Schädigungseigenschaften schwacher Gesteine ​​mit unterschiedlichen Neigungswinkeln beim Kriechen

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 7497 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Um den Einfluss des Neigungswinkels der schwachen Schicht auf den Kriechbruch der Verbundgesteinsmasse zu untersuchen, führt dieser Artikel ein Kriechexperiment mit abgestufter Belastung an der Verbundgesteinsmasse mit unterschiedlichen Neigungswinkeln unter Verwendung der Schallemissionsmethode durch, um den Bruchentwicklungsprozess zu untersuchen. Mit zunehmendem Belastungsgrad zeigt die kumulative Gesamtringzahl der Gesteinsmasse einen „U“-förmigen Trend, und die Ergebnisse der räumlichen Positionierung der akustischen Emission zeigen, dass sich akustische Emissionsereignisse beim Bruchprozess der Gesteinsmasse hauptsächlich in der Nähe der Schwachstellen konzentrieren Während es in anderen Gebieten nur wenige und verstreute Veranstaltungen gibt. Bei Gesteinsmassen mit Schwachschichtneigungswinkeln von 0° und 15° treten Risse sowohl in weichem als auch in hartem Gestein auf, wobei Scherrisse in weichem Gestein vorherrschen, Zugrisse in hartem Gestein vorherrschend sind und schließlich die Gesteinsmasse hauptsächlich Zugrisse aufweist Spaltungsfehler. Bei Gesteinsmassen mit Schwachschichtneigungswinkeln von 30° und 45° liegen die meisten Risse im Inneren des Weichgesteins, das von Scherrissen dominiert wird. Mit zunehmender abgestufter Belastung entwickeln sich die Scherrisse weiter in Richtung der Schwachschicht, die obere Gesteinsmasse rutscht und verlagert sich weiter und der endgültige Versagensmodus ist hauptsächlich Schergleitversagen. Die Schadensentwicklung variiert mit dem Neigungswinkel der Schwachschicht und kann in drei Phasen unterteilt werden: anfängliche Schadensakkumulation, Schadensbeschleunigung und Schadenszerstörung. Dies zeigt die Fähigkeit, das Auftreten von Kriechkatastrophen in Gesteinsmassen mit schwachen Schichten vorherzusagen, zu verhindern und zu kontrollieren.

Mit der rasanten Entwicklung der Wirtschaft wächst die Industrie des Felsmassenbaus, und immer mehr Felsmassenbauprojekte werden nacheinander durchgeführt, insbesondere in Kohleschichten, in denen metamorphe Gesteine ​​und Tonsteine ​​weit verbreitet sind, siehe Abb. 1. Insbesondere unterbricht die schwach gelagerte Gesteinsmasse die Integrität und Kontinuität der Gesteinsstruktur, beeinträchtigt die mechanischen Eigenschaften der Gesteinsmasse und erhöht die Wahrscheinlichkeit eines plötzlichen und katastrophalen Versagens unter einwirkender Belastung.

Gesteinsmasse mit schwacher Lagerung.

Die mechanischen Eigenschaften des Schwachschichtgesteins äußern sich nicht nur im elastischen und plastischen Verhalten, sondern auch im rheologischen Verhalten, das von der Zeit abhängt. Kriechen ist eine der wichtigen rheologischen mechanischen Eigenschaften von Gesteinsmassen. Zerstörung ist der Prozess der Akkumulation von Verformungen im Laufe der Zeit unter der langfristigen Einwirkung aufgebrachter Lasten. Aufgrund der Existenz schwacher Strukturebenen der geschichteten Gesteinsmasse sind ihre mechanischen Eigenschaften relativ komplex, weisen in der Regel eine erhebliche Anisotropie auf und der Versagensmechanismus unterscheidet sich von dem der homogenen Gesteinsmasse. Zu diesem Zweck haben sich viele Wissenschaftler auf die Aufklärung der mechanischen Eigenschaften und Versagensmechanismen von Verbundgesteinsmassen konzentriert. Nachfolgend finden Sie eine kurze Literaturübersicht.

