クリープ時の傾斜角の異なる弱い岩石の損傷特性 - 常州ヒルトップハイツ株式会社

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7497 (2023) この記事を引用

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複合岩盤のクリープ破壊に及ぼす弱層傾斜角の影響を調査するために,本稿では,アコースティックエミッション法を用いて,複合岩盤に対して異なる傾斜角を有する段階的載荷クリープ実験を実施し,破壊進展過程を調べた。荷重勾配が増加するにつれて、岩盤の累積合計リング数は「U」字型の傾向を示し、アコースティックエミッションの空間的位置測定の結果は、岩盤破砕プロセスにおけるアコースティックエミッションイベントが主に弱い部分の近傍に集中していることを示しています。他の地域のイベントは少なく、分散しています。弱層傾斜角が 0°と 15°の岩盤では、軟岩と硬岩の両方に亀裂が発生します。軟岩ではせん断亀裂が優勢で、硬岩では引張亀裂が優勢で、最後に岩盤は主に引張亀裂を示します。分割失敗。弱層傾斜角が 30° および 45° の岩盤の場合、亀裂のほとんどは軟岩の内部に存在し、せん断亀裂が大半を占めます。段階的な荷重が増加すると、せん断亀裂は弱い層の方向に沿って発達し続け、上部の岩盤は滑りと転位を続け、最終的な破壊モードは主にせん断滑り破壊になります。ダメージの進展は脆弱層の傾斜角度によって変化し、初期ダメージ蓄積、ダメージ加速、ダメージ破壊の3段階に分けられます。これは、層が弱い岩盤におけるクリープ災害の発生を予測、防止、制御できることを示しています。

経済の急速な発展に伴い、岩盤土木業は成長しており、特に変成岩や泥岩が広く分布する石炭層層では、岩盤土木プロジェクトが次々と実施されています（図1参照）。特に、層が弱い岩盤は岩盤構造の完全性と連続性を妨げ、岩盤の機械的特性を損ない、加えられた応力下で突然の壊滅的な破壊の可能性を高めます。

地層が弱い岩塊。

弱い層をもつ岩盤の機械的性質は、弾性挙動や塑性挙動だけでなく、時間に依存するレオロジー挙動にも現れます。クリープは、岩石の重要なレオロジー機械的特性の 1 つです。破壊は、加えられた荷重の長期的な作用により、時間の経過とともに変形が蓄積されるプロセスです。層状岩盤には弱い構造面が存在するため、その機械的性質は比較的複雑で、通常は重大な異方性を示し、破壊メカニズムは均質な岩盤の破壊メカニズムとは異なります。この目的を達成するために、多くの学者は複合岩塊の機械的特性と破壊メカニズムの解明に焦点を当ててきました。簡単な文献レビューを以下に示します。

