文摘

随着现代社会的发展,geomaterials广泛用于基础设施建设。这些材料通常经验动态加载和高温,大大影响材料的机械性能。本研究着重于加载速率的影响和高温岩体的岩石上的机制。岩石最先进的审查机制耦合动态加载和高温下进行。介绍了岩石在静态和动态负载下机制。大理石被认为是岩石材料测试,而分离式霍普金森压杆系统用于动态测试。此外,介绍了分离式霍普金森压杆的原则来获取动态参数。断裂模式的单轴抗压强度试验和巴西抗拉强度试验得到,相比之下,那些在文献中。一些加载速率之间的关系曲线,压力,温度,压缩或拉伸优势解释道。这是趣味,随着加载速率的增加,岩石强度增加,而随着温度的增加,岩石强度降低。

1。介绍

众所周知,岩石材料被广泛使用在许多geostructures,如基础、隧道、大坝、污水。然而,岩石材料的物理和化学性质会改变如果他们经历高温环境。这种变化最终会影响到岩石的行为。此外,在深隧道岩体或深我可能被爆炸,突然和自然灾害(地震、1]。在这种情况下,岩体经历的影响,即。、动态加载。尽管岩体的动态行为的深入研究,知识在动态荷载作用下岩体的机制仍然是有限的我们更好地低估岩体的动态行为。此外,对岩体的耦合条件下高温动态加载,岩石破裂的机制将更加复杂。因此,有必要研究耦合高温和动态载荷作用下岩石的行为。为了更好地理解的背景研究热处理后岩石的动态行为,在以下部分进行文献综述。主要的实验设备,即。,split-Hopkinson pressure bar, is introduced [2,3]。然后,静态和动态测试热处理后的岩石进行了综述。

2。岩石最先进的审查机制在动态负载下和高温

本部分主要回顾了在高温和动态负载下岩石断裂的研究。分离式霍普金森压杆(SHPB)是应用最广泛的技术进行动态载荷下的岩石断裂机理,综述了技术的发展。然后,许多动态测试,如单轴压缩试验和巴西抗拉强度使用SHPB试验,进行了综述。其中,加载速率对岩石强度的影响是深入研究。在那之后,岩石机制下的温度了。评审关注高温治疗后岩石的物理性质和岩石的静态和动态机制的岩石在高温下。自动态岩石断裂和破碎的数值研究集中研究和回顾了作者和更多的细节可以在文献中找到4- - - - - -14),数值研究岩石的机制在高温下不了。

2.1。实验研究岩石在动态负载下机制

2.1.1。分离式霍普金森压杆的发展

至于岩石在动态加载下,动态载荷的来源可能是爆炸,影响和地震事件(2,3]。研究岩石的动态机制,分离式霍普金森压杆可能是最广泛使用的技术(15- - - - - -19]。因此,本文首先介绍分离式霍普金森压杆的发展。Kolsky用压尺测试脉冲波形,这是第一次测量岩石动态载荷下的力学性能(20.]。Kolsky改善霍普金森杆系统,主要分为前锋,事件酒吧,酒吧和传输。系统由多个分离组件,系统被称为分离式霍普金森杆系(21]。然后,该系统用于研究岩石内部机制的应变率 。一些脆性材料,如石头,异构和包含缺陷如裂纹纹理。因此,需要足够大的材料来减少材料的非均质性的影响。随着样本的大小增加,酒吧需要直径更大的压力,所以大口径霍普金森酒吧自1970年代以来发展迅速。采用大口径霍普金森酒吧的挑战的传统理论假设霍普金森酒吧,即。、一维应力波理论和统一的假说。此外,波色散,压力不均匀,截面摩擦的主要问题需要解决大口径霍普金森酒吧。分散的问题是无知造成的惯性运动的粒子在霍普金森酒吧大直径(22]。对部分摩擦,黄油通常应用于两端的标本,以减少摩擦22]。此外,由于恒应变率加载对学习非常重要的动态载荷下岩石本构关系,许多学者研究了SHPB实现恒应变率加载。第一次Samanta添加了一个板的前端事件栏实现恒应变率加载(23]。垫是由相同的材料和尺寸的样品。Frew等人粘贴一张铜影响酒吧的前端实现恒应变率加载(24]。

