文摘

中存在大量的正弦骨折露天矿山、山坡和剪切破坏的力学性能对露天边坡的稳定性具有重要意义。砂岩标本包含正弦骨折不同波形的高度被数控预制sand-wire-electrode切割技术探索正弦骨折的力学性能的影响岩体的剪切破坏。TFD-20H / 50 j岩石剪切试验机用于剪切测试sinusoidal-fracture砂岩具有不同波形的高度。在剪切加载过程中,prefabricated-fracture砂岩标本与不同波形高度fracture-compacting阶段,线弹性变化的阶段,自底向上的阶段,残余强度阶段。在峰值强度之前,正弦prefabricated-fracture岩体具有不同波形的高度减少压力的前兆特征,它可以提供早期预警的岩体的不稳定和失败。正弦骨折的波形高度显著影响标本的裂缝萌生和扩展。骨折的发生和发展预制骨折波形高度较低(≤10毫米)以多种方式下高波形高度(> 10毫米);即骨折发生在预制同时骨折和标本的终结。波形高度增加,裂缝扩展从预制裂隙的斜率平行垂直于预制骨折。的裂缝延伸方向sinusoidal-fracture岩体具有不同波形的高度主要从中间的边坡表面预制骨折。 It is the main direction of the shear failure of sinusoidal prefabricated fractures, and the monitoring of weak planes should be strengthened in the actual slope engineering.

1。介绍

露天矿山的倾斜的岩体通常有大量的不规则结构的飞机,其中骨折尤其对岩体的物理力学特性至关重要。岩体的剪切破坏力学性能是一个重要的指标,广泛用于研究岩石工程的稳定性。在边坡工程中,岩体滑坡的通常是斜坡的剪切强度密切相关,与各种骨折、关节,夹层,滑动表面,在岩体和错误。岩体滑坡的过程中,骨折的物理和力学性能起到至关重要的作用在开始破裂,扩张,和损害,边坡的稳定性也是一个露天矿山的安全生产的先决条件。因此,研究断裂的影响机制是至关重要的几何图形在破碎岩体剪切破坏探索工程岩体的稳定性(1- - - - - -3]。

岩体的材料和结构力学性能发挥决定性的作用,岩体破坏定律(4- - - - - -8]。常见的岩体结构面剪切破坏模式在实际工程如下:滑动破坏大坝基础(5),不稳定滑动的倾斜的低应力下的岩体6),灾害造成的静态力,断层上地震(7,结构面下滑岩石破裂压力高(8]。

因此,剪切破坏的力学性能和失效的法律结构岩体的飞机高度重视岩石力学。学者们研究他们使用室内剪切试验和数值模拟的方法9- - - - - -15]。李等人用水泥砂浆和不同波形高度(锯齿形骨折16,17]。直接剪切试验进行分析剪切破坏力学性能和失败定律锯齿形骨折不同波形的高度。Zhang et al。18)也用水泥砂浆生产常规zigzag-fracture标本不同波形的高度。不同的剪切试验研究了影响标本的正常压力衰竭机械性能。

外国学者也研究了锯齿形骨折。巴顿提出一个公式计算的抗剪强度zigzag-fracture标本(19),有相当大的局限性。只有极端州高/低正常应力下可以调查,和标本的失败不能表达下温和的正常压力。张等人PFC使用二维(离散元颗粒流软件)标本上的数值模拟具有不同结构面值分析了异质结构强度各向同性的特点和飞机(20.]。诉Sarfarazi PFC等人使用二维研究了失效模式下的广场和两个水平骨折标本剪切作用[21]。失效模式主要受关节的重叠,而抗剪强度失效模式密切相关。

目前,研究不规则骨折在室内剪切试验和数值模拟主要是考虑常规的锯齿形骨折。大量的正弦骨折存在表面的断裂的露天矿边坡岩体的实际工程,例如,河北Heishan铁矿,Xigou石灰石矿山采场边坡,粤宝露天矿。因此,工作预制岩体与正弦骨折和不同波形高度剪切测试。测试结果有一定的参考露天矿山和其他项目的安全。

