冷冻多孔砂岩单轴压缩下的力学行为

文摘

低温对纵波速度的影响,单轴抗压强度、抗拉强度、峰值应变、割线模量和黄砂岩的声发射特征进行了研究。结果表明,割线模量增加而降低温度轴向应变小于0.6%时,和一个相反的影响执行后续阶段由于裂缝的孔隙冰。随着温度的降低,单轴抗压强度先增加然后仍处于相对稳定值为34.44 MPa在-40°C,而温度范围从-40°C到-70°C。抗拉强度显示了近似线性增加的温度。峰值应变与温度逐渐增加三级分段线性形式,和增加率与降低温度逐渐降低。液态水的相变的温度20°C固体冰3°C的温度显著增加了纵波速度从1.55公里/秒到3.36公里/秒。当温度低于-10°C时,纵波速度近似线性增加的速度 与降低温度。

1。介绍

多孔岩体的力学性能在富水地层在零下的温度是公路建设的意义,人工冻结在一个垂直轴和地铁,和存储和采矿等在寒冷地区青藏高原和新疆地区(1]。零下的温度能引起热效果,即。,phase transition of water and frost heave, which results in significant changes in the mechanical properties of rocks [2]。力学性能是一个基本的考虑工程的设计和稳定性评估。因此,温度对岩石力学性质的影响应该彻底调查。

取得了许多成就在过去的几十年。实验结果表示,强度、弹性模量(3,4),断裂韧性(5,累计声发射(AE)数量6)增加与减少温度。循环的影响装卸(7),爆炸8),和化学腐蚀9)降低强度、弹性模量和泊松比的岩石样本。此外,增加的强度和模量逐渐减少frost-thaw周期(10- - - - - -14]。一系列的本构模型提出了冷冻砂岩考虑加载率效应(7]。在这些研究中,冷冻温度在-20 ~ 20°C根据标准要求国际岩石力学学会(ISRM),红色砂岩是广泛使用的孔隙度小于10% (15]。然而,在粒子工程,环境温度远低于-20°C,和岩石样品的孔隙度远远大于10%4]。

由于更低的温度和更高的孔隙度、岩石可能从传统的结果执行不同的机械行为,而没有被调查。在这项研究中,实验在冰冻饱和黄色砂岩的孔隙度为13.08%在广泛的温度-70 ~ 20°C进行调查的力学行为,包括抗压强度、抗拉强度、变形特性和AE特征根据单轴压缩试验。本研究可以提供一些参考结构的建设和发展高孔隙岩石在非常寒冷的地区。

2。实验的细节

黄色块砂岩的孔隙度为13.08%,干密度为2.10克/厘米³检索从达坂地区,新疆,中国,最低温度达到-41°C。据ISRM的要求,并行控制在±0.05毫米和表面平整度在±0.02毫米。标准圆柱试样直径50毫米和100毫米和25毫米的高度压缩和巴西分割测试准备。和样品相似的初始纵波速度测试使用RSM-SY6被选中。三种岩石样本进行了同样的试验条件,以避免引起的随机误差的离散性岩石。

单轴压缩试验进行了电液伺服控制材料试验机的材料,使用低温炉和饱和样本冷冻MTS615.06率为-1.0°C /分钟。八个温度水平的20,-10,-20,-40,-50,-60,-70°C。当环境温度达到预设值时,温度保持30分钟。然后,进行单轴压缩试验的加载速率0.002毫米/秒。在压缩试验过程中,使用DS5-8A AE信号的检测和记录。

3所示。结果和分析

3.1。应力-应变行为

图1显示了strain-stress曲线在不同的温度。弹性行为分为两个阶段,即:,hardening stage and weakening stage, by the inflection point of 。标本在相对较高的温度(即, ),一个明显的压实的行为是观察硬化阶段。随着温度的降低,压实的行为变得不怀疑的而不是最初大约线性行为。的标本 ,的初始弹性模量增加更为显著 。当温度低于-30°C, strain-stress曲线从凹形凸曲线。硬化阶段相反,弱化阶段的割线模量随温度下降。发生脆性破坏的强度骤降时达到峰值强度。振动应力-应变行为由于冻结温度主要由孔隙冻结的冰,而骨折的轴向应变为0.6% (16]。

在初始冻结阶段在3 ~ -10°C,冰的体积和强度显著增加。由于填充多孔冰,矩阵的相对运动约束,提高了整体刚度和降低了浓度效应。因此,相同的轴向应变,潜在的样本裂缝较低温度低于那些在更高的温度,从而导致初始应力-应变行为,增强。,硬化阶段。一旦冰的压力达到临界应变,骨折同时发生。由于低温冻结岩石的强度增强,断裂表面的摩擦系数要远远的低于样品在更高的温度。因此,在减弱阶段,样品的刚度较低温度小于在更高的温度。

