文摘
作为一个最重要的岩石材料的力学参数,脆性变形和失败的影响岩土工程建设具有重要的现实意义和防灾减灾。摘要不同脆性变形和破坏行为的样本动态载荷作用下进行了使用一个分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统。此外,扫描电子显微镜(SEM)也被用来研究微观失败之间的关系和岩石脆性和应变率效应。结果表明,脆性指数BI3和BI5的样品在单轴压缩下遵循线性递减趋势受温度变化的影响,而脆性的示例显示了一个随应变速率的增加而增加的趋势在动态加载。同时,脆性下降导致增加prepeak动态加载下的屈服变形阶段的样本;峰值点后,样品失效模式转换I型和II型和自我维持的失败。此外,发现动态强度增加样本脆性因子呈现出负相关。最后,样品的宏观破坏模式从分裂失败与多个裂缝剪切裂缝由于减少脆性的影响。样品的失效面逐渐变得光滑和脆性的增加,表现为降低微裂隙,和应变率的逐渐增加使失败的表面粗糙,伴有微裂隙的增加。
1。介绍
脆性岩石材料的一个重要的参数,可以描述岩石变形和破坏的过程1,2]。岩石脆性变化的深刻理解是至关重要的岩石工程系统的设计和开发,如深部开采巷道的稳定性,为地下空间开挖,页岩气储层的选择等。3,4]。在地下采矿工程岩爆现象也是脆性密切相关,因为它是一个关键参数确定岩爆的发生和可能性5- - - - - -7]。总的来说,脆性岩石的力学行为是一个全面的描述(8,9]。因此,考虑岩石脆性的影响具有一定的指导意义的发展各种岩石的项目。
岩石脆性的定义有不同的意见在国内和海外。一些学者认为,环境和应力状态的变化的影响在岩石脆性不应被视为从脆性岩石的固有属性相关矿物组合和结构组成。Jarvie等人,里克曼等人认为,岩石脆性矿物有关组件,尤其是脆性矿物,如石英和长石的内容(10,11]。金等人,Rybacki等人的结论是,强/脆性矿物含量高的岩石表现出较高的脆性,而大量的弱/韧性矿物质(如粘土)会降低岩石的脆性12,13]。然而,不同的外部因素,如水分、温度、等,不可避免地导致脆性变化状态和岩石材料的破坏模式。夏等人,李等人认为岩石力学参数的变化,如强度、弹性模量、泊松比,将不可避免地导致岩石脆性变化(14,15]。此外,基于循环冻融实验结果在实验室里,张等人探讨了冻融作用对砂岩的脆性的影响,结果表明,冻融作用有一个明确的对岩石脆性的影响(16]。评估岩石脆性的变化,因此,当内部和外部条件,如温度、应力状态,和微观结构,应该全面考虑。例如,岩石的力学行为变化明显随着开采深度的增加在采矿工程。特别是岩石开挖后的应力释放改变周围的岩石的微观结构和力学性能,这可能改变围岩脆性。然而,这些现象在采矿活动总是被忽略。
量化岩石脆性变化,提出了脆性指数的概念。到目前为止,还没有国际公认的标准定义的确定岩石脆性指数(17]。目前,主要有几种方法来估算岩石脆性指数:矿物成分、岩石强度,应变参数、压力参数、和能量平衡。此外,Heidari对伊朗伊斯兰共和国通讯社表示等人认为,孔隙度影响岩石的脆性,他们发现,孔隙度的增加将引起塑性应变的增加失败,最终降低了岩石脆性(18),虽然这种脆性指数基于孔隙度值显示了相互矛盾的结果由于成岩作用的忽视。此外,Nejati和Ghazvinian证实岩石脆性变化有显著影响动态载荷作用下岩石的损伤演化19),但他们只是定性分析几个不同脆性岩石样本和脆性指标没有量化的结果。目前,有许多研究不同种类的岩石的脆性20.]。然而,许多研究过于关注如何描述岩石的脆性材料和忽视了岩石脆性对力学性能的影响,特别是在动态加载条件下。因此,有必要研究岩石脆性变化动态载荷作用下的响应。
研究脆性的影响在砂岩的动态力学行为煤措施,本文脆性指数首次确定使用的应力-应变曲线。随后,动态冲击实验进行不同的脆弱的砂岩样品的分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统。此外,脆性的影响在宏观和microfailure特征研究了高速相机和扫描电子显微镜(SEM)。最后,研究结果可以为施工提供参考意义深刻的岩石工程,采矿和隧道等项目。
2。材料和实验方法
2.1。样品制备
