文摘

在深工程、母岩的初始损伤点已成为一个重要问题。如今,有很多方法可以计算出初始破坏点。然而,每个现有的方法介绍了一些重要的主观或参数错误。在本文中,一个新的初始损伤点的测定方法采用一步循环荷载试验设计和深花岗岩进行了一系列测试。在分析峰值强度和循环荷载的影响,初始伤害的转折点是证实。测试结果表明,初始伤害的将压力约45%峰值强度与围压,将减少增加。这些计算损伤点更科学、准确、直观的,它提供了一种新方法研究岩石力学在深部开采。

1。介绍

rock-based工程项目中,岩石的破坏特征是相当重要的。此外,必须注意在这些岩石初始损伤点的岩石工程项目,如高放射性废物(HLW)处理13],水电站[17)、地铁(10),工程(的摇滚乐1[],深埋隧道19),和采矿工程11),等等。一般来说,损害的是单一载荷作用下岩石的固有财产,独立的加载条件。岩石损伤开始的标志,表明随后的裂纹形成和扩展,具有十分重要的现实意义。

越来越多的学者研究了岩石的损伤点使用实验室测试。撑et al。2)监测体积变化的岩石标本。他们认为当岩石被破坏,其体积应变非线性体积膨胀,而不是线性发展。因此,线性体积应变的终点被认为是岩石的损伤点,和解决方案过程如图1(一)。这种方法表达了清晰的物理意义和方便的应用程序,但结果是深受协调规模和离散数据。体积应变图1(一)为例,很难确定1号点,或者2号点是目标点的局部放大图1 (b)。终点是主观的和专横的确认。Lajtai [8)认为非线性横向应变意味着裂缝扩张,所以他在轴向非线性增长的起点stress-lateral应变曲线损伤点(如图2(一个))。与支撑提出的方法相比,横向应变方法是更容易、更直观。然而,不可否认的是横向应变的方法也有一些主观因素和错误,和同样的问题会影响结果的准确性。随着扩大裂缝体积曲线如图2 (b),也会有一些偏差下的测定结果不同的数据曲线范围内,初始损伤点可以确认为点1,和其他破坏点可以选为点在图32 (b)。马丁和钱德勒(12]对花岗岩进行了大量的三轴压缩测试样本在加拿大我的隧道。通过总结花岗岩样品的强度关系,他们提出压力刚裂缝体积应变不为零的时候,可能会被视为破坏点。计算的准确性通过这种方法的准确性在很大程度上是依赖于岩石的弹性模量和泊松比,还有错误的计算弹性模量和泊松比,这也让这个方法非常主观。研究表明,岩石的破坏过程是伴随着声发射(AE)信号的释放。通过监测AE信号强度,可以直观地获得岩石的破坏过程。因此,各种研究岩石应力进行了声发射监测。爱伯哈et al。4确定了裂纹萌生和传播阈值在脆性岩石AE监测;Ganne和Vervoort5基本保持)证实了应力路径对商业周期见顶前损伤与AE方法;Nejati和Ghazvinian15]研究了脆性影响岩石疲劳损伤过程中采用AE设备;金等。7)进行了比较评价应力-应变和脆弱的AE定量损伤评估方法;赵et al。23]分析了岩石损伤特性基于AE监测数据。假设第一个AE数突变对应于岩石的破坏点。AE技术为探索岩石断裂过程提供科学方法,但该方法仍有主观错误,噪音干扰,和缺乏理论基础(21]。最初的AE记录在相关加载可以设置加载压台的标本,机械位移、振动工具,和其他影响因素。很难确定哪些AE数是正确的指数对应于岩石的破坏点。

(一)
(一)
(b)
(b)
图1
损伤阈值确定曲线撑的方法:(a)岩石的损伤点;(b)的主观误差分析(16]。
(一)
(一)
(b)
(b)
图2
Lajtai典型损伤阈值确定曲线的方法:(a)岩石的损伤点;(b)的主观误差分析(16]。

为了避免上述方法的不足,设计一个新的循环荷载步测试。一些学者进行了循环荷载下岩石实验。杨et al。18]研究了砂岩的力学性能甲流在循环加载和卸载;Zhang et al。20.)进行了实验室测试基本保持砂岩的破坏特征受商业周期见顶前和甲流循环荷载;穆尼奥斯和塔14]分析了甲流循环荷载下岩石的可变形性参数。这些研究可以提供良好的实验思路和方案供参考。本文利用MTS815岩石实验设备、循环荷载步测试方法增加压力进行了深刻的花岗岩与金矿,中国。,一个更精确的初始伤害点围10 MPa的压力下,20 MPa, 30 MPa证实。计算初始伤害点更科学和直观的,它提供了一种新方法研究深部开采工程中岩石力学。

