动态分层岩石的破裂行为与不同的倾斜角度在SHPB试验

文摘

层状岩石的破裂行为通常是影响床上用品的飞机。本文五组不同的层状砂岩层理倾斜角度θ是用来进行冲击压缩由分离式霍普金森压杆试验。高速相机是用于获取标本的压裂过程。根据测试结果,三种故障模式识别和分类,包括(A)分裂以及床上用品的飞机;(B)滑动失败以及床上用品的飞机;(C)压裂在床上用品的飞机。故障模式(C)可以进一步分为三个子类:(C1)压裂加载方向倾斜;(C2)压裂平行于加载方向;(C3)混合压裂在床上用品的飞机。与此同时,分层岩石和SHPB系统的数值模型建立了颗粒流的代码(PFC)。数值结果表明,剪切应力沿层理面诱导损伤的主要原因= 0°~ 75°。拉应力和剪切应力对床上用品的飞机导致分裂失败以及床上用品的飞机时,倾角为90°。此外,拉应力是导致损害的主要原因在岩石矩阵= 0°~ 90°。

1。介绍

横向各向同性岩石岩石力学和岩石工程中普遍遇到的。许多沉积岩和变质岩,如板岩、页岩、片麻岩,砂岩,属于横向各向同性岩石。一般来说,这些岩石的力学行为是高度相关的床上用品的飞机的方向,表现出强烈的变形强度各向异性和各向异性(1- - - - - -5]。几种类型的岩石与床上用品的飞机(如板岩、页岩、砂岩和煤炭)倾向于分裂或休息在床上用品的飞机而不是在其他方向。

横向各向同性岩石力学性能的研究引起了许多学者的关注。唯一弱点平面Jaeger[提出的理论6,7是第一次尝试描述横向各向同性岩石的强度各向异性。在这个理论中,失败的行为分为两个独立的模式,包括通过完整岩石沿不连续和失败。西安和棕褐色8)进行了理论研究在静力荷载作用下的层状岩体,表明层面和填充材料直接对失效机理的影响。需要等。9)调查千枚岩的各向异性,提出了强度准则预测的非线性横向各向同性岩石的强度行为。天山和郭4)修改Jaeger的判据和Hoek-Brown准则以适应两种不同的失效模式(沿不连续和nonsliding滑模故障模式)为横向各向同性岩石。Saeidi et al。10]也修改了Hoek-Brown标准和需要标准预测横向各向同性岩石三轴加载条件下的强度。他们发现,横观各向同性岩石的强度表现出一个u型的趋势与倾角增加静态加载条件下(10,11]。对于数值模拟,丹和Konietzky [12)发现,横观各向同性岩石的失效模式可以分为三种类型(纯拉伸断裂,matrix-bedding tensile-shear失败,和床上用品tensile-shear失败)与foliation-loading角不同。利用离散单元法,谭et al。13)画了一个图反映抗拉强度之间的关系,失败模式和foliation-loading角横观各向同性岩石。

正如上面提到的,失败模式和横向各向同性静态加载条件下岩石的强度将受到倾角的影响。然而,在动态加载条件下,横向各向同性岩石上倾角的影响更少的关注。与静载荷相比,层状岩石的力学行为是更复杂的动态载荷作用下。岩石的动态强度显示明显的应变率效应(14]。工程实践也表明,激波引起的地震或爆破开挖岩石损伤和岩石破裂是一个重要的因素(15]。因此,研究横向各向同性岩石的动态行为是重要的和必要的。在应力波传播理论,李et al。16)提出了一个等效粘弹性介质的方法研究应力波在层状岩体传播,他们发现,入射角和层状岩体的厚度会影响波传播特性。朱和赵17)使用虚拟波源方法来分析斜入射应力波传播在岩石节理和已经观察到叠加透射波的振幅增加而增加入射纵波的天使。

在动态试验研究,刘等人。18)发现,垂直层状煤岩的能源消耗大于平行的煤炭在相同的分形维数。李等人。19)发现,杨氏模量的非穿透岩石随倾角增加骨折。贾和朱20.]也观察到联合倾角的影响岩爆的发生地点。因此,床上用品的飞机的动态属性的影响横向各向同性岩石值得研究。

