文摘
机械三维裂纹扩展行为和聚结了如磐石般坚韧的材料在单轴压缩下。研制了一种新型透明如磐石般坚韧的材料和一系列的单轴抗压测试低温透明树脂材料与既存的3 d缺陷在实验室进行,与桥角的变化值(倾向之间的内部技巧两个先前存在的缺陷)标本的先前存在的缺陷。此外,理论峰值强度的预测三维裂纹合并。结果表明,聚结模式标本的不同根据不同桥角度。和理论峰值强度预测同意与实验观察。
1。介绍
大多数elastic-brittle材料包含不同模式的缺陷。一般来说,脆性材料的力学行为可能会影响到微机械行为的缺陷。裂缝的发展取决于裂缝的属性如大小、位置、取向、和加载条件。裂纹的传播起着至关重要的作用在预测岩石的破碎过程标本(1- - - - - -12]。通常,断裂表面垂直于最大拉应力方向。开发的实验和理论研究表明,微裂隙在不同的方面,如拉伸裂缝,裂缝混合物(拉伸裂缝和剪切裂缝)和剪切裂缝,并关闭了,摩擦滑动,粒间传播,扭结传播(13- - - - - -15]。在脆性材料的裂纹演化过程包含先前存在的缺陷,通常是两种类型的裂缝观察,翼裂纹源自的先前存在的缺陷和二次裂纹。翼裂纹通常是由紧张引起的,而二次裂纹可能会由于剪切16]。翼在岩石裂缝起始对次生裂缝是有利的,因为较低的韧性材料的张力比剪切(17- - - - - -20.]。主要预期,裂纹萌生遵循的方向平行于最大压缩载荷(21]。许多实验已经进行了研究裂纹萌生,传播路径,并最终合并先前存在的缺陷的标本制成的各种物质,包括自然岩石或如磐石般坚韧的材料拉伸和压缩载荷下4,22- - - - - -24]。
从实用的角度来看,几乎所有的岩石工程项目涉及,在某种程度上,建筑的结构或岩体,其中包含不同类型的缺陷。随着地下发掘进展到更深和更复杂的地质环境,最终和终极限制开采深度(24]。Excavation-induced宏观尺度骨折,如屋顶秋天,侧壁板,和岩石破裂25- - - - - -29日),侧墙发生广泛的地下工作面。对失效模式的理解在蛀牙脆性岩石在压缩加载条件下变得越来越重要在搜索解决方案工程遇到的问题。
岩石断裂传播导致失败是岩石力学研究的一个非常重要的话题。大量的研究已经完成二维模型板与先前存在的缺陷。裂纹萌生、传播和聚结在岩石力学学科深入彻底的调查,从理论上和实验上。第一个理论研究的发展现有的二维缺陷提出了格里菲思(30.,31日]。格里菲思(30.)进一步介绍了临界能量释放率的概念和裂纹尖端的应力强度因子()。有关岩石力学领域,许多实验研究进行探讨裂纹萌生,传播和交互(1- - - - - -12,32,33]。大量的研究已经完成在二维(2 d)模型板throughgoing先前存在的骨折,但众所周知岩体包含一些有限大小的缺陷(三维(3 d)缺陷)现有的内部或表面的岩石材料。在岩石实验方面,由于岩石材料的最大,很难跟踪起始,传播和互动岩石内的骨折。也就是说,裂纹扩展分析基于2 d模型可能并不真正反映真正的失败的属性。一些研究已经完成在3 d标本5,34- - - - - -46]。在现实中,先前存在的骨折在本质上是3 d的。
最近,一些实验显示三维裂纹演化进行了调查在香港理工大学岩石力学实验室。样品准备的实验包括各种真实的岩石,PMMA,水泥、石膏、树脂样品。所有样本包含一个先前存在的缺陷(40- - - - - -44]。根据这些实验,wink裂缝和花瓣裂缝开始从先前存在的缺陷的PMMA和大理石样品,和似壳的裂缝出现的缺陷的建议有时上面所提及的两种材料。同时,antiwing裂缝(相反翼裂纹)诱导从先前存在的缺陷在一定距离的技巧在压应力区辉长岩标本(42,43]。刘等人进行了一系列的实验测试,以研究三维裂缝传播的一个表面缺陷条件下的双轴压缩(44),3 d声发射(AE)使用定位系统42,44]。
然而,以往的研究大多是集中在裂纹萌生的机制和实验,根据二维裂缝传播和交互。尽管取得了一些重要的结果,有一些研究成果和真相之间的偏差由于材料本身的性质,传播的机制和联合3 d内部缺陷仍不清楚,直到现在,也没有现有的三维裂纹演化的理论解释。