2.1.2。岩石在动态负载下机制

大多数岩石实验技术开发进行岩石动态测试与静态测试的技术。目前,标准的动态实验方法国际岩石力学学会推荐的单轴压缩试验,巴西磁盘测试,和semidisc预制裂纹测试。达利等人应用霍普金森压杆在水泥进行冲击试验,研究了加载速率对水泥强度的影响(25]。Galvez等人对陶瓷材料进行了影响测试与应用程序的霍普金森压杆,和研究表明,加载率显著影响材料的抗拉强度(26]。Sukontasukkul等人研究了加载速率对混凝土的损伤的影响使用SHPB [27]。他们得出的结论是,标本受到冲击荷载被发现受到更高的伤害比受到静载荷。单轴和三轴抗压强度测试由赵,和结果表明,抗压强度会增加由于加载速率的增加28]。张等人研究了加载速率对岩石断裂过程的影响,得出的结论是,裂缝数量的增加与提高加载速率(29日]。许多研究人员得出相同的结论表明加载速率显著影响脆性材料的行为(27- - - - - -34]。王等人研究了高压下的岩石断裂过程的霍普金森压杆,和研究表明,岩石的抗拉强度和弹性模量在高应变率高出几倍比静态条件下(35]。戴等人提出了一个动态模式下我岩石断裂参数测量方法使用了雪佛龙切口半圆弯(CCNSCB)标本由分离式霍普金森压杆(SHPB)加载装置(31日]。周等人研究了岩石的力学行为在两个动态和静态负载的情况下从理论和实验角度(36]。理论和实验结果表明,当应力波传播相对缓慢,磁盘可以达到压力平衡和磁盘加载直径(分裂的36]。力波阵面相对较快时,巴西圆盘不适合计算岩石的抗拉强度由于压力的不均匀分布36]。Mahanta等人研究了应变率对断裂韧性的影响和能量释放率(页岩气33]。彭用分离式霍普金森压杆进行巴西圆盘试验和得出结论,所需的时间达到一个统一的应力状态的标本half-sine入射脉冲明显短于,完美的矩形脉冲事件(37]。

2.2。实验研究岩石在高温下机制

2.2.1。在高温下岩石静态机制

在深层岩土工程,如深部开采,放射性核废料深埋处理,煤炭气化和剥削,利用地热资源、岩石的物理力学性质都是受高温影响的环境。由于复杂的物理和化学变化在高温环境中,岩石的物理力学行为不同于正常的温度。因此,温度对岩石力学性质的影响已被广泛研究。温度对岩石的影响主要表现在以下两个方面。一方面,温度场对岩石的物理行为有影响。另一方面,热力学参数的变化与岩石变形影响温度场。相反,温度场的变化影响了岩石的力学性能。一般来说,当温度升高时,岩石的力学性能成为弱,和刚度,抗压强度、抗拉强度、弹性模量等参数的岩石会减少。同时,温度的增加也将改变岩石的矿物成分,导致增加的裂隙和关节骨折。然后,研究高温下物理性质和岩石静态机制综述如下。

Van der Molen总结了岩石在高温环境下的力学性能,分析了花岗岩的变化虽然经历高温下高围压(38]。得出花岗岩中的颗粒之间的孔隙度降低,当温度达到200°C,以及花岗岩颗粒之间的孔隙度扩张时,温度是200°C到840°C。听到测量石英的热膨胀系数和渗透率,研究表明,温度有显著影响岩石的热膨胀系数。温度越高,热膨胀系数越高(39]。燕研究高温度对密度的影响,纵波速度,单轴抗压强度,并为花岗岩弹性模量,凝灰岩、角砾岩(40]。丰电研究了砂岩的物理性质与温度的变化规律,发现砂岩的体积密度随温度增加而降低,孔隙度和渗透率逐渐随着温度的增加而增加(41]。赵和陈等人研究了石灰石的热膨胀行为(42,43]。发现石灰石的热膨胀行为与温度的非线性关系,温度和孔隙度增加。

