文摘

许多地质工程灾害与岩石材料的动态力学行为密切相关。然而,千枚岩的动态力学行为研究较少。在这项研究中,我们进行了一系列的干燥和被水浸透的千枚岩三轴循环测试采用MTS 815伺服液压控制的测试系统和AE检测设备的力学行为,能量释放,和千枚岩裂缝分布特征。结果表明,千枚岩岩石水敏。水和循环荷载显著影响抗压强度,裂纹破坏应力、变形参数,膨胀,能量释放,破解千枚岩的分布特征。此外,基于耗散能量,一个新的损伤变量建立了千枚岩。临界损伤变量为千枚岩大约是0.80;这个变量可以作为指数预测千枚岩的失败。千枚岩的含水饱和度效果非常明显;的弱点,它导致机械性能的千枚岩和改变了AE能量释放和千枚岩裂缝分布特征。 This research can provide guidance for engineering construction and disaster prevention and control.

1。介绍

岩体常常受到机械开挖、爆破、地震、和其他动态载荷的工程活动。动载下岩石材料的力学性能对工程活动产生重大影响。很多工程地质灾害(如边坡不稳定,洞崩溃,和围岩大变形)是密切相关的岩石材料的动态力学行为。因此,对研究动态加载的影响具有重要意义在岩石材料的力学行为和破坏机理为工程建设和灾害预防和控制。

挖掘隧道和斜坡时,岩体经历非常复杂应力路径由于分层,分段开挖,开挖之间相邻的洞穴。岩体是一种循环加载和卸载的状态。一旦压力超过岩体的极限承载力,地质工程灾害可能发生;这些构成了巨大威胁工程和现场人员的安全。目前,很多研究工作已着手进行岩石循环载荷作用下的力学行为。Fuenkajorn和Phueakphum1]研究了交变载荷对岩盐的抗压强度和弹性模量。段和杨2]研究了砂岩单轴循环加载下的疲劳变形,发现能量耗散曲线可以反映砂岩的疲劳变形。刘等人。3]研究间歇性连接的机械行为岩石单轴循环加载条件下的模型。肖et al。4]研究了砂岩循环载荷作用下的损伤演化的三阶段演化过程,发现损坏。风扇等。5)进行了一系列的不连续循环荷载试验和研究的基本作用加载历史的疲劳性能的盐。盛等。6)研究了三轴循环加载条件下砂岩的机械损伤特征。宁等。7]研究了裂纹萌生和传播阈值基于能量耗散理论的煤的标本。岩石的力学行为是密切相关的应力路径,围压,水分条件,和岩石类型。然而,机械性能、能量释放和裂缝分布特征被水浸透的岩石材料在交变载荷研究更少。

千枚岩是一种变质岩广泛分布在地球表面和用于许多工程活动。在施工期间和后来的操作,千枚岩的力学性能直接影响工程的安全与稳定。到目前为止,许多成就了千枚岩的静态力学性能(8- - - - - -15]。然而,损伤的机制、变形和循环荷载作用下饱和千枚岩的失败仍不清楚。本研究关注的是干燥和饱和千枚岩的力学行为和AE特征的影响下围压和循环荷载。变形参数,膨胀特点,破坏应力,和损伤变量下的千枚岩围岩压力5、10和20 MPa进行了分析。讨论了降解机制被水浸透的千枚岩,能量释放和裂缝分布特征显示。研究结果可以为边坡的安全建设提供指导,隧道,和基金会,以及防灾。

2。材料和方法

本文略有风化千枚岩来自四川省的西北部,中国,作为研究对象。这千枚岩是由石英、斜长石、方解石、云母、绿泥石。千枚岩的平均密度、纵波速度是2.70克/厘米³和2.48公里/秒。根据国际岩石力学学会的建议(ISRM),千枚岩是加工成⌀50×100毫米圆柱形标本。千枚岩的层理面标本几乎是水平的。标本的两端被抛光。纵波速度和密度的测量标本删除离群值。选择样本被放置在烤箱恒定的温度为105°C到质量是常数。当时,标本被认为是干。一半的干标本首先使用真空抽真空的8 h,然后放置在水溶液中48小时;在这之后,标本被认为是饱和。在测试之前,被水浸透的标本放在保鲜袋来防止水蒸发。 The uniaxial compressive strength of the phyllite was approximately 75 MPa, and the elastic modulus and Poisson’s ratio were approximately 22 GPa and 0.18, respectively. A series of cyclic loading and unloading tests were carried out using the MTS 815 servohydraulic testing system (Figure1)。PCI-2监测系统由美国物理声学公司用于AE检测。八个AE传感器安装在样品室的表面收集AE信号(图1)。

