大型的机械机制和传播定律Fissure-Tip裂缝岩石标本有两个包装好的裂缝

文摘

岩石是一种地质介质与损害赔偿的不同程度,包括裂缝、断裂,关节,和其他结构性缺陷。许多地下岩石工程项目,如采矿和隧道开挖,可以打破岩体的三维应力平衡状态,使其服从二维甚至一维应力,从而导致应力集中导致快速失败。为了调查失败的岩体二维应力下的缺陷,基于相似理论,我们首先准备石头般的标本与裂缝具有实际的力学性能,然后系统地分析了fissure-tip裂纹扩展和标本失败法和机械机制下二维压力的压力场理论。结果表明,随着载荷的增加,逐渐开发的微裂隙和传播,在此期间大量的分支路径生成的裂隙标本的技巧;上下裂缝首先被连接由于主裂纹扩展,形成一个滑动面造成的失败标本,标本的优势也波动根据裂缝倾角的不同组合角度和岩桥倾角角度。针对声发射(AE),我们计算,获得了应力峰值的空间位置在每个方向裂缝技巧;通过比较和分析,相对应的角负角的最大周向拉应力和最大径向拉应力基本上是相同的角度主要先前存在的裂缝产生的裂纹扩展方向;它可以推断出,拉应力是主要的应力诱导裂纹萌生和标本失败,这是符合岩石的物理特性(抗压缩,但是不紧张)。这可能作为判断的指导方向沿着新裂缝产生与双岩体结构的飞机。

1。介绍

大量工程项目在全球范围内已经证明,脆性骨折和其他现象与岩石力学过程中地下工程,如深部巷道围岩坍塌,边坡滑动、地表沉陷,最终macroqualitative变化的裂纹生成、传播、演化,岩体内部的渗透。它内部更容易裂缝裂隙岩体在高地应力幻灯片和渗透。随着矿业越来越深入地下,深裂隙岩体的开挖诱发的应变能释放。复杂的高地应力环境下,新裂缝将在联合快速生成的能量释放,从而导致岩体裂纹扩展后失败,interjoint渗透,从而导致经济损失和人员伤亡1,2]。

研究裂缝传播和演化中,太阳等人机密裂纹扩展通过调查的压力特征基于断裂力学裂纹表面(3]。通过单轴压缩实验如磐石般坚韧的材料用不同预制裂纹倾角角度和岩桥倾角、Pu等人分析了裂纹穿透模式下不同的裂缝角度;和应力-应变曲线的基础上,macrofailure形态特征在整个实验中,他们还调查了这些如磐石般坚韧的材料的失稳破坏机理(4]。殷等人采用AE实时跟踪的实验研究裂纹扩展和演变过程的大型三维应力下的岩石标本和渗透水压力5]。

在研究裂纹尖端应力场,欧文裂缝的应力分析进行了探讨,提出了应力强度因子的概念,分类,裂缝类型,类型II, III型,混合型由这三种类型的组合(6]。李等人建立了岩石材料的损伤与断裂力学模型与预置裂纹震支座共同作用下的应力场和渗流场的演化方程,在裂纹尖端应力强度因子,并提出在裂纹尖端的应力强度因子可作为震支座裂缝岩石裂纹开裂判据[7]。其他一些学者,考虑到裂隙岩体实际上是在多维应力环境中,研究应力变化特征在裂纹萌生和试样断裂过程的变化规律通过单轴和双轴加载失败测试与预置裂隙石膏标本(8]。

油底壳,许多学者已经取得了巨大的成就,获得实践经验的裂纹扩展和断裂机理的研究裂隙岩体(9- - - - - -11]。然而,目前仍缺乏研究关于预制裂缝具有不同几何参数下的二维应力、裂纹扩展的方向,与先前的文献分析了裂纹尖端应力场裂纹演化主要根据裂纹发展宏观尺度上的形态。目前的研究中,基于之前的研究,岩石力学,断裂力学,研究裂纹尖端的应力分布通过加载测试如磐石般坚韧的标本的不同组合裂纹倾角角度,岩桥倾角角度和岩桥的长度。此外,通过使用AE裂纹萌生的实时跟踪和定位,传播、渗透、标本失败,系统地分析了一致性specimen-end应力集中和裂纹扩展和演变。

