文摘

在这个研究中,完整的红色砂岩的常规三轴压缩实验标本,标本用一个持续的关节在不同倾斜角度,即。0°30°、45°和90°,开始进行了。基于传统的测试的结果,围压的影响和联合倾角对力学性能包括变形行为和强度参数进行了综述和分析,分别。我们发现有节的红色砂岩的强度和变形是由于围压的增加,扩大和标本显示出u型发展的力学参数与关节角的崛起。此外,调查的影响岩石的孔隙压力对渗流特征与关节角0°、45°、90°,一系列三轴压缩排水有节的红色砂岩进行了测试。结果表明,孔隙压力对连接的强度弱化效应标本,可降低围压引起的强化效果。与此同时,测试标本大多呈现剪切破坏模式。结果,机械反应,渗流特征,在红色砂岩和开裂模式包含一个持久的关节在三轴压缩下显示。

1。介绍

岩体,形成在长期水文地质历史,是一种天然材料和复杂的内部微观结构,通常包含两个组件,即完整岩石和间断。可以持续或非持久的不连续和表现为各种类型包括主裂缝,关节,薄弱的表面,和缺点。这些不连续的决心有很大影响岩石材料的力学行为1- - - - - -4),这可以进一步导致沿着自然联合表面岩石工程的失败,需要治疗(5- - - - - -7]。同时,有节的岩石的渗流特性有显著影响岩体工程的稳定性。在裂隙岩体的启动和发展,地表水和地下水的渗流驱动经常遇到。对于裂隙岩体,节理的存在提供了水渗流通道,加速渗流过程,导致岩体的内部微观结构的变化,以及宏观上影响其物理性质,这可能最终导致失败(8]。因此,有节的岩石seepage-mechanical耦合机制研究具有重要的理论和工程意义。

实验研究岩石的力学性能和失效模式,如磐石般坚韧的标本与非持续的关节和先前存在的裂缝广泛执行。Bobet和爱因斯坦(9]调查如磐石般坚韧的材料含有双重否定先前存在的骨折的骨折合并安排在不同的几何图形在单轴和双轴加载。黄和爱因斯坦(10]报道了机械和开裂行为建模的石膏和大理石标本包含单个裂纹在单轴压缩下开放。李和全11]研究了裂纹萌生、传播和合并现有开放的裂缝或缺陷在花岗岩和石膏试样在单轴压缩。砂岩试样的变形和强度行为包含双先前存在的封闭不重叠的缺陷研究了三轴压缩下黄等。12]。杨和黄13)进行常规三轴压缩实验的花岗岩标本与一个先前存在的开裂研究他们的力量,可变形性,和故障特征。此外,新技术如测验后的x射线计算机断层扫描技术被用来揭示大理石样品的断裂行为14]。

最近,理论、实验和数值研究持久贴合岩石的力学行为的报告。现有的实证方法估算持久裂隙岩体的单轴抗压强度进行了综述和评价由张(15]。塞拉诺et al。(16)提出了一种显微剪切强度的测定方法持续岩石不连续。李等人。17)进行实验研究调查的影响初始打开关节在正常和剪切变形的岩石,然后提出了一个分形本构模型代表大型岩石的剪切行为持续联合(18]。基于裂隙岩石的实验,数值研究进行进一步分析岩石边坡的破坏行为朱et al。19]。李和朱20.)提出了一种无网模型的数值方法破碎岩石的损伤演化和故障特征。此外,一些开创性的研究关注已开展裂隙岩石的渗流特征。剪切变形的影响,法向应力对断裂的岩石力学和渗流行为实验研究了陈et al。21]。阴et al。22]分析剪切过程非线性流动行为的影响基于他们的测试结果三维岩石破裂了。王等人。23和龚et al。24)对力学性能和破坏模式进行了实验调查的有节的水化学条件下的岩石。胫骨和Santamarina25)提出了一个隐式joint-continuum持久破碎岩石的流体力学的耦合分析模型,而李et al。26)调查了离散裂缝网络的渗透率演化在剪切。