为了进一步探索床上用品的飞机在动态压缩压裂的影响行为,不同倾斜角度的砂岩层理飞机被认为是。在测试中,五组砂岩与不同层面倾角角度0°15°、45°、75°、90°已经准备测试层状砂岩冲击载荷下分离式霍普金森压杆(SHPB)。此外,离散单元法是一个很好的意思是研究岩石的破裂行为。通过离散单元法,许多学者复制压裂岩石材料中观察到的行为实验室和失败也调查了进化21,22]。因此,数值模式与不同倾角将建立土坡分析微破裂机制。

2。实验

2.1。测试设备

改进的SHPB系统用来进行动态实验,描述由Li et al。23]。事件和传播棒的直径为50毫米。酒吧是由40铬合金钢,密度为7.810克/厘米³,纵波速度5400米/秒,240 GPa的杨氏模量。射手是一个特定的轴打孔,这可以产生半正弦波。这个波形有足够的负载上升边,这样就可以有效地避免失败(前压力不均匀14,24]。应变片粘贴在事件和传播棒测量压力沿弹性酒吧当压力波传播。同时,示波器和应变数据采集系统采集信号。为了观察裂缝发展冲击试验期间,高速相机用于同步捕获故障样本的过程。帧率设置为100000帧/秒,这意味着它可以拍照每10µ年代。层状砂岩的动态破裂过程可以由高速摄影机记录。

2.2。样品制备

一个黄色砂岩块包含even-spaced选择床上用品的飞机准备SHPB试验的标本。黄色砂岩阻止了九江,中国江西省。圆柱形标本准备的公称直径50毫米和50毫米的高度。五个不同层面倾斜角度(床上用品表面的法线方向的夹角和冲击荷载的方向,如图1)准备,包括0°15°、45°、75°、90°。每组至少包含7个标本。标本的编号在哪里床上用品的飞机和倾角的手段x意味着标本的数量。典型的层状砂岩标本不同倾斜角度如图1。可以看出,床上用品的飞机相互平行,光明与黑暗之间和床上用品的颜色备用。如图1,这两个互相垂直的实线在标本代表倾向线和床上用品的飞机的法线,分别,再一个是倾向线和短的一个是法线。这些数字的虚线代表加载方向的影响。

3所示。测试结果和讨论

3.1。宏故障模式的识别

根据裂缝发展路径和主要骨折和层架之间的几何关系,宏观失效模式可以分为三种类型:(A)将床上用品的飞机;(B)滑动床上用品的飞机;(C)压裂在床上用品的飞机。典型的模式标本细节如图所示2。压裂的特点五个失败的行为模式是描述如下。

(一)分裂以及床上用品的飞机。这种模式产生宏观主要骨折独立的岩石标本在床上用品的飞机。通常,这些骨折是干净和光滑。大多数骨折都平行于加载方向,显示的属性分裂失败。在一些情况下,一些短分支断裂斜向加载方向可能发生的主要骨折。

(B)滑动以及床上用品的飞机。的骨折以及床上用品的飞机斜向加载方向的主要骨折这种模式。在大多数情况下,宏观裂缝直接经历的标本,沿着主要骨折和岩石标本。在少数情况下,v型故障区发生的岩石标本由于新的斜裂缝的产生,这与床上用品的飞机有不同的方向。

(C)压裂在床上用品的飞机。这种模式的主要宏观裂缝穿透床上用品的飞机和故障主要发生在岩石矩阵。一般来说,宏观主要断裂可能是斜向加载方向或平行于加载方向。根据几何关系主要骨折和加载方向,压裂在床上用品的飞机也可以分为三个子目录包括(C1)压裂加载方向倾斜;(C2)压裂平行于加载方向;(C3)混合压裂在床上用品的飞机。

subfailure模式(C1),斜裂缝控制失败的过程。主要骨折相对粗糙的表面和许多微小的错位发展,如图2(C1)。

与故障模式标本(C2),他们有明显的分裂骨折在床上用品的飞机。分裂骨折平行于加载方向是主要的宏观裂缝。图2(C2)显示了典型的冲击荷载下压裂过程。从这些照片,可以发现标本最初生成两个分裂骨折在层理面为100µ年代。后来,宏观失败发生在约160µ年代。