进行了三轴循环加载和卸载测试和控制使用轴向位移载荷和轴向应力卸载。轴向位移加载速率的0.005 mm / s和轴向应力的卸货率为0.5 MPa / s。三轴循环加载和卸载测试进行的围压力下5、10和20 MPa。首先,三轴围压力应用到预定的水平(5、10和20 MPa) 0.5 MPa / s的速度。其次,围压保持不变。第一次加载轴向位移到0.3毫米0.005毫米/秒的速度;然后,轴向偏应力卸载到0.5 MPa的速度0.5 MPa / s。第三,装卸循环进行了轴向位移区间为0.03毫米。三轴循环加载和卸载测试直到千枚岩标本失败了。

3所示。结果

3.1。应力-应变曲线

装载和卸载曲线三轴循环加载条件下不能完全一致(图2)。加载曲线总是高于卸载曲线。千枚岩是一种多相材料,包含微裂隙。由于滑动和关闭的裂缝在加载过程中,卸载曲线不能完全回到原来的形状。装载和卸载曲线形成磁滞回线。磁滞回路是稀疏的几个周期,然后人口分布很长一段时间。岩石标本的方法失败时,磁滞回路变得稀疏了。每个磁滞回线由弹性应变和塑性应变。弹性应变能恢复在卸货过程中,而塑性应变是不可逆转的。随着周期的数量的增加,塑性应变累积,直到试样失败。 In addition, the compressive strength of saturated phyllite is obviously lower than that of dry phyllite. Phyllite is a type of water-sensitive rock.

3.2。变形参数

应变、弹性模量和泊松比是重要的岩石的变形参数。千枚岩是一种多相材料,保留其卸载后残余应变(不可逆应变)。不可逆应变的计算方法如图3。一般来说,与轴向应力的增加,不同围压下的不可逆应变增加指数(图4)。在早期的加载过程中,轴向和径向不可逆转的压力增加速度相对稳定。千枚岩方法失败时,不可逆应变迅速增加,导致千枚岩标本的突然失败。轴向应力时是相同的,饱和千枚岩的轴向和横向不可逆转的压力明显大于干千枚岩。随着轴向应力的增加,饱和千枚岩和干千枚岩之间的不可逆应变差异逐渐增加。水有重大影响的轴向和横向不可逆应变千枚岩。水的软化效果千枚岩导致塑性变形的增加。此外,当轴向应力相同,轴向和径向不可逆转的菌株与围压的增加减少。

直的部分加载曲线计算研究在循环荷载作用下弹性模量的变化规律。图5显示第一个加载对千枚岩具有明显的加强作用,弹性模量是很大的提高。随着围压的增加,千枚岩的弹性模量增加。围压提高裂纹表面之间的摩擦,阻碍了裂纹扩展和滑动,提高千枚岩的强度和弹性模量。干千枚岩的弹性模量明显大于饱和千枚岩。可能是水的软化效应降低了千枚岩抵抗变形的能力。与围压和水相比,弹性模量上的加载路径的影响更显著。随着周期的数量的增加,弹性模量先增加,然后往往是常数,最后减少。千枚岩的弹性模量的变化是一样的石膏(16]。这是因为千枚岩密切的先前存在的微裂隙,并在循环荷载早期弹性模量增加。然后,模量基本上是不变或增加缓慢,这一过程实际上代表了裂纹扩展和粒子之间的竞争压实。在装卸过程中,一方面,千枚岩的无序扩张微裂隙减少试样的硬度和模量。另一方面,裂纹切割形成的矿物颗粒反复碾压,骨折是满是碎石,可以改善硬绿泥石的刚度和弹性模量。千枚岩的弹性模量保持不变或增加缓慢下这两个因素的影响。在过去的几个周期,迅速扩张的裂缝传播和收集,弹性模量降低。然而,这项研究的结果不同于西方的花岗岩和埃特纳火山玄武岩(16- - - - - -18]。随着周期的增加,弹性模花岗岩和玄武岩的减少。之间有显著差异的弹性模循环荷载下软岩和硬岩。这可能与内部因素,如矿物成分和胶结类型。因此,裂缝的扩展和分布和矿物颗粒循环载荷作用下的变形特点是探索的关键区别软岩和硬岩的弹性模,这是值得进一步研究。

