单轴压缩力学性能软、硬复合地层的岩石样本

文摘

在上软下硬复合地层,很难在岩石样本和测试样品的力学性能。相似材料的力学性能的研究样本通过人工制造可以使另一种方法来解决这个问题。因此,人工样品制备和测试的可行性复合地层的岩石样品的力学性能成为研究解决的关键力学性能上软地层和下硬复合地层。为此,人工合成样品由两种材料组成的不同优势利用水泥和高岭土为类似的材料。通过人工复合岩石样本的单轴压缩试验,强度的影响比类似的材料和厚度比高强度材料复合试样的力学性能进行了分析。单轴压缩试验的结果表明,人工相似材料可以用来模拟复合岩石样本困难样本。不考虑结构的界面效果,类似材料的强度比越大,影响越大的整体实力复合标本。高强度材料的体积比例的变化对复合材料的整体实力有重大影响的标本。此外,数值模拟和实验应力-应变曲线表现出类似的趋势,表明复合地层的变形主要发生在柔软的部分。研究结果可以提供参考的力学性能测试和分析类似的复杂地层取样与困难。

1。介绍

随着地下工程的发展,上软下硬复合地层将不可避免地遇到1- - - - - -5]。这种地层往往是由于地质运动和不同程度的风化。上部是弱风化程度较高的地层,下部是硬地层风化程度较低(6]。在地下工程是建立在这种复合层,它将导致工程围岩应力不均匀等灾害崩溃由于施工措施不当或其他潜在的风险1]。

对复合地层的研究主要集中在隧道的建设(2,7- - - - - -10和煤矿11- - - - - -13]。有很多研究隧道力学和隧道开挖变形控制的复合层。由于复合形成的力学性能的影响,施工的大跨度电台上软下硬地层往往是研究的焦点(3- - - - - -6]。然而,很难获得的计算参数组合形成时进行数值计算和分析,需要通过岩石力学测试。此外,一些学者已经讨论了隧道建设上软下硬地层和围岩的应力和施工变形模型试验(8]。此外,盾构隧道穿越软硬复合地层是相似的。进行稳定性分析可以通过大规模的模型试验(7,14),但是这个方法很困难和不经济的。因此,它是最可行和经济研究方法获得复合形成的力学性能通过岩石力学测试。

在现有的研究中,发现很难进行复合地层取样。因此,在煤炭开采的机械试验,研究复合煤层采用手工样品制备的方法,主要目的是使煤岩复合标本研究其力学性能。样品的下部是煤,代表软弱的部分;上部是岩石,代表最高(11- - - - - -13,15]。此外,复合岩体的接触区也进行了研究。通过压缩试验,发现岩体的力学性能在接触区减少,和塑料的巷道围岩的接触区增加压缩条件下(9]。然而,复合层在煤炭矿区不同于一般地下工程。因此,煤炭矿区复合形成的规则不能直接应用于地下工程的建设,但这个实验研究方法可以采用。由于难度上软下硬岩取样的复合层,它可以发现没有相关软、硬地层的岩石样本测试隧道的围岩。它是一种有效的方法来研究岩石样品的力学性能的复合层通过人工采样基于复合地层样品的力学性能的测试方法在煤矿区。越来越多,声发射的方法16)结合传统的单轴压缩试验(17,18)可以帮助获得更多的数据有利于力学性能的评价。

摘要复合岩体的力学性能在软、硬复合地层进行了研究。水泥和高岭土作为类似的材料进行复合标本由两种不同强度的材料。强度的影响比类似的材料和厚度比高强度材料的综合力学性能的单轴压缩试验的标本进行了研究。此外,应用FLAC3D数值模拟的实验结果进行了比较。

2。材料和方法

2.1。实验方案

在这个实验中,复合地层的力学性能在不同摘要层比率进行了讨论。以软、硬层的厚度为变量,它可以分为五种类型:软岩:硬rock-1: 0, 1: 3, 1: 1, 3: 1和0:1,也就是说,根据高强度材料的体积比例,0%,25%,50%,75%,100%的样品制备。很难使自然和完整复合地层样品。这一次,人工物理模拟样品用来代替天然岩石样本。模拟样品均匀,并可能被视为各向同性对象。