故障模式(C3)的主要断裂可以分成两个部分:裂纹平行于加载方向和加载方向的斜裂缝,如图2(C3)。

3.2。倾角对失败的影响模式

每个失效模式的发生比率似乎与床上用品倾斜角度有关。图3显示故障模式之间的关系比和倾斜角度。可以看出,故障模式(C1)只生成所有标本= 45°,和同样的现象也发生在= 0°、75°。

如图3压裂在床上用品的飞机更可能发生在一个较低的倾角。例如,几乎所有的标本= 0°~ 45°似乎压裂在床上用品的飞机。然而,当倾角的增加在一定程度上,如75°,床上用品的飞机将大大影响压裂过程和标本倾向于打破以及床上用品的飞机。

总之,失败模式和倾角的变化有三个特点。低倾角(少于45°),压裂在床上用品的飞机是主要失效模式。随着倾角的增加,故障模式(C2)将逐渐转换成模式(C1)。对于一个中等倾角(45°-75°),故障模式将改变从模式(C1)模式B随着倾角的增加。随着倾角的持续增加,故障模式将从模式B模式a方法90°时,大多数标本失败分裂以及床上用品的飞机。

4所示。数值调查

实验室测试可以反映岩石的宏观变形行为,但他们有一个短缺在揭示微观变形和破裂机制。从图2已确定的宏观破坏模式,高速相机拍摄。为了进一步研究微破裂机制,一个粒子流动代码(PFC)数值模型是用来模拟动态分层岩石在SHPB试验的失败。

4.1。PFC的基本方法

以下4.4.1。Bonded-Particle模型

bonded-particle模型是由一个致密堆积的非均匀大小的圆形颗粒粘结接触点。所有粒子结合在一起与平行键(PB)或接触键(CB)。两种基本的债券模型具体的力-位移法。CB模型可以提供一个无穷小的行为,线性弹性和摩擦或保税界面,点力和不抵抗相对旋转。PB模型提供的力-位移行为——的尺寸之间的胶结材料沉积块两块附近的接触位置,与线性模型;粒子可以自由移动的粒子之间的剪切和法线方向甚至旋转。与铅模型,可以抵制这些旋转引起的债券。与CB模型,然而,目前不能被抵抗。模型的力学行为是由牛顿第二运动定律,这些力-位移法。因此,微破裂过程可以模拟粒子的运动和个人债券刀具磨损(25,26]。

4.1.2。数值模型的横向各向同性岩石在SHPB试验

如图4,数值SHPB系统成立。所有组件的SHPB实验系统模拟土坡。为了减少计算量,CB模型被分配在酒吧,传播事件栏和前锋。此外,传播酒吧和入射杆的长度是0.75米和1.5米。酒吧粒子和前锋粒子的密度是7810公斤/米³,选择联系人键的强度足够高,以避免损害在冲击试验。先前的研究已经表明,这些设置是可行的27,28]。因为前锋在实验室测试的冲击速度是9.4 ~ 10.2 m / s,和模拟冲击速度的前锋将是10 m / s。

圆柱形标本(7283粒子,50毫米50毫米)生产,样品的颗粒半径是0.3 mm ~ 0.6 mm的范围。特殊的粒子半径为1毫米的对齐的前锋,事件酒吧,标本,酒吧改善接触传播条件(27]。分层岩石的特性是由两个步骤。首先,采用分层岩石的简化数学模型。这些粒子被分成两组来模拟两种有不同的刚度和强度的岩层。层的厚度为10毫米。大多数研究表明,PB模型更适合比CB模型来模拟岩石材料[26,29日]。因此,粒子模拟标本是由PB保税的模型。其次,光滑的关节(SJ)模型被用来模拟床上用品的飞机的行为。在以前的研究中,SJ模型已经成功地用于模拟床上用品的飞机的行为,关节,绿叶,片理(30.,31日]。联合模型适用于分配光滑粒子的两组之间的接口。摩擦的行为或保税关节可以被分配建模光滑的关节模型粒子之间的所有联系,躺在两端的接头。如图4,它提供了一个接口的微观行为无论当地的粒子沿着界面接触方向。光滑的关节可以设想为一组弹性弹簧均匀分布在一个圆形截面,集中在接触点和面向与节理面平行。一旦SJ模型创建,先前存在的平行债券将被删除,取而代之的是SJ模型。和一些参数,如正常和剪切刚度,抗拉和抗剪强度需要重置。酒吧的微观参数、前锋和标本表中列出1。弹性酒吧和前锋使用无阻尼模型,阻尼系数设置为0。和阻尼系数的模拟层设置为0.15。这样的安排使应力波传播有效,特别是无阻尼模型,确保了应力波传播通过弹性没有显著衰减。图5显示了比较得到的入射波的数值模型和实验。和实验模拟波之间的适合确保数值测试的准确性。