千枚岩的泊松比增加而增加周期(图5)。这是因为快速增长的侧向变形(包括裂纹扩张和破裂面滑移)在循环荷载。此外,千枚岩的泊松比是非常敏感的。泊松比的饱和千枚岩几乎干千枚岩的两倍。当围压5 MPa,最大饱和千枚岩的泊松比是0.45。这是因为千枚岩含有粘土矿物。水的软化效果千枚岩促进横向扩张。此外,水可以降低微裂隙之间的摩擦系数,有利于启动和扩大裂缝和断裂滑动的飞机。这可以促进泊松比的增加。

3.3。膨胀特性

体积应变曲线如图所示6。早期循环荷载(低应力水平),磁滞回路非常狭窄和密度。与周期(高应力水平)的增加,滞回线变得更广泛,和体积曲线变得稀疏,这表明千枚岩的体积从compaction-dominated expansion-dominated逐渐改变。围压明显抑制千枚岩的体积膨胀。此外,饱和千枚岩的体积膨胀是不同于干燥的千枚岩。例如,当围压5 MPa,饱和千枚岩的体积改变从compaction-dominated expansion-dominated在第三周期,临界体积应变为0.15。然而,干千枚岩的体积改变从compaction-dominated expansion-dominated在第九周期,与临界体积是0.30。围压时20 MPa,饱和千枚岩的体积改变从compaction-dominated expansion-dominated在第五周期,临界体积应变为0.12。然而,干千枚岩的体积改变从compaction-dominated expansion-dominated在第十个周期中,临界体积应变为0.29。与干燥的千枚岩相比,体积膨胀的饱和千枚岩开始前,体积膨胀之前和压缩变形小。 Water accelerates the change of volume from compaction to expansion.

岩石材料的应力-应变曲线在三轴压缩试验大致可以分为五个阶段(图7):(I)裂纹闭合阶段,弹性阶段(2),(3)稳定裂纹扩展阶段,不稳定裂纹扩展阶段(IV),和(V) postpeak阶段。裂纹损伤压力(σ_cd)可以确定从实验室测试。裂纹损伤应力之间的分割点是稳定裂纹扩展阶段和不稳定裂纹扩展阶段。当轴向应力超过裂缝破坏应力,裂纹增长不稳定地并开始合并。裂纹损伤压力是一个关键的强调在岩石,这对应于长期岩石强度(19,20.]。岩石的应力裂纹损伤可以确定使用相应的体积应变曲线(21]。压力和周期裂纹损伤之间的关系如图8。周期数小于3时,饱和千枚岩不会改变compaction-dominated expansion-dominated。饱和千枚岩的应力裂纹损伤不能在这种情况下获得的。同样的,当周期数小于7,干千枚岩的应力裂纹损伤不能获得。如图8周期的数量的增加,裂纹损伤千枚岩先增加然后减少的压力。例如,当围压是10 MPa,干千枚岩的应力裂纹损伤增加从90.78到139.60 MPa。然后,裂纹损伤压力从139.60减少到130.63 MPa。随着围压的增加,千枚岩裂纹损伤应力的增加。饱和千枚岩的裂纹损伤应力低于干千枚岩。这表明从压实水体积的变化加速扩张。

3.4。能量耗散和损伤变量

能量耗散中央岩石材料的变形和破坏(22,23),伤害是一个积累的过程耗散能量。忽略了阻尼效应测试系统的总能量(U)产生的外力转化为弹性能量(E_e)和耗散能量(E_d)。在卸载弹性能量释放后,约等于负功(E_r)在卸货(图由外力引起的9): 在哪里U的总能量,E_e弹性能量,E_d是耗散能量,E_r是消极的卸载过程中外力做的功。