2.2。样品制备

为了反映类似的强度不同材料和实验操作的方便,32.5网水泥和4000网选择纯白色高岭土为原料准备标本。强度的差别反映通过改变原材料的比例。90%的水泥和10%的高岭土被认为是坚硬的岩石样本。水泥和高岭土每个占50%可以被视为软岩石样本。之间的差异的软、硬部分人工样品并不像传统的绝对强度定义的示例。认为坚硬岩石的单轴抗压强度是超过1次的软岩、软岩和硬摇滚可以区分。的组成及比例的软岩和硬岩如表所示1。

复合试样是由直接浇注方法,和摘要界面自然是耦合的。基于单个试样的生产,不同软、硬材料结合在一起。两种力量的材料是在水平(接触角为0°)联系。如图1,S代表了低强度材料,用于代表软弱岩石地层;H代表了高强度材料,用于代表硬岩层,和两者之间的耦合模式是自然的胶结材料。

标本的尺寸是50毫米×100毫米,总共15个样本(6单复合试样的试样和9)。样本脱模前7天。样本治愈28天然后双头面临被抛光。最后,样本测量和编号。

2.3。测试系统和流程

在图所示的测试系统2包括一个加载模块和一个声发射(AE)模块,和图3显示了工具的照片。测试方法是单轴压缩+声发射测试系统。

加载系统YAW4306微机控制电液伺服压机、3000 kN的最大负载。测试的解决力指示(FS) 1/300,000相对误差±1%。系统不仅可以控制作用的力或位移的标本也进行单轴压缩、伸展、循环荷载和蠕变实验。实验由位移控制。位移范围是5.0毫米,位移速率为0.002毫米/ s,位移极限是3.20毫米。

AE探针是对称布置和固定样本,如图3(一个),然后样本放置在加载系统。轴向位移调整通过加载垫,和水平位移调整使用水平探测传感器。调整合格后,样本容量信息输入,AE参数校准和预加载。预压后,AE进行测试。调试后,单击单轴操作按钮和save按钮声发射数据进行实验。

3所示。结果与讨论

3.1。相似材料的可靠性验证样本

考虑到有限的测试数据,有必要验证测试结果的有效性。图4显示了单轴压缩试验的结果厚度比为1:1复合岩石样本。它可以看到从图4那坚硬的岩石的强度和弹性模量最高,其次是软、硬复合层,最后软岩。强度越高,越明显的脆性。此外,单轴压缩的结果还表明,复合形成本研究在满足需求。强度差越大,软岩和硬岩在实际的项目中,工程建设的难度就越高。为了得到更接近真实的复合层,软岩和硬岩的强度区别选择研究中应该至少两次。坚硬的岩石的强度的物理模拟样本2倍的软岩,符合要求。

3.2。标本的厚度比对力学性能的影响

高强度材料的厚度比的两种复合材料是25%,50%,和75%,分别。考虑到两种的厚度比单一的岩石样本,即。,0% and 100%, three tests were carried out in each group, and the average value of the test results was taken.

如图所示的数据5- - - - - -7,不考虑结构界面效应,复合试样的强度和弹性模量的增加增加体积比例更高强度的材料;泊松比的复合标本增加,然后降低高强度材料的体积比例的增加,然后增加,然后下降,显示一个斜的变化。它可以看到类似材料的强度比固定时,高强度材料的厚度比的变化对复合试样的强度有显著的影响。

在图5,当厚度很小,大约复合试样的强度增加,指数和线性。然而,当厚度超过80%,曲线的斜率变得越来越小,所以复合试样的强度增长率变得相对较小。因此,当厚度很小,困难的部分的贡献复合试样的强度比较大,但是当厚度小,硬度的贡献复合试样的强度降低。

在图6,可以发现,法律的弹性模量和厚度变化的比率是不同的法律的力量改变复合试样的厚度比。厚度比超过80%时,曲线的斜率变大,复合试样的弹性增长速度也相应增长。因此,当软占很大一部分比例,弹性模量和厚度比增加。当困难的部分占大部分,弹性模量迅速增加。