Xin1 は、エポキシ樹脂バインダーを使用して泥岩、砂岩、石灰岩を複合岩塊に結合し、三次元圧縮の応力-ひずみ全プロセス実験を実施し、機械的特性に対する側圧の影響を研究しました。 Changfu2,3,4 は、泥岩、砂岩、石灰岩などのさまざまな岩石サンプルとセメントで固めた 3 種類の複合岩石サンプルに対して一軸圧縮、三軸圧縮、直接せん断実験を実施し、その強度と変形特性を調べました。層状の岩塊。 Yang5 は三峡貯水池周囲の斜面をプロトタイプとして採用し、大規模振動プラットフォームを使用して地震作用下での斜面の動的応答とアコースティックエミッション特性をテストし、サンドイッチ斜面のアコースティックエミッション振動を確立しました。 Bingwu6 は、弱い層を有する岩盤に対して三軸実験を実施し、弱い層を有する岩盤の応力-ひずみ曲線、弾性係数、圧縮強度、ピーク後の応力降下、および破壊状態に対する界面の傾斜の影響を議論しました。さらに、さまざまな界面傾斜角の破損状態を理論的に分析しました。 Li7 は、泥岩を含む層間塩岩、純粋な泥岩、純粋な塩岩の 3 つのコアサンプルに対して、異なる拘束圧力の下で一軸圧縮実験と三軸圧縮実験を実施し、コセラート媒体膨張理論を使用して頁岩の層間圧縮を研究しました。影響の理論的分析が行われ、塩岩と泥岩の機械的特性の不一致により、泥岩が引張応力の適用と同様の応答を引き起こすことが報告されました。 Huafeng8 は、一軸圧縮実験と三軸圧縮実験のための現場サンプルを収集し、機械的特性と破損モードに対する弱い層の角度の影響を分析しました。王9は哈密露天掘り炭鉱を研究対象として検討し、変形プロファイルを分析して斜面内の弱い層間層の位置を特定し、弱い層間岩塊を完全な力学的システムとみなして、弱い層間層の力学モデルを確立した。岩盤系を解析し、不安定が生じる前の破壊の程度を評価する指標を提案した。 Abbas10 は、層間角度の異なる砂岩 - 頁岩 - 砂岩の多層複合岩盤の力学特性に関する研究を実施し、波の速度伝播の弾性応答を研究し、複合岩盤の弾性率とせん断弾性率が層間によって異なることを明らかにしました。角度。角度が増加するにつれて、その剛性はより顕著な影響を及ぼし、複合岩盤における波の速度の異方性挙動は、頁岩の中間層ではなく、接合部の方向によって影響を受ける。

これらの基礎実験以外にも、層状岩体のクリープ応答に関する研究が多数報告されている。 Gengyou et al.11 は、クリープ特性と薄層岩石構造に対するラメラ角度の影響を研究しました。 Yanlin ら 12、13、14 は、段階的に増分する周期的な荷重と除荷の方法を使用して、弱い層間を持つ複雑な鉱石体でクリープ実験を実施し、粘弾性塑性変形を分析しました。新しく提案された非線形粘弾性塑性クリープモデルの正確性を検証するために、Haifei ら 15 は、高水圧と高拘束圧の条件下で砂岩上で三軸圧縮クリープ実験を実施しました。 Qiuyan16 は粘土質軟岩のクリープ特性を研究するために一連の一軸圧縮クリープ実験を実施し、クリーププロセス中の微視的およびメゾスコピックな変化を分析しました。 Xinxi17 は、高応力下での粘土質シルト岩のクリープ特性と長期強度を研究するために、増分荷重を使用して粘土質シルト岩に対して三軸圧縮クリープ実験を実施しました。

上記の研究は主に層状複合岩盤の力学特性を考慮したものであるが、音響放射装置を用いて、異なる弱層傾斜角度で亀裂の進展を観察するための、弱い複合岩盤を含む岩盤のクリープ特性と破壊進展機構に関する研究は比較的少ない。一定の負荷。

実際の工学的な地質条件と軟岩層の分布によれば、砂岩と泥岩は堆積岩のカテゴリーに属し、一般に長期の水の浸食後に川底に堆積した砂粒と弱く固まった粘土で構成されています。 -層は通常、何百年にもわたって蓄積されて形成されます。岩石は、層間の欠陥によって強度が低いため、水に遭遇すると崩壊しやすく、接着力が弱いため、さまざまな地質災害を引き起こしやすくなります。この試験では、砂岩と泥岩をそれぞれ硬岩と軟岩として選択し、試験仕様の要件に従って切断および研磨していくつかの岩盤ブロックを作成します。図2に示すように、岩盤端面の平行度、平滑度は国際岩盤力学協会（ISRM）の基準を満たしており、端面誤差は±0.1cmを確保しており、岩盤表面をきれいに保ちます。それらを順番に型に入れ、界面に大理石接着剤を均等に塗布します。接着プロセス中、岩塊の垂直性が試験仕様の要件を満たしていることと、岩石のサイズが確実に満たされていることを確認する必要があります。岩盤は図 3 に示すように 50 mm × 50 mm × 100 mm の標準的な長方形の試験片です。角度は 0°、15°、30°、45°の 4 つのグループに分けられ、それぞれに 3 つのサンプルがあります。グループ。