然而,上述研究的主要贡献在大多数主要局限于单一方面的力学性能或岩石的渗流特征。因此,全面研究了三轴力学性能和裂隙岩石的渗流特征,在本文中,传统的红色砂岩三轴测试有一个持久的联合是首先进行。然后,一系列的有节的红色砂岩的三轴压缩排水测试执行和结果进行了分析。最后,我们总结发现并关闭纸与潜在前景。

2。实验方法

2.1。样品制备

研究岩石的力学特性和渗流特性与单个持久联合在三轴压缩下,红砂岩从某个工程岩体在中国被选为本研究的实验材料。测试的红色砂岩是细粒度的,宏观上均匀,平均容重约2450公斤/ m³。选择一个桥式红外线切割机初步把岩体切成小suitable-sized长方体。然后,长方体被加工成圆柱试样直径50毫米和100毫米高度,根据国际岩石力学学会建议的方法(ISRM) [27]。

在目前的研究中,完整的标本和四种类型的标本与各种关节倾斜角度 ,即。,0°, 30°, 45°, and 90°, were prepared for studying the effects of the inclination angle on the mechanical properties and failure modes of the red sandstone. The geometry and types of specimens are briefly depicted in Figure1。生产过程的有节的标本描述如下:(1)通过控制标本的方向和使用红外线切割机、圆柱完整标本切成两部分所需的关节倾斜角度;(2)然后,水泥用于填充接口;基于的结果(9)、水泥只能被视为一个弱材料提供了胶结而不影响岩石属性;(3)48小时后,红色砂岩可以保税的水泥;和(4)填充部分的表面抛光后,有节的标本终于制造。标本的实验进行了三种围压下 ,即。,0, 10, and 20 MPa, in conventional triaxial tests, to investigate the effect of the confining pressure on the mechanical and cracking behavior. For the triaxial compression drainage tests, the pore pressure设置为4 MPa和8个MPa。详细描述红砂岩标本的常规三轴试验与不同倾斜角度表中列出1,而表2显示红色砂岩标本的详细几何在排水三轴压缩试验。

2.2。试验装置和程序

所有的岩石三轴压缩实验进行自动伺服控制三轴试验机(见图2)。设备包括一个三轴压力室,一个加载系统,一个长期稳定的压力设备,超声波系统,液压系统压力转移装置,气动系统,自动数据收集系统。的三个高压泵加载系统可以控制稳定的偏压力加载和自动补偿,围压和水的压力。该设备能够执行测试包括常规单轴测试,三轴测试,流变测试,三轴排水试验,排水系统的测试,液压和气动渗透测试,和超声波测试。应变测量系统由线性可变差动变压器(线性)测量轴向应变和圆周应变测量环圆周应变测量。

降低温度对测试结果的影响,在实验室温度的严格控制 。常规三轴压缩实验,列出了详细的程序如下:(1)首先,围压是应用于标本以恒定加载速率为0.1 MPa / s,以确保标本均匀流体静应力条件下;和(2)然后,偏应力对标本的表面以恒定位移速率的0.025毫米/分钟,直到试样失败了。

排水三轴压缩试验,有节的标本饱和前测试。后同样的程序与步骤(1)在常规测试中,当围压稳定、渗流压力应该加载,它需要小于围压。应该饱和岩石样本,直到水流出口。孔隙压力达到预定值后,采用伺服控制方法使孔隙压力稳定。然后,偏应力应用恒位移速率的0.025毫米/分钟,直到试样失败了。与此同时,所有的测试过程中,自动数据收集系统可以实时记录和数字化测试数据,为数据分析提供了方便。

3所示。常规三轴试验结果和分析

3.1。应力-应变曲线

轴向偏应力-应变曲线的完好无损,有节的红色砂岩在不同围压下如图所示3。按照图3所有标本,混凝土力学行为可以发现,整体的现象表明,斜坡曲线随围压的增加而增加 。同样地,的值增加的时候变得更高。值得注意的是,偏应力的趋势曲线与应变(我)的非线性阶段,(2)弹性阶段,(3)稳定裂纹扩展阶段,(IV)屈服阶段之前偏应力峰值 。之后,轴向应力急剧下降后,峰值应力与轴向应变的增加。曲线可能似乎serration-type压力下降时峰值点附近的力量(见图3 (d)),结果从标本内裂纹的萌生和扩展。的位置和数字压力下降共同倾斜角度密切相关。此外,圆周压力有一个无限小的价值在初始加载条件下,远小于相应的轴向应变 。更详细的变形和强度特性的分析是在以下部分解释。