4.2。传播和评估的微裂缝

在PFC,一旦颗粒之间的接触应力超过抗剪强度或正常的接触,裂缝将计算和证明。因此,模拟标本不同倾角的压裂过程可以被记录下来。此外,裂缝的类型也计算命令。如果接触的正常的拉应力超过其正常强度、拉伸裂纹将注册。类似地,剪切裂纹注册当剪切应力超过其抗剪强度。此外,拉伸裂纹和剪切裂纹进一步细分根据联系的类型。如果PB联系注册一个裂缝,算作一个PB拉伸裂纹或铅剪切裂纹。如果SJ联系注册一个裂缝,它将被算作SJ拉伸裂纹或SJ剪切裂纹。层状岩石的微观裂缝模式具有不同倾角下冲击荷载表中列出2。

图6(一)显示了微裂纹的传播模拟标本的倾角= 90°。在34岁的时候µ年代,一些微观裂缝开始发展。后来,在52微裂缝的数量迅速增加µ直到181年年代,他们正逐渐稳定µ年代。宏观失效模式与实验结果相似。基本上可以看出主裂缝延伸模拟床上用品的飞机。从裂纹数量的角度,SJ拉伸裂缝和SJ剪切裂纹导致的失败(列在表一起模拟标本2)。和SJ拉伸裂纹的影响略大于SJ剪切裂缝。

图6 (b)显示模拟床上用品的飞机也压裂过程中发挥重要作用的模拟标本倾角= 75°。微裂缝最初生成和沿层理面迅速增加在31日µ年代。SJ的宏观主要骨折是由剪切裂缝和SJ拉伸裂缝,最终穿透了模拟试样在72年结束µ年代。后来,一些PB裂缝包括PB拉伸裂缝和几个PB剪切裂缝生成模拟岩石矩阵由于随后的应力波的作用。总的来说,SJ裂缝,尤其是SJ剪切裂缝,控制模拟试样的宏观裂缝,然后是PB裂缝促进模拟标本进一步损害。

图6 (c)显示的压裂过程模拟标本倾角= 45°。有两个主要宏观裂缝和一些模拟的小分支骨折标本。的一个主要宏观断口主要由PB拉伸裂缝和PB剪切裂缝,这是模拟斜层理的飞机。其他主要宏观断口主要由SJ剪切裂缝和SJ拉伸裂缝,沿着模拟层面延伸。它不同于模拟的实验结果床上用品的飞机实际上影响模拟标本的失败。有两个特点,微裂缝在压裂过程中:SJ的裂缝和PB促进裂缝模拟标本失败。和行动在整个压裂过程中没有明显的阶段;PB拉伸裂缝主要集中在模拟岩石矩阵,和PB拉伸裂缝的数量超过PB的剪切裂缝。SJ拉伸裂缝沿着模拟床上用品的飞机占主导地位,和SJ剪切裂缝的数量超过SJ的拉伸裂缝。

图6 (d)显示的压裂过程模拟标本倾角 。可以看出,微裂缝最初是在61年生成的µ直到200年年代和最终稳定µ年代。宏观主要骨折是模拟斜层理的飞机。结果也与实验现象,如图2(C1)。宏观上,它属于压裂在床上用品的飞机。PB拉伸裂缝压裂过程占主导地位。此外,SJ裂缝分布的模拟这些裂缝不能发展到床上用品的飞机和宏观主要断裂。

图6 (e)显示了微裂纹的传播模拟标本的倾角 。结果表明,在压裂过程中两个阶段的模拟样品。在第一阶段,大多数微裂缝的分布是平行于加载方向。微裂纹开始扩展到46之前模拟试样的两端µ年代,最终穿透模拟试样在92µ年代,它类似于物理测试结果如图2(C2)。它属于压裂平行于加载方向。在第二阶段,许多新的微裂纹偏离宏观主要断裂的位置。分支断裂斜向加载方向逐步发展和促进模拟标本进一步损害。图7定量显示裂纹数量的变化。如图7,微裂缝出现在25左右µ年代和68年后迅速增加µ年代。裂缝数量基本稳定在180左右µ年代。PB拉伸裂缝在压裂过程中始终占主导地位。