如图9,图“ABCF”所包围的面积表示总输入能量(U),而“CDEF”表示所包围的面积负功(E_r在卸货期间)引起的轴向应力,约等于弹性能量(E_e)。该地区周围“中的”代表损耗的能量(E_d)在一个循环加载和卸载。轴向应力-应变曲线包围面积可以计算使用微积分(24]。累积耗散能量(E d)等于耗散能量的总和(E_d每个周期的)。如图10累积耗散能量之间的关系(E d)和轴向应力可以表示为 在哪里E d是累积耗散能量,米和n拟合参数,σ₁是轴向应力。

累积耗散能量(E d)与轴向应力的增加成指数增加(图10)。

研究在循环加载条件下岩石的损伤演化,彭et al。24提出了损伤变量的表达式: 在哪里D损伤变量,E d是累积耗散能量,σ₁是轴向应力。

根据(2)- (3),我们修改损伤变量D。新的损伤变量(D_p)可以表示为千枚岩

饱和和干千枚岩的损伤变量计算根据(4)。如图11,轴向应力的增加,饱和和干千枚岩的损伤变量增加“s”形。围压和水对损伤变量有明显影响。当轴向应力相同,围压越低,更大的损伤变量。这表明围压可以抑制损害千枚岩。当围压是相同的,饱和的千枚岩的损伤变量是比干千枚岩、水加剧千枚岩的损伤。然而,损伤变量的演化趋势与围压和水。有一个临界值为损伤变量(D₀)。当D_p大于D₀,千枚岩样品被摧毁。临界损伤变量的干燥和饱和千枚岩样品在0.745和0.841之间,平均值为0.80。临界损伤变量是独立的围压和水。这表明本文提出的损伤变量是合理的,可以作为指数预测千枚岩的失败。

3.5。失效模式

失效模式是岩石力学的重要研究课题。在三轴循环加载条件下,干燥和饱和的失效模式标本(剪切破坏数据12- - - - - -13)。破裂面与水平面之间的夹角是断裂角(α)。当围压增加从5到20 MPa,断裂角减少从68°到53°。千枚岩的断裂角随围压的增加而减小。

千枚岩的断裂表面循环荷载下数据所示14- - - - - -15。当围压很低(σ₃= 5 MPa), u型骨折是粗糙和不均匀;此外,有明显的滑痕和大量的粉末在u型骨折。这表明大量的矿物颗粒滑动和旋转剪切面,和膨胀效应强。随着围压的增加(σ₃= 10,20 MPa), u型骨折变得光滑。有少量的剪切面岩粉,和膨胀效果减弱。

4所示。讨论

4.1。降解机制被水浸透的千枚岩

千枚岩是一种岩石水敏。本文讨论了退化机制被水浸透的千枚岩来自两个方面:微观结构和微观力学。

以下4.4.1。组织损伤

千枚岩含有粘土矿物。在饱和的过程中,这些矿物质发生肿胀、非均匀变形,脱落。为了更好地分析饱和千枚岩的微观结构的变化,分析了干燥和饱和千枚岩使用扫描电子显微镜。图(16日)表明,粘土矿物的表面平坦光滑。矿物粒子的边界是明确的。大部分的粘土矿物在地对地接触和一些当地的微裂隙。水饱和度(图之后16 (b)),矿物颗粒之间的边界变得模糊由于粘土矿物的膨胀变形和水泥的解散。鳞片状粘土矿物软化脱落,脱落的物质分解成小颗粒,坚持大型矿物颗粒的表面。在饱和状态下,粘土矿物之间的接触关系逐渐改变point-to-surface接触。样品的结构往往是松散,导致恶化的饱和千枚岩。此外,水解的石英和方解石的溶解也千枚岩退化的重要因素。在饱和过程中,微裂隙充满了自由水。裂纹尖端是最活跃的区域的水岩反应(25]。由于水解,颗粒强Si-O-Si债券被弱键,这减少了增长障碍和微裂隙的断裂韧性26,27]。千枚岩的力学性能进一步退化。反应公式可以表示为