2。分析裂纹扩展机制和双重结构面岩体的失败

2.1。结构面岩体的破坏机理

岩体是由岩石组成的地质体块和结构性的飞机,和它的强度是由岩石的强度控制块和飞机结构及其组合模式(岩体结构)(12]。一般而言,岩体的强度不同,岩石的块或结构面。如果是不完整的结构面岩体结构,岩体的强度几乎等于岩石的块。如果岩体沿结构面滑动,岩体的强度是完全由结构面。本文是基于模拟裂隙岩体和两个特制的裂缝、裂纹扩展和失败也受到岩石材料的属性和结构特点的飞机(13- - - - - -15]。

以一个单一的结构面强度分析为例,我们定义的正常结构面之间的夹角和最大主应力的方向 ,然后基于莫尔圆理论,正常的压力和剪切应力在结构面,分别如下:

根据莫尔-库仑准则,结构面抗剪强度的如下:

在这里,c和φ是结合力和内摩擦角的结构面,分别。替代(1)(2)和组 。然后,如果外部压力达到极限强度的表面裂缝,裂缝就会启动,在这一刻,机械的条件 ,也就是说,

我们可以获得以下:

当 ,之间的夹角外正常n结构面和水平方向,满足(4),裂纹表面受滑动剪切破坏。标本的失败和方向可以判断根据莫尔强度包络线之间的关系和莫尔圆。

的岩体与两个或两个以上的组织结构的飞机,可以使用单一结构面理论一步一步得到莫尔强度包络线和结构平面的莫尔圆当每组单独存在,如图1。和标本失败的方向是由最大主应力之间的角度σ₁和结构面(12]。

如果 ,第一组结构平面之间的夹角σ₁,满足 ,沿着第一个结构面岩体将失败。否则,它将不会;如果 ,第二组结构平面之间的夹角σ₁满足2 ,岩体沿第二组结构的飞机将会失败。如果 ,结构面之间的夹角σ₁不在这个范围内,沿着岩石部分岩体会失败 。

2.2。压力下的裂纹扩展判据

当岩体的应力状态发生变化时,裂缝尖端的应力集中将会出现;如果提示压力超过裂缝的剪切强度,将启动新的裂缝作为主要的裂缝传播(16]。根据断裂力学的相关理论17),是否裂缝传播与否取决于裂缝尖端附近的应力和裂缝的长度。裂缝,受到的压力在不同裂纹表面的几何位置,可分为类型I, II, III和不同撕裂特性。在工程项目中,断裂表面,在外部负载下,受到正应力和剪切应力的联合行动,导致逐渐传播内部裂缝,造成岩体的混合故障18]。当裂纹表面上的力是垂直拉应力或压应力,裂缝将传播到i ii tension-shear或震支座混合裂纹。

标本和两个裂缝失败主要岩桥的形式渗透在剪切破坏模式,tension-shear混合失败和翼裂纹扩展,如图2。

3所示。测试的传播和演化规律如磐石般坚韧的标本和两个裂缝

3.1。样品制备

为了研究如磐石般坚韧的裂纹扩展和机械机制two-fissure标本与裂纹倾角的不同组合角度和岩桥倾角角度双轴载荷作用下,我们称为相关文献如磐石般坚韧的材料的准备和了解到石膏复合材料广泛应用于模型试验如磐石般坚韧的材料,和许多中国学者开展了他们的材料比例实验(19,20.]。根据现有的研究结果,该模型石膏的质量比,microsilicon粉,用于材料制备和水165:2:70。这种材料与脆性岩石在macroproperties伟大的共同之处21]。根据ISRM标准化考试要求(22),我们测量和获得了材料参数,如表所示1。

这个测试中使用的模具是一个标准的具体模具尺寸为300毫米×150毫米×150毫米。准备的两个裂缝,我们使用塑料薄膜(250毫米×60毫米×3毫米)从凝固前的标本中提取。之后,两个裂缝(60毫米××3毫米150毫米)。

为了调查法和机械裂纹扩展机制和演化在裂缝尖端,我们在实验室里进行了相似模拟试验,在此期间我们预制two-fissure标本和三个裂缝倾角的变化α30°、45°和60°,和两个变化的岩桥倾角(长80毫米)β120°和150°。标本的形象图所示3和裂缝参数如表所示2。

3.2。加载模式

我们利用真三轴试验系统的耦合stress-seepage由山东科技大学(5]。标本同时进行载荷试验,我们采用了PCI-2 AE监测系统加载过程的实时定位和裂缝传播路径的标本。该测试系统可以实现裂缝传播和演化过程和实时监测如磐石般坚韧的标本在轴向和横向荷载,有效减少对岩石力学性质的影响规模效应。AE传感器的布置如图3。