Xin1 verwendete Epoxidharzbindemittel, um Tonstein, Sandstein und Kalkstein zu einer zusammengesetzten Gesteinsmasse zu verbinden, führte das Spannungs-Dehnungs-Gesamtprozessexperiment der dreidimensionalen Kompression durch und untersuchte die Auswirkungen von seitlichem Druck auf die mechanischen Eigenschaften. Changfu2,3,4 führte einachsige Kompressions-, dreiachsige Kompressions- und direkte Scherexperimente an verschiedenen Gesteinsproben wie Tonstein, Sandstein und Kalkstein sowie drei Arten von zusammenzementierten Verbundgesteinsproben durch, um die Festigkeits- und Verformungseigenschaften dieser zu untersuchen geschichtete Gesteinsmasse. Yang5 nahm den Hang rund um das Drei-Schluchten-Reservoir als Prototyp, testete mithilfe einer großen Vibrationsplattform die dynamische Reaktion und die Schallemissionseigenschaften des Hangs unter Erdbebeneinwirkung und ermittelte die Schallemissionsvibration des Sandwich-Hangs. Bingwu6 führte triaxiale Experimente an Gesteinsmassen mit schwachen Schichten durch und diskutierte den Einfluss der Grenzflächenneigung auf die Spannungs-Dehnungs-Kurve, den Elastizitätsmodul, die Druckfestigkeit, den Spannungsabfall nach dem Spitzenwert und den Versagenszustand von Gesteinsmassen mit schwachen Schichten. Zusätzlich wurde der Versagenszustand verschiedener Grenzflächenneigungswinkel theoretisch analysiert. Li7 führte uniaxiale Kompressions- und triaxiale Kompressionsexperimente unter unterschiedlichen Grenzdrücken an drei Kernproben von schlammsteinhaltigem Zwischenschicht-Salzgestein, reinem Tonstein und reinem Salzgestein durch und nutzte die mittlere Expansionstheorie von Cosserat, um die Schiefer-Zwischenschichtkompression zu untersuchen. Es wurde eine theoretische Analyse des Einflusses durchgeführt und es wurde berichtet, dass die Nichtübereinstimmung der mechanischen Eigenschaften des Salzgesteins und des Tonsteins dazu führt, dass der Tonstein auf die Anwendung von Zugspannung ähnlich reagiert. Huafeng8 sammelte Feldproben für einachsige und dreiachsige Kompressionsexperimente und analysierte den Einfluss des schwachen Schichtwinkels auf die mechanischen Eigenschaften und Versagensarten. Wang9 betrachtete den Kohletagebau Hami als Forschungsgegenstand, bestimmte die Position der schwachen Zwischenschicht im Hang durch Analyse des Verformungsprofils, betrachtete die Gesteinsmasse der schwachen Zwischenschicht als vollständiges mechanisches System und erstellte das mechanische Modell der schwachen Zwischenschicht Gesteinssystems und schlug einen Index zur Bewertung des Versagensgrads vor dem Auftreten von Instabilität vor. Abbas10 führte Untersuchungen zu den mechanischen Eigenschaften einer mehrschichtigen Verbundgesteinsmasse aus Sandstein, Schiefer und Sandstein mit unterschiedlichen Zwischenschichtwinkeln durch, untersuchte die elastische Reaktion der Wellengeschwindigkeitsausbreitung und stellte fest, dass der Elastizitätsmodul und der Schermodul der Verbundgesteinsmasse mit der Zwischenschicht variieren Winkel. Mit zunehmendem Winkel wirkt sich seine Steifigkeit stärker aus und das anisotrope Verhalten der Wellengeschwindigkeit in der Verbundgesteinsmasse wird durch die Richtung der Verbindung und nicht durch die Schieferzwischenschicht beeinflusst.