2。材料和方法

2.1。样品制备

在该测试中,砂岩作为样品材料,预制裂隙的岩体的几何尺寸是100×100×30毫米。SK7740数控sand-wire-cutting机被用来准备正弦骨折,骨折的波形的高度是5,10,15日(请参见图20和30毫米1)。


图1
骨折标本不同波形的高度。
2.2。测试设备和加载条件

TFD-20H / 50 j岩石剪切试验机用于测试(见图2),首次应用于正常负载标本。负载应用于0.5 kN的位移控制3毫米/分钟,然后应用到3 kN的负载控制0.1 kN / s。法向应力一直稳定在3 kN,切向应力加载的加载速率0.5毫米/分钟。


图2
岩石的剪切试验机。

DIC设备被用来监测标本预处理后的表面变形分析标本在剪切过程的变形性质。试样的表面标志是前DIC测试。首先,喷一层均匀的白色底漆的样本,然后喷雾均匀不规则分布的黑色油漆斑点。CCD相机是用来监控散斑图像的位移变化的标本在剪切过程中。图像采集率为23帧每秒,这是用于获得的瞬时过程剪切标本的失败。测试后,监控图像采集卡输入计算机进行数据处理。应变的监测范围可能达到0.005 - -2000%,可以满足监测需求的剪切测试。Surface-marked标本呈现在图3监控DIC。

(一)
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图3
标记后的标本。(一)5毫米的波动。(b) 10毫米的波动。(c) 15毫米的波动。(d)波动的20毫米。(e) 30 mm的波动。

3所示。结果与讨论

3.1。分析剪切Stress-Shear标本直接剪切下的位移特性

工作分析的标本prefabricated-fracture波形的高度5和30 mm由于手稿的长度限制分析剪切stress-shear标本直接剪切下的位移特性。细节如下。

图4显示了剪切stress-shear位移曲线的标本prefabricated-fracture波形下5毫米的高度直接剪切试验以及骨折的开发过程。剪切stress-shear位移曲线的特点分为四个阶段:fracture-compacting阶段,线弹性变化的阶段,自底向上的阶段,残余强度阶段。每个阶段的属性如下。


图4
剪切stress-shear位移曲线波形的标本5毫米的高度。

Fracture-compacting (ab)阶段:剪切stress-shear位移曲线是向上凹的。剪切位移的增量随剪切应力的增加,表明预制骨折标本和内部好原来的骨折和紧凑的剪切应力下关闭。

线弹性变化(bc)阶段:剪切stress-shear应变曲线提出了一种直线形状和遵循胡克定律。与剪切应力增加,骨折1和2在压力下发生并逐步扩展(参见数据4(a)和(b))。自产生的微小骨折并不足以减少样本的整体抗剪强度,剪切应力继续增加。

自底向上(cd)阶段:此阶段的特征是标本的剪切应力减小的趋势,然后增大。点的应力值d大于点吗c,这表明观点d的峰值剪应力标本。增加剪应力使骨折不断扩大,导致局部损伤标本;因此,剪切应力降低。然而,当地的损害并不足以减少整体承载能力,和标本仍然有很高的承载力。因此,剪切应力的标本继续增加。图4(e)显示新的骨折,出现在标本和发展在这一过程中。

残余强度阶段(de):骨折在剪切应力下进一步扩大在这一时期。损坏发生在预制正弦骨折,导致大规模骨折互相渗透和标本失去大部分的承载力。这时,标本的强度是由内部摩擦力和图4(f)显示了最终失败的标本。

图5显示了试样的剪切stress-shear位移曲线与prefabricated-fracture波形高度30 mm的直接剪切试验以及骨折的开发过程。根据剪切stress-shear位移曲线的性质,它分为五个阶段:fracture-compacting阶段,线弹性变化阶段,第一和第二自底向上的阶段,残余强度阶段。