2。测试计划

2.1。花岗岩样品和基本参数

测试的岩石标本是花岗岩,钻探方法从-895年水平的三山岛金矿(山东,中国),矿物组成的石英、斜长石、黑云母和碱性长石。岩石样本的密度是2.72克/厘米3和孔隙度为0.59%。所有的岩石样本都从一整块岩体没有任何明显的裂缝。根据该方法ISRM [6),粗糙的允许偏差的两端标本±0.05毫米,和允许的垂直偏差为±0.25°。测试中,36个标准岩石样本直径50毫米和100毫米高度被收购了,如图3。


图3
花岗岩样品及其光学图像。
2.2。实验装置

在循环荷载步的测试中,采用MTS 815测试系统,如图4。MTS 815测试系统,最大轴向载荷可以达到2700 kN,围压的最大值是140 MPa。岩石样本的应变可以被监控的轴向和横向伸长计,最大的测试范围5毫米和8毫米的轴向和横向方向,分别。在加载过程中,为了避免液压油的影响,热收缩管采用包围花岗岩样品。同时,样本的润滑剂在两端传播减少结束的效应。


图4
MTS 815岩石力学装置。
2.3。实验设计

首先,获取花岗岩的基本强度等力学参数,一组不同围压三轴压缩试验(10 MPa, 20 MPa, 30 MPa)。在测试期间,AE事件将由AE监测仪器和AE的关键参数仪表相关计量表所示1。获得应力阈值可以进行比较分析和下一步提升循环加载试验结果。测试程序如下:应用围压设计值,与加载速率为0.25 MPa / s;接下来,应用轴向加载,直到花岗岩标本完全破坏;轴向加载由变形控制在0.024毫米/分钟。应力、应变数据记录在整个测试过程。测试结果列在表中2。

表1
AE仪器相关的关键参数测量。
表2
三轴压缩测试的测试结果。

其次,对岩石强度的影响程度的循环荷载和初始值的确定下一步提升循环荷载试验,两种循环荷载测试高达20%的峰值强度和峰值强度40%执行。大量的研究表明,裂纹开裂应力达到峰值应力的比值比40%或更大峰值强度(3],所以40%的循环荷载测试可以给出一个近似的阈值提升一步循环荷载试验。20%的循环荷载试验,其结果可以验证是否标本40%循环荷载试验总是处于弹性阶段。测试程序如下:应用围压设计值,与加载速率为0.25 MPa / s;应用轴向加载到一定值(约20%σP或40%σP)的加载速率0.5 kN / s;卸载2 MPa以同样的速度(0.5 kN / s);重复上述循环步骤5次为一个样本并记录整个测试过程中应力、应变数据。装运过程如图5(一个)。表中列出的测试数据3。

(一)
(一)
(b)
(b)
图5
加载过程的示意图:(一)循环荷载测试的路径;(b)的路径提升一步循环荷载试验。
表3
初步循环荷载测试的测试数据。

第三,基于上述确认的初始范围弹性阶段,提升步骤进行了循环荷载试验,以确定准确的初始伤害的很深的花岗岩。增加过程中加载,如果两个循环的终点的曲线是不同的,认为样品被损坏。详细的测试项目如下:应用围压设计值,与加载速率为0.25 MPa / s;应用轴向载荷的40%左右σP的加载速率下,0.5 kN / s;卸载2 MPa以同样的速度(0.5 kN / s);重复这个循环加载过程和提升轴向载荷(约42%、44%、46%σP分别为……),如图5 (b);在这个循环过程中,监测应力、应变数据;如果两个循环过程的终点是不同的,应用轴向载荷为0.024毫米/分钟,直到花岗岩标本完全损坏。详细的测试数据表中列出4。

表4
提升计划步骤循环荷载试验。

3所示。测试结果和数据分析

在三种围压下的三轴压缩试验(10 MPa, 20 MPa, 30 MPa),应力-应变曲线如图所示6。


图6
三种不同的围压下的应力-应变曲线。

深花岗岩样品的三轴抗压强度可以从图获得的6。详细的值如表所示2。,典型的相应的AE数据如图7。数据分析后,初始裂纹应力阈值153 MPa, 186 MPa,和215 MPa的围压10 MPa, 20 MPa,分别和30 MPa。

(一)
(一)
(b)
(b)
图7
典型的AE监测数据和应力-应变曲线:(a) AE监测数据和应力-应变曲线;(b) AE数据和相应的初始裂纹应力阈值。

此外,通过应力-应变曲线,分析后的弹性模量也可以计算方法在图8。弹性模量的值是73.06的绩点,平均绩点76.35,和78.94的绩点,分别计算公式在ISRM建议方法(6]: 在哪里 弹性模量, 和 是压力的开始和结束值线性应力-应变曲线段,然后呢 和 是开始和结束在线性应力-应变曲线段的应变值。