本研究使用煤炭措施砂岩从屋顶收集Sanhejian煤矿工作面,徐州,中国(见图1)。砂岩的矿物学和岩石学性质选择通过x射线衍射(XRD)进行了研究,结果表明,砂岩包含大量的石英,以及少量的高岭石、绿泥石、berlinite,珍珠陶土。所有测试样本取自相同的大型和相对完整的砂岩块,和岩石的核心钻在同一个方向。每个砂岩样品的直径是加工成50毫米,直径和长度的比率是2和1的静态和动态测试,分别为(21]。减少实验结果的不确定性,测试前的样本筛选出来:第一,可见缺陷的样品被淘汰,然后超声波纵波测试被用来去除样品与内部缺陷(只有纵波速度的样本选择3200±100 m / s)。最后,共有18 - 30砂岩样品的静态和动态测试,分别。
2.2。测定脆性指数(BI)
节中描述1,岩石脆性可以定量的特点是不同的方法。我们总结了五种主要的方法来定义岩石脆性参数表1。在这些岩石脆性的定义中,考虑应力-应变曲线的特点来确定岩石脆性是最有效和合理的方法28]。如图2,有几个关键参数确定岩石脆性基于应力-应变曲线的特征(13]。在这项研究中,为了便于分析,BI3和BI5从方程(1脆性)选择评价样本: 在哪里和分别指峰值强度和残余强度; , ,和弹性应变,应变峰值,分别和残余应变。
由于开挖活动的影响,地下工程的围岩在不同程度受损,尤其是深部开采活动。同时,围岩微观结构和应力状态的变化会导致岩石脆性的变化(28]。为了简化模拟上述过程中,我们进行冻融试验所选样本。这是由于冻融过程导致岩石的微观结构的重大变化导致不可逆的结构性破坏岩石的29日]。此外,循环冻融作用也有一个明确的对岩石脆性的影响(16]。在这里,值得强调的是,治疗(冻融)仅用于控制温度的脆性测试样品。
如图3温度处理后,有明显的试样的应力-应变曲线的变化,如增加prepeak塑料阶段和峰值点后的斜率的变化,表明变化的脆弱性测试样品。此外,BI脆性索引3和BI5确定的应力-应变曲线,如图4。的应力-应变曲线,很明显,测试样本可以视为完全脆弱时不受温度的影响治疗,即说明这两种BI3和BI5是1。温度处理,BI3和BI5显示线性递减趋势,建议减少脆性的样本。值得注意的是,因为BI3和BI5有相同的不同行为,为简单起见,BI吗3是用作评价脆性指数。
(一)
(b)
(一)
(b)
2.3。动态测试
在这项研究中,动态冲击压缩ISRM推荐的测试进行了使用一个分离式霍普金森压杆(SHPB)系统(50毫米直径)由中南大学开发的。如图5SHBP系统是由一个事件酒吧,一个传播的酒吧,一根吸收,阻尼器酒吧。所有的酒吧都是40铬合金钢制成的高强度与弹性模量、密度、纵波速度230 GPa, 7.821 g / m3分别,5462 m / s。在测试之前,偶联剂(凡士林)均匀地涂抹在end-faces样本和酒吧减少end-friction效应(21]。
(一)
(b)
(c)
它是一个有效的先决条件动态冲击压缩试验的岩石样本被认为是压力平衡。换句话说,样品的两端动态应力应该大致相同。压力平衡的两端可以由样本事件之间的关系(在)波,反射波(重新),(Tr)波传播。如图6在这项研究中,样品达到动态应力平衡。另一个假设是,一维应力波传播;也就是说,沿着酒吧在一维应力波传播。
2.4。在岩石宏观裂缝和微裂缝
研究样本脆性的影响宏观失效模式和微观断裂形态在动态加载条件下,高速相机和扫描电子显微镜(SEM)设备被用于这项研究(见图5)。测试后样品的微观形态特征使用扫描电镜进行了研究,并在加载过程中样品的断裂演化被高速摄像头监控。
3所示。实验结果和分析
基于脆性指标确定部分2.2(见图4),不同脆性的变形行为和宏观断口特征样本调查在不同加载应变率SHPB试验系统。此外,变化的影响在动态强度样本脆性增加的因素也进行了研究。
3.1。影响动态应力-应变行为
以下两个假设2.3,压力 ,应变 ,和应变率与加载时间的样品可以通过方程(2)[21]。基于方程(2),图7介绍了样本的动态应力-应变曲线与不同加载应变率和脆性参数。 在哪里 , ,和代表了应力、应变和应变率的样品在某一时刻,分别。E,C,一个的弹性模量、纵波速度和弹性棒的横截面积。和样品的长度和横截面积。 , ,和代表事件应变、应变反映和传播病毒的酒吧在一个特定的时刻,分别。
(一)
(b)
