文摘

开采海底在中国是一个具有挑战性的任务。受爆破影响,隧道等工程扰动,围岩常在循环加载和卸载压力。在这项研究中,为了研究的影响循环加载和卸载的变形和破坏特征上砂岩在渤海,生殖芽细胞肿瘤测试机是用来进行循环加载和卸载测试砂岩。结果表明,在循环加载和卸载压缩下,砂岩的应力-应变曲线形成磁滞回线。轴向残余变形先降低,然后增加周期数的增加和卸载应力水平。周向残余应变和体积残余应变与循环数的增加和减少卸载应力水平。轴向弹性变形随循环数的增加,循环荷载。变形量先增加,然后下降,圆周应变逐渐减少。在循环加载和卸载的过程,加载弹性模量逐渐增加。受到损伤,卸载应力差的砂岩最初随周期的增加。 Next, the effects of cycle number and unloading stress level on the damage parameters of sandstone are analyzed. Before brittle failure of the specimen, the absolute damage parameters of axial, circumferential, and volume show an increasing trend, and the increase rates of circumferential damage parameters and volume damage parameters suddenly increase, which is also the precursor of the sandstone specimen’s instability failure.

1。介绍

地下煤炭开采过程中,围岩的巷道工作面主要是受到各种采动应力的影响。一些事故,包括岩爆和环境问题,已经引起的地下煤矿(1- - - - - -5]。此外,其变形行为,强度特性和失效模式本质上是不同于在传统单轴和三轴加载6,7]。受到采矿和爆破的影响,巷道围岩常在循环加载和卸载压力。由于这些原因,探索岩石力学参数的变化在循环加载和卸载安全具有重要意义和有效的煤矿和矿山灾害预防。

循环加载和卸载测试通常用于研究材料的疲劳和损伤特点。现有的实验研究证实,岩石的力学性能在循环加载和卸载显著差异与单调加载下(8- - - - - -11]。Zoback和Byerlee [12]西风花岗岩进行了循环加载和卸载测试和观察到的膨胀岩不受围压下的周期数50 - 200 MPa。艾略特和棕色(13]研究可恢复和不可恢复的变形循环加载和卸载下的岩石变形和杰出的弹性塑料组件的岩石。辛格(14]研究了砂岩的疲劳特性和应变硬化现象,发现疲劳应力幅值降低时,岩石的疲劳寿命增加,和周期的数量越高,应变硬化的比例就越大。Yoshinaka et al。15)进行了循环加载和卸载测试Ohya凝灰岩、砂岩和泥岩横滨和神户泥岩和砂岩。他们还分析了变形行为,这四个软岩的膨胀特征进行了分析。发现变形模量指数与塑性应变,和内摩擦角和剪胀角之间的关系模型和塑性应变。李等人。16]研究了冻结岩石含有裂缝的疲劳损伤特性,获得了冻结岩石的疲劳失效规律,指出岩石含有裂缝的疲劳效应比完整岩石在冻结条件下。Bagde和Petroš17]对砂岩进行了单轴循环加载和卸载测试和研究了加载频率对力学参数的影响。认为杨氏模量,割线模量和单轴抗压强度增加随着加载频率的增加。周et al。18]研究红砂岩循环荷载下的力学性能,发现红色砂岩的疲劳寿命降低,然后增加随着加载频率的增加和更低的极限载荷比。可以看出,循环荷载对岩石的损伤有显著的影响。