2.2.2。在高温下岩石动态机制

在开采深度资源,深隧道的开挖爆破,及其在矿井煤瓦斯爆炸,地下岩体在加载和高温的极端环境的影响。因此,有必要研究岩石机制动态载荷作用下,温度高。李与的功能耦合实验系统使用动态加载和高温岩石进行行为测试为粉砂岩和得出结论,粉砂岩的动态峰值强度随温度的增加20°C - 100°C的范围,减少时,随着温度的增加超过100°C (44]。阴对砂岩进行了单轴动态压缩实验冷却高温的作用下从室温到800°C利用SHPB和岩石密度的变化规律,分析了纵波和强度与温度45]。此外,他们也分析了高温后砂岩的动态断裂特性的故障样本和碎片。结果表明,随着温度的增加,力学参数如密度、纵波速度,和样品的峰值强度逐渐降低。阴花岗岩的动态力学性能研究压缩耦合条件下的温度。结果表明,花岗岩的动态强度随着温度的增加减少,而峰值应变随温度的增加(增加46]。徐、刘大理石进行了冲击压缩实验在不同的温度和加载速率(47]。结果表明,峰值强度、峰值应变的大理石在不同温度下随着加载速率的增加而增加。当温度上升到800°C,大理石变得不那么明显的峰值强度与加载速率的变化弹性模量随温度的增加而减小。当温度上升到1000°C时,弹性模量显示了一个基本常数随加载速率的增加趋势。刘大理石的动态分割拉伸试验分析高温处理后,发现大理石高温处理后的抗拉强度明显高于静态条件下。在相同的冲击压力,大理石的抗拉强度增加,然后随着温度的增加而减小(48]。

3所示。材料和方法

3.1。准备岩石标本

在这个研究中,大理石来自中国云南省个旧Kafang锡矿的用于研究岩石在高温和动态负载下行为。矿区的地层主要分为三叠纪(t2 g)盐酸岩层。折叠结构抽样地区主要是背斜,和矿区断层结构主要是东西方的错。岩石材料取自700米的深度。根据ISRM建议的几何,样品制成圆筒直径50毫米和100毫米的长度为静载荷下的单轴抗压强度试验。样例和40毫米直径和40毫米的长度是由巴西抗拉强度测试在静态载荷和动态载荷作用下抗压强度测试。

3.2。原则,岩石在静态负载下测试

图1描绘了几何模型的单轴抗压强度(UCS)测试和巴西抗拉强度(BTS)在静态负载下测试。UCS测试如图1(一),它包括两个加载板块在顶部和底部的岩石标本,而样本被放置在两个加载板块之间。在测试过程中,这两个加载板将以恒定速度,随着加载板接触岩石样本,立即产生压应力沿试样长度和传播。后压力增大,达到岩石的强度,骨折。抗压强度可以根据计算 在哪里力在顶部和底部的样本吗一个是顶部和底部的横截面积的样品。

抗拉强度测试静态载荷作用下,清空用于获取岩石的抗拉强度如图1 (b)。自Akazawa Carneiro [49,50)独立开发巴西盘测试几乎在同一时间,巴西圆盘测试了它的受欢迎程度计算的抗拉强度和韧性。它还被广泛用于研究岩石裂缝萌生和扩展。Hondors [51)给一个完整的应力解盘下劈裂为平面应力、平面应变条件下有效。这压力的解决方案被广泛用于验证计算结果的巴西圆盘试验(52,53]。

图1 (b)显示了清空的几何模型。如图1 (b),两个板块之间的标本。两个板块将走向对方。的加载板可以假定为径向应用短半径的圆周的地带 ,如图1 (b)。一个完整的压力解决方案沿加载直径由洪德罗斯给出如下: 在哪里应用负载,圆盘半径,盘的中心的距离,2,阀瓣厚度吗是负载电弧的角距离,和是压力以及水平和垂直方向,分别。

因此,考虑到试样厚度 ,可以计算出抗拉强度(3)[54]: 在哪里抗拉强度,应用负载,是直径。

3.3。分离式霍普金森压杆(SHPB)原理

图2显示了传统的分离式霍普金森压杆(SHPB),它由一个前锋酒吧,一个事件栏和传输酒吧。事件和传输酒吧之间的样本被放置在动态实验过程。在SHPB动态实验中,使用瓦斯枪发射事件的前锋酒吧酒吧。同时,旅游产生的弹性压缩波在事件栏对样本。在前锋酒吧和样品之间的交互,一个弹性压缩波传输在传输栏而弹性拉伸波反映在事件栏。从图可以看出2有两个事件栏上的应变仪和透射酒吧。这一事件应变脉冲和反映由事件栏上的应变仪测量,而传播的应变测量脉冲传播栏上的应变计。