3.2。单轴抗压强度和抗拉强度的变化

图2显示了单轴抗压强度的演进(UCS)和抗拉强度与温度。UCS逐渐增加而降低温度分段线性的方式,如图2(一个)。当温度降低20 - 3°C,也是从平均值为20.41 MPa提高到23.69 MPa的增加率为16.07%。然后,UCS增加到34.01 MPa为标本以增加43.56%的速度受温度在3 ~ -40°C,平均速度和力量增加-0.28 MPa /°C的温度。这是冰的力量进化一样,大幅增加在0 ~ -10°C,然后仍然是一个线性增加的速度(17]。事实上,增加强度主要由冰强度增加。然而,一个更大的体积膨胀产生内力和潜在的裂纹,如果任何。因此,当温度低于-40°C,潜在的裂缝可能形成砂岩内部,这将导致整个力量。在上述两个影响,UCS发生轻微的增加,平均增加0.78 MPa的标本在-40°C和-70°C,和平均UCS的标本在-40 ~ -70°C 34.44 MPa。因此,-40°C的临界温度,不同温度对强度的影响孔隙度黄色砂岩。

基于巴西测试抗拉强度的计算公式如下: 在哪里抗拉强度,高峰负荷,盘的直径,盘的厚度。

黄色砂岩样品的抗拉强度明显随温度变化如图2 (b)。抗拉强度为1.42 MPa, 2.22 MPa, 4.96 MPa,和6.06 MPa对应温度20°C, 3°C, -40°C,和-70°C,分别显示一个近似线性增加的温度降低。冷冻样品的抗拉强度随温度的平均增长率为0.07 MPa /°C。然而,当温度低于-40°C,抗拉强度的增加率减少。抗拉强度的平均增长率仅为0.03 MPa /°C样品在-40°~ -70°C。

3.3。峰值应变和割线模量的变化

图3显示了峰值应变的演进和割线模量与温度。类似于UCS的进化,峰值应变(应变峰值强度对应)逐渐增加三级线性的方式由两个拐点温度的温度降低3°C和-40°C。当温度下降20°C到3°C,峰值应变增加从平均0.87%到1.16%的速度的价值 与降低温度。温度在-10 ~ -40°C和-40 ~ -70°C,峰值应变的利率降低到1.35%和1.40% 和 ,分别。这是受到孔隙冰,限制了岩石的变形矩阵。较低温度对应于一个更大的冰和刚度更重要的收缩效应。

割线模量执行two-piecewise特征与温度。当温度下降20°C到3°C,从2.07绩点割线模量减少到1.64的绩点,以减少20.77%的速度。这主要扩张引发的损害在水的相变。然而,对于冷冻样品、割线模量显示了近似线性增加降低温度。当温度降低到-20°C,割线模量增加到2.04的绩点,大约等于在 。割线模量相比 ,割线模量增加的平均值3.33 GPa的标本 ,以增加103.05%的速度,在 。割线模量平均增加率是0.025 MPa /°C低温温度标本。

3.4。峰值应变和割线模量的变化

图4显示温度对纵波速度的影响和累积AE特征。转换从液体水的温度20°C固体冰的温度3°C黄砂岩的孔隙增加了纵波速度从1.55公里/秒到3.36公里/秒。当温度进一步降低到-10°C,速度增加到3.52公里/秒(18),平均增加率 温度从-10年到-70°C。因此,最初的固体水阶段显著增加了纵波速度。与温度的降低 ,的增加幅度逐渐减小,大约仍在一个常数值。

在最初的冻结过程中,累计AE品质变化,从而增加从11.974 - 12.034所示。以进一步降低温度从3°C到-70°C,累计数量AE遵循指数递减的方式衰变率下降。为标本 ,累计AE量是6.154以减少48.76%的速度对应 。图5显示了典型的AE特征 。显然,一系列重大的AE环发生对应的轴向应变为0.6%冰断裂应变。在这一点上,有一段沉默,只有少数AE环发生由于初始裂缝的压实。随后AE特征变得活跃,AE环量增加骨折后的强劲冰。