形に合わせてカットした岩盤ブロック。

層が弱い岩石標本。

実験装置は、図 4 に示すように、負荷システムと音響放射検出システムで構成されます。実験負荷システムには、マイコン制御の電気油圧サーボ圧力試験機 YAW-2000 が使用されます。クリープ実験では、段階的荷重を使用して一定の荷重を加えます。負荷速度は0.02MPa/sです。第 1 段階の負荷は、各作業条件で同じです。岩盤は一軸圧縮強度の35～50％に相当し、多段載荷クリープ実験では段階載荷の荷重増分は0.5MPaである。クリープ曲線が安定する傾向がある場合、または安定クリープ段階の速度がゼロの場合、クリープ試験が不合格になるまで次の段階の荷重が適用されます。実験機はクリーププロセス中の軸方向の変形を記録するために使用され、アコースティックエミッションシステムはリアルタイムの応答を監視するために使用されます。体内の音響放射信号については、実験プロセスに細心の注意を払い、負荷時間を微調整する必要があります。

クリープローディングシステム。

アコースティック・エミッション・モニタリング・システムには、American Acoustic Physics Corporation 製の PCI-2 タイプ 8 チャンネル・アコースティック・エミッション試験および解析システムが使用されます。このシステムは主にコンピュータ、プローブ、プリアンプ、コンバータ、音響放射信号線などの機器で構成されています。アコースティック・エミッション・プローブ信号はRS-54A、直径は8 mm、アンプ・モデルは20/40/60 dBで、20、40、60 dBの3つの異なるギアが提供されています。その機能は主にプローブを増幅することです。分析と処理のために信号をキャプチャしてコンピューターに送信します。このタイプのアンプは、小型、低ノイズ、耐衝撃性などの利点があります。システムの監視しきい値は 36 dB、共振周波数は 140 kHz、影響定義時間は 50 μs、サンプリング時間間隔は 0.1 秒です。主にイベント数、エネルギー数、リンギング数、ソース特徴点などのパラメータを監視します。実験中、3 次元音響放射空間分布を構築するために、サンプルの左側、右側、および背面に 5 つの音響放射プローブが使用されました。プローブの位置を図 5 に示します。

電荷センサーの配布。

クリープ実験時の段階的載荷荷重値を表1に示します。岩盤内部のアコースティックエミッションリンギングカウント信号を図6に示します。

クリープ実験における脆弱層の傾斜角を変えた岩石のリング数、軸ひずみ、時間の関係曲線。

図6と表2より、荷重が0から第1レベル荷重まで増加すると、岩盤の各グループから放出されるアコースティックエミッション信号が濃くなり、対応する累積リンギングカウントが増加し、リンギングカウントは増加するにつれて増加します。弱層の傾きが大きくなる。第 1 レベルの負荷が安定している場合、岩石から放出されるアコースティックエミッション信号は徐々に減少し、累積リンギング回数は徐々に減少します。第 2 レベルの負荷が増加すると、累積呼び出し回数は再び増加します。第 2 レベルの荷重が安定すると、各岩塊グループの累積鳴動回数は穏やかになります。第 2 レベルの負荷上昇期間中は増分負荷の変化が小さいため、累積リンギング数は第 1 レベルの負荷期間に比べて大幅に減少します。第 2 レベルの負荷の下でのクリープステージのリンギングカウントは、第 1 レベルのクリープステージと比較してわずかに増加します。最後の負荷レベルの動作中、負荷の上昇段階での累積リンギング数は、前の 2 つの段階と比較して増加しています。加速クリープ段階では、さまざまな荷重下でのサンプルの合計累積リンギング数は、最初は減少し、その後、荷重の増加に伴って増加する傾向を示します。弱い層の傾斜角の変化により、急激な変化が生じます。