Zusätzlich zu diesen grundlegenden Experimenten wurden zahlreiche Studien zu den Kriechreaktionen geschichteter Gesteinsmassen durchgeführt. Gengyou et al.11 untersuchten die Kriecheigenschaften und den Einfluss des Lamellenwinkels auf dünnschichtige Gesteinsstrukturen. Yanlin et al.12,13,14 verwendeten die Methode der zyklischen Be- und Entladung mit abgestuften Schritten, um Kriechexperimente an komplexen Erzkörpern mit schwachen Zwischenschichten durchzuführen und die viskoelastisch-plastische Verformung zu analysieren. Um die Richtigkeit des neu vorgeschlagenen nichtlinearen viskoelastisch-plastischen Kriechmodells zu überprüfen, führten Haifei et al.15 ein triaxiales Kompressionsexperiment an Sandstein unter Bedingungen von hohem Wasserdruck und hohem Grenzdruck durch. Qiuyan16 führte eine Reihe einachsiger Kompressionsexperimente zum Kriechen durch, um die Kriecheigenschaften von Ton-Weichgesteinen zu untersuchen, und analysierte die mikroskopischen und mesoskopischen Veränderungen während des Kriechprozesses. Xinxi17 führte dreiachsige Druck-Kriech-Experimente an tonigem Schluffstein mit inkrementeller Belastung durch, um die Kriecheigenschaften und die Langzeitfestigkeit von tonigem Schluffstein unter hoher Belastung zu untersuchen.

Die oben genannten Studien berücksichtigen hauptsächlich die mechanischen Eigenschaften von geschichteten Verbundgesteinsmassen, es gibt jedoch relativ wenige Studien zu den Kriecheigenschaften und dem Bruchentwicklungsmechanismus von Gesteinsmassen, die schwache Verbundwerkstoffe enthalten, wobei Schallemissionsgeräte zur Beobachtung der Rissausbreitung bei unterschiedlichen Neigungswinkeln schwacher Schichten verwendet wurden ständige Belastung.

Gemäß den tatsächlichen technischen geologischen Bedingungen und der Verteilung der weichen Gesteinsschichten gehören Sandstein und Tonstein zur Kategorie der Sedimentgesteine, die im Allgemeinen aus Sandkörnern und schwach verfestigtem Ton bestehen, die sich nach langfristiger Wassererosion auf dem Flussbett ablagern, und der Zwischenschicht -Schichten bilden sich im Allgemeinen über Hunderte von Jahren der Anhäufung. Aufgrund der geringen Festigkeit, die durch Defekte in den Zwischenschichten entsteht, ist die Gesteinsmasse anfällig für Zerfall, wenn sie auf Wasser trifft, und weist eine schlechte Zementierfähigkeit auf, was zu verschiedenen geologischen Katastrophen führen kann. Bei diesem Test werden Sandstein und Tonstein als Hartgestein bzw. Weichgestein ausgewählt und gemäß den Anforderungen der Testspezifikation geschnitten und poliert, um mehrere Grundgesteinsblöcke herzustellen. Wie in Abb. 2 dargestellt, entsprechen die Parallelität und Glätte der Endfläche des Grundgesteins den Standards der International Society for Rock Mechanics (ISRM) und stellen sicher, dass der Endflächenfehler ± 0,1 cm beträgt und die Oberfläche des Grundgesteins sauber bleibt und ordentlich, sie nacheinander in die Form legen und gleichmäßig Marmorkleber an der Schnittstelle auftragen. Während des Klebevorgangs muss sichergestellt werden, dass die Vertikalität der Gesteinsmasse den Anforderungen der Testspezifikation entspricht und die Größe der Die Gesteinsmasse ist ein standardmäßiges rechteckiges Teststück von 50 mm × 50 mm × 100 mm, wie in Abb. 3 dargestellt. Die Winkel sind in vier Gruppen unterteilt, nämlich 0°, 15°, 30° und 45°, mit jeweils drei Proben Gruppe.

Grundgesteinsblock in Form geschnitten.

Gesteinsmassenexemplar mit schwacher Unterlage.