3.2。体积变形特性的分析

在三轴压缩条件下,总的体积应变是计算 可以被认为是两个部分组成:一个是体积应变引起的弹性变形,即弹性体积应变 ,,另一个是部分归因于裂纹发展,称为摘要体积应变和表示 。根据胡克定律,是由 在哪里弹性模量和吗泊松比的标本。后,李等人提出的近似。28),可以被定义为

图4介绍了典型的关系 , , ,和的围压下的有节的标本10 MPa。在图4,四个I-IV prepeak阶段,即。,stage I, the nonlinear stage owing to crack closure with a maximum at ;阶段II,弹性阶段最大裂纹萌生 ;第三阶段,稳定裂纹扩展阶段之间和裂纹损伤阈值 ;四期,产生的起始阶段宏观标本在峰值点的失败,和V postpeak阶段独特的描述。因此,prepeak的发展也显示了四个阶段,即。,the volumetric compaction stage, the linear volumetric growth stage, the volumetric dilation stage, and the volume rapid increasing stage, corresponding to the compression process of jointed rock specimens. At the compaction stage, the primary transverse crack perpendicular to the axial direction is compacted due to the initial loading, while基本上没有增长,因此,体积压缩的趋势的变化是一致的 。对于线性体积增长阶段,和两个线性增长。的增长幅度不到的 ,这也反映了线性增长阶段的 ,相应的。当开始产量、增长的范围增加明显,而增长的是相对缓慢的,现在开始扩张行为。当标本接近失败,大幅增加,而越来越少,和增长与圆周增长是一致的。

的标本不同关节倾斜角度,一些常见的曲线的特征和与可以从图吗4。在第二阶段,增加缓慢,而展示一个线性增长时上涨。在第三阶段,启动和稳定发展,裂缝,因此的值开始略有增加,线性降低。在第四阶段,两者的曲线和与显示一个急剧下降,这意味着标本收缩变成膨胀的变形状态和材料开始执行大规模失败。此外,在第二阶段,它可以发现的斜坡与曲线的关节角45°、90°大于0°和30°,有节的标本和45°、90°的倾斜角度更清楚准弹性行为,这表明关节角有一定的影响 。

3.3。强度特性的分析

3.3.1。峰的强度

如前所述,使用数字3和4显示关键压力点的特征;裂纹萌生的压力和裂纹损伤阈值显然是明显的曲线。表3总结了的值和和他们的比率完整的标本和持久贴合标本不同关节角。很明显,上涨的增量 。可以找到类似的行为和与 。有节的标本总是有一个较小的裂纹开裂强度和损伤阈值比完整标本由于退化的影响既存的联合力量。另一个重要的现象是,当关节角等于45°,先前存在的联合位于理论薄弱的滑动表面,导致最小的和 。根据实验结果,的值 完整的标本是近似为1,而有节的标本的比率从0.581到0.995不等。这可能表明,完整的标本后迅速破裂裂纹损伤阈值。此外,比率, ,完整的标本和贴合标本躺在0.428和0.835之间,是相互独立的并显示当没有特定的趋势上涨。

3.3.2。强度参数的分析

本研究针对摩尔-库仑(mc)准则采用了线性适应峰值强度与围压裂缝损伤强度。线性mc准则可以得到如下: 在哪里和两个材料参数。的参数和凝聚力和岩石的内摩擦角,分别。

图5介绍了拟合结果完整的峰值强度和裂纹损伤阈值和有节的标本与围压。此外,表4和5拟合参数列表对应峰值强度和裂纹损伤阈值,分别。很明显,峰值强度和裂纹损伤阈值产生了良好的线性行为随着围压的增加的标本。