因此,我们尝试给一个更精致的模式研究三维裂纹萌生,传播,透明材料的聚结像岩石。先前的研究的基础上,本文中使用的造型材料改进的随机嵌入透明树脂材料,某些聚合物的不同尺寸,然后异构透明材料是获得并成功地处理各向同性的透明材料的缺点。实验研究表明,新开发的透明的非齐次材料特性接近真正的岩石,岩石内部裂纹的研究,无疑是非常有益的。由于材料的脆性和透明度,内部裂纹增长清晰可见。材料的裂纹扩展包含两个先前存在的缺陷进行单轴压缩下,岩桥的角度变化,和岩桥区域定义如图1;不同模式的裂纹合并标本中观察到3 d先前存在的缺陷。本文的另一个主要目的是预测透明的峰值强度如磐石般坚韧的材料包含先前存在的缺陷。
2。样品制备和实验技术
样品制备和实验技术的讨论包含三个部分。第一部分是透明的铸造树脂造型材料的准备;第二部分是先前存在的缺陷样品的设计;第三部分是关于测试装置。
2.1。制备透明铸造树脂造型材料标本
在实验中,一个新的不饱和树脂被用来做标本;六十透明如磐石般坚韧的平行六面体样品准备和截面尺寸50 mm×50毫米和100毫米的高度。云母板是固定在模具通过细棉根据所需的角度。液体的精确计算比率树脂注入模具云母板固定。一些不同粒径的骨料随机嵌入透明树脂材料在铸造的过程中树脂材料建模。在室温下24小时,标本从模具取出。炉上烤后反复3 - 5次,每次烘焙时间约30分钟,标本是冻结−30°C,然后这个材料很脆,没有快速移动变形,线性应力-应变行为其burst-like骨折。机械性能评估测试期间如下:杨氏模量= 7.553绩点;单轴抗压强度= 93.488 MPa;断裂韧性= 0.6 MPa·m1/2。
2.2。先前存在的设计缺陷
云母薄膜(0.1毫米)的厚度是用来模拟内部先前存在的缺陷在铸造和由棉线在模具;它可以代表一个本机开放骨折的岩石小刚度比铜。大小的椭圆长轴是先前存在的缺陷12毫米,短轴8毫米。槽的位置和方向是预定给裂缝的倾向()和不同的岩桥角()之间的相对倾斜裂缝。为了以后的讨论,缺点是贴上1、2。使用三种不同的桥角度在这项实验中,60°、85°和110°,以及集成的物种。因此,我们可以调查沿着不同的岩桥的裂缝聚结角,如图2。
2.3。试验装置
进行单轴压缩试验和rmt - 150 b多功能自动刚性岩石伺服材料试验机(图3)。采用位移控制模式在这个实验中随着负载的方法。标本加载失败至少加载速度0.01毫米/秒。加载系统记录的值加载、位移等参数和荷载位移曲线的瞬间。摄像头连接到显微镜和图像都是瞬间转移到电脑里,以便可以分析裂纹演化的过程后方便测试。
(一)
(b)
(c)
3所示。结果和分析
三种类型的模型包含不同的岩桥角度进行测试调查3 d断裂模式的发展。以下三个部分描述裂纹萌生,传播,透明树脂材料的聚结与既存的3 d裂缝。第一部分是一般实验观察;第二部分是不同的模型的裂纹合并标本包含不同的岩桥角度;第三个是3 d的峰值强度既存缺陷标本。
3.1。一般的实验观察
标本双先前存在的缺陷是有经验的压力弹性变形的过程,裂缝扩张,脆性破坏,残余强度。标本的聚结与岩桥的角度。
现在试样的裂纹扩展过程岩桥角度85°是详细描述。根据加载记录和图像获得在加载过程中,第一阶段是密集的阶段然后弹性变形的压力;当压力达到约50%的峰值强度、裂纹萌生第一次作为一个突然出现的内部技巧先前存在的裂缝1形式的跳跃,一半预制裂纹轴的长度;翼裂纹如图的典型模式4(一个)。然后包装翼裂纹开始在既存的缺陷边界曲线。当压力达到约60%的峰值强度、裂缝出现的技巧2突然,先前存在的缺陷长度和轴的长度大致相同。随着荷载增加,翼裂纹走出低的先前存在的缺陷1和2上先前存在的缺陷和生长在一个稳定的方式;后,不同于二维裂纹生长的结果,antiwing包装裂纹(翼包装裂纹的生长方向是相反的)从先前存在的缺陷诱导2,但日益增长的长度是有限的,只要短轴长度的三分之一。同时,翼裂纹,分别从上部的先前存在的缺陷2和低的缺陷1越来越朝着对方而不是合并。当应力达到峰值强度的70%左右,一种小张力裂缝出现在岩桥地区的中间部分;最终二次裂纹的增长和翼裂纹的传播导致裂纹引起的聚结先前存在的缺陷。当压力达到约75%的峰值强度、裂缝开始增长1上先前存在的缺陷。当压力达到约90%的峰值强度、裂缝出现在无裂隙带和正迅速增长结合裂缝诱导的先前存在的缺陷。当压力下降约20%的峰值强度、颗粒之间的有效轴承负荷面积逐渐减少,试样最终损害,如图4(一)和4(′)。