岩石的变形和强度特性在循环加载和卸载,Fuenkajorn和Phueakphum19)进行了循环加载和卸载测试岩盐和分析周期的影响在岩盐的强度和弹性行为。结果表明,岩石的抗压强度随着循环次数的增加减少盐。周期,早期弹性模量先下降,然后基本上保持不变,直到失败。刘等人。20.]研究了循环荷载下的变形和破坏特征,砂岩和卸货。试验结果表明,砂岩的轴向应变循环加载和卸载时大于静态载荷作用下发生膨胀。砂岩主要经历了剪切破坏。与静载荷相比,剪切带循环载荷作用下局部破坏。使用三轴循环加载和卸载测试,王et al。11研究了花岗岩的力学性能。在体积压缩阶段,轴向残余应变和体积与周期的增加,残余应变下降而变形模量逐渐增加。然而,在体积膨胀阶段,随着周期的增加,轴向残余应变和体积残余应变逐渐增加,而变形模量逐渐降低了。邱et al。21]研究了大理石基于不可逆变形和破坏特点,认为伤害增加随着围压的增加卸货增量。Zhang et al。22)进行了三轴循环加载和卸载测试与不同层面的角度,分析了泥岩塑性变形对各向异性泥岩的非弹性变形。他们认为,弹性模量与累积塑性应变是负相关,而泊松比是相反的。杨et al。23,24)进行了三轴循环加载和卸载测试在砂岩和大理石,分别。他们发现循环加载和卸载下砂岩的强度高于单调加载在低围压下,和力量基本上是平等的,当围压超过20 MPa。峰值前,轴向破坏大于圆周损伤,而峰值后,圆周损失大于轴向破坏。他们还发现,随着周期的增加,大理石的弹性应变增加,然后下降,塑性应变显示一个非线性增长的趋势。孟et al。25)进行对红砂岩单轴循环加载和卸载测试和分析声发射和能量特征。发现声学排放的数量达到最大在每个循环的峰值应力,装货和能量密度增加而增加压力。歌等。26,27]研究了砂岩的变形场和损伤演化循环加载和卸载下数字图像相关方法。结果表明,岩石的损伤可以通过最大拉伸应变反映样品表面的。循环载荷达到临界值时,累积损伤的岩石将演变成高地方损伤区域对应于岩石的宏观失效裂纹,从而导致岩石破裂。王等人。28]研究岩石变形和破坏的特点在循环加载和卸载,发现与单轴压缩试验相比,循环加载和卸载某些加强的影响强度的岩石样本。

总之,许多研究都集中在变形、损伤和强度特征的岩石在循环加载和卸载和取得了良好的效果。然而,很少有研究在海底开采围岩力学性能。在此基础上,在这项研究中,以砂岩为研究对象,砂岩的破坏力学测试循环下装卸由生殖芽细胞肿瘤试验机,下的砂岩和变形破坏特征分析了循环加载和卸载。研究结论为失败行为提供理论参考和海底矿产的围岩稳定性分析。

2。测试概述

2.1。测试样品

在测试使用的岩石是砂岩,来自Beizao龙口矿区煤矿,山东省。埋深约400米。煤的屋顶4中的砂岩是分层的浅灰色和白色,平均厚度为68.02米。根据x射线衍射测试结果,石英砂岩组成的材料33.97%,24.28%钠长石、白云母5.290%,16.98%的白云石,方解石2.100%,17.38%的高岭石。砂岩孔隙度的材料大约是9.1%,与粗晶粒尺寸变化从0.25 ~ 1毫米。

钻探后,锯切,磨削,砂岩是加工成圆柱试样直径50毫米和100毫米的高度。在加工过程中,确保样品的两端平行光滑没有大的划痕。两头的不平行度大于0.01毫米,和两端的直径偏差不大于0.02毫米,使样品的两端满足要求的测量方法。基本力学性能Ref的砂岩进行了调查。29日]。各自的砂岩的单轴抗压强度和弹性模量约23.35 MPa和8.32的绩点。

2.2。测试计划

测试设备采用生殖芽细胞肿瘤的rtr - 1000岩石三轴试验系统的煤炭资源与安全开采国家重点实验室(北京)中国矿业大学和技术。生殖芽细胞肿瘤的rtr - 1000岩石三轴试验系统是一个闭环数字伺服控制装置,可用于简单和快速的单轴加载试验和渗透试验的岩石样本。岩石的应力-应变曲线和一系列的力学参数,如弹性模量、泊松比、抗压强度可以测量。最大轴向载荷是1000 kN,刚度是1750 kN /毫米,最大的压力是140 MPa,分辨率为0.01 MPa。增压装置是一个双活塞增压系统。轴向和周向变形的岩石样本5毫米伸长计进行测试。

轴向应变控制用于循环加载和卸载的过程,和装卸率是0.02% /分钟。每个周期之间的间隔是由压力控制,这是0.03%。装卸方案如下:0 0.03%→→→→0 0.06%→0.09%…直到到达失败。

