文摘
基于斜率的砂岩Baorixile露天矿区内蒙古呼伦贝尔市内蒙古,砂岩的动态单轴压缩试验与不同冻融循环进行了分离式霍普金森压杆(SHPB)测试。试验结果表明,砂岩的破碎程度变得严重的冻融循环次数和应变率增加。动态抗压强度随应变速率的提高而增大在相同冻融周期,同时降低了冻融循环的增加在同一应变率。发现10个冻融循环是一个明显的拐点。小于10个周期时,砂岩试样的动态抗压强度迅速降低,它超过了10个周期,强度逐渐降低。这是由于在砂岩孔隙的演化进程更均匀后一定数量的冻融循环。同时,冻融的影响主要是受制于孔隙演化。另一方面,砂岩失败生长所需的能量耗散的增加冻融循环的数量。这表明需要更多的能量产生的孔隙和裂隙砂岩由冻融循环造成的。这导致恶化的砂岩结构稳定性和动态力学性能的降低。
1。介绍
超过70%的中国的土地面积是常年冰冻和季节性冻结。其中,一些地区东北部和西部高海拔地区的永冻层地区,而中国北方和南方季节性冻土地区(1]。这些冰冻地区丰富的矿产资源,以及岩体将不可避免地受到动态载荷等影响钻探和爆破过程中矿物开采。此外,温度变化对岩石冻融力学的影响不容忽视(2]。因此,研究机械性能和失败定律岩石冻融和动态载荷的共同作用下岩体工程具有重要意义在冰冻地区。
目前,传统的冻融循环下的岩石力学特性已经被许多学者深入研究[3- - - - - -18]。周出版社(19- - - - - -21)使用核磁共振系统来研究孔隙结构变化和损伤机制下的花岗岩冻融循环。Amitrano出版社(22)测试的故障特征岩石冻融循环作用下的声发射试验,发现大量的内部裂缝发生冻融循环的进展。吴出版社(23]研究了纵波速度、质量和体积的大理石冻融循环后,总结了冻融循环后大理石的物理和机械性能。杨出版社(24)利用砂岩单轴和三轴压缩试验和煤在不同温度和围压下岩石的强度特性研究冻融循环。尼科尔森出版社(25)进行破碎岩石冻融循环测试研究的影响主要骨折冻融损伤的程度。Huseyin出版社(26)测试了抗压强度等参数冻融循环后的安山岩和安山岩的退化规律。Jihwan公园出版社(27)使用CT扫描和扫描电镜技术分析岩石冻融循环下的微观结构的变化。Bellanger出版社(28]研究了饱和含水量、孔隙度和渗透率的石灰石在法国东北部和它们之间的关系。
此外,在动力荷载下岩石内部损伤与断裂过程将伴随着转换和能量耗散。能量耗散是最重要的因素在岩石破裂;因此,许多学者进行了深入的研究岩石能量耗散机制(29日- - - - - -32]。例如,谢出版社(33,34]发现内部损伤与断裂的岩石是由外部能量,基于能量耗散和岩石损伤方程能够更好地描述岩石的破坏过程。龚出版社(35,36)进行静态单轴压缩试验和巴西分裂红砂岩的测试,并发现线性能量储存和能源消耗的法律压缩紧张失败的岩石。
然而,当前岩石冻融下的动态力学性能研究相对较少。本文的动态单轴压缩试验详细研究了砂岩在不同冻融循环,及其破坏机理从能量的角度进行了分析。
2。样品和测试方法
2.1。样品制作
测试样本取自砂岩具有良好的粒子均匀性和结构完整性在内蒙古呼伦贝尔市Baorixile露天矿区,内蒙古。根据工程岩体的标准实验方法(37),砂岩样品抛光成盘样品25毫米的高度和直径50毫米,如图1,测试了砂岩的基本力学参数如表所示1。
2.2。测试设备
tds - 300冻融循环测试机是用于冻融循环测试,如图2。温度可以控制的设备是-40°C - 90°C,温度波动是±0.05°C。
负载测试的影响砂岩利用分离式霍普金森压杆试验装置(SHPB)如图3。该设备可以用来测试岩石动态特性的影响,混凝土和其他材料。它主要由发射腔,入射杆、传动杆,和数据采集和处理系统。杖是由铬合金钢。入射杆和透射杆的直径50毫米,长度2米和1.5米。
2.3。测试方案和流程
首先,与水饱和砂岩的样本,之后样本完全饱和,冻融循环试验,和单一冻融循环将12 h。样品被冻结在20°C 6 h和解冻20°C 6 h。实验分为6组根据不同冻融周期,和冻融时间0,1、5、10、15、20倍。不同冻融循环后,分离式霍普金森压杆装置是用来进行冲击荷载测试样品与不同冲击压力的0.5 MPa, 0.6 MPa,和0.7 MPa,砂岩样品的动态特性进行了测试。
3所示。测试结果
子弹速度和应变率的单轴压缩试验在不同冲击压力下表所示2,动态抗压强度峰值和峰值应变的砂岩在不同冻融循环和应变率如表所示3。
3.1。动态单轴抗压强度分析