图3显示了霍普金森压杆的原理图在动态测试中,这图是用来解释测试的原则。前锋栏点击事件栏时,压应力脉冲波近似一维传播生成事件的酒吧。当压力传播的接口事件栏和过渡栏联系(1 - 1界面图3),压应力脉冲波的一部分继续传播到样本,另一部分是反映在事件栏因为样品的材料是不同于入射杆波阻抗。

当压应力脉冲波传播到岩石样品达到样品的接触表面和传动杆(图2 - 2界面3),产生反射和透射。部分压应力脉冲波在界面反射回样例2 - 2,而另一部分传送到传输酒吧。当压应力脉冲波反映来回3到6次通过接口1 - 1和2 - 2的岩石样本,建立了压力平衡的岩石样本。

在图3、入射杆的横截面积和传动杆 。试件的横截面积和长度一个和l。接口的压力1 - 1 ,尽管压力在2 - 2的接口 ,和样品的压力 。波速和入射杆的弹性模量和传动杆和 ,分别和应变的入射波在事件栏和反射波菌株 。波透射杆中的传播 。样品1 - 1的质量速度的接口 ,和粒子速度的接口标本2 - 2 。如果平均应变的标本 ,应变率是 。基于位移的连续性条件和应力波的一维应力假设,可以实现以下方程。

速度interface1-1上

速度界面2 - 2

应变速率的岩石样品

压力在时间t是

压力1 - 1界面

强调2 - 2界面

样品的平均压力

当压力脉搏波传播来回几次样品,建立了应力平衡状态。在这种情况下,三个菌株相等如方程所示(8):

因此,通过提交(8)(1)∼(7),可以实现以下方程:

方程(12)∼(15)可以用来计算应力,应变和应变率的研究。

4所示。岩石行为静态载荷作用下各种高温

在本研究中,箱内电阻炉(图4)是用来加热岩石样本到特定的温度测试岩石经历不同高温和行为在不同加载率。温度设置为室内温度(25°C), 100°C, 200°C, 400°C, 600°C,分别和800°C。图5说明了冷却和干以上经历高温后岩石样本。如图5(一个)大理石的颜色样本在一定程度上减轻了冷却后温度为100°C∼400°C,但是体积和表面平面度没有显著变化。在经历600°C的高温,岩石的颜色逐渐变成灰色和白色,和表面平整度的变化。在800°C(图5 (b)),颜色变化明显,即。大理石变白。此外,试样的体积膨胀和明显的裂缝出现。此外,试样的表面很粗糙。这表明标本损坏在温度的作用下,岩石的内部结构发生了明显的恶化。

4.1。单轴抗压强度(UCS)测试

如图6偏航- 2000计算机控制的自动压力试验机是用来进行静态加载下的UCS测试和清空。为了减轻最终影响由于摩擦开始从两个加载联系人,即。,contacts of the sample ends and the loading plates, some lubricating oil is placed on the loading contacts. At the beginning of the testing, the loading plate is moving at a speed of 0.002 。承载板接触标本后,然后应用负载的加载板 标本,直到试样失败。

岩石的平均参数从测试记录在表获得1,而图7显示了岩石断裂模式的UCS的标本在不同温度下进行测试。从室内温度为600°C,岩石断裂模式没有显著改变随着温度的增加。岩石主要沿着一个斜行骨折或垂直线显示压缩下脆性材料的典型特征。根据岩石断裂过程的数值研究在UCS测试混合有限离散单元法,骨折是一种混合模式(图i ii的伤害7 (h)),即。,mixed pure mode I fracture (Figure7 (g))和纯模式II骨折。