裂纹的早期进化的标本和岩桥110°角几乎没有区别的岩桥角度85°。包装翼裂纹从所有的内部技巧先前存在的缺陷。所不同的是,无二次裂纹产生在该地区的岩石桥过程中裂纹增长,但最终的断裂是由于翼裂纹增长。也就是说,改变岩桥的角度会产生不同的裂纹合并模式。如数据所示4(b)和4(b′),装船时,翼裂纹开始向加载方向的曲线,和翼裂纹起着至关重要的作用在岩石断裂。
早期裂纹扩展模式与桥60°角像岩石标本的角度85°和110°;翼裂纹出现裂纹的内在和外在技巧1和裂缝2长轴一个接一个。当压力达到约70%的峰值强度、内部技巧的次生裂缝出现裂缝1和裂缝2,分别。随着荷载增加,当压力达到约70%的峰值强度、裂缝增长迅速,并开始在岩桥区域合并。最终他们破坏和剪切破坏的表面形式,如图4(c)和4(c′)。
一般来说,大多数裂缝开始出现第一个内部技巧的先前存在的缺陷;然后增长遵循外部技巧的先前存在的缺陷,但是一些裂缝起始按照相反的顺序发生,经济增长的内在裂缝发起技巧之后的外在技巧。裂缝外的技巧的发展速度比,观察到内心的技巧。岩桥地区裂缝的类型可以表现为剪切、拉伸,或者混合裂纹合并的两种模式。剪切裂缝开始在两个不同的方向:共面或quasi-coplanar和斜缺陷43]。将出现在下一节中详细讨论。
4所示。岩石裂纹合并桥地区的模式
在2 d模式下,黄和洲46)认为,有三个岩桥地区的合并模式。sandstone-like材料的裂纹合并模式包含两个平行斜单轴压缩荷载作用下摩擦裂纹如图5。影响裂缝的可能方向的角色包括先前存在的裂缝的倾角值,桥角和摩擦系数表面上的两个先前存在的裂缝。裂纹合并发生时,三个主要类型的裂缝可以确定岩石桥面积:翼裂纹,拉伸性质;次生裂缝,主要是剪切性质和通常平行于先前存在的裂缝;混合剪切/拉伸裂纹合并。总之,三个主要模式如下:s模式(剪切裂纹合并),M-mode(混合剪切/拉伸裂纹合并),和W-mode(翼拉伸裂纹合并),可以看到在图5。根据装运记录,我们的兴趣是放置在岩桥地区合并模式。当桥角度85°,当应力达到峰值强度的70%左右,一个小二次裂纹出现在岩桥地区的中间部分;最终二次裂纹的增长和翼裂纹的传播导致裂纹引起的聚结先前存在的缺陷。我们可以看到数据4(一)和6(一)的模式,对比2 d裂纹合并后,王菲,什么时候= 30°,= 85°,观察相似情况如图5 (b)。模式是M-mode(混合剪切和拉伸裂纹合并)。岩桥角为110°时,在单轴压缩荷载下,翼裂纹开始从先前存在的裂缝和成长。翼裂纹裂纹的内在提示1向下传播到外的裂缝2;同时,翼裂纹从外的裂缝2向上传播的内部裂纹的1。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(一) ,
(b) ,
(c) ,
然而,标本失败由轴向分裂而不是局部聚结失败。如数据所示4(b)和6 (b)的合并模式,比较二维裂缝诱导黄提出的,如图5 (f),这种裂纹合并模式W-mode(翼拉伸裂纹合并)。岩桥角约60°时,翼裂纹成核在内部和外部的先前存在的裂纹通常先发生,但在机翼裂缝进一步传播,二次剪切裂缝两缺陷成核在内心的技巧。二次裂纹成核的技巧问题。这些次生裂纹的传播导致岩桥地区剪切合并而翼裂纹蔓延到标本的边缘,如图4(c)和6 (c)最终,形成剪切破坏面。这种合并主要是诱导的高剪切应力集中区域的桥梁。我们的观察表明,当两个先前存在的主要裂缝一致时,剪切先前存在的裂缝之间的相互作用成为主导。与聚结的2 d模式相比裂缝诱导黄提出的,在数字4(c)和6 (c),这种裂纹合并模式s模式(剪切裂纹合并),但也有一些差异,主要是剪切应力诱导作用,但拉伸的影响不容忽视。