粘土矿物的物理和化学反应,石英、方解石和水损害微观结构;这个过程是基本因素的恶化饱和千枚岩。

4.1.2。微机械分析

研究水对裂纹扩展的影响,滑动裂纹模型(28)是用于分析一个单一的微裂纹不考虑裂缝(图之间的互动17)。在饱和过程中,粘土矿物的体积显著扩大,而石英和长石的体积仍然几乎不变,导致非均匀膨胀压力在千枚岩。扩张压力(P_电子战)不仅可以促进原始裂纹的传播,但也产生了新的微裂隙。除了扩张压力,孔隙水压力(P_pw)可能是另一个因素影响千枚岩的力学性能。孔隙水压力关系不仅体积变形岩石的裂纹扩展速率。在体积压缩、孔隙水压力随循环荷载的增加。当孔隙水压力超过岩石的抗拉强度时,它会导致裂纹的传播29日]。体积膨胀,孔隙水压力在一个裂缝主要是有关水的分布。在三轴循环加载条件下,裂纹的传播速度是缓慢的;自由水可以达到裂纹尖端的时间26,30.]。自由水在裂纹尖端产生水楔效应和促进裂纹扩张(31日]。此外,(6)表明,孔隙水压力(P_pw)和膨胀压力(P_电子战)也可以减少有效正应力(σ_w)在主裂纹,促进裂纹的扩展,降低千枚岩的强度。在饱和条件下,摩擦系数的损失程度不同的矿物质千差万别。石英和长石可怜的亲水性;因此,石英和长石的摩擦系数不显著改变(32]。这是因为表面石英和长石的指控主要是中性的。几乎没有约束力的水粒子表面;因此,水对摩擦系数几乎没有影响nonadsorbable长石和石英等矿物。然而,摩擦系数的伊利石、云母、绿泥石等粘土矿物减少20 - 60% (32),导致有效剪切应力的增加(τ_w)在主裂纹(见(7))。这进一步促进裂纹扩张和降低千枚岩的强度。

有效正应力(σ_w)和有效的剪切应力(τ_w)的主要裂缝可以近似表示为(33] 在哪里σ₁轴向压应力,σ₃是围压,P_pw孔隙水压力,P_电子战是扩张力量,主裂缝和水平轴之间的角度是什么θ,σ_w是有效的法向应力,τ_w是有效的剪切应力,μ_w的摩擦系数是含水的裂缝。

4.2。能量释放被水浸透的千枚岩和裂缝分布特征

在循环加载过程中,AE信号可以直接反映千枚岩的破坏过程。千枚岩的轴向stress-time-AE能量曲线如图所示18。千枚岩的AE能量可分为两种模式。第一个模式是集群模式。在这种模式下,在循环荷载早期,AE能量很小,累积AE能量曲线相对稳定。然而,在过去的1 - 2周期,AE能量迅速增加,分布密集。干燥的AE能量千枚岩属于集群模式。这表明没有AE能量prepeak阶段,和输入能量几乎全部转化为弹性能量。当干千枚岩方法失败,积累的能量迅速释放,形成宏观破裂面。高能破裂事件只能当检测到故障。第二个模式是multipeak模式,其中包括几个山峰的AE能量在装卸。 Moreover, the cumulative energy curve exhibits obvious steps. The AE energy of saturated phyllite belongs to the multipeak mode (Figure18)。早期循环荷载(压实和弹性阶段),几乎没有区别在AE能量饱和千枚岩和干燥的千枚岩。然而,随着周期(塑料阶段)的增加,饱和千枚岩产生大量的AE能量由滑动摩擦。这表明故障所需的水减少了能源和促进的滑动剪切裂缝。饱和千枚岩的破坏压力减少。因此,被水浸透的千枚岩的破坏发生在较低的应力水平,和微裂隙在循环加载启动和不断扩大。AE能量曲线的饱和之前千枚岩表现出明显的步骤失败,反复和高能剪切破裂事件能被探测到。