应变速率的影响和冻融循环动态抗压强度如下。图4显示了砂岩的动态压缩强度曲线在不同应变率下,和冻融循环的数量。图5是砂岩的动态压缩强度曲线在不同冻融循环,然后呢是应变率。
如图4砂岩的动态抗压强度随应变速率的增加而上升。这是由于,在高应变率的冲击载荷,砂岩与相同数量的冻融循环需要更多的压力,从而导致砂岩样品的失败。抗压强度随冻融循环的增加下降。很明显,应变速率和冻融影响砂岩的动态抗压强度,但冻融的影响高于应变率。
如图5砂岩的动态抗压强度随冻融循环的增加下降。原因是反复冻融循环导致砂岩重复扩张和收缩毛孔,导致毛孔逐渐发展成裂纹和严重破坏的内部结构砂岩;所以,冻融周期将大大降低砂岩的力学性能。
3.2。动态轴向应变的变化规律
应变速率的影响以及冻融循环应变:人物6显示了砂岩的动态轴向应变曲线在不同的应变率。图7显示了砂岩的动态轴向应变曲线在不同冻融循环。
从图可以看出6:砂岩的动态轴向应变与应变率的增加,增长原因是更高的压力是需要摧毁砂岩样品在高应变率;因此,轴向应变的增加而增加。
在图7砂岩的轴向应变的增加提升冻融循环。这是由于这些不同的冻融循环将会摧毁砂岩的内部结构,使毛孔内部增长转化为通过裂缝,导致砂岩样品的轴向应变与冻融的数量的增加将上升周期。
4所示。讨论
4.1。能量耗散规律
在负载测试的影响砂岩,砂岩的破坏过程必须伴随着能量的吸收和耗散。在砂岩能量吸收取决于孔隙空间等因素。的发展和扩张毛孔和砂岩内骨折需要能量的吸收(21]。所需的能量消散砂岩失败可以由入射能量计算,反射能量,和传输能量。公式如下:
的公式,是入射能量,是反射的能量,发射能量,杆的弹性模量,杆的纵波速度,杆的横截面积,是入射应力波压力信号,是反映应力波应变信号,是应力波传播的应变信号。
耗散能量砂岩试样破坏过程的表达 ,公式是
表4显示动态单轴压缩试验的能源统计的砂岩在不同冻融循环。
图8显示了四种能量的变化曲线与冻融循环的数量平均应变率53.15,75.07和99.07。从图可以看出8入射能量和传输能量保持稳定在不同冻融循环。然而,入射能量和传输能量成长随着应变率的增加,应变速率越高,经济增长就越大。这表明入射能量和反射能量不敏感的冻融循环的数量。传输能量的增加降低了冻融循环和增加起初随着应变率的增加,然后下降。消散的能量提升的冻融循环次数的增加,应变速率越高,增加耗散能量越大。
(一)
(b)
(c)
4.2。砂岩样品的失效机理
动态抗压强度的应变率效应的角度分析了砂岩的能量。砂岩样品的室内充满自然孔隙和裂缝,和砂岩的破坏过程的过程也是孔隙和裂缝的发展和扩张。裂缝上升随着应变率的增加,需要的能量(38]。因为冲击载荷的时间很短,样本只会增加压力来平衡外部能量;因此,砂岩样品的动态抗压强度随应变速率的增加而提升。
图9显示了耗散能量的曲线不同冻融循环的数量在不同的应变率。可以看出,砂岩样品的耗散能量上升显然与冻融循环的数量的增加,和耗散能量的增长率随着应变率的增加。结果表明,砂岩的失败的共同作用下,冻融循环和高应变率影响负载会吸收更多的能量和illustraion砂岩的孔隙和裂缝的发展需要更高的能源。因此,随着应变率的增加和冻融循环的数量,砂岩标本的失败程度变得越来越大,如图10。
(一)
(b)
(c)
(d)
5。结论
(1)砂岩的动态力学性能明显受到冻融循环和应变速率的影响。与冻融周期的增加,砂岩的强度降低,应变增加和砂岩的强度和应变随应变速率的增加而增长(2)当周期的数量小于10,砂岩的动态抗压强度迅速降低,和图像显然是凹的。当周期的数量超过10倍,强度逐渐降低,图像显示一个凸形状。10个冻融循环是一个明显的拐点。原因是一定数量的冻融循环后,砂岩开发更均匀的内部毛孔,抑制了冻融对砂岩和放缓的影响强度的降低(3)的冻融循环次数的增加,砂岩故障所需的耗散能量的增长。原因是冻融循环使砂岩松散,并加剧裂缝的发展。砂岩是被外力破坏时,很容易产生裂缝,造成更大程度的失败的样本,显示粉碎屑形状
数据可用性
的数据支持本研究的发现可以从相应的作者,在合理的请求。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
感谢评审专家的评论这篇文章。同时,感谢那些帮助这个实验。这项工作得到了国家自然科学基金(批准号。51522903,51522903),在北理工大学优秀的项目基金(批准号216051360020 xn199/006),在北理工大学和科学研究基金(批准号110051360002)。