图7(一)显示了应变率效应对测试样品的应力-应变行为在一个静态的脆性指数为0.73,为应力-应变曲线和相应的阴谋在不同脆性指数呈现在图7 (b)。见图7(一),prepeak屈服阶段的动态应力-应变曲线显著不同的加载应变率。prepeak前的收益率相逐渐减少随着加载应变率增加,表明塑性变形的程度受应变速率的影响,往往随着应变率的增加下降。另一方面,塑性变形越小,能量耗散在峰值点越少,存储弹性能量越多,越有可能在峰值点后脆性破坏(5]。此外,砂岩样品首先展示类型我失败的行为然后II型行为在postpeak阶段,和测试结果与其他作品的结果一致16,26),这意味着砂岩样品在破裂过程中变换从韧性向脆性破坏。postpeak行为的同时,这一转变反映出样品失败过程中从一个变化,需要外部能量自给自足失败,这是一个II型故障的特征。这种现象也表明,在高应变率,砂岩的弹性能量积累了足以维持样品的破裂过程(9]。
在图7 (b)的脆性测试样本具有重大影响的动态应力-应变曲线在同一加载应变率。随着示例静态加载下脆性增加,prepeak屈服阶段的样本的动态应力-应变曲线趋于下降。这意味着样本脆性动态载荷作用下仍需与静载荷下的脆性的关系。峰值点后,有明显的转变的失败过程示例I型和II型。例如,当静载荷下的脆性指数高于0.82,postpeak应力-应变曲线表现出明显的类型我失败的过程,而脆性指数小于0.82时,失败的行为逐渐转变为II型失败,这意味着静态加载下的脆性指数较低的样本更容易自我维持的动态加载下的峰值点后失败。即减少脆性动态载荷作用下往往会导致突然的脆性破坏的岩石样本postpeak阶段。
此外,基于动态应力-应变曲线,动态加载下的脆性指数计算图8。提出了图8(一个)的脆性指数样本显示了与动态加载下的应变率增加的趋势。采用线性函数作为样本脆性变化最好的功能。例如,影响条件下的脆性指数从0.82增加到0.89从63年代随着加载应变率的增加−1到156年代−1,表明随着加载应变率增加,postpeak失败过程样本表现出更明显的脆性和更容易突然不稳定。另外,图8 (b)情节的变化动态脆性指数和静态加载应变率的脆性指数63年代−1。见过,样品的脆性指数是影响加载应变率和展品更明显的脆性。的脆性指数0.73静态载荷作用下,脆性指数增加0.05到0.78在动态加载下,在静态载荷作用下的脆性指数0.82,动态加载下的增量值达到0.06。此外,在相同的加载应变率下,脆性指数动态载荷作用下响应线性静态加载下的脆性指数的增长斜率大于1;即动态加载下的脆性指数大于静态载荷作用下,和增加价值与静载荷下的脆性指数呈正相关。
(一)
(b)
此外,动态强度因子计算测试样本的增加不同的应变率和脆性指数基于方程(3),如图9。它可以观察到的脆性指数下降,动态强度增加的因素将显示一个增加的趋势。例如,当加载应变率是92年代−1增加,相应的动态强度因子从8.84减少到7.03的脆性指数从0.73增加到0.86。在这里,需要注意的是,在图的动态强度增加因素9是累积值。此外,动态强度增加因素呈现出显著的增加趋势随着加载应变率的增加。另外,图中的虚线表明动态强度因子共同影响脆性增加和加载应变率和脆性负相关,而与应变率呈正相关。此外,强度提高系数之间的关系和脆性指数在不同的应变率是合身,如方程所示(4)。减少样本脆性导致增加动态强度因子增加,意味着增加内部积累的能量在冲击荷载,因此postpeak过程更有可能遭受脆性破坏,这与图所示一致7 (b)。 在哪里样品的峰强度在某些脆性b;指的是动态加载下应变率;和是样品的静态强度峰值。 在哪里c指的是动态强度增加的因素;b是示例脆性。
3.2。对宏观裂缝的影响
如图10的高速摄影机80000帧率是用来捕捉动态压缩过程的样本在不同条件下,1是样品的初始状态,2是压缩状态,3是破坏状态,4是轴向压缩的程度之前的失败测试样本。从数据10 ()和10 (b),样品的压缩和失效模式密切相关的脆性加载应变率的134年代−1:当脆性指数是0.88,样品明显受损的动态载荷作用下,主要的形式分割失败与少量的剪切裂缝,裂缝穿透整个样本和失败。相比之下,当脆性降低(BI3= 0.73),样品的断裂形式转换从一个大断裂程度分割失败与多个小裂缝骨折程度split-shear失败很少有裂缝,表明减少样本动态载荷作用下的脆性。与此同时,一个重要的变化可以观察到样本压缩的程度,与减少脆性表现出日益增长的趋势,而当应变率降低(见图10 (c)),样品的失效模式和压缩程度明显改变了动态载荷作用下,从分割失败和失效模式改变剪切破坏,显示与图相比弱破裂的程度10 (b)。此外,测试样品的轴向压缩位移增加,表明在动态大变形影响的结果如图7 (b)。总的来说,试验结果表明,应变速率的降低,样品从分裂失败剪破坏模式的变化,动态加载下的脆性下降,脆性指数的降低也会导致样本分割失败的过渡模式,剪切破坏模式。