AE事件的演变与轴向应力数据所示19- - - - - -20.。在早期循环加载条件下(压实和弹性阶段),更少的AE事件发生。关闭的AE事件主要包括主裂缝。随着轴向应力的增加(超过0.7σ_c),饱和千枚岩的裂缝分布特征变得不同于干燥的千枚岩。水减少千枚岩的强度和加速本地化的伤害。饱和千枚岩裂缝相对集中。有一个明显的成核区域中心的饱和标本(图19)。与循环荷载的增加,成核区域逐渐扩散中心的上下两端标本。然而,没有明显的成核区域干千枚岩,和微裂隙分布(图20.)。与循环荷载的增加,裂缝急剧增加,形成一个断裂带。

4.3。潜在的应用工程

岩体开挖深度的增加,不可避免地受围压和强劲的开挖扰动的影响,引起一系列的地质工程隐患。挖掘隧道和斜坡时,岩体经历非常复杂应力路径由于分层,分段开挖,开挖之间相邻的洞穴。岩体是一种循环加载和卸载的状态。此外,由于水的存在工程岩体岩石的变形和破坏过程变得更加复杂。岩体的稳定性是工程安全的关键。在以前的工程应用,稳定性评价的基础上临界应力或变形参数。然而,有时这些参数不能反映岩体复杂应力路径下的实际损害。例如,破坏应力和弹性模量的千枚岩三轴循环加载条件下先增加,然后降低。因此,适当的损伤变量有助于确定实际损伤岩石。本文提出的损伤变量可以作为指标来预测千枚岩的失败。 According to the actual damage inside the rock, the reasonable and economical supporting schemes are adopted. Furthermore, AE can effectively monitor the internal damage of rock. It is helpful to explore the failure mechanism of rocks and provide a basis for disaster prevention. The results of this study reveal the AE energy release characteristics of dry and saturated phyllite during excavation, which can provide guidance for monitoring the deformation and damage of surrounding rock. In the process of excavation of the surrounding rock, water-bearing phyllite releases a lot of energy before failure and high-energy shear rupture events can be detected repeatedly. However, a large amount of AE energy and high-energy rupture events appear when only the dry phyllite approaches failure, which needs our special attention.

5。结论

在这项研究中,我们进行了一系列的干燥和被水浸透的千枚岩三轴循环测试采用MTS 815伺服液压控制的测试系统和AE检测设备。变形参数、破坏应力、损伤变量,AE特征,和故障模式下的千枚岩围岩的压力5、10和20 MPa进行了分析。讨论了降解机制被水浸透的千枚岩,硬绿泥石的能量释放和裂缝分布特征揭示了。主要结论如下:(1)千枚岩是一种岩石水敏。抗压强度、破坏应力和弹性模量的饱和千枚岩减少,而饱和的不可逆应变、泊松比千枚岩增加。从压实水体积的变化加速扩张。(2)应力路径对千枚岩的变形参数有明显影响。不可逆应变与轴向应力的增加呈指数增长。随着周期的增加,弹性模量先增加,然后往往是常数,最后减少。泊松比随周期的数量。千枚岩的应力裂纹损伤标本先增加然后减少增加数量的周期。(3)基于耗散能量,一个新的损伤变量(D_p)建立了千枚岩。与轴向应力的增加,干燥和饱和千枚岩损伤变量的增加在“s”形。临界损伤变量(D₀)的千枚岩大约是0.80;这个变量可以作为指数预测千枚岩的失败。(4)本地化的损害是严重的饱和千枚岩。微裂隙发生前和相对集中,有一个明显的成核区域。AE能量曲线表现出明显的步骤在失败之前,反复和高能剪切破裂事件能被探测到。干千枚岩分布的微裂隙。高能破裂事件只能当检测到故障。(5)千枚岩的含水饱和度影响是显而易见的。裂纹表面的有效正应力降低和剪切应力增加的影响下扩张压力,孔隙水压力和摩擦系数。水促进了裂纹萌生和传播,减少硬绿泥石的力量,加速损伤的定位,改变了AE能量释放和裂纹千枚岩的分布特征。

数据可用性

使用的数据来支持这个研究的发现包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是基础研究基金支持的中央大学、冠心病(300102260708),国家自然科学基金(41831286和41831286)和四川省交通运输建设科技项目(没有。2015 a1-3)。