Der Versuchsaufbau besteht aus einem Belastungssystem und einem System zur Erkennung akustischer Emissionen, wie in Abb. 4 dargestellt. Das Versuchsbelastungssystem verwendet eine mikrocomputergesteuerte elektrohydraulische Servodruckprüfmaschine aYAW-2000. Während des Kriechversuchs wird eine konstante Belastung durch stufenweise Belastung aufgebracht. Die Belastungsrate beträgt 0,02 MPa/s. Die Belastung der ersten Stufe ist für jede Arbeitsbedingung gleich. Die Gesteinsmasse entspricht 35 % bis 50 % der einachsigen Druckfestigkeit, und der Lastzuwachs bei stufenweiser Belastung beträgt 0,5 MPa für Kriechversuche mit mehrstufiger Belastung. Wenn die Kriechkurve tendenziell stabil ist oder die Geschwindigkeit der stabilen Kriechphase Null beträgt, wird die nächste Belastungsstufe angewendet, bis der Kriechtest fehlschlägt. Mit der Versuchsmaschine wird die axiale Verformung während des Kriechvorgangs aufgezeichnet und mit dem Schallemissionssystem wird die Echtzeitreaktion überwacht. Für das Schallemissionssignal im Körper ist es notwendig, dem experimentellen Prozess große Aufmerksamkeit zu schenken und die Ladezeit genau abzustimmen.

Kriechladesystem.

Das System zur Überwachung akustischer Emissionen verwendet das 8-Kanal-Test- und Analysesystem für akustische Emissionen vom Typ PCI-2 der American Acoustic Physics Corporation. Das System besteht hauptsächlich aus Computern, Sonden, Vorverstärkern, Konvertern, akustischen Signalleitungen und anderen Geräten. Das Signal der Schallemissionssonde ist RS-54A, der Durchmesser beträgt 8 mm, die Verstärkermodelle sind 20/40/60 dB und es stehen drei verschiedene Gänge zur Verfügung: 20, 40 und 60 dB. Seine Funktion besteht hauptsächlich darin, die Sonde zu verstärken um Signale zu erfassen und zur Analyse und Verarbeitung an den Computer zu übertragen. Dieser Verstärkertyp zeichnet sich durch geringe Größe, geringes Rauschen und Schlagfestigkeit aus. Die Überwachungsschwelle des Systems beträgt 36 dB, die Resonanzfrequenz beträgt 140 kHz, die Stoßdefinitionszeit beträgt 50 µs und das Abtastzeitintervall beträgt 0,1 s. Es überwacht hauptsächlich die Anzahl der Ereignisse, die Energiezählung, die Klingelzählung und Parameter wie Quellmerkmalspunkte. Während des Experiments wurden zur Konstruktion der dreidimensionalen räumlichen Schallemissionsverteilung fünf Schallemissionssonden auf der linken, rechten und hinteren Seite der Probe verwendet. Die Sondenpositionen sind in Abb. 5 dargestellt.

Verteilung von Ladungssensoren.

Die abgestuften Belastungswerte während des Kriechversuchs sind in Tabelle 1 dargestellt. Das Zählsignal der akustischen Emission im Inneren der Gesteinsmasse ist in Abb. 6 dargestellt.

Beziehungskurve zwischen Ringzahl, axialer Dehnung und Zeit des Gesteins mit unterschiedlichen Neigungswinkeln schwacher Schichten im Kriechexperiment.