(一)
(b)
(c)
3.3。对微观形态学的影响
的微形变化砂岩样品在不同加载应变率和脆性条件推断使用扫描电子显微镜(SEM)图像,如图11。图像结果表明,脆性和应变率有显著影响研究砂岩样品的表面形态。当加载应变率是恒定的,样品的表面形态逐渐转换从粗糙到光滑的脆性的增加。另外,很明显,断裂表面的微裂隙的数量也呈现不断增加的趋势。这可以归因于这样一个事实:随着脆性的增加,裂纹分岔或分支减少,导致表面形态的转换(19]。事实上,内部微裂隙发展密切相关prepeak耗散能量,而众所周知的应力-应变曲线(见图7),脆性增加,prepeak耗散的能量减少,和相应的微裂隙的发展减少了所需的能量,这可以解释样本的微观表面形态的变化。此外,随着样本的脆性是常数,样品表面的粗糙度随应变速率的增加而显著变化。例如,随着加载应变率是63年代−1,断口的微观形貌表面是光滑少矿物颗粒和碎片,当加载应变率增加到156年代−1样品的表面是粗糙的,伴随着大量的矿物颗粒和碎片。出现这种现象与应变率的增加,可以解释为增加裂纹分支或分支在动态岩石裂缝随着加载速率的增加。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(我)
(j)
4所示。讨论
不像一些力学参数,如弹性模量和泊松比,反映了岩石的力学行为只有一个方面,脆性岩石的力学性能是一个全面的描述。通常,脆性值都获得相对脆性值测量在一定载荷条件和相关实验条件和岩石材料的属性如大小、非均质和各向异性。朱和唐得出结论,静态载荷作用下的岩石表现出脆性显著不同于在动态加载条件下(30.]。这种可变性数据所示7和8,尤其是逐步过渡I型和II型postpeak失败行为动态载荷作用下,和人工智能等人认为,这种转变类型表明,岩石产生自我维持的失败(5]。利用室内实验结果,张等人指出,静态加载下的脆性变化影响postpeak动载下岩石力学行为(16]。图7 (b)表明脆性静态载荷作用下的变化影响了岩石动态载荷作用下的变形和破坏行为,并可以看出减少脆性导致增加prepeak塑料阶段和postpeak自给自足的出现故障动态载荷作用下的行为。脆性也受加载应变率的影响,显示一个线性增加的趋势。此外,Nejati和Ghazvinian研究不同脆性岩石的断裂表面形态,发现岩石脆性影响失败表面和动态比静态失效面粗糙表面(19]。然而,随着样本的脆性增加,破坏面变得越来越顺畅,而应变速率的增加(见图显示了相反的结果11)。此外,脆性变化影响动载下岩石材料的宏观破坏模式从分裂失败multicracks用更少的裂缝,剪切破坏和这项研究的结果一致与陈et al。1]。
5。结论
岩石工程中的一个主要问题,脆性岩石的基本属性与prepeak和postpeak失败行为密切相关。在本文中,我们研究脆性的力学行为变化的影响下Sanhejian煤矿煤层砂岩的动态加载。此外,高速相机和扫描电子显微镜(SEM)也结合分析脆性的影响宏观/微观失效模式的样本。主要结论如下:(1)随着动态加载应变率的增加,样品的脆性指数与加载应变率线性增加。从63年代当加载应变率增加−1到156年代−1,屈服阶段的动态应力-应变曲线显著降低,脆性指数从0.82增加到0.89。(2)动态冲击荷载下的脆性指数大于静态载荷作用下的样品。此外,postpeak行为的动态应力-应变曲线是受静态脆性指数的影响。当动态加载应变率是63年代−1,postpeak行为的动态曲线转换I型和II型破坏模式和自我维持的失败。(3)宏观破坏模式和微观断口形貌的样品都是岩石脆性的影响。减少脆性,样品的宏观破坏模式的变化从分裂失败到剪切破坏,和裂缝的数量减少。此外,微观断口形貌逐渐变得粗糙光滑。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
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(U1803118, 51974296, 52061135111, 41931284)。