图5
剪切stress-shear位移曲线波形的标本30毫米的高度。

Fracture-compacting (ab)阶段:剪切stress-shear位移曲线是向上凹的。剪切位移的增量随剪切应力的增加,表明预制骨折标本和内部好原来的骨折和紧凑的剪切应力下关闭。

线弹性变化(bc)阶段:剪切stress-shear位移曲线提出了一种直线形状和遵循胡克定律。骨折的发生和扩大。在图5(a),骨折1,2,3,4,5发生大范围的扩大,由于压缩剪切应力波形高度。

1圣自底向上(cd)阶段:这一阶段是类似于自下而上的阶段波形5毫米的高度。然而,标本30 mm的波形高度曲线下降后上升。图5(c)显示,当地骨折发生在顶部和正弦骨折,这降低了承载力和下降曲线。然而,骨折很小,没有主要的渗透。还有一个强大的承载能力,所以继续上升的曲线。

2nd自底向上(de)阶段:这一阶段是不同于1圣自底向上的阶段,其底部和部分位于后剪切应力峰值。骨折的进一步扩张和渗透,加强正弦裂缝的顶端附近的挤压作用导致整个标本的一部分受到损害。结果,样品不稳定,发生剪切破坏,减少剪切应力瞬间。然而,变形图显示,受损的样品仍然有挤压作用下承载力和摩擦,从而增加剪切应力。

残余强度阶段(ef):剪切应力下的裂缝扩展和渗透,标本的整体实力是严重影响并最终销毁。在数据5(f)和5 (g),骨折9和10穿透,所以做骨折11和13,大大影响标本的整体实力,标本是逐渐损坏。

剪切stress-shear标本不同波形的高度的位移曲线(见图6)是用于探索预制裂隙的影响与不同波形高度剪切效应的标本。在剪切作用下,骨折的萌生和扩展是反映在剪切stress-shear位移图,和剪切stress-shear位移曲线表明,砂岩与预制骨折标本不同波形高度经历fracture-compacting阶段,线弹性变化的阶段,自底向上的阶段,残余强度阶段。在第一个自底向上的阶段,它从一个相对较小的应力值达到峰值强度。达到峰值强度之前,预制裂隙的岩体经历一个短暂的局部破坏,这几乎没有对标本的整体实力的影响。岩体仍有强烈的承载力。


图6
剪切stress-shear位移曲线的标本骨折有不同的波形的高度。

第一减少剪切应力可以提供早期预警的失败和随后的岩体的不稳定性特征。根据剪切stress-shear位移曲线,分析剪切应力不迅速降低到最小值标本后达到峰值强度。相反,它通过多个自底向上的阶段,进入一个稳定的阶段,表明样品仍然有一定的强度峰值强度后,能保持一定的承载力。

3.2。裂缝延伸过程直接剪切试验的标本

图7显示了标本的fracture-expansion过程时的波形高度预制裂缝是5毫米。剪切应力下,裂缝发育的位置是预制裂缝内的应力集中区域。图71 (a)表明,断裂发生在底部的正弦骨折并扩大沿着山坡中间的下一个倾斜的骨折。剪切加载的初始阶段,主力方向的标本大约是平行于坡面,容易失败。同时,骨折2进一步扩大与剪切应力的增加,剪切应力平行。最终穿透预制裂缝的尖端和遭受失败(见图7(b)和7(c))。预制裂缝有重大影响的裂缝延伸方向标本。

(一)
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(b)
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(c)
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(e)
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(f)
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图7
标本的失败过程的波形高度DIC监控下5毫米。

然后发生骨折3,它的位置是远离骨折1和2。应力集中出现,开始破裂的开始。骨折3和预制裂缝穿透与剪切应力增加。与此同时,预制裂缝4连接部位的骨折1,2,3也会发生和迅速扩张(见图7(d)和7(e)),因为骨折互相渗透。最后,四个骨折完全扩张和渗透,和样品遭受剪切破坏。图7(f)显示了最终的失败。

