文摘

岩石工程在寒冷地区,自然断裂的岩石是容易反复冻融风化(化学),耦合疲劳冻融条件(化学)和压力扰动作用于岩体,从而导致岩石工程的失稳,甚至发生地质灾害。天然裂缝如何影响知识的总体断裂演化冻融岩石岩体稳定是至关重要的。实验室多级循环荷载试验,揭示了进行疲劳行为和能量进化自然大理石、骨折以及自然裂缝体积断裂演化的影响。测试结果表明,先前存在天然裂缝影响疲劳强度,寿命和能量耗散。耗散能量是与各种各样的天然裂缝(即。,opening-mode, closing-mode, and filling-mode), and it decreases with the increase of the total natural fracture volume. The dissipated energy presents a first slow and then faster pattern as the cycle number grows. Compared with newly formed cracks, the proportion of energy consumed by stimulating natural cracks is smaller.

1。介绍

岩体通常由不同类型的不连续结构如关节和错误;先前存在的骨折明显影响岩石地质行为(1- - - - - -3]。自然裂缝岩石是容易受到不可逆转的损害,甚至由于压力不稳定扰动产生的地震、爆破、开挖、钻孔、岩石切割、水力压裂等。4- - - - - -6]。因此,它是至关重要的,揭示了地质行为和损伤演化的自然压力扰动条件下破碎岩石在矿产预测岩石的长期稳定,公民,隧道,和能源领域等。

一般来说,压力扰动相当于循环荷载,加载和卸载实验被广泛进行各种各样的岩石。一些影响岩石疲劳力学性能的主要因素进行了调查,包括上层压力、加载频率、动态应力幅值、加载波形类型。(7- - - - - -12]。因为应用加载路径的复杂性,岩石变形和破坏过程涉及复杂的力学行为。宏观应力-应变曲线被广泛用于描述岩石破裂过程;然而,尽管有着类似的岩石应力-应变曲线,内部损伤演化过程可能是完全不同的13]。针对这一点,许多岩石损伤演化的研究专注于能源交易所在岩石破裂(14- - - - - -16]。作为能量转换是一个不可逆热力学过程,能量耗散和释放开岩石损伤演化最终失败。岩石断裂能量包含了大量的信息参数,如压力、应变和弹性模量。监控权力是无损,不需要终止测试。能源是一个标量,可以积累和计算,可以准确地反映整个物理过程的岩石疲劳破坏。因此,有相当大的优势选择能源比其他参数作为损伤变量。详细的文献综述之后,很明显,大量的研究已经进行了静态加载条件下岩石,包括单轴压缩(17,18),三轴压缩19,20.],拉伸应力[21,22),动态压缩(23,24),卸载过程(25,26];能量转换过程中岩石变形已经好了。然而,对于岩石承受循环载荷、岩石损伤演化使用能源的方法是相对较少的。李等人。27)考虑岩石初始损伤和建立一个能源模型的耗散能量在恒定应力振幅负载下砂岩。王等人。28)进行了循环应力卸载实验,揭示了各向异性变形和能量演化特征的层间的大理石。张等人进行了多频交变载荷测试煤的能量耗散特性,研究了影响频率的能量耗散率。王等人还提出了一个能量耗散模型,该模型与传统的破坏模式不同。一般来说,一些力学参数,如应变、应力和弹性模量是用于建立一个疲劳损伤本构方程。这种方法的缺点是,应力、应变信息相对比较简单,不能很好地反映了岩石的内部损伤。聚氨酯等。29日]研究了循环荷载下岩石的蠕变特性和viscoelastoplastic本构模型建立了通过引入能量法;模型的可靠性使用实验数据验证。杨et al。30.)进行了多级循环荷载试验对圆柱形煤样品揭示煤的峰值应力疲劳强度和能量耗散。刘等人。31日]贴合如磐石般坚韧的材料进行循环荷载试验和动态频率能量耗散与释放的影响进行了讨论。Bagde和Petroš32)揭示了疲劳和循环加载下岩石的动态能量演化特征;加载频率对能量转换是澄清。在上面的研究中,循环/疲劳实验进行完整或preflawed岩石样本;压力扰动自然破碎岩石的地质属性并不常见。此外,先前存在的天然裂缝在能量耗散的影响还不是很清楚。

这项工作的目的是研究能量演化特征在大理石含有不同的天然裂缝和提出在疲劳载荷下岩石损伤模型在循环加载。最初的天然裂缝体积的影响在这个能量转换深入调查工作。

2。测试方法

2.1。测试岩石材料描述

大理石块被来自中国的西部露天边坡在寒冷地区高。由于露天采矿活动,岩石边坡受到复杂的应力扰动载荷,如开挖、爆破振动,电车车辆装载。后观察新鲜岩石爆破开挖部分,大量opening-mode骨折,骨折关闭方式,黄铁矿filling-mode骨折岩体内部的分布。所有自然骨折显示主导取向,及其倾角约38°。图1显示了典型的大理石样品含有天然裂缝用于这项工作(NFM3(模拟)对大理石的观察样本,NFM4, NFM1,并从四个方向NFM13前,左,后,和右)。典型的大理石样品如图1;可以观察到明显的天然裂缝,天然裂缝体积的统计结果表中列出1。