完整的标本,凝聚力和摩擦角的峰值强度15.83 MPa和49.81°,分别约等于和的裂纹损伤阈值,即,分别15.43 MPa和49.75°。然而,有节的标本,范围从8.36 MPa 13.89 MPa,而的价值位于9.97 MPa和11.97 MPa之间。相比之下,的值和有节的标本低于完整的标本。与此同时,有节的标本,大约是41.94 ~ 50.85°,位于30.41°,48.70°之间。很明显,和有节的标本低于完整的红色砂岩样品预计在90°角的值(即,显示一个u型的趋势),这是类似的结论标本含有非持续的关节(2]。

4所示。排水三轴压缩试验结果和分析

在本节中,排水三轴压缩试验已经进行连接红色砂岩。标本的力学性能和渗流特征与不同的联合作用下倾斜角度研究了不同围压和孔隙压力。孔隙压力和倾角的影响红色砂岩三轴条件下的流体力学行为进行比较和分析。

4.1。应力-应变曲线分析

在排水三轴压缩试验,有节的岩石标本的机械反应会受到三个因素的影响,例如节理倾角 ,孔隙压力 ,和围压 。在目前的工作中,我们专注于联合倾角的影响,岩石的孔隙压力的行为。结合压缩测试的结果在不同级别的孔隙压力和结果部分3,各种孔隙压力的影响的特点,有节的标本用同样的关节角和围压是调查,和主要参数表中列出6。应力-应变曲线的统计结果与不同的关节角数据中所示6- - - - - -8。

在这里,我们先在0°倾角的结果作为一个例子。从图可以看出6在相同的 ,随孔隙压力的增加 ,标本的峰值强度、峰值应变逐渐减少。当等于10 MPa,相应的高峰值的4 MPa和8 MPa 113.22 MPa和108.27 MPa,而相应的峰值压力是10.79‰和9.62‰,分别。的峰值强度、峰值应变 小于4.37%和10.88%吗 ,分别。为在20 MPa,相应的峰值强度的值 和 186.13 MPa和152.12 MPa,相应的峰值压力是15.25‰和12.34‰,分别。高峰值减少了18%和8%,前一个阶段的 ,和压力峰值与前一个阶段相比减少了19%和7%,分别。

结论在前一节中,一个更大的导致一个更大的和一个更大的 。然而,相比之下, ,的存在可能削弱并减少 ,和由于疲软的影响明显不如加强 。此外,以前的测试条件下的孔隙压力为零,值0°有节的标本10 MPa和20 MPa 148.19 MPa和207.29 MPa,分别在对应的峰值强度值减少了24%和10%,分别4 MPa时孔隙压力。它可以推断孔隙压力的影响更明显的低围压下。这一现象的原因可以描述如下:在高围压时,试样的矿物微观结构更加紧凑,因此引发的渗流更加难以应用孔隙压力。除此之外,我们发现precompaction标本的效果更显著更大的孔隙压力条件下,因为更大的孔隙压力可以削弱之间的胶结矿物成分,使矿物颗粒容易被压缩,因此,precompaction效果更加明显。标本90°关节角显示这项工作中最明显的压实。

4.2。变形特性分析

弹性模量与孔隙压力的关系在图中进行了描述9。随着孔隙压力的增加,弹性模量显示了普遍而逐步减少。由于较大的孔隙压力,更容易启动的软化有节的岩石的矿物成分,从而导致更大的压缩变形量。因此,一个更大的孔隙压力会导致更大的偏离加载下岩石的压缩变形,最终降低了弹性模量。此外,当孔隙压力增加,弹性模量在不同围压的差异逐渐减小。

图10显示的弹性模量和关节角的关系。有节的标本显示了一个v型的弹性模量与联合倾角的增加趋势,表明联合诱发的存在明显的各向异性。弹性模量的最小值出现在45°因为易感性的滑动变形沿45°节理面载荷的作用下,导致一个小弹性模量。与此同时,0°裂隙试件的弹性模量小于90°裂隙试件的弹性模量;因此,0°有节的标本可能产生压缩变形沿节理面加载时应用,而90°的有节的标本只能遇到岩石本身的变形。由于孔隙压力的影响,关节表面的软化程度大于岩石的质量,因此,0°裂隙试件的轴向变形大于90°有节的标本。