图8显示了标本的fracture-expansion过程时的波形高度预制裂缝是10毫米。裂缝发育的位置仍然是预制裂缝内的应力集中区域。然而,相比之下,5毫米的标本以波形的高度,在应力集中部位有明显的区别。挤压效应的预制裂缝更加强烈和应力集中更明显是由于剪切过程的“攀爬”效应。因此,骨折1扩大预制裂缝的顶端的标本在压力下,也和骨折2扩展(参见图8(一)和8(b))。随着剪切应力逐渐增加,骨折3和4也发展。然而,数据8(c)和8(d)显示骨折3和4都发生正弦断裂的顶部和扩大中间,平行的波方向正弦骨折。同时,骨折3和预制裂缝相互渗透的影响下骨折2,所以标本失去承载能力的一部分。正弦剪切作用下裂缝的发展中起主导作用,扩张和渗透的骨折标本。

(一)
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(b)
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(g)
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(h)
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图8
标本的失败过程的波形高度10毫米DIC的监控之下。

剪切应力的作用,发生骨折5从底部的正弦骨折和扩展到中间,一样的扩张特征骨折3和4。此时,标本已经失去了大部分的承载力(见图8(e)和8(f))。最后,骨折6和7逐步发展到标本的失败以同样的方式(见图8(g)和8(h))。

上面的裂缝延伸过程显示,当波形预制裂缝是10毫米,高度平行裂缝的发展方向主要是正弦的“攀爬”部分断裂。这是标本的失败的主导方向,这个方向的监控应加强在实际边坡工程。

图9显示的fracture-extending过程波形的标本15毫米的高度。骨折1和2仍然发生应力集中区域中间的正弦骨折,骨折3也生成的标本(见图9(a))。与剪切应力逐渐增加,骨折4、5、6扩大(见图9(b)和9(c))。上述三个骨折的中下游地区正弦断裂和发展垂直于断裂,这大约是平行剪切方向。的正弦波形高度的增加裂缝变化的方向软弱岩体的飞机。这时,骨折1和2相互渗透压力,形成渗透骨折,从而影响试件的承载力。从顶部的正弦骨折发生后,中间的裂缝的发展,逐步渗透现有骨折。一些次要的裂缝也发生在标本。最后一个标本是剪切应力下的损坏(见图9(f) -9(h))。

(一)
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图9
标本的失败过程的波形高度15毫米DIC的监控之下。

图10显示了标本的fracture-expansion过程的波形高度20毫米的预制裂缝。应力集中区域的裂缝发展。骨折的发生和扩大从预制裂缝中间,和一些也结束时生成的标本。与剪切应力增加,骨折1,2,3,4,5,6,7发生和扩大从裂缝内的应力集中区域;骨折8出现的标本(见图10(a))。在剪切应力下,骨折1和2,骨折3和4,和骨折5和6进一步扩大,相互渗透。

(一)
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图10
标本的失败过程的波形高度20毫米DIC的监控之下。

骨折7还与预制裂缝穿透,试样的强度的影响(见图10(b))。然后,预制裂缝的尖端部分破坏,和骨折9月底发生标本和预制裂缝穿透。产生后,骨折10穿透裂缝6剪切应力下(见图10(c))。多发性骨折逐渐相互渗透压力。骨折12、13和14发生和扩大,和骨折12和13快速扩展后互相渗透;骨折5和10还渗透。这时,试样的剪切阻力大大减少(见图10(d)和10(e))。最后,骨折11与预制裂缝穿透。样本生成大量的微小裂纹,最终导致失败的标本(见图11(f) -11(h))。