图8
弹性模量计算的原理图。

三轴抗压测试提供花岗岩样品的基本力学参数。以下测试项目表3和图5(一个),6装卸组测试为20%σP和40%σP固定值和10 MPa, 20 MPa, 30 MPa的压力。在这里,典型的应力-应变曲线绘制在图9。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
(e)
(e)
(f)
(f)
图9
典型的应力-应变曲线在不同的固定值和封闭压力:(a) 20%σP和10 MPa;(b) 40%σ P和10 MPa;(c) 20%σ P和20 MPa;(d) 40%σ P和20 MPa;(e) 20%σ P和30 MPa;(f) 40%σ P和30 MPa。

展示图95次装卸过程周期后,对所有测试条件、卸载曲线都显示良好的重叠,这意味着没有任何疲劳损伤5周期后,整个测试过程都在弹性状态。它还表明,花岗岩的初始伤害点必须发生超过40%σP。这些测试的结果提供指导下一步提升循环测试。

确认初始损伤点的近似范围后,3组升序进行循环荷载试验,在加载条件下超过40%σP。测试后,循环荷载步的应力应变曲线测试能获得不同围压。以10 MPa围压试验数据为例,数据处理步骤如图10。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图10
数据处理步骤10 MPa围压的损伤阈值:(a)的应力-应变曲线在提升步骤循环荷载下10 MPa围压;(b)目标卸载曲线评估过程;(c)目标加载曲线评估过程;(d)初始伤害点评估过程。

如图10根据测试数据,循环荷载步的应力-应变曲线拟合,如图10 ()。步骤循环荷载测试过程中,如果两个卸载曲线开始独立,这意味着MTS 815测试系统提供的输入能量消耗的岩石样本,它可以假定花岗岩样品开始进入破坏状态从这个压力。所以,卸载曲线开始分离目标卸载曲线(粉色曲线在图10 (b));而且,能找到相应的加载曲线(红色曲线在图10 (c))。获得精确的损伤阈值,目标的关键部分数据加载曲线分别获得并安装,如图10 (d)。在图10 (d),由于岩石样本开始破坏,应力-应变曲线将不再是线性的;会有一个转折点,这是最初的损害。10 MPa围压下,转折点出现在147 MPa的压力值。

其他与20 MPa和30 MPa围压应力-应变曲线数据中所示(11日)和11 (b),分别。

(一)
(一)
(b)
(b)
图11
应力-应变曲线在提升步骤循环荷载测试:(a)下的初始伤害点20 MPa围压;(b)下的初始伤害点30 MPa围压。

从数据10和11不同围压下,峰值强度311 MPa, 408 MPa,和472 MPa,几乎与上述相同的三轴压缩试验结果(328 MPa, 402 MPa, 461 MPa,如图6)。轻微的错误可能产生的仪器,测试过程,或不同的花岗岩样品。这些良好的验证结果也证明了循环加载过程无影响强度花岗岩的特征。后计算方法如图10,初始损伤应力阈值经循环测试如表所示5。初始伤害点是47.2%σP10 MPa, 44.4%σP20 MPa,和43.8%σP分别为30 MPa。

表5
初始应力循环试验和初始裂纹应力的损害AE的方法。

4所示。讨论

循环荷载步的初始伤害点确认方法表明,初始伤害的将压力峰值强度平均约45%。它类似于页岩的裂纹萌生阈值李et al。9由赵等[]和北山花岗岩22证实了AE检测方法。的测试结果,提出了一种降低围压的增加。验证和分析步骤循环测试数据,AE检测结果也列在表中5。

如表所示5,应力值由两个测试方法(初始应力循环试验和初始裂纹应力的损害AE方法)相距不远的同一围压下,和不同的比例低于5%。然而,结果证实了循环荷载测试更清晰的物理意义和更少的错误两种乐器的组合。因此,循环测试方法比AE监测方法更有可信度。

5。结论

岩石的初始伤害点rock-based工程中是一个重要的参数。本文采用一系列科学实验室检测,更加准确、直观的初始损伤深度花岗岩方法从三山岛金矿点确认,它提供了一种新方法研究和科学数据在深部开采岩石力学。

通过三轴压缩试验、峰值强度、弹性模量等基本力学参数的花岗岩样品。在此基础上,循环荷载测试峰值强度、峰值强度分别占20%和40%。结果表明,在这些压力条件下,所有标本在弹性状态下,和初始损伤的花岗岩必须发生超过40%σP。

最后,利用提升步骤循环荷载试验,准确的初始伤害的深点花岗岩。确切的值是47.2%σP10 MPa, 44.4%σP20 MPa,和43.8%σP分别为30 MPa。测试结果表明,初始伤害的将压力峰值强度平均45%左右,它提出了一种降低围压的增加。

数据可用性

所有数据用于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。

确认

这项工作是财务支持的中国(没有国家重点研究发展计划。2018 yfe0123000)、青年科技创新基金矿冶科技集团(没有。04 - 2001),和基金开设教育部重点实验室(没有。Ustbmslab201905)。