Механические свойства и особенности развития трещин трещиноватых горных пород со скрытыми трещинами

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 11639 (2023) Цитировать эту статью

189 Доступов

Подробности о метриках

Естественные дефекты, такие как швы, структурные поверхности и пустоты, существенно влияют на механические свойства и режимы разрушения горного массива. Скрытые трещины широко распространены в магматических породах, влияние их на механические свойства и механизм растрескивания до сих пор неясно. Лабораторные испытания проводились на сборных скально-трещинистых образцах, а также для сравнения цельных и закрытотрещинистых образцов. Технология корреляции цифровых изображений в реальном времени и технология мониторинга акустической эмиссии были синхронно применены для регистрации как внешнего, так и внутреннего процесса растрескивания. Результаты показывают, что скрытые трещины могут ослабить прочность на одноосное сжатие, в то время как эффект разрушения скрытых трещин слабее, чем закрытых трещин, из-за внутреннего сцепления между внутренними частицами трещин. Более того, начальное поведение образца со скрытой трещиной α = 90° отличается от поведения образца с закрытой трещиной β = 90°. Наконец, путем анализа зависимости RA–AF был выявлен механизм растрескивания образцов со скрытыми трещинами. Разрушение образцов с закрытыми трещинами происходит в основном по типу смешанного разрушения растяжение-сдвиг, а разрушение образцов со скрытыми трещинами - преимущественно по типу разрушения растяжению, дополненному сдвигом. Результаты экспериментов способствуют пониманию свойств трещинообразования в породах со скрытыми трещинами.

Горный массив в природе содержит различного рода прерванные плоскости, такие как разломы, трещины и трещины, под воздействием длительных геологических процессов. Эти геологические неоднородности сильно отличают механические свойства горной массы от неповрежденной породы1,2. Эффекты охлаждения и сжатия после магматического испарения, особенно для магматических пород, способствуют образованию множества скрытых трещин в массиве горных пород3, как показано на рис. 1а. На юго-западе Китая многие гидроэнергетические проекты, в том числе гидроэлектростанции Силуоду, Байхэтань и Удундэ, построены на магматических породах4,5,6,7. Механические свойства магматических пород со скрытыми трещинами существенно влияют на устойчивость окружающих горных пород8. Таким образом, понимание влияния скрытых трещин на механическое поведение горной массы является ключом к оценке устойчивости горных пород, а исследование может также обеспечить поддержку при инженерно-геологическом проектировании и строительстве.

Естественные трещины в массиве горных пород: (а) скрытые трещины в столбчатом базальте8, (б) закрытые трещины и (в) открытые трещины3.

При одноосном сжатии разрушение неповрежденных образцов горных пород в основном вызвано трещинами растяжения или сдвига. Трещины постепенно развиваются в направлении, параллельном максимальному главному напряжению, в результате чего характер разрушения образца меняется от разрушения при сдвиге к разрушению при растяжении по мере увеличения осевого напряжения9. Очевидно, что наличие дефектов в образце приведет к существенному снижению механических параметров образца, что, в свою очередь, влияет на тип трещины и характер разрушения. В последние несколько десятилетий широко изучались механические свойства и поведение трещин в массиве горных пород. В целом эти исследования были сосредоточены на горных массивах, содержащих закрытые трещины или открытые трещины. Как показано на рис. 1б,в, разница между закрытыми и открытыми трещинами заключается в наличии контакта и трения на поверхностях перелома10.

Например, Вонг и др.11 использовали камнеподобные материалы из мрамора и ПММА для изучения распространения трещин с различной глубиной дефектов и углами падения и обнаружили, что механизм разрушения образцов из ПММА аналогичен механизму разрушения образцов из мрамора. Газвинян и др.12 использовали низкохрупкие камнеподобные материалы для изготовления образцов бразильского диска со сборными трещинами и исследовали смешанный тип разрушения трещин с помощью бразильского теста на расщепление. Чжуан и др.13 разделили формы распространения основных трещин в горных породах или камнеподобных образцах с одиночными сборными трещинами на три типа: вторичные трещины, профильные трещины и противокрыльные трещины. Джин и др.14 провели лабораторные испытания и численное моделирование моделей искусственных пород с закрытыми трещинами, чтобы изучить влияние одиночной трещины на прочность, процесс разрушения и потребление энергии. В зависимости от механизма разрушения трещин Xu15 провел испытания на одноосное сжатие гипсовых образцов, содержащих один закрытый дефект с разными углами наклона, и подробно проанализировал влияние ориентации трещины на прочность, механизм растрескивания, режим разрушения и поведение акустической эмиссии (АЭ). . Мэн и др.16 изучили всестороннее влияние различных углов плоскости напластования и углов надреза на поведение смешанного режима разрушения камнеподобных образцов с использованием технологии AE. Кроме того, с увеличением количества трещин положение зарождения трещины, траектория слияния и режим разрушения становятся более сложными. Например, Вонг и др.17 провели экспериментальные исследования камнеподобных образцов, содержащих три параллельные трещины, и обнаружили, что расположение дефектов и коэффициент трения поверхности дефектов влияют на механизм заживления трещин, а пиковая прочность связана по количеству трещин. Сагонг и Бобет18 провели испытания на одноосное сжатие гипсовых образцов, содержащих три заводских дефекта и 16 заводских дефектов соответственно. Результаты показали, что режим растрескивания образцов с несколькими дефектами аналогичен режиму растрескивания образцов с двойными дефектами. Парк и Бобет19 протестировали образцы гипса с закрытыми трещинами под разными углами, интервалами и непрерывностью. Было замечено, что типы трещин открытых дефектов и закрытых дефектов одинаковы, а типы слияния одинаковы. Чжоу и др.20 провели эксперименты на каменных образцах с четырьмя трещинами для изучения влияния расположения нескольких трещин на механические свойства, режимы зарождения трещин и типы слияния трещин, из которых были выделены пять типов трещин и десять типов режимов слияния трещин. найденный. Цао и др.21 нагружали камнеподобные образцы с двумя ранее существовавшими дефектами, наблюдали различные геометрические формы трещин и определили семь типов слияния. С микроскопической точки зрения Луо и др.22 изучили влияние трех различных наполнителей на морфологию разрушения и поведение разрушения камнеподобных образцов с заполненными трещинами под нагрузкой сжатия-сдвига. Чжао и др.23 использовали метод потери объема для приготовления гипсовых образцов с различными внутренними открытыми дефектами и в сочетании с технологией акустической эмиссии для изучения влияния различных дефектов на механические свойства и характеристики разрушения образцов твердых хрупких пород.