表1列出获得的平均抗压强度,应变垂直方向,和杨氏模量。这三个参数显著影响温度的增加。随着温度的增加,这三个参数显著减少。

图8说明了这些岩石样本的应力-应变曲线在不同的温度,而在一般情况下,如图8,应力-应变曲线的形状大致相同,而且每个曲线经历了四个阶段:压实阶段,弹性阶段、塑性变形阶段和破坏阶段。换句话说,每个曲线的总体变化趋势是相同的。当大理石温度逐渐增加,压实阶段的斜率,即。,the straight line of each curve, decreases, which indicates that the elastic modulus decreases with the increase of the temperature. This trend is confirmed by the elastic modulus in Table1。对高温下的样品超过400°C,岩石的峰值应力降低明显,和时间达到峰值应力增加,这表明温度对岩石的强度有很大的影响。随着试样的温度逐渐的增加,轴向应变往往会增加,这主要是由于削弱和延性材料的脆性。通过比较上述温度范围的应力-应变全过程曲线,可以看出,随着温度的增加,脆性,延性和岩石的峰值强度降低。曲线还表明脆性材料破坏过程的特点。

图9显示了单轴抗压强度与温度之间的关系。温度对岩石的强度产生重大影响。从图可以看出9,岩石的强度显著降低,从大约78 MPa 20 MPa随着温度的增加从室内温度到800°C。

4.2。巴西抗拉强度测试

图10说明了BTS测试不同温度下的断裂模式。标本主要断裂沿加载直径,和主要骨折分离标本分为两半。断裂模式并不显著受温度的影响。

表2给出了岩石的抗拉强度在不同的温度下,而图11说明了相应的曲线。

如图11的平均结果静态抗拉强度实验表明,痛不欲生的抗拉强度的大理石在每个温度有一个很大的色散。一般来说,大理石的分裂抗拉强度为6.98 MPa在室温下。之后,拉伸强度保持漂浮6.5 MPa,直到它达到600°C。对于800°C的温度,抗拉强度的大理石只有3.40 MPa,相比减少约43%,在室温下。

5。动载下岩石行为和不同的温度

图12说明了岩石HSPB系统用于动态行为测试。主要的组件是气体枪,前锋,事件酒吧,酒吧,传播和动态应变仪系统。首先,前锋被瓦斯枪加速影响入射杆的一端。然后,事件的动态压缩应变波诱导酒吧和传播入射杆的另一端。压缩应变波的一部分将反映在入射杆之间的接口和标本,以及反射波会变成拉伸波。剩下的部分将传播到标本还是压缩应变波。随着压缩应变波传播达到标本的接口和传输酒吧,磁盘进行动态加载。

岩石材料的动态压缩强度是一样的,用于静态测试在上一节。气缸的直径50毫米,长度是40毫米。这个实验的温度梯度分为六度,即。,25°C, 100°C, 200°C, 40°C, 600°C, 800°C。电阻炉的加热速度设置为10°C /分钟。当温度达到规定的温度,然后在另一个三个小时的恒温加热均匀高温下获得大理石样品。然后SHPB实验在高温下进行。在实验中,影响速度设置为10 m / s, 12.5 m / s, 14.5 m / s,分别。

5.1。动态单轴抗压强度(UCS)测试岩石标本在不同温度

图13说明了动态UCS测试产生的碎片。应变率显著影响测试结果的片段大小和粒度分布。应变速率越大,产生的碎片越细的标本在相同的温度下。此外,随着温度的增加,减少碎片的大小在相同的加载速率。

表3显示了应变速率的影响影响,峰值应力、峰值应变、和杨氏模量的速度和温度的影响。一般来说,为一个特定的温度,随着冲击速度的增加,应变速率、峰值应力、峰值应变、和杨氏模量也增加。相反,对于一个特定的影响速度,随着冲击速度的增加,应变速率增加,而峰值应力、峰值应变、和杨氏模量减少。更多的细节从数据分析了这些参数之间的关系14- - - - - -18。

图14说明了岩石的应力-应变曲线在不同的速度和温度的影响。所有的曲线显示一个典型的脆性岩石破裂过程。把曲线的温度下25°C为例(图(14日))。曲线可以分为四个阶段:(我)办公自动化:随着应变的增加,现有的裂隙都关门了。这一阶段的持续时间很短。(2)阿瑟:AB的阶段被认为是线性弹性和变形是完全可恢复。(3)双相障碍:BD是非线性弹性阶段的阶段。在这个阶段中,骨折稳定传播。如果删除加载,裂缝延伸将停止。(iv)DF: DF是骨折不稳定传播阶段。D屈服点,除了这一点,永久变形的发展,它是不可恢复的,即使负载。