2.2。研究的想法

这项工作中使用的测试设备包括生殖芽细胞肿瘤RTR 2000岩石力学试验机和微ct机。多级循环荷载试验进行了岩石力学测试仪器。测试设备的详细描述可以找到从王等人的研究。7,15]。在疲劳加载阶段,动态加载频率设置为0.5赫兹,和增量应力幅值是5 MPa;岩石受到50周期,振幅增加在下一次加载水平直到岩石破裂。张等人的研究。21),索莱基和柯南特(33王,et al。28),总能量、弹性能量和耗散能量可以获得如下:

如果我们获得的能量表达式,耗散能量的损失可以计算每个周期:

3所示。结果和分析

3.1。代表循环应力-应变曲线

由于先前存在的天然大理石样品内骨折,循环应力-应变行为存在明显差异,绘制在图2。典型的大理石样品含有天然裂缝在这项工作中使用。观察到大理石NFM3样品,NFM4, NFM1, NFM13来自四个方向前,左,后和正确;测试样本的疲劳寿命是822年,550年,385年和338年的周期为一个典型的示例与初始裂缝体积比为0.68%,1.03%,1.53%,和2.27%,分别。影响最初的天然裂缝,应力-应变曲线也显示不同的模式。NFM13大理石样品的体积最小的天然裂缝,磁滞回线的规模小于其他三个样品。虽然岩石破裂发生在应力水平最高,消散的能量并不这么大比其他样本。磁滞回线的外观显示裂纹的能量耗散,和耗散能量被用来驱动裂纹增长。由于存在天然裂缝,应力-应变曲线也显示了不同的法律。NFM的大理石样品13个最小的天然裂缝体积,磁滞回线的规模小于其他三个样品。 Although rock failure occurs at the highest stress level, the dissipated energy is not so large than the other samples.

3.2。动态弹性参数的变化

在本节中,两个动态弹性参数的割线模量(Es)和泊松比( )分析了大理石样品在不同的循环水平。一个周期内的水平,随周期的数量的增加,和增加的速率增加而增加循环水平。泊松比的快速增长表明岩石侧向变形急剧增加,从而导致增加体积变形。自然断裂的大理石样品,这个结果表明,剪切滑动的现象自然骨折高循环水平下更加明显。此外,Es减少在一个循环水平。Es的递减表明岩石刚度的退化,和循环加载导致损伤积累在岩石样本。结果在图3也表明,Es是先前存在的天然裂缝体积的影响。Es与天然裂缝体积增加呈现出减少的趋势;表明Es是最大的示例NFM13 NFM3最低。泊松比与循环的进化水平绘制在图4。在一个循环,随循环数的增加率变大增加循环水平。泊松比的快速增量表示突然增加岩石的侧向变形,这将导致增加体积变形。自然断裂的大理石样品,这个结果意味着shear-sliding天然裂缝成为明显的在高循环水平。

3.3。能量转换过程中疲劳实验

宏观应力-应变曲线显示塑性变形的大理石样品。塑性变形造成的不可逆变形提高岩累积损伤。对于包含先前存在的天然裂缝的岩石,损失可以归因于自然骨折的关闭和滑动,岩石的压实矩阵,新裂缝的形成。人们普遍认为岩石损伤可以归因于在整个变形过程中能量耗散的12- - - - - -14]。基于方程(1)- (3),能量的演化特征 , ,和在岩石变形绘制在图5。单调加载下的结果表明,能量曲线的总体趋势是相似的岩石。在最初的循环加载阶段,几乎所有的输入能量转换成弹性能量,存储在岩石;岩石损伤很小,和耗散能量消耗很小。

总能量曲线的同时,弹性能量曲线和耗散的能量为零。随着疲劳的循环次数的增加,岩石受损,关闭方式天然裂缝与石英脉(CF)和部分输入能源消耗产生的裂缝。虽然充满了黄铁矿filling-mode本位,宏观应力-应变曲线显示塑性变形的大理石样品。塑性变形造成的不可逆变形提高岩累积损伤。对于包含先前存在的天然裂缝的岩石,损失可以归因于自然骨折的关闭和滑动,岩石的压实矩阵,新裂缝的形成。人们普遍认为岩石损伤可以归因于在整个变形过程中能量耗散。此时,弹性能量曲线与总能量曲线不一致。应该注意的是,随着周期的数量增加,宏观应力-应变曲线显示塑性变形的大理石样品。塑性变形造成的不可逆变形提高岩累积损伤。对于包含先前存在的天然裂缝的岩石,损失可以归因于自然骨折的关闭和滑动,岩石的压实矩阵和新裂缝的形成。 It is widely accepted that rock damage can be attributed to the energy dissipation during the whole deformation process.

