的形成和岩石的承载力降低。膨胀指数逐渐降低,增加围压和卸率低,具有良好的指数与围压的关系。膨胀指数下的岩石卸荷confining-loading轴向压应力路径是相对较大;也就是说,这个应力路径更明显的脆性。(4)吸收应变能增加迅速,主要是存储在弹性能量的形式U_e在峰值强度之前。与此同时,耗散能量U_d增加明显接近峰值点,直到岩石样品损坏。峰值和残余能量高围压增加。特征能量与更大的卸货率低。这是由于更少的能量与较大的岩石破裂所需卸载率。此外,在卸围压下路径,峰值能量少,问题>U_d。卸载confining-loading轴向压应力路径下,能量是相当大的U_e<U_d。这表明,在加载轴向压力的过程中,由于较低的初始轴向压力、岩石需要吸收更多的能量从外部刺激裂纹生成、传播和渗透在峰值强度和进一步增加耗散能量。(5)Mogi-Coulomb强度标准是应用于岩石卸载失败的研究比莫尔-库仑强度准则在复杂加载和卸载应力条件下。弹性应变能量强度准则认为泊松比可以大于0.5材料破坏时,哪个更符合卸荷岩体的屈服或失败状态。

数据可用性

使用的数据集或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

这项工作得到了国家自然科学基金(51609266和51609266号)。

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