而这些数据(数据(14日)- - - - - -14 (f)),所有的曲线展示相同的趋势虽然在不同加载率和高温。对于单个图在图14,它是表示,随着加载速率的增加,岩石强度也在不断增加。与曲线在不同的数据相比,这是表明随着温度的增加,岩石强度降低。

自峰值应力、峰值应变和脆性材料的杨氏模量明显受到应变率和温度的影响,讨论了它们之间的关系的数据显示15- - - - - -17。如图15和16随着温度的增加,峰值应力下岩石标本的速度大幅降低(图三种不同的影响15),而随着应变率的增加,峰值应力增加(图快16)。动态峰值应力和温度变化之间的关系的大理石标本在不同冲击速度可以安装见以下方程:

图17说明了岩石的峰值strain-temperature曲线在不同负载的影响。一般来说,随着温度的增加,峰值压力增加。冲击速度的10 m / s,峰值应变几乎线性增加。影响速度的12.5 m / s, 14.5 m / s,峰值压力迅速增加,当温度超过400°C。

大理石试件的动态应变峰值之间的关系在不同冲击速度和温度的变化可以安装如下:

图18演示了杨氏模量和温度之间的关系在三种不同速度的影响。在200°C之前,随着温度的增加,杨氏模量没有影响。然而,在200°C,杨氏模量大幅减少。

动态弹性模量之间的关系的大理石标本不同冲击速度和温度的变化可以安装如下:

5.2。动态抗拉强度测试岩石标本在不同温度

对于动态抗拉强度测试,子弹的冲击速度5米/秒,7 m / s,分别和9米/秒。温度对岩石标本仍然设置为25°C, 100°C, 200°C, 40°C, 600°C, 800°C。的标本缸动态清空准备直径50毫米和40毫米的高度。信号通过SHPB动态测试期间可以处理(12)- (14)。

图19说明了岩石断裂过程中动态清空。从图可以看出19在不同温度下,大理石失败的过程中在不同温度条件下高应变率下,大理石标本前分裂成两个部分沿径向方向(冲击荷载),伴随着少量的碎片。此外,一些二次裂纹产生在加载端,形成一块近三角形的支离破碎。随着温度的增加,三角破损面积逐渐增加。随着温度的增加,冲击荷载产生的碎片增加。

标本在不同加载速率下的应力-应变曲线和各种温度如图20.。曲线,它们表明子弹的冲击速度显著影响岩石的抗拉强度。然而,随着温度的增加,抗拉强度(峰值应力)减少。我们可以看到在图20(一个)峰值强度大约是20 MPa,影响5 m / s的速度和室温,而只有约5.8 MPa(图20 (f))在同一温度下影响速度但800°C。因此,温度有明显影响试样的抗拉强度。此外,在相同的温度下,所有的曲线,曲线的峰值应力影响更高速度远远大于较低影响速度。因此,加载速率严重影响岩石试样的抗拉强度。

6。结论

本研究研究了耦合的动态载荷作用下岩石的行为和高温。SHPB系统用来进行不同温度下的测试。加载速率和温度的影响进行了分析。得出(我)静载荷下,随着温度的增加,岩石的抗压强度降低。在400°C之前,强度没有显著受到温度的影响,温度在400°C时,发挥了至关重要的作用下岩石强度静态加载。(2)在相同的冲击速度,大理石的峰值强度随温度的增加而减小。然而,随着温度的增加,峰值应变的大理石在高温下增加。大理石的动态弹性模量随温度的增加而减小,而大理石的动态峰值强度随温度的增加而减小。(3)清空,抗拉强度随加载速率的增加。然而,抗拉强度随温度的增加而减小。(iv)失效模式的动态清空下类似静态加载。标本是沿着加载直径分成两半。许多片段都产生顶部和底部加载区域。随着加载速率的增加,越来越多的碎片在装载区。

数据可用性

使用的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有关的出版。

确认

这项工作在一定程度上支持中国的国家科学基金会(批准号11862010)、科学研究基金从云南省教育部门(批准号。2020 j0051和KKJJ202067001);人才科研启动基金昆明科技大学(批准号KKSY201867017)和创新研究团队项目(科学技术)在云南大学、云南重点实验室中德蓝色的开采和利用特殊的地下空间,这是极大的赞赏。