4所示。结论

一系列的单轴压缩试验和巴西进行了测试在广泛的温度在-70 ~ 20°C。结果表明,应力-应变曲线分为两个阶段的轴向应变为0.6%,对应的近似断裂点冰。在初始阶段,第二个模量与降低温度逐渐提高;然而,降低模量在第二阶段执行。单轴抗压强度首先显示一个线性增加的温度在3 ~ -40°C的速度平均为-0.28 MPa /°C。然后,单轴抗压强度仍近似恒定值为34.44 MPa受到温度在-40 ~ -70°C。随温度降低,抗拉强度的近似线性增加。随着温度的降低,峰值应变显示了一个三阶段分段特征,增加和利率的增加 , ,和 对应的温度范围3 ~ 20°C, -20 ~ -40°C,分别和-70 ~ -40°C。液态水的相变固体冰显著增加了纵波速度,和一个增加的速度 仍然在温度低于标本-10°C。冰冷的水在累计声发射变化量,再用指数减少发生低温样品。

数据可用性

任何人谁需要手稿中的数据可以联系相应的作者的电子邮件地址qzhang@cumt.edu.cn。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者感谢金融支持中国的国家自然科学基金(52074269)和中国博士后科学基金会(2020 t130698)。

引用

1. a .吴克群h·圭佑,“储存冷冻液化气体在岩石洞穴:特征的岩石在非常低的温度下,“隧道与地下空间技术,5卷,不。4、319 - 325年,1990页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. y Inada k .横田,“一些研究低温岩石强度。”国际岩石力学和采矿科学和地质力学学报文摘,21卷,不。3、145 - 153年,1984页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. d . c .公园,j . Synn h . Shin千,h . Lim和s .全“热特性的试验研究岩石在低温下,“国际岩石力学和采矿科学杂志》上第41卷。。3、367 - 368年,2004页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. t . Yamabe和k . m . Neaupane”决心的形变场的性质Sirahama砂岩在零下的温度条件下,“国际岩石力学和采矿科学杂志》上,38卷,不。7,1029 - 1034年,2001页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. n .松岗”机制的岩石破裂霜冻:实验方法,”寒冷地区科学技术,17卷,不。3、253 - 270年,1990页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. g . b . Liu, w .徐,l .刘”声发射特性的冷冻砂岩单轴压缩试验,”我们50岩石力学/地质力学研讨会2016年,休斯顿,德克萨斯州。视图:谷歌学术搜索
7. n, p, w·陈,g . Swoboda“疲劳裂缝的性质、饱和和冷冻砂岩样品在循环荷载下,“国际岩石力学和采矿科学杂志》上,40卷,不。1,第150 - 145页,2003。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. j·邦纳,m . Leidig c三美,r·马丁“爆炸耦合在冷冻和解冻石:实验数据收集和分析,“美国地震学会公报,卷99,不。2、830 - 851年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. x方、j .徐和p . Wang“压缩失败黄砂岩的特点受到化学腐蚀的耦合效应和反复冻融,”工程地质卷,233年,第171 - 160页,2018年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. t·陈,m·杨和n森”的熔结凝灰岩含水饱和度对恶化的影响由于冻融作用,”寒冷地区科学技术,38卷,不。2 - 3、127 - 136年,2004页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. h·h·w·陈,x Tan Yu k元,李和美国“进步和回顾thermo-hydro-mechanical低温条件下岩体的特点和冻融周期,”中国岩石力学与工程学报,30卷,不。7,1318 - 1336年,2011页。视图:谷歌学术搜索
12. m .周和g . Meschke”力量的多尺度均匀化模型的预测完全和部分冻土,”Acta Geotechnica,13卷,不。1,第193 - 175页,2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. m .周和g . Meschke matrix-inclusion力量化的复合材料使用线性比较复合方法,”国际期刊的固体和结构,51卷,不。1,第273 - 259页,2014。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. e . Liu m .廖,x, y Lai和f·侯,“疲劳和损伤冻结粉土样的性质受到循环三轴加载,”加拿大岩土期刊,53卷,不。12日,第1951 - 1939页,2016年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. m . Tang y, z . Wang和j .英航”实验研究花岗岩的力学性能在低温下,“中国岩石力学与工程学报卷,29号4、787 - 794年,2010页。视图:谷歌学术搜索
16. m·张冰的单轴抗压强度试验研究和影响因素,大连理工大学,2012。
17. d·m·安德森和w·f·周,“海冰强度的理论分析,交易,美国地球物理联盟,39卷,不。4、632 - 640年,1958页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. d . Draebing和m . Krautblatter冻结坚硬密实岩石纵波速度的变化:一个实验室时间平均模型,”冰冻圈讨论》第六卷,没有。5,1163 - 1174年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权©2021作为王羌族张。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。