各傾斜角におけるすべての荷重レベルのクリープ曲線を図 7 に示します。解析を容易にするために、安定に達した後のさまざまな応力レベルにおけるさまざまな荷重レベルのソース分布を図 8A、C、および図 8 に示すように選択します。 E. 図 8B と D の発生源分布図は各段階の後期を表し、図 8F の発生源分布は加速クリープの後期段階を示し、軟岩の各表面の特定の位置が次のように特定されます。図。

異なる傾斜角を持つ弱い層を含む岩石サンプルのクリープ曲線。

段階的な荷重クリープ中の弱い層の異なる傾斜角を持つ岩石の焦点分布と進化。

図8より、脆弱層の傾斜角が0°で一次荷重が安定しているときは、軟岩の右側の中央に少量の震源が存在します。第 2 レベルの荷重を加えると、震源はわずかに増加します。このとき、硬い岩の頂上に震源が発生します。荷重が安定すると、震源の加速度は徐々に減少します。下側の硬い岩盤では震源が少量しか発生しません。荷重が圧縮強度の80％を超えると、軟岩の右側面とその上側の硬岩の頂部の震源が大幅に増加します。加速段階に入った後、震源は軟岩の左側に向かって急速に発達し、その後、岩盤はクリープ不安定になる。

脆弱層の傾斜角が 15°で、第 1 層荷重が安定レベルまで増加すると、軟岩の上面付近と硬岩の上下付近に震源が発生します。現時点では震源の数は非常に少ないです。クリープ期に入ると長期にわたって一定の荷重が作用します。柔らかい岩石の中央には、少数の震源が分散しており、柔らかい岩石の震源は硬い岩石の震源よりも多くなります。エッジにも少数のソースがあります。クリープ段階に入ると、ソースの数は大きく変化しません。このとき、音響放射信号は比較的静かです。三次荷重が作用すると、軟岩の下側と下部界面で震源が大きく増加する。いくつかの震源が発生し、クリープ段階での音響放射信号も非常に活発になります。加速クリープ段階に入ると、震源の数が最大値まで増加し、岩盤全体が破砕され、最終的には引張分割破壊とせん断が発生します。カットダメージ。

弱層の傾斜角度が30°の場合、安定期までクリープ期全体にわたって1次荷重がかかります。この場合、軟岩、硬岩の内部には震源が存在しないため、荷重が増加する。荷重が変化しないままの場合、上部界面には軟岩と軟岩の周囲に微量源が分布していることがわかります。クリープ期に入ってからもソースはほとんど増加しませんでした。第 3 レベルの荷重を加えた後、界面で発生源が大幅に増加し、発生源の一部はクリープ段階に入る下側の硬岩の左下隅に発生します。同じステージでは、同じ数のソースが一定のままです。 4 段階目の荷重を加えると、荷重は圧縮強度の 85% に達します。軟岩の右側の源が大幅に増加し、上部界面の源の蓄積がより明確になります。深刻な損傷の後、岩塊の支持力は徐々に低下します。加速クリープの段階に入ると、多数の震源が発生し、軟岩に向かって発達します。このとき、軟岩中には「震源群」が形成されており、やがて岩塊は崩壊していきます。

脆弱層の傾斜角が 45°の場合、一次載荷中に安定に達した後、軟岩の上面上部に微量源が生成されます。震源が発生し、荷重は増加し続けます。震源の数は軟岩の中上部と中下部で増加します。硬い岩の頂上に爆心地の痕跡がある。クリープ期に入ると震源はわずかに上昇します。岩石の中央部の震源の数が大幅に増加し、柔らかい岩石では震源が均一に分布していますが、硬い岩石では震源が非常に小さくなっています。