Wie aus Abb. 6 und Tabelle 2 hervorgeht, sind die akustischen Emissionssignale, die von jeder Gruppe von Gesteinsmassen abgegeben werden, dichter, wenn die Last von 0 auf die Last der ersten Ebene ansteigt, die entsprechende kumulative Klingelzahl ist höher und die Klingelzahl nimmt mit zu zunehmende Neigung der Schwachschicht. Wenn die Last der ersten Ebene stabil ist, nimmt das von der Gesteinsmasse abgegebene akustische Emissionssignal allmählich ab und die kumulative Klingelzahl nimmt allmählich ab. Wenn die Auslastung der zweiten Ebene zunimmt, erhöht sich die kumulative Rufanzahl erneut. Nachdem sich die Last der zweiten Ebene stabilisiert hat, wird die kumulative Klingelzahl jeder Gruppe von Gesteinsmassen ruhiger. Da die inkrementellen Laständerungen während des Lastanstiegszeitraums der zweiten Ebene gering sind, ist die kumulative Klingelzahl deutlich niedriger als die des Lastzeitraums der ersten Ebene. Die Klingelwerte für die Kriechstufe unter der Last der zweiten Stufe steigen im Vergleich zur Kriechstufe der ersten Stufe leicht an. Unter der Einwirkung der letzten Laststufe sind die kumulierten Klingelzahlen in der Stufe mit steigender Last im Vergleich zu den beiden vorherigen Stufen gestiegen. Im beschleunigten Kriechstadium zeigen die gesamten akkumulierten Klingelzahlen der Proben unter verschiedenen Belastungen einen Trend, der mit zunehmender Belastung zunächst abnimmt und dann zunimmt. Die Änderung des Neigungswinkels der Schwachschicht führt zu einer plötzlichen Änderung.

Die Kriechkurven aller Belastungsniveaus unter jedem Neigungswinkel sind in Abb. 7 dargestellt. Um die Analyse zu erleichtern, werden die Quellverteilungen der verschiedenen Belastungsniveaus unter verschiedenen Spannungsniveaus nach Erreichen der Stabilität ausgewählt, wie in Abb. 8A, C und dargestellt E. Die Quellenverteilungsdiagramme in Abb. 8B und D stellen das spätere Ende jedes Stadiums dar, und die Quellenverteilungen in Abb. 8F bezeichnen das späte Stadium des beschleunigten Kriechens, und die spezifischen Positionen jeder Oberfläche des Weichgesteins sind in angegeben die Diagramme.

Kriechkurven der Gesteinsprobe, die schwache Schichten mit unterschiedlichen Neigungswinkeln enthält.

Schwerpunktverteilung und Entwicklung von Gesteinen mit unterschiedlichen Neigungswinkeln schwacher Schichten während des abgestuften Belastungskriechens.

Aus Abb. 8 geht hervor, dass sich in der Mitte der rechten Seite des weichen Gesteins ein kleines Hypozentrum befindet, wenn der Neigungswinkel der schwachen Schicht 0° beträgt und die Last der ersten Ebene stabil ist. Wenn die Last der zweiten Ebene angewendet wird, erhöht sich das Hypozentrum leicht. Zu diesem Zeitpunkt entsteht an der Spitze des Hartgesteins ein Hypozentrum. Nachdem sich die Last stabilisiert hat, nimmt die Beschleunigung des Hypozentrums allmählich ab. Im Hartgestein auf der Unterseite entsteht nur ein geringer Teil des Hypozentrums. Wenn die Belastung 80 % der Druckfestigkeit überschreitet, nimmt die seismische Quelle auf der rechten Oberfläche des Weichgesteins und auf der Oberseite des Hartgesteins auf der Oberseite deutlich zu. Nach Eintritt in die Beschleunigungsphase entwickelt sich die seismische Quelle schnell in Richtung der linken Seite des weichen Gesteins, und dann erfährt die Gesteinsmasse eine Kriechinstabilität.

Wenn der Neigungswinkel der schwachen Schicht 15° beträgt und die Last der ersten Ebene auf ein stabiles Niveau ansteigt, gibt es Hypozentren nahe der Oberseite des weichen Gesteins und der Ober- und Unterseite des harten Gesteins. Derzeit ist die Anzahl der Hypozentren sehr gering. Nach Eintritt in die Kriechphase wirkt die langzeitkonstante Belastung. In der Mitte des weichen Gesteins gibt es eine kleine Anzahl von Hypozentren, die in der Mitte des weichen Gesteins verstreut sind, und es gibt mehr Hypozentren im weichen Gestein als im harten Gestein. Es gibt auch eine kleine Anzahl von Quellen am Rand. Nach Eintritt in die Kriechphase ändert sich die Anzahl der Quellen nicht wesentlich. Zu diesem Zeitpunkt ist das akustische Emissionssignal relativ leise. Bei Einwirkung der Last dritter Ordnung nehmen die Hypozentren an der Unterseite des Weichgesteins und der unteren Grenzfläche deutlich zu. Es werden einige Hypozentren erzeugt und auch das akustische Emissionssignal im Kriechstadium wird sehr aktiv. Nach Eintritt in die Phase des beschleunigten Kriechens steigt die Anzahl der Hypozentren auf den Maximalwert, die Gesteinsmasse wird als Ganzes zerkleinert und schließlich kommt es zu Zugspaltungsversagen und Scherung. Schnittschäden.

