基于NSCB方法的冻结红砂岩动态断裂特性试验.pdf
《基于NSCB方法的冻结红砂岩动态断裂特性试验.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于NSCB方法的冻结红砂岩动态断裂特性试验.pdf(12页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、基于 NSCB 方法的冻结红砂岩动态断裂特性试验方士正1),杨仁树1),李炜煜2),李永亮3),杨阳1)1)北京科技大学土木与资源工程学院,北京1000832)安徽理工大学安全科学与工程学院,淮南2320003)中国矿业大学(北京)能源与矿业学院,北京100083通信作者,E-mail:摘要采用红砂岩制作中心直裂纹半圆盘弯曲试样(Notchedsemi-circularbend,NSCB),设置不同的负温温度对岩石试样预处理,随后利用改进后的分离式霍普金森杆(SHPB)实验系统开展动态试验.结果表明:岩石的断裂韧度存在明显的加载率效应,断裂韧度试验值随加载率的增加近似呈指数型增大;当加载率一定
2、时,岩石断裂韧度由常温进入负温后先缓慢后快速增加,在20 时达到最大值,随着温度进一步降低,岩石断裂韧度快速减小.进一步对岩石破裂过程分析发现,不同温度下岩石的断裂过程基本一致,且裂纹扩展速度受温度影响较小.基于岩石断面的扫描电子显微镜结果分析岩石断裂模式为:负温下红砂岩的断裂以沿晶破裂和胶结物的撕裂为主,伴有少量的穿晶破裂现象,同时当温度降低至25 时,岩石内部微裂隙数量明显增多,说明负温对岩石具有劣化作用.最后探讨了温度对岩石内部结构的影响机制,对分析岩石断裂特性的低温效应具有一定参考意义.关键词NSCB;冻结;加载率;断裂韧度;断裂模式分类号TD313Investigationofdyn
3、amicfracturecharacteristicsoffrozenredsandstoneusingnotchedsemi-circularbendmethodFANG Shizheng1),YANG Renshu1),LI Weiyu2),LI Yongliang3),YANG Yang1)1)SchoolofCivilandResourceEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China2)SchoolofSafetyScienceandEngineering,AnhuiUniversityo
4、fScienceandTechnology,Huainan232000,China3)SchoolofEnergyandMiningEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnologyBeijing,Beijing100083,ChinaCorrespondingauthor,E-mail:ABSTRACTConsideringthatfluctuationsintemperaturecancausevariationsinboththeinternalstructureaswellasthemineralcompositionofrocks,the
5、irfracturecharacteristicsmustbeimpactedaccordingly.Withtheexponentialdevelopmentofgeotechnicalengineeringincoldregions,itisurgenttostudytheinfluenceofthesub-zerotemperatureenvironmentonthemechanicalpropertiesanddynamicpropertiesofrocks.Inordertoinvestigatetheinfluenceofsub-zerotemperaturegradientont
6、hedynamicfracturecharacteristicsofrocks,redsandstonewasusedforthepreparationofnotchedsemi-circularbendspecimens.First,awater-saturatedmachineandasub-zero temperature incubator were utilized to pretreat the rock for 48 h,conducive for both satiation and freezing processes.Subsequently,thedynamictests