泊松比反映了材料变形的相互影响在不同的方向。泊松比变化的模式与厚度比反映在图上7。当物质的绝对比例很大,也就是说,当所有样本困难或所有样本都软,泊松比更小。当困难的部分的比例增加时,泊松比。然而,当软、硬的比例混合样品的一半,也就是说,当厚度比例是50%,它是相对较小的。这是有关样品的变形和破坏样品的中间部分。所以,泊松比变化的厚度比,和曲线显示了一个斜变化。

3.3。复合材料的声发射特性的标本

复合试样的单轴压缩过程中,声发射现象在上部和下部通过八个渠道监控组。H组传感器被放置在高强度材料,和组结束的年代传感器放置在低强度材料。图8显示了AE数和垂直应力分布不同的标本在同一时间。它可以看到从图8试样的声发射响应的初始加载最后失败是显而易见的,它对应的改变试样单轴载荷作用下的应力-应变曲线。

如图8(一个)软岩是在大多数时,声发射计数组显著高于H组;同样,在图8 (b)时,软岩和硬摇滚占一半,AE事件S组显著降低,而H组逐渐增加;此外,在图8 (c)坚硬的岩石在多数,AE事件组年代几乎没有发生,而H组的AE数更多。因此,我们可以看到,AE数变化与复合试样在单轴压缩和故障位置和形状的标本。与硬石含量的增加,年底的AE数计数高强度材料减少,而在低强度材料增加。

此外,AE数出现的突变点略早于压力突变点的样本。这种现象主要是由于加载标本过程中内部压力不断增加,能量积累和释放达到了顶峰。AE数首先达到峰值,和内部损伤加速后的峰值。之后,试样的应力达到峰值压力,但AE数将相应的倒计时。作为样本进行内部损坏,无法刺激更多的声发射计数。

4所示。数值计算

为了分析复合地层的力学特性与不同厚度比率的软、硬层,应用FLAC3D数值软件被用于分析复合地层的力学行为的基础上,针对摩尔-库仑剪切破坏准则的应变软化模型。如表所示2,它是用来模拟软岩和硬岩的力学参数。参数表2是根据上述的单轴压缩试验结果和先前文献的结果。单轴和三轴压缩试验采用轴应变加载模式,/ m的应变率0.02%,负载应用垂直下均匀分布Z设在模型的顶部。

数值模拟结果的比较和物理模型试验结果的单轴压缩机械试验如表所示3。从表中可以看到它的单轴抗压强度和峰值应变软岩和硬岩接近上述测试结果,证实了仿真结果的可靠性和后来的三轴压缩仿真分析奠定了基础。

轴向应力-应变曲线,应用FLAC3D数值模拟的最大主应力云图如图9和10,分别。图9显示了轴向单轴压缩应力-应变曲线具有不同厚度比率。从图可以看出,复合层的力学性能更受岩性控制,这是与标本的机械测试结果一致。

从图10,它显示了最大主应力云图的代表性样本。它可以看到从图10变形主要发生在软岩的部分,也与机械试验的结果一致。以来的最大主应力可以被视为矢量和法向应力和剪切应力,最大主应力是用来描述样本的实际压力,和它的大小确定样品是否有裂缝和剪切破坏。柔软部分的价值是困难的部分的两倍,和柔软的一部分发生故障时首先在测试,这是符合测试。因此,它是可行的,使用这种方法来模拟类似的岩石组合。

5。结论

(1)在单轴压缩时,脆性拉伸断裂发生在复合地层,以及软岩和硬岩之间的力量。坚硬的岩石的强度是软岩的两倍多,这表明人工复合形成可以满足强度的要求不同。(2)单轴压缩与不同厚度比率显示,复合地层的力学性能取决于岩性,占大多数的复合层而不考虑结构面和其他因素。(3)复合试样有明显的声发射响应特性从最初加载到最终失败。与相似材料的强度比的增加,高强度材料的声发射计数结束逐渐减少,并最终低强度材料的声发射数逐渐增加。有一个相应的AE数的变化之间的关系和复合标本的失败的位置和形状。(4)应用FLAC3D的模拟值接近实验值,验证数值模拟的可靠性和支持机械试验的结论。数值模拟和物理实验表明,复合地层的变形主要发生在软岩。