在测试期间,我们对双轴压缩标本使用武力控制,和加载速率为0.2 kN / s。我们应用在试样沿轴向载荷σ1方向,直到它失败,1 MPa的围压沿σ₂方向,如图4。与此同时,我们使用了PCI-2 ae监测系统的实时定位的加载过程和裂纹扩展路径如磐石般坚韧的标本。整个加载过程用相机记录。

4所示。标本失败和裂纹扩展法

4.1。试样加载和裂缝传播

在双轴压缩试验标本,我们打开试验机和相机同步记录实时的故障阶段标本。测试后,我们选择了试样加载的图像在不同角度和阶段(见图5)总结数字,长度和位置的主要裂缝(见表3)和分析失败的过程。

4.2。AE特征

在加载期间,起初AE事件的数量很小,逐步增长大约中间的裂缝的标本;当轴向载荷达到约30%σ₁开始出现,微裂隙和AE事件的数量上升迅速在裂缝和传播路径;当它达到约90%σ₁失败的临界状态附近,AE事件的数量急剧上升,产生的滑动面裂缝渗透,最后导致标本的失败(23]。在AE特征的观点,我们监控每个试样的应力-应变同步,相应的应力曲线,如图6。

基于应力-应变曲线和AE特征,可以发现:(一)我们每个标本的轴向应力监测是失败,抗压强度,如图5。赛区的抗压强度,b组和c组标本5.57 MPa和5.9 MPa, 4.1 MPa和5.42 MPa,和4.56 MPa和4.03 MPa,分别,每一个都比这低得多的控制标本。结果表明,整体实力的标本30°、45°的裂隙倾角角度随岩桥倾角的增加,虽然整体实力裂缝倾角的标本60°随倾角的增加而减小的岩桥。它可以推断two-fissure标本的整体抗压强度密切相关裂缝倾角和岩桥倾角和临界角45°之间的裂隙范围和60°。(b)所有标本有六个类型的切成倾斜角度经历整个过程微裂纹萌生、发展、渗透,标本失败(见图5)。根据表中的数据3,因为一个1,翼裂纹发展的内部技巧上部和下部之间的裂缝,岩桥的渗透和渗透裂纹之间的角度-110°和裂缝;为一个2,翼裂纹发展缓慢的内部技巧上裂缝和在-105°方向内的低渗透的岩石裂缝没有桥,和antiwing裂缝外的尖端,裂缝渗透到这些外围的降低裂缝;为B1,翼裂纹生成的内在的低裂缝连接到antiwing裂缝外的尖端,裂缝,裂缝渗透和裂纹−62°角;为B2,翼裂纹生成的内在的降低裂缝向上传播,连接到共面剪切裂缝的尖端,内部裂缝,岩石桥渗透在−100°的角度;为C1,翼裂纹的尖端,在内部生成裂隙传播和连接到裂缝内的裂纹越低,岩桥的渗透有−75°角;为C2,外的裂缝的尖端,裂缝逐渐传播到边界,没有石头桥渗透,和antiwing裂缝外的尖端,裂缝连接到较低的翼裂纹边界约55°角。(c)从图可以看出5,当轴向载荷达到约30%σ₁,微裂隙开始出现;当它达到约70%σ₁的裂缝完全传播类型,数字,和长度显著增加;当它达到约90%σ₁临界状态附近,这是标本失败,与上、下裂缝渗透以不同的方式。

5。在裂缝尖端应力场分布及其传播规律

测试结果的分析表明,大多数标本失败主要震支座和tension-shear翼裂纹的组合下,倾向于剪切裂缝,和共面剪切裂缝而生成的一个2,B2标本失败主要和机翼下震支座剪切裂缝和斜裂缝产生。标本失败的过程中裂缝属于上述i ii tension-shear或震支座组合裂缝。

根据近似断裂准则(24),我们假设岩体内部的裂纹长度是2α的压力极坐标表达式的前沿,结合裂缝在这个测试如下:

鉴于有关应力场理论,我们分析了应力场和two-fissure结构的失效模式。本研究采用双向加载以来,σ₂不为零。根据样本参数和应力强度因子的定义25),I和II裂缝的应力强度因素在这个测试采取如下: 在这α裂纹长度的1/2,β之间的角裂缝和主应力轴的σ₁。