7、werecarriedoututilizinganimprovedsplitHopkinsonbarexperimentalsystemwithacryogenicsub-system.Concurrently,thestrikervelocitywasmodulatedbysettingdistinctiveairpressures,followingwhichtherockwasloadedatvariousloadingrates.Thetestresultsdemonstratethatthefracturetoughnessoftherockhasanevidentloadingra
8、teeffect,andthefracturetoughnessproliferatesexponentiallywiththeincreaseintheloadingrate.Intheeventthattheloadingrateiscertain,thefracture收稿日期:20220815基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(51934001)工程科学学报,第45卷,第10期:17041715,2023年10月ChineseJournalofEngineering,Vol.45,No.10:17041715,October2023https:/doi.org/10.13374/j
9、.issn2095-9389.2022.08.15.005;http:/toughnessoftherockprimarilyincreasesgraduallyandthenexpeditiouslyoverthecourseofadvancementfromroomtemperatureto20.Contradictorily,therockfracturetoughnessdiminishesabruptlywithplummetingtemperature.Analysisoftherockfractureprocess,accommodated by a high-speed cam
10、era,revealed that the fracture process of the rock at distinctive temperatures isfundamentallyequivalent,andthecrackpropagationspeedisnegligiblyinfluencedbythetemperature.Furthermore,therockfracturemodewasanalyzedbyemployingascanningelectronmicroscope(SEM)system.TheSEMimagesoftherockdepictedthatthef
11、ractureof red sandstone at sub-zero temperature is predominantly intergranular fracture and cement tearing,accompanied by a trace oftransgranularfracture.Meanwhile,theexperimentationalsorevealedthatthenumberofmicro-cracksintherocksignificantlymultipliedwhenthetemperaturedeclinedto25,illustratingthat
12、sub-zerotemperaturehasadeterioratingeffectontherock.Conclusively,theinfluencemechanismoftemperatureontheinternalstructureoftherockisdiscussed,anditisassumedthatthechangeintheinternalstructureoftherockisthecollaborativeeffectofthermalexpansion-coldcontractionandice-waterphasetransition.Theinterpretat