負荷の増加に伴ってソースの数が変化するだけでなく、特定の負荷レベルにおいて、弱いディップ角の増加に伴ってソースの数も増加します。傾斜角が大きいほど、震源は軟岩の近くに分布する傾向があり、岩盤の損傷は大きくなります。弱い傾斜角が大きくなるほど、岩盤不安定破壊が発生しやすくなることがわかります。脆弱層の傾斜角が大きいほど、岩盤の損傷が大きくなり、不安定性破壊が発生する可能性が高くなることがわかります。

図9から、弱い層の異なる傾斜角を持つ4つのグループの岩石サンプルの破壊モードは、弱い中間層に沿った分割引張破壊とせん断滑り破壊に分類できます。岩盤が最大せん断応力に沿ってせん断したときに生じる亀裂がせん断亀裂であり、岩盤がせん断されたときに生じる亀裂が引張亀裂です。脆弱層の傾斜角が0°の場合、軟岩と硬岩の周囲に表面亀裂が発生し、岩石ブロックが次々に剥離し、最終的に岩塊は引張分割破壊を起こします。脆弱層の傾斜角が 15°の場合、垂直亀裂は軟硬界面を貫通して軟岩の主亀裂につながり、最終的に岩盤は引張分割破壊を起こします。脆弱層の傾斜角が30°の場合、岩盤左側の表面亀裂の拡大・貫入により、大きなブロックの剥離が起こり、軟弱な層の中央に巨視的な破面が形成されます。岩石に衝突し、サンプルは巨視的な破面に沿って滑ります。最終的に、岩盤はせん断破壊を受けます。脆弱層の傾斜角が45°の場合、亀裂の両側の亀裂がつながり、脆弱層左側の上部界面まで伸び、界面を貫通して硬い岩石の頂上まで伸びる、硬い岩石と柔らかい岩石の大きな破片が落下します。巨視的なせん断滑り亀裂が発生し、せん断滑り不安定性と岩盤破壊の原因となります。

さまざまな弱い層と傾斜角を持つ岩盤の最終クリープ破壊モード。

音響放射により、破壊プロセス中に進行する岩石の内部損傷を解明できます。荷重プロセス中の岩石の内部損傷を直観的に取得するために、アコースティックエミッションの累積リンギングカウントが岩石損傷を特徴付ける変数として選択されます。

Kachanov18 はダメージ変数 D を次のように定義しました。

式中、D は損傷変数、A は初期状態の有効断面積、Ad は損傷が発生した岩石サンプルの有効断面積を表します。

岩石が損傷したときの単位面積あたりの音響放射リンギング数は次のとおりです。

式中、Nc は単位面積当たりの岩石サンプルが損傷したときの累積リンギング回数、Nw は岩石サンプルが完全に損傷した後の累積リンギング回数です。

損傷領域が任意の At である場合、Nt は次のように表すことができます。

方程式を組み合わせる (1) と (3) より、ダメージ変数 D は次のように表すことができます。

ダメージの不完全なダメージに基づいて、ダメージ変数を補正することができます。 Liu Baoxian 19、20、21 および他の学者の研究を参照すると、修正後のダメージの臨界値は次のように解釈できます。

式中、D は限界ダメージ値、∂p は岩石のピーク強度、∂c は岩石の残留強度です。修正されたダメージ変数は次のように取得できます。

等価ひずみと弾性力学の理論によると、音響放射下での岩石損傷モデルは次のようになります。

音響放射試験結果から累積リング数、リング数の随時変化、岩石の物理的・機械的パラメータを整理・計算し、その結果を式(7)に代入して岩盤損傷のさまざまな進展曲線を描く。図 10 に示すように、原点を通る弱い層の傾斜角。