3所示。测试结果

3.1。应力-应变曲线循环荷载下的砂岩

单轴循环加载条件下的应力-应变曲线砂岩和卸载在图所示1。从轴向stress-axial应变曲线可以看出,砂岩的postpeak曲线没有明显的应变软化阶段,形成一个典型的II型曲线。图2显示了失效模式的砂岩试样在单轴循环加载和卸载压缩。与砂岩的失效模式相比,在传统的单轴和三轴压缩下裁判。30.),在循环加载和卸载压缩下,砂岩的裂缝标本明显增加。

砂岩变形参数的计算方法是图所示3。图3(一个)显示了轴向的第九周期stress-axial砂岩UC-C-1应变曲线,而图3 (b)显示了轴向的第九周期stress-radial砂岩UC-C-1应变曲线。从图可以看出4每个循环砂岩形成磁滞回线,这主要是由于内部微裂隙。加载起始点之间的距离和卸载终点是一个不可逆应变,即残余应变。其中,和分别是轴向和周向残余压力。卸载下的变形曲线可恢复变形,即弹性应变,和分别是轴向和周向弹性菌株。残余应变和弹性应变之和是加载下的变形曲线在这个周期,即总应变,和轴向和周向总菌株在这个周期,分别。弹性模量是直线的斜率的装载和卸载曲线。装卸的弹性模所表达的和 ,分别。

4所示。讨论

4.1。周期对砂岩变形的影响

以下4.4.1。残余应变之间的关系、弹性应变和循环的数量

的残余变形和弹性变形砂岩在不同周期如图5。图5(一个)显示了残余应变和周期之间的关系,而图5 (b)给出了弹性应变和循环之间的关系。砂岩在每个周期的总应变循环弹性应变和残余应变之和。残余应变的比值、弹性应变和总应变数据所示5 (c)和5 (d),在那里和是轴向残余应变的比率和总应变轴向弹性应变,分别。周向残余应变的比值和圆周总应变可以表示为弹性应变和 。

从图可以看出5(一个)的轴向残余应变的增加先增加然后减少周期。剩余的标本UC-C-1 UC-C-2,分别在第十和第七周期达到最小值,即 和 。周向残余应变和体积残余应变随周期的增加减少。数量不断增加的周期,砂岩中的微裂隙首先产生一个闭合效应,导致轴向残余应变逐渐减少。然后,连续增加分级加载,尖端的应力集中发生在微裂隙;然后,裂纹萌生和传播发生,从而导致不可逆变形的逐渐增加。

从图可以看出5 (b)随着周期的增加,轴向弹性应变峰值之前显示一个线性增长趋势。圆周的弹性应变随循环的数量的增加,和降低率逐渐增加。在前六周期,砂岩体积弹性应变的增加线性周期的数量。周期的数量,体积弹性应变的增加速度逐渐减慢。UC-C-1和UC-C-2样本的体积弹性应变达到最大值后第十和第九周期,即 和 ,分别。然后,随着周期的增加,弹性变形量逐渐减少。

图5 (c)说明了之间的关系 , ,和周期的标本UC-C-1 UC-C-2。可以看出,随着循环次数的增加,逐渐减少。例如,标本UC-C-1样品达到最低的十个与每个循环周期,然后逐渐增加。之间的关系和周期时间先降低,然后增加。其中,标本UC-C-1和UC-C-2达到最低第四和第五周期,分别,然后逐渐增加。图5 (d)显示之间的关系 , ,的数量和周期。可以看出增加逐渐增加的周期。相反,先增加,然后降低。

在循环加载和卸载过程中,由于逐步关闭主裂纹,轴向残余应变逐渐减小,残余应变比总应变逐渐减少。接着,随着循环荷载的增加,应力集中发生在原始裂纹的尖端,和裂纹萌生发生,导致轴向残余应变的增加。

4.1.2。装卸弹性模量和周期之间的关系

装卸弹性模量之间的关系下的砂岩和数量的周期循环加载和卸载图所示6。从图可以看出,与加载周期的增加,弹性模量逐渐增加。标本UC-C-1达到最大值8.965的平均绩点在第十个周期,当标本UC-C-2达到最大值10.48绩点在最后周期,然后开始下降。