总体而言,模拟标本的宏观失效过程类似于物理标本的检测结果。的宏观模拟的主要骨折标本和物理标本,与床上用品的飞机的发展路径和几何关系基本上是相同的。显然,无论是实验或数值模拟,床上用品的飞机在压裂过程中发挥绝对主导作用= 75°~ 90°,并对压裂过程的影响较小= 0°~ 15°。也有一些实验结果和数值结果之间的差异:(a)几支骨折斜层理飞机偶尔会产生物理标本= 90°;(b)宏观主要断裂沿层理面生成模拟标本= 45°。一个重要的原因导致不同的是,物理标本的夹层空间小于模拟标本。物理标本,当裂缝传播以及床上用品的飞机,它可能很容易改变传播方向上由于裂缝尖端的应力集中。因此,床上用品的飞机的影响在压裂过程中物理标本也相对较弱的比模拟标本。相应地,宏观主要骨折在床上用品的飞机没有物理标本中观察到= 45°,如图2(C1)。一般来说,数值模拟结果可靠,与实验结果吻合较好。实验和计算结果揭示了层状岩体的动态破裂行为有效地从宏观和微观的观点。

4.3。倾角对微观和宏观裂缝的影响失败

数据8(一个)- - - - - -8 (e)定量显示微裂纹数量的变化与倾角。可以看出,PB拉伸裂缝数量的增加,当倾角变化从0°到45°。当从45°- 90°倾角增加,数量开始减少。最大裂缝多发生在45°倾角。PB剪切裂缝的情况下类似于PB拉伸裂纹的结果,但最大裂缝多发生在15°倾角。如图8 (c),SJ拉伸裂缝的数量总是随倾斜角的增加。此外,SJ剪切裂缝数量的增加。当倾角方法90°,SJ剪切裂缝的数量减少。总裂纹的情况也是类似于PB拉伸裂纹的结果。一般来说,裂纹类型的数量越多,造成的损害就越大,裂缝在标本。因此,上述结果可以反映出倾角的影响在某种程度上。如图8 (f),SJ拉伸裂纹的比例和SJ剪切裂纹随倾角的增加,这表明倾角越大,越多的可能性压裂沿层理面样本。相反,PB裂缝倾角的增加减少。这表明压裂在床上用品的飞机倾斜角时更容易发生减少。除此之外,也更有可能造成的损害在岩石矩阵而不是床上用品的飞机。SJ剪切裂纹时比SJ拉伸裂纹从0°- 75°倾角的变化。这表明剪切应力沿床上用品的飞机损坏的主要原因= 0°~ 75°。同样,拉应力是岩层的破坏的主要原因= 0°~ 90°自PB拉伸裂缝总是超过PB剪切裂缝。

5。结论

动态影响压缩测试已经成功进行层状砂岩标本。五组标本不同倾斜角度的测试,包括0°、15°、45°、75°、90°。在动态加载条件下,层状砂岩的故障模式与床上用品的倾角。三种故障模式测试:观察到的影响(一)分裂以及床上用品的飞机;(B)滑动失败以及床上用品的飞机;(C)压裂在床上用品的飞机。故障模式(C),三个子类也观察到:(C1)压裂加载方向倾斜;(C2)压裂加载方向平行;(C3)混合压裂在床上用品的飞机。低倾角角度( ),标本主要休息在床上用品的飞机、剪切破坏的发生比例会随着倾角的增加而增加。高倾角角度( ),标本倾向于打破以及床上用品的飞机。

SHPB的数值模式系统建立了土坡繁殖的压裂过程冲击荷载下的层状岩石。数值结果表明,剪切应力沿层理面损坏的主要原因= 0°~ 75°。拉应力和剪切应力在床上用品的飞机都导致分裂以及床上用品的飞机一起当倾角为90°。此外,拉应力的主要原因是岩石损伤矩阵= 0°~ 90°。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢金融支持中国国家重点基础研究项目(没有。2015 cb060200),中国国家自然科学基金(批准号51474250),基础研究基金为中央大学中南大学(没有。502221705)。

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