5。峰值强度试样的缺陷
岩石峰值强度预测包含先前存在的缺陷在这一节中讨论。阿什比和哈勒姆提出的模式47是就业。阿什比和哈勒姆得到以下近似翼裂纹增长,有核从先前存在的斜裂缝的长度标本时单轴抗压强度: 在哪里单轴抗压强度,角度测量的吗方向的主要表面缺陷(),的长度是先前存在的缺陷,缺陷密度被定义为(每个区域的缺陷数量吗)。尽管严格来说(1)是对多个初始缺陷的情况下,发现它还可以使用包含两个缺陷的标本。因此,单轴抗压强度峰值有缺陷的样品可以估计黄和洲46]: 在哪里摘要断裂韧性(= 0.6 MPa·m1/2对于我们的建模材料),(的最大可能值合并翼裂纹的长度,然后呢是两个缺陷之间的距离),主要是摩擦系数沿剪切裂纹;的方向的剪切裂纹成核翼裂纹是最有利的。
本文包含两个缺陷试样的初始缺陷密度(;请注意,,= 0.05米×0.10米= 0.004美元)。归一化峰强度的预测通过使用(2)表中列出1;此外应力和应变之间的关系的实验结果与不同的岩桥角度比较(见图7)。在(1),前者公式的一部分, 方程(3)是由阿什比派生和哈勒姆,模式1应力强度因子的近似表达式在翼裂纹的尖端,翼裂纹成核从先前存在的斜裂缝的长度当固体受单轴抗压强度。
如果峰值强度预测,裂纹相互作用和聚结必须纳入分析。用梁理论,以下是由于裂纹相互作用用梁理论,我们可以看到从之后的部分(2),写如下: 结合(3)和(4)给总应力强度因子翼裂纹的裂纹的相互作用。方程(3)完成了弹性理论的裂缝。但是,众所周知,岩石材料可以成为塑料压应力足够大。当一束厚度和深度受到轴向应力和弯矩时,它开始产生最大表面应力达到屈服强度。因此,应力强度可以写成一个额外的贡献(4)。但如图7、透明树脂材料经历弹性变形居多;它受轴向压缩载荷,但没有明显的弯曲。换句话说,应力-应变曲线是典型的脆性行为:非线性应变峰值强度之前是相当小的,和阻力急剧下降。所以梁的影响可以忽略不计,方程可以应用研究(3)。然而,一些修改了方程;也就是说,当,应该被应用。峰值强度的实验观测和理论结果样本如表所示1。
使用Ashby-Hallam预测模型(46),这是在前一节中描述,在这里提出了比较,如表所示1;很明显看到预测理论峰值强度同意与实验观察,但仍存在一些偏差在修改模型。例如,强度趋势并不完全同意实验结果。此外,Ashby-Hallam模型不应该应用没有修改先前存在的缺陷的倾向和修改,未来需要更多的详细的分析。
6。结论
本文实验结果的三维裂纹扩展和聚结机理以及透明的峰值强度如磐石般坚韧的材料包含先前存在的缺陷提出了单轴压缩下。在这项研究中使用的标本是冰冻的透明树脂材料制成,不同的岩桥角度;以下发现:(我)它可以观察到聚结在3 d缺陷与不同的岩桥角度可以被称为剪切模式,混合模式(拉伸模式和剪切模式),和翼拉伸模式。当倾角和摩擦系数,聚结模式是由不同的岩桥的角度。当、剪切模式发生聚结;当混合模式发生聚结;当翼拉伸模式合并发生。然而,更多的3 d需要进行了实验和理论研究。(2)缺陷的存在大大降低了试样的抗压强度,和存在的裂缝使峰值强度降低。三维裂纹的单轴强度峰值预测Ashby-Hallam [46)与实验结果比较好。和有一些修改的模式。然而,进一步的修改应该给一个更好的预测峰值强度。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
作者感谢的支持这项工作由中国自然科学基金会(号。51404095,51379065,41272329),973年中国国家重点基础研究计划(2011 cb013504),河南省高校,深矿井的建设开放重点实验室开放基金(2013 kf-06),河南省教育部科学技术研究项目(13 b560040),和科学研究基金会的河南理工大学,博士(b2011 - 105)。