異なる傾斜角を持つ弱い層を含む岩石の損傷進展曲線。

図10より、岩盤の損傷進展曲線は脆弱層の傾斜角によって変化しますが、損傷蓄積、損傷加速、損傷破壊の3段階に分けられます。脆弱層の傾斜角が 0°の場合、岩石の初期損傷変数は小さく、荷重プロセス中に岩石は徐々に圧縮されます。層の傾斜角が 15°の場合、初期損傷変数は最小になります。徐々に損傷が蓄積すると、岩石は加速損傷段階に入り、最終的に損傷が発生します。脆弱層の傾斜角が 30°の場合、初期の損傷変数は岩石の圧縮に応じて柔軟に発達します。クリープの進行により損傷は徐々に蓄積され、15°よりも早く損傷加速段階に入り、最終的に損傷のピーク値に達します。脆弱層の傾斜角が 45°の場合、初期の損傷変数値が最も大きくなり、岩石は完全に圧縮されます。その後はダメージ蓄積ステージに入る。応力が継続的に増加すると、岩石は破壊段階に入り、損傷量は最大に達します。結局のところ、弱い層の傾斜角度は、岩盤のさまざまな段階にさまざまな影響を及ぼします。

本論文では,段階的載荷クリープ実験を,異なる弱層傾斜角度を有する弱複合岩盤に対して実行した。アコースティック・エミッション・システムを使用して、岩盤内部のアコースティック・エミッション信号をリアルタイムで監視し、段階的荷重クリープ曲線、破壊モード、およびアコースティック・エミッション特性（リンギング数と音源展開特性）を包括的に分析しました。次の結論が得られます。得られた:

段階的な荷重が増加すると、サンプル内に新しい亀裂が発生し、拡大、接続、貫通が継続し、荷重時間の増加とともにサンプルへの損傷が蓄積します。脆弱層の傾斜が大きいほど、岩盤のクリープ変形は大きくなります。弱い層を有する岩盤の様々な荷重下での累積リンギング回数は、荷重レベルの増加とともに最初は減少し、その後増加する傾向を示し、U字型の傾向を示します。

アコースティックエミッションの空間位置測定の結果は、サンプル内部の初期亀裂位置、岩盤の損傷状態、およびさまざまな荷重段階での亀裂の伝播を示します。発生源の時間的および空間的進化は、比較的明白な段階を示します。複合岩盤の破壊過程におけるアコースティックエミッションイベントは主に軟岩付近に集中しており、他の領域でのアコースティックエミッションイベントは頻度が低く、より分散しています。軟岩の損傷と破壊は、複合岩盤の全体的な変形と破壊を効果的に決定します。

岩盤の最終的なクリープ破壊モードは、弱い層の傾斜角によって大きく影響されます。弱層傾斜角が 0°と 15°の岩盤では、軟岩と硬岩の両方に亀裂が発生し、岩盤は引張割れを示します。弱層傾斜角が 30°および 45°の岩盤では、亀裂の大部分は軟岩中に存在し、せん断亀裂が大部分を占めます。傾斜荷重の増加に伴い、せん断亀裂は軟岩の方向に沿って発達し続け、上部の岩盤は滑りと転位を続け、最終的な破壊モードは主にせん断滑り破壊になります。

岩石のダメージ進展曲線は脆弱層の傾きによって異なりますが、ダメージ蓄積、ダメージ加速、ダメージ破壊の3段階に分けられます。岩盤の弱い層の傾斜角が大きいほど、累積リンギング回数が多く測定され、被害変数値は大きくなります。

この研究の結果を裏付けるために使用されたデータは、要求に応じて責任著者から入手できます。

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炭鉱安全技術国家重点研究所、中国石炭技術工学グループ、瀋陽研究所、神府実証区、瀋陽、113122、中国

ハイビン・ミャオ＆ナ・ジャオ

遼寧工科大学機械工学部、福新、123000、中国

Na Zhao、Lixin Meng、Yibin Zhang、Laigui Wang

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転載と許可

Miao, H.、Zhao, N.、Meng, L. 他クリープ中のさまざまな傾斜角による弱い岩石の損傷特性。 Sci Rep 13、7497 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-34246-0

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受領日: 2022 年 11 月 30 日

受理日: 2023 年 4 月 26 日

公開日: 2023 年 5 月 9 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34246-0

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