数据可用性

使用的数据集和分析在当前研究可从相应的作者以合理的要求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由美国国家科学中国(51478118),广西科技计划项目(AD18126011),和中国奖学金委员会。

引用

1. b .吴”,研究隧道爆破施工的振动在上软下硬地面,“IOP会议系列:地球和环境科学文章ID 062004卷,242年,2019年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. j .严x胡,b .刘”的盾构隧道开挖面稳定性upper-soft lower-hard复合地层,”隧道施工,40卷,不。2、223 - 230年,2020页。视图:谷歌学术搜索
3. 徐k .太阳,w . w .秋h·李,问:西安,t·李,“研究安全分布随埋深变化的特点地铁站upper-soft lower-hard地层,”土木工程的发展ID 6047919条,卷。2018年,14页,2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. y商,Du, t·汉和b .邵”案例研究对变形控制upper-soft和lower-hard大跨度隧道站使用控制技术和监测示范相结合,“理科Malaysiana,46卷,不。11日,第2099 - 2091页,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. j .王”研究适应性的主要支持拱门覆盖法对大跨度嵌入式隧道upper-soft lower-hard地层,”机械工程的发展,11卷,不。1,2019。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. h .你,”浅大跨度隧道的开挖和运动学分析软/ low-hard岩层,”隧道与地下空间技术,97卷,2020年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. S.-Q。杨·m·陈,方g . et al .,“物理实验和数值模拟隧道开挖斜upper-soft lower-hard地层,”隧道与地下空间技术卷,82年,第264 - 248页,2018年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. w·王,”转换的时机upper-soft隧道开挖方法和基于位移方向角lower-hard地层理论:案例研究中,“国际地质力学杂志,19卷,不。4、2019。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. a . Yassaghi和h . Salari-Rad挤压在火成岩岩石条件接触区Taloun隧道,Tehran-Shomal高速公路,伊朗:一个案例研究中,“国际岩石力学和采矿科学杂志》上,42卷,不。1,第108 - 95页,2005。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. y . Tang和j .徐“岩土界面复合地层,盾构隧道”岩土工程和地质工程,34卷,不。6,1693 - 1705年,2016页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. h·张,z Wan, y张,d . Wu”复合样品的力学性能和失效行为。”材料科学与工程的发展卷,2018篇文章ID 2545127, 16页,2018年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. d . j . Liu e . Wang歌,s . Wang和y妞妞,“岩石强度对失效模式的影响和机械复合样品的行为,”阿拉伯地球科学杂志》,8卷,不。7,4527 - 4539年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. 陈,y通用电气、d .阴和h·杨”的实验研究单轴rock-coal复合样品的失效行为与预先存在的裂纹在煤炭、”土木工程的发展卷,2019篇文章ID 8397598, 12页,2019。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. S.-Q。杨”,大规模的模型试验和数值模拟对收敛变形复合地层的隧道挖掘”隧道与地下空间技术,94卷,2019年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. h·张,d . Elsworth z Wan,“失败响应复合rock-coal样本,”地质力学和地球物理学Geo-Energy和Geo-Resources,4卷,不。2、175 - 192年,2018页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. 刘t .秦,h .太阳,h . et al .,“机械与声发射特性试验研究不同应力路径下的岩石样本,”冲击和振动卷,2018篇文章ID 4813724、9页,2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. 郭和h . j . m .霁k . Chen,”本构模型基于岩石强度的岩石单轴损伤统计,“土木工程的发展卷,2018篇文章ID 5047834、8页,2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. r·徐”缺陷倾角对开裂行为的影响如磐石般坚韧的材料在单轴压缩下,“材料科学与工程的发展卷,2019篇文章ID 6942586, 10页,2019。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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