加载弹性模量逐渐增加。这主要是因为,在循环加载过程中,岩石内部的微裂隙逐渐接近,和岩石矩阵熊大变形,导致弹性模量逐渐增加。早期阶段的加载、卸载弹性模量的标本UC-C-1逐渐减少,但总体来说,卸载弹性模量之间的关系和数量的周期不明显,和它的价值变化。

4.2。卸载应力水平对变形的影响

卸载应力水平是指每个循环应力时的起点开始卸货。卸载应力差是指这个周期的卸载应力水平之间的差异,以前的周期,这是表示如下:

的公式,卸载的应力水平吗 - - - - - -th周期,卸载的应力水平吗 - - - - - -th周期,卸载应力差,是周期的数量。卸载应力差的大小可以反映岩石样本的损伤程度在循环加载和卸载。卸载应力差逐渐减小,表明岩石继续接受伤害。卸载应力差越小,伤害就越大。

卸载应力水平和卸载应力差的砂岩在每个周期如图4。从图可以看出,随着周期的数量的增加,卸货压力逐渐增加。UC-C-1和UC-C-2样品在12日周期达到最大值,分别是19.23 MPa和19.78 MPa。然后,故障在13日周期,高峰值18.31 MPa和19.36 MPa。标本UC-C-1卸载应力差和UC-C-2最初随周期的增加,达到最大值的第九和第十周期,分别。,2.303 MPa和2.635 MPa。之后,连续动作的循环加载,卸载应力差逐渐减小,达到在13日周期的一个负值。

图7说明了卸荷应力水平之间的关系和变形参数下砂岩的循环加载和卸载。从图可以看出7(一),在卸荷应力水平的增加,轴向残余应变逐渐减少。然后,当卸载压力UC-C-1 UC-C-2,分别达到16.25 MPa和18.58 MPa,轴向残余应变也开始增加。周向残余应变和体积残余应变与卸荷应力水平的增加,减少和降低率逐渐增加。随着循环次数的增加,应力卸载水平增加和砂岩的破坏将会有更多的服务器。和它产生更多内部裂缝砂岩。这些裂缝是残余变形。因此,随循环数的增加,圆周和体积变形增加。

卸载应力水平的影响在轴向弹性应变如图7 (b)。可以看出,轴向弹性应变与卸载应力水平呈正相关。与卸荷应力水平的增加,环形弹性应变逐渐减少,减速率逐渐增加。

4.3。损伤演化律砂岩在循环加载和卸载

损害是指材料或结构的恶化过程mesostructural造成的缺陷,这是表现为材料的凝聚力的弱化,甚至在外部负载下体积元的破坏。它是一个能量耗散的不可逆过程。爱伯哈et al。31日)提出以下方法计算损伤参数适用于循环加载和卸载过程:

在哪里 , ,和轴向、周向和体积应变损伤参数,分别是绝对的损伤参数在每个周期,然后呢是装卸的循环次数。

砂岩的破坏参数之间的关系和卸载应力水平下循环加载和卸载如图8。在图中, , ,和轴向、周向和体积累积损伤参数,分别。他们的价值观是绝对的总和在一定周期下的损伤参数。例如,第六周期的累积损伤参数的绝对损失参数的总和这六个周期。以UC-C-1为例,从数据可以看出8(一个)和8 (c),在卸荷应力水平的增加,轴向绝对损伤参数砂岩的逐渐减少,达到最小值后约16 MPa,然后增加。圆周绝对损伤参数砂岩的逐渐减少,达到最小值后4 MPa,然后逐渐增加,增加速度加快,表明砂岩很快就会失败。绝对体积损伤参数砂岩的先降低,然后增加与卸荷应力水平的增加。大约12 MPa,卸载应力水平时达到最低,然后增加,增长率逐渐加速。砂岩样品的绝对损失参数UC-C-2类似于标本UC-C-1。基于相同的砂岩标本UC-C-1和UC-C-2现象,它可以被认为是在循环加载和卸载,绝对损失参数(包括轴向、周向和体积)砂岩首先减少和逐步提高卸荷应力水平的增加,和增加率逐渐增加。主要原因是岩石本身经历了初始损伤,包括大量的主裂纹或气孔等缺陷。早期阶段的加载,加载熊压实影响岩石内部微裂纹。裂缝逐渐接近,初始伤害减少;因此,绝对第一降低岩石的损伤参量。然后,逐渐增加的分级加载的应力集中发生在内部的微裂隙的岩石,在裂纹萌生和传播发生。岩石损伤增加; thus, the absolute damage parameter of the rock begins to increase before the failure.