4.3。关节角强度特性的影响时,考虑到孔隙压力

基于渗流的影响,砂岩试样的强度也会显示大约普通v形变化联合倾角的增加。由于不同的倾斜角度,渗流路径和渗流压力联合表面上都是不同的,导致强度减弱的差异程度的岩石标本。控制围压值相同,强度的曲线与联合倾角图所示11。

所有的围压和孔隙压力,有节的标本显示了一个v形变化的峰值强度与关节角的变化趋势。获得最小值在45°,获得较大的值在0°、90°,和0°、90°的强度几乎是相同的。例如,20 MPa的围压的作用下,孔隙压力4 MPa的高峰值0°、45°、90°有节的标本是186.13 MPa, 63.14 MPa,分别和187.31 MPa。孔隙压力的作用下,峰值的45°有节的标本大约只有三分之一的峰值的0°、90°有节的标本,表明斜节理面有很大的影响对岩体的强度在考虑孔隙压力。

4.4。失效模式分析

失效模式及其相应的素描图中演示了地图的标本12。基本上所有有节的标本展出剪切破坏模式,尤其是45°有节的标本。0°联合样本不仅通过岩石的剪切破坏面但也有失败的表面沿节理面。为零孔隙压力条件下,0°联合样本由剪切破坏通过岩石表面,沿节理面与轻微裂缝。应用孔隙压力时,0°节理面将渗透到骨折,有比这更明显的裂缝特征条件下的孔隙压力,表明孔隙压力的影响会影响的故障模式0°裂隙岩石在一定程度上。水流渗透到0°关节表面,这会削弱贴合材料之间的胶结程度和岩石。贯穿裂缝表面后形成偏荷载下,断口表面也将发生在0°关节表面。90°有节的标本主要遇到穿透岩石的剪切破坏面,和节理面基本上不影响岩石的失效模式。

比较不同孔隙压力下的失效模式,它是发现,孔隙压力的损伤程度会影响0°有节的标本;即。,the fracture surface along the joint plane can be more obvious. Unlikely, there is basically no effect of the pore pressure on the failure mode of the 45° and 90° jointed specimens, indicating that the pore pressure has relatively little effect on the shear failure modes of the rock. Comprehensively considering the failure modes of the specimens, four main failure modes under the effect of pore pressure are summarized as below: (1) the penetrating shear crack and the crack along the 0° joint plane for the 0° jointed specimens, (2) the shear crack along the joint surface for the 45° jointed specimens, (3) the penetrating shear crack of the whole rock for the 90° jointed specimens, and (4) the shear cracks which first initiate along the shear surface and then penetrate the whole rock for the 90° jointed specimens.

5。结论

在这项研究中,传统的三轴压缩试验和三轴压缩排水测试完整的红色砂岩和标本一个持久联合进行。根据结果,应力-应变关系、变形行为、强度参数,故障特征进行了分析。(1)根据常规测试的结果,postpeak完好无损,有节的红色砂岩的应力-应变曲线都证明了非线性阶段,弹性阶段,稳定裂纹扩展阶段,和屈服阶段,而摘要体积应变与轴向应变曲线贴合标本与不同的关节角演示了一个类似的四级的趋势。此外,峰值强度和裂缝损伤阈值之间的关系符合针对摩尔-库仑准则的线性好,力学参数的标本显示一个u型的关节角的增加趋势(2)排水三轴压缩试验的结果表明,试样的弹性模量逐渐随孔隙压力的增加而减小,显示了一个v型联合倾角的增加趋势。同样,强度参数显示v型变化趋势的扩大孔隙压力和倾角。最后,在砂岩裂缝模式包含一个持续的关节在三轴压缩下进一步讨论

本研究的结论为进一步的研究可以考虑参考与更广泛的岩石和如磐石般坚韧的材料、几何图形,和压力条件。

数据可用性

使用的数据来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

这项工作得到了中国国家重点研发项目(2017号yfc1501100),中国国家自然科学基金(12072102),为中央大学(没有基础研究资金。B200203086),江苏省研究生创新研究与实践项目(没有。KYCX20_0441),江苏省六大人才高峰计划,和项目培养中青年科学江苏省高校领导人,中国。作者也谢谢南部湖州太湖创新小组的支持。