13、ionofthisstudyhassubstantialreferencesignificanceforthefurtherconsequentialanalysisoffrigidityonthefracturepropertiesoftherock.KEYWORDSNSCB;frozen;loadingrate;fracturetoughness;fracturemode断裂力学已经发展为研究岩石断裂问题的有效方法,广泛的应用在地震、边坡、爆破等岩石工程问题研究中15.近年来,众多学者从测试技术、环境因素、数值计算等多个角度对岩石断裂问题开展了相关研究,并获得了大量的研究成果69.Wang
14、等10为研究岩石的起裂韧度和扩展韧度,提出了一种联合实验数值分析的方法来确定岩石的动态起裂和扩展韧度.Gao 等11使用直切槽半圆弯曲(Notchedsemi-circularbend,NSCB)方法研究花岗岩的加载速率效应,并利用数字图像相关(DIC)确定岩石动态应力强度因子和裂纹尖端位置.Zuo等12使用原位实验观测技术对采集自锦屏二级水电站的大理岩断裂行为开展研究,研究发现,岩石的层理方向对裂纹扩展路径和断裂形貌有显著影响.在岩石断裂特性的环境影响因素方面,Chen 等13研究了预应力存在对岩石的动态断裂力学行为的影响规律,通过试验结果发现,当预荷载一定时,岩石的断裂韧度表现出明显的率效
15、应性质,岩石的动态断裂韧度随预荷载的增加而降低.Zhou 等14分析了含水量对岩石动态断裂性质的作用规律,结果表明,饱水岩石的起裂、扩展韧性和裂纹扩展速度均明显低于干燥岩石.Tian 等15研究了晶粒尺寸对花岗岩试样裂纹扩展行为的影响,发现粗粒花岗岩比细粒花岗岩更难引发剪切裂纹.在数值计算方面,Leite 等16建立了在细观水平上模拟水泥基复合材料的计算程序,用以了解岩石断裂破坏过程中骨料和基质的微观相互作用力学行为.Xu 等17采用离散法对岩石动态断裂破坏行为进行了研究,结果表明所使用的模型能够有效的再现岩石的动态断裂过程,同时可以通过该数值计算获取多个动态岩石断裂参数.Li 等18提出了一
16、种基于颗粒的离散元方法,从颗粒尺度上揭示岩石材料在动态荷载下的破裂和损伤演化行为.岩石断裂破坏行为除受到上述因素影响外,还与其所处温度环境密切相关,关于岩石力学特性的温度效应已有大量的研究报道.Mahanta 等19对三种取自印度岩石的断裂力学特性开展试验研究,从高温后岩石的矿物成分、微观结构、力学性质变化等方面进行分析,试验结果发现,3 种岩石的动态断裂韧度在室温至 100 范围内增加,在100600 范围内减小.Zhang 等20研究辉长岩和大理岩在高温下的动态断裂性质发现,在研究的温度范围内,温度对两种岩石动态断裂行为均产生影响,但影响程度有限.Talukdar 等21研究了热处理对三种
17、结晶岩 I 型断裂韧度的影响,结果表明,岩石的断裂韧度不仅受热处理温度影响,还与岩石种类有关.Yin 等22从纵波波速和微观结构方面分析了高温处理对岩石断裂特性的影响,研究发现,纵波波速随着温度升高而降低,当温度低于 250 时,岩石内晶粒的热膨胀导致其断裂韧度增加;当温度高于 450 时,岩石断裂韧度随温度升高而减小的趋势减缓.Feng 等23研究发现,岩石断裂韧性具有明确的温度阈值,高温环境对岩石断裂韧度的影响可以分为低温、中温和高温三个阶段,在三个阶段岩石断裂韧度分别表现出缓慢增加、缓慢降低和快速降低的变化特征.Zuo等24利用扫描电子显微镜对高温作用下的岩石断裂行为进行原位观测,通过试
18、验发现微裂纹的初始方向和主要裂纹扩展路径同时受矿物晶粒形状和热裂纹分布的影响,热裂纹分布的影响随着温度的升高变得更加显著.Chen 等25研究了不同冻融温度区间对岩石动态力学性质的影响,结果表明,随着冻融温度范围的增加,岩石的动态弹性模量和强度均减小.Song 等26利用电子计算机断层方士正等:基于 NSCB 方法的冻结红砂岩动态断裂特性试验1705扫描技术获取冻融循环及应力耦合作用下岩石内部结构三维分布,分析发现,冻融循环荷载对岩石内孔隙的影响因其大小而异.目前有关高温和冻融处理后岩石的断裂特性已有较多的报道,但对寒区岩土动力学性质尚缺乏研究,低温环境对岩石的动力学行为的影响机制尚不够清晰,
19、亟需开展相关方面的研究.岩石在冻胀力作用下不仅容易发生宏观的劈裂、张开等现象,还会引起岩石内部微观结构的变化,导致岩石力学性质的改变2729.虽然研究者已对单轴压缩时冻结岩石动力学的性质开展相关研究3031,但作为重要的岩石变形和破坏力学参数,岩石断裂韧度受低温的影响规律目前尚不清楚,因此,负温环境下的岩石断裂特性研究是极其必要的.岩石断裂的常见形式有张拉、滑移和撕裂三种,其中以张拉型破坏最常见且易产生低应力脆断.寒区岩土工程在建设和服役过程中常受到爆破荷载、动力机械和地震等动态荷载的影响,导致岩石的断裂特性有别于受静载时.为分析动态载荷对冻结岩石断裂特性的影响,本文基于直切槽半圆弯曲(NSC