从数据可以看出8 (b)和8 (d),在卸荷应力水平的增加,累积损伤参数的标本UC-C-1和UC-C-2也有类似的法律。以标本UC-C-1为例,轴向累积损伤参数的砂岩随卸荷应力水平的增加,但增加速度先增加,然后降低。圆周累积损伤参量之间的关系砂岩和卸载应力水平表现出明显的非线性;即。,with the increase of the unloading stress level,非线性增加。与卸荷应力水平的增加,累积损伤参量的变化砂岩可分为三个阶段。第一个是缓慢增长阶段,周期数是1 ~ 5,和逐渐增加,但增加速度逐渐减慢。第二阶段是静止的基本上保持不变与周期的数量的增加,这是0.32 (UC-C-1)和0.17 (UC-C-2);第三个阶段是加速破坏阶段,,随着卸荷应力水平的增加,增加的速度逐渐增加,几乎增加垂直。

绝对的关系下的砂岩损伤参数和累积损伤参数循环装卸和周期如图9。从图可以看出,UC-C-1的损伤参数和UC-C-2与周期的进化趋势基本上是一致的。轴向绝对损伤参数砂岩的第一次显示了一个下降趋势周期的增加,但下降不明显;然后,它开始增加。圆周绝对损伤参数砂岩随周期的增加,从而表明装卸的周向残余变形增加周期。随着周期的增加,绝对体积损伤参量的变化规律砂岩可分为两个阶段。第一个是逐步下降阶段,在这段时间逐渐随循环数的增加而减小。其中,标本UC-C-1达到最低在第八周期,而标本UC-C-2第七周期中达到最低;相应的值是0.0019和0.0015。然后,与周期的增加逐渐增加,相应的最大绝对体积损伤参数UC-C-1和UC-C-2是0.381和0.507。

综合收视率8和9,可以看出,绝对和累积损伤参数的轴向,周向,体积显示增加趋势在发生脆性破坏。此外,增加率圆周损伤参数和体积损伤参数的突然增加,这也是不稳定的前体砂岩标本的失败。地下煤矿,不稳定围岩的失败可能引起塌顶,岩爆、煤肿块,或其他事故。因此,我们必须找出的循环荷载属性砂岩为支持道路提供一些参考。

5。结论

(1)在循环加载和卸载,循环应力-应变曲线形成磁滞回线的影响由于微裂隙砂岩。在早期阶段,由于微裂隙的闭合砂岩,轴向残余变形随周期的数量的增加和卸载应力水平。随着分级负荷的增加,主裂纹尖端的应力集中发生,和裂纹萌生发生,导致轴向残余变形逐渐增加。周向残余应变和体积残余应变熊一个下降的趋势与循环数的增加和卸载应力水平;即。,with the increase of the cycle number and unloading stress level, the circumferential residual deformation and volume residual deformation gradually increase. The axial elastic deformation increases with the increase of the cyclic number and cyclic load. The volume deformation first increases, then decreases, and the circumferential strain gradually decreases(2)在循环加载过程中,岩石内部的微裂隙逐渐接近,和岩石矩阵发生大变形。因此,在循环加载和卸载过程中,加载弹性模量逐渐增加。受到损伤,卸载应力差的砂岩最初随周期的增加。周期数和卸载应力水平的影响在砂岩的破坏参数进行了分析。试样的脆性破坏之前,绝对的损伤参数的轴向,周向,和体积表现出增加的趋势,和增加率圆周损伤参数和体积损伤参数的突然增加,这也是不稳定的前体砂岩样品的失败

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

没有潜在的利益冲突是报告的作者。

确认

金融支持中国的国家自然科学基金(51904092)、重点科研项目的河南省高等教育机构(20 b580002),河南大学的基础研究基金(NSFRF210454),河南理工大学青年骨干教师资助计划(2022 xqg-01),和医生基金支持河南理工大学(B2019-21)感激地承认。