基于(6),我们得到了理论解的尖端附近i ii裂隙结构,因此断裂角之间的关系θ₀和裂缝角度β如下(26]:

因此,当裂缝角度β,相应的断裂角吗θ₀可以获得,根据新传播方向可以推断。

two-fissure标本在当前研究以复杂的方式失败。为了探索的应用有关理论在岩体应力场与多个结构的飞机,我们设置以下参数根据标本的大小和角度的特制裂缝和利用软件编程的可视化和更直接的分析构造应力场的分布有两个裂缝和不同的倾斜角度。

由于裂缝倾角和裂缝和主应力之间的角度是相辅相成的,我们让裂缝角度β组一个,B,和C是60°、45°和30°,分别和围压σ₂是1 MPa。我们让轴向压缩σ₁是0∼σ_1马克思MPa (σ_1马克思轴向应力在严重故障状态),并取代(5)和(6每1 MPa)。然后我们获得径向拉应力的变化曲线σ_r、周向拉伸应力σ_θ,和剪切应力τ_rθ裂缝的结构与不同的倾斜角度,如图7。

通过比较和分析的应力变化曲线顶端切成裂缝与不同的倾斜角度,可以发现以下:(一)有相似的变化趋势曲线的径向拉应力σ_r、周向拉伸应力σ_θ,和剪切应力τ_rθ裂缝技巧的6组标本,所有这些与波动平滑曲线。的区别在于,所有的径向拉应力曲线特性的两个峰的方向−55°、140°,而周向拉应力曲线的两个峰的方向是−60°、90°,几乎相同的位置,负角峰值出现在两个曲线。此外,三个峰值方向出现在剪切应力曲线,−110°,10°、120°。(b)基于图的数据7和表3,它可以发现角周向拉应力峰值的基本上是一致的,发展的主要裂纹试样,而二次共面裂纹出现在剪切应力的峰值。尖端的应力集中发生在外部负载下的标本,在最集中的周向拉应力的位置,主要的裂纹是最容易被诱导,这也是径向拉伸应力集中的位置。可以推断,主裂纹扩展和后续的失败的标本是由共同作用造成的最大周向拉应力和最大径向拉应力在裂纹尖端。

6。结论

为了研究岩体的故障规律和裂缝在双轴应力下,我们采用真三轴试验系统的耦合stress-seepage如磐石般坚韧的标本上进行二维加载有两个裂缝。在此基础上,我们讨论了裂纹扩展规律和失效模式的标本和压力的影响在裂缝的尖端裂纹扩展和演变的裂缝尖端应力场理论。主要结论如下:(1)抗压强度的比较完整标本的标本显示,抗压强度高于one-fissure标本和远高于two-fissure标本,这表明裂缝预切可以降低岩体强度等机械性能,裂缝和裂缝越多,试件强度越低,越容易标本失败。(2)的整体优势two-fissure标本30°、45°裂缝角度的增加和岩桥倾角的增加,虽然整体实力的标本60°的裂缝角随岩桥倾角的增加。因此,与其他某些参数,two-fissure标本的整体抗压强度密切相关裂缝倾角和岩桥倾角。让θ临界裂缝角,然后有45°<θ< 60°。当裂缝倾角α小于θ,样品的整体实力增加岩桥倾角的增加β;当α比θ的整体实力标本随的增加而减小β。(3)大多数two-fissure标本失败主要震支座和tension-shear翼裂纹的组合下,倾向于剪切裂缝,和共面剪切裂纹生成和震支座下翼剪切裂缝和斜裂缝产生。当轴向应力达到约90%σ1,它是接近临界状态的标本失败,与上、下裂缝渗透以不同的方式。(4)集中在裂缝尖端应力分布的样品基本上是与主裂纹的传播方向一致,这是主要的裂纹更容易被诱导和渗透最集中的位置周向拉应力和径向拉应力double-crack小费。在工程项目中,这一发现可以利用预测的方向沿着新裂缝生成之间的裂缝与某些裂隙结构角度,岩桥的角度,在一定的围压,可以作为指导研究失败和不稳定岩体结构。

数据可用性

生成的数据集和分析在当前的研究中可以从相应的作者获得合理的请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金资助(批准号51604167和51604167),山东省自然科学基金(批准号ZR2019MEE004),优秀青年创新团队支持计划在山东高校(批准号2020 kjh001)。

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