20、B)试验方法,利用改进后的分离式霍普金森杆(SplitHopkinsonpressurebar,SHPB)实验系统对寒区岩石工程中的冻结岩石型断裂问题开展动力学研究,对寒区岩石工程建设和安全服役具有一定的参考价值.1试样制备及实验原理1.1试样制备试样采自湖南某采石场,为均质性较好的红砂岩,表观为暗红色,细粒密实结构.试验所用试样尺寸如图1 所示,准静态试验试样直径均为50mm,单轴压缩试样高度为 100mm(图 1(a),巴西圆盘试样厚度为 25mm(图 1(b),直切槽半圆盘试样厚度为 20mm(图 1(c).具体的制作过程为:工程现场采集大块后,经过取芯切割打磨处理,制成圆柱和圆盘形试样
21、,再对圆盘形试样进一步打磨至设计高度后,使用切割机切割,制成半圆盘试样,利用水刀加工预制裂缝,裂缝宽度为 0.5mm,长度为 5mm.图 2 为部分加工完成的试样.准静态试验中,试样分为干燥和饱水两组.为充分体现负温对岩石的作用效应,动态试验采用饱水试样进行研究.首先将岩石试样置于真空饱水试验机中饱水 48h,随后将凡士林涂抹于岩石表面防止冻结时岩石表面出现水分迁移析出冰晶,再将涂抹后的试样用保鲜膜包裹放置于低温恒温箱中,按照设定温度冻结 48h,负温范围设置为525.冻结完成后随即取出试样进行动力学试验.1.2材料基本性质选取的岩石试样密度为 2.31gcm3,干燥及饱水时的纵波波速分别为
22、2225 和 2513ms1,其主要矿物成分为石英(质量分数 77.4%)和钠长石(质量分数 13.5%)等.采用液压伺服压力机对干燥和饱水状态下的常温岩石试样进行静态力学性质测试,加载方式为位移控制加载,单轴压缩、巴西劈裂及断裂测试加载位移速度分别为 0.06、0.35 和0.35mmmin1.通过试验结果发现,含水状态对岩石静态力学强度影响显著,干燥时红砂岩的单轴压缩强度、拉伸强度、断裂韧度分别为 76.4、4.2MPa和 0.78MPam1/2,饱水时各力学特征参数均明显降低,单轴压缩强度为 35.1MPa,拉伸强度为 1.6MPa,断裂韧度为 0.58MPam1/2,相比于干燥状态时,
23、分别下降 54.1%、61.9%和 25.6%.1.3试验设备及加载方案以传统的霍普金森杆(SHPB)实验系统为基础,在试样处增加低温装置,使试样加载过程中处于低温环境,改进后的实验系统如图 3 所示.撞击杆、(b)(a)100252055050(c)Unit:mm图图1试样尺寸示意图Fig.1Dimensionofsamples图图2部分试样照片Fig.2Photoofsomespecimens1706工程科学学报,第45卷,第10期入射杆、透射杆直径均为37mm,材质为60Si2Mn 钢,其弹性模量Eb、密度b分别为206GPa、7740kgm3.在进行冲击加载试验时,结合同步控制系统,使
24、用高速相机对试样加载过程进行拍摄,高速相机型号为 Kirana-5M 型号,最高拍摄帧率为 500 万帧,使用 SI-AD500 光源提供照明,该光源能够提供长达 2ms 的稳定光场.为满足试验需要,加工了与杆件材料相同的支撑座,两个支撑杆间的距离 S为 30mm.为防止支撑座与杆件界面处缝隙对波传播的影响,使用油脂将支撑座与杆件粘结,使支撑座与杆件紧密接触,然后使用胶带将支撑座与杆件之间进行固定.动力学试验开始前,需要首先调试杆件、低温制备及高速相机系统,并进行多次空杆冲击以保证试验设备的可靠性,随后取出低温预处理后的岩石试样放置于实验系统中,然后快速开展试验,整个试验过程不超过 40s.通
25、过调节气缸气压获得不同的撞击杆出膛速率,撞击杆速率范围为 37ms1.2试验结果与分析2.1动态应力平衡验证及加载率确定在动态测试过程中,试样两端的动态力平衡是动态 NSCB 试验有效的基本条件.根据岩石动态断裂韧度测试方法32,本文采用波形整形技术来实现试样的动态力平衡状态33.波形整形器使用橡胶,置于入射杆的撞击端.图 4 为典型试验的动态平衡图.从图中可以看出,在动态加载过程中试样两端的动态力几乎相等,消除了动态加载过程中试样中的惯性效应,从而实现试样的动态应力平衡.加载率是动态力学分析中的重要参数之一,可以通过试样断裂应力强度因子随加载时间的变化来确定.图 5 为典型的动态 NSCB
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 NSCB 方法 冻结 砂岩 动态 断裂 特性 试验
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。