图11显示了试件的裂缝延伸过程的波形高度30 mm的预制裂缝。波形的高度是最大的探索工作。数据11(一)和11(b)显示附近的骨折发生的正弦预制裂缝和扩展到另一端。当波形高度增加时,齿尖附近的应力集中是更明显的剪切过程,承载力较弱。因此,它使首先断裂。骨折1,3,4,5,6,7,8,9来自内部预制裂缝的应力集中区域。骨折2生成和10个左右的标本,分别与预制骨折和骨折2迅速渗透,导致部分标本的失败。骨折的扩展方向是垂直于预制裂缝(见图11(一)和11(b))。

(一)
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(g)
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图11
标本的失败过程的波形高度30 mm DIC的监控之下。

与剪切应力增加,骨折8和10之间逐步形成渗透路径和预制裂缝,和骨折发生11和12,扩大(见图11(c))。骨折11生成二次骨折13和穿透预制裂缝(见图11(d))。骨折5和6,和骨折骨折5和9日11和13渗透压力。根据应力云图、骨折5、9、11和13位于应力集中区域。这时,严重影响试样的强度,和一个新的骨折发生(参见图1411(e)和11(f))。最后,剪切应力下的标本损坏(见图11(g)和11(h)结果)。

总之,预制波形高度的增加骨折,骨折扩大从预制裂缝内的应力集中区域的应力集中区域和标本的结束。与波形的标本5和10毫米,骨折只发展预制裂缝内的应力集中区域。标本的波形高度15、20和30 mm,骨折发生和扩展的标本除了应力集中区域。波形高度增加,裂缝扩展从平行的斜率预制裂缝垂直于预制裂缝。标本的波形5毫米的高度,裂缝延伸方向平行于预制裂缝的斜率。

对于那些波动高度10 15 20和30毫米,大约fracture-expansion方向垂直于预制裂缝。骨折与波形上升高度增加。基于DIC监控、标本的波形高度5,10,和15毫米4、7和11个骨折,分别;当波形高度20到30毫米,分别有15 - 14骨折。虽然预制裂缝变化的波形高度,从中间裂缝扩展的预制裂缝表面的斜率。这个方向是主要的断裂方向的剪切破坏正弦预制裂缝,应加强和弱者的监控飞机的实际边坡工程。

4所示。结论

以砂岩为研究对象,进行正弦骨折的直接剪切试验与不同波形的高度来研究影响波形高度的剪切stress-shear sinusoidal-fracture标本和fracture-evolving过程的位移特征。得到了以下结论的比较分析结果:(1)在剪切试验,prefabricated-fracture砂岩标本与不同波形高度fracture-compacting阶段,线弹性变化的阶段,自底向上的阶段,残余强度阶段。(2)在剪切作用下,岩体与不同波形的正弦预制裂缝高度降低应力峰值强度之前的前兆特征。然而,它没有影响标本的整体实力,所以不稳定的特性可以用于早期预警和岩体的失败。峰值后,试样的应力出现几次在自底向上的阶段,最后进入了一个稳定的阶段,表明样品失败后仍有一定的承载力。(3)正弦波形高度的裂缝显著影响骨折标本的萌生和扩展。裂缝发生和发展的预制裂缝波形高度低(≤10毫米)以多种方式在一个较高的波状的高度(> 10毫米);即断裂发生在预制同时断裂和标本的结束。波形高度增加,裂缝扩展从平行的斜率预制裂缝垂直于预制裂缝。(4)总的来说,岩体的断裂发展不同波形的正弦骨折山庄有共性。即从中间断裂扩展的斜率预制裂缝,主要断裂方向的剪切破坏的正弦预制骨折。在实际的边坡工程,应加强监测薄弱面。

数据可用性

使用的实验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

支持的工作是高等教育教学改革研究和实践项目的河北省(批准号2021 gjjg364),廊坊师范大学的主要项目(批准号K2018-03),中国河北省自然科学基金(批准号A2021408004),河北教育部门和科技项目(批准号QN2020140)。