为了研究自然断裂能量演化特征的影响,图6介绍了之间的关系 , ,数量和周期。弹性能量, ,这是显示在图6(一)那随天然裂缝体积的增加而减小。天然裂缝相对较小的样本,输入能量转移到弹性能量占很大比例;然而,如果天然裂缝体积高,天然裂缝变形消耗一定比例的输入能量。在图6 (b),可以看出,整体比例的耗散能量随天然裂缝体积增大而减小。这表明裂缝闭合和刺激期间所需的能量小于新裂缝的形成。尽管NFM3天然裂缝体积相对较高(即。2.27%),消散的能量并不比其他情况下这么大。这个结果表明,它不需要太多的能量刺激自然骨折;形成新裂缝需要更多的能量。从数据6 (c)- - - - - -6 (d),它显示一个明显的之间存在的关系 , ,和断裂总额( )。没有关联的 , ,和和和 。猜测,所有自然骨折(即。,opening-mode natural fracture and sealed with calcite (OF), closing-mode natural fracture with quartz vein (CF), and filling-mode natural fracture with pyrite bands (FF)) can influence the energy conversion. Although the filling-mode naturals are filled with pyrite and they are the least sensitive to freeze-thaw treatment, their deformation during cyclic loads also consumes energy.

3.4。损伤演化建模

如上所述,损伤积累能量耗散在岩石变形直接相关。能源是一种有效的索引来评估岩石损伤演化;消散的能量用于驱动损伤和裂纹扩展。在这部作品中,耗散能量被用来描述损伤演化。图7情节耗散能量之间的关系数量和周期。没有关联的 , ,和和和 。猜测,所有自然骨折(即。,opening-mode natural fracture and sealed with calcite (OF) and closing-mode natural fracture with quartz vein (CF)) evaluate rock damage evolution; the dissipated energy is used to drive damage and crack propagation. In this work, the dissipated energy is used too. Although the filling-mode naturals are filled with pyrite and they are the least sensitive to freeze-thaw treatment, their deformation during cyclic loads also consumes energy. The dissipated energy is 0.197, 0.078, 0.016, and 0.0084 MJ/m³为典型的岩石样本在最后一个周期。

4所示。讨论

大量的研究已经报道关于岩石的能量演化特征18- - - - - -25]。它已被广泛证明损伤和压裂岩石能源驱动的;能量转换是岩石在变形的基本反应。以前的研究都集中在能源发展完整的矿石preflaw岩石(18- - - - - -21];调查自然破碎岩石的能量耗散和发布是不常见的。这项研究揭示了不同种类的天然裂缝对能量的影响进化,和多级循环荷载试验进行了模拟压力扰动岩石。岩石在各种静态加载条件下,能量转换为岩石在单轴压缩、三轴压缩和巴西测试被广泛研究。在这项工作,多级循环载荷作用下岩石在各种静态加载条件下,能量转换为岩石在单轴压缩、三轴压缩和巴西测试被广泛研究。不同的是,耗散能量增加缓慢,然后变得更快。在stress-increasing时刻,岩石损伤更严重比循环加载过程。根据两级损伤积累模式,透光倒“S”形下岩石损伤演化模型不适合多级循环加载。人们普遍认为反“S”形模型是用来描述大理石的损伤演化过程。例如,Zhang et al。34)定义了一个新的一般损伤模型观察复合材料的降解。结果表明,提出的模型可以更准确地模拟在疲劳早期损害的快速增长,对疲劳寿命的终结。岩石疲劳损伤演化模型的适用性也被证明是适用于恒幅疲劳加载条件下岩石(6]。模型来描述两级损伤演化特征,提出了有别于传统的损伤模型,从能量耗散。一般来说,一些力学参数,如应变、应力和弹性模量是用于建立一个疲劳损伤本构方程(35- - - - - -38]。这种方法的缺点是,应力、应变信息相对比较简单,不能很好地反映了岩石的内部损伤。然而,能源包含有关破碎岩石压缩信息,如应力、应变、弹性模量;此外,获得的能量是无损和不需要终止测试。发现疲劳损伤模型建立的耗散能量可以符合实验数据和相关系数足够高。

5。结论

在这个工作中,能量转换特性的自然破碎岩石。典型的大理石样品含有天然裂缝用于这项工作进行多级循环压缩加载测试。最初的天然裂缝的影响体积应力-应变响应,同时,详细讨论了能量耗散。在上述研究的基础上,总结了主要结论如下:(1)大理石的天然裂缝影响能量耗散和发布模式。耗散能量增加天然裂缝总量的增加。耗散的能量与天然裂缝总量,并显示所有的自然骨折不管身体状态如何影响疲劳损伤积累(2)岩石损伤演化描述使用耗散能量,和耗散能量的增加率的增长速度和增加循环水平。刺激的自然骨折消耗输入能量的比例相比,新形成的裂缝。消散的能量在stress-increasing时刻比循环加载过程急剧增加(3)典型的大理石样品含有自然骨折被用于这项工作;建立损伤模型根据能量的变化来描述损伤积累在岩石变形。通过比较验证了模型的可靠性测试和预测结果

数据可用性

使用的实验数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由北京市自然科学基金(8202033)、天地科技创新和风险资本特殊(2018 - td - qn041),北京科技项目(Z181100005118012),中央大学和基础研究基金(润扬悬索桥- tp - 20 - 004 - a2)。