Wenn der Neigungswinkel der Schwachschicht 30° beträgt, wird die Last der ersten Ebene bis zum stabilen Stadium und während des gesamten Kriechstadiums aufgebracht. In diesem Fall gibt es im Weichgestein und Hartgestein keine seismische Quelle, und dann wird die Belastung erhöht. Nachdem die Belastung unverändert bleibt, zeigt die obere Schnittstelle Spurenquellen, die um das weiche Gestein und das weiche Gestein verteilt sind. Nach Eintritt in die Kriechphase nahm die Quelle fast nicht mehr zu. Nachdem die Last der dritten Ebene angewendet wurde, nimmt die Quelle an der Grenzfläche erheblich zu, und ein Teil der Quelle tritt in der unteren linken Ecke des Hartgesteins auf der unteren Seite auf, das in die Kriechphase eintritt. Auf derselben Stufe bleibt die gleiche Anzahl von Quellen konstant. Bei der Belastung der vierten Stufe erreicht die Belastung 85 % der Druckfestigkeit. Die Quelle auf der rechten Seite des Weichgesteins nimmt deutlich zu und die Ansammlung von Quellen an der oberen Grenzfläche wird deutlicher. Nach schweren Schäden nimmt die Tragfähigkeit der Gesteinsmasse allmählich ab. Nach Eintritt in das Stadium des beschleunigten Kriechens wird eine große Anzahl von Hypozentren erzeugt und entwickelt sich in Richtung des weichen Gesteins. Zu diesem Zeitpunkt hat sich im weichen Gestein eine „seismische Quellgruppe“ gebildet, und die Gesteinsmasse bricht schließlich zusammen.

Wenn der Neigungswinkel der Schwachschicht 45° beträgt, entsteht nach Erreichen der Stabilität während der Primärbelastung eine Spurenquelle an der Spitze der Oberseite des Weichgesteins. Das Hypozentrum wird erzeugt und die Belastung nimmt weiter zu. Die Anzahl der Hypozentren nimmt in der oberen Mitte und unteren Mitte des Weichgesteins zu. An der Spitze des harten Gesteins befindet sich ein Spurenhypozentrum. Nach Eintritt in die Kriechphase nimmt das Hypozentrum leicht zu. Die Anzahl der Hypozentren in der Gesteinsmitte ist deutlich erhöht und im weichen Gestein sind die Hypozentren gleichmäßig verteilt, während die Hypozentren im harten Gestein extrem klein sind.

Mit zunehmender Last ändert sich nicht nur die Anzahl der Quellen, bei einem gegebenen Lastniveau nimmt die Anzahl der Quellen auch mit zunehmendem schwachen Neigungswinkel zu; Je größer der Neigungswinkel, desto stärker sind die Hypozentren tendenziell in der Nähe von weichem Gestein verteilt und desto größer ist der Schaden an der Gesteinsmasse. Es ist ersichtlich, dass die Anfälligkeit für ein Versagen der Gesteinsinstabilität umso größer ist, je größer der schwache Neigungswinkel ist. Es ist ersichtlich, dass je größer der Neigungswinkel der Schwachschicht ist, desto schwerwiegender ist die Schädigung der Gesteinsmasse und desto wahrscheinlicher ist das Auftreten eines Instabilitätsversagens.

Aus Abb. 9 lassen sich die Versagensmodi der vier Gruppen von Gesteinsproben mit unterschiedlichen Neigungswinkeln der schwachen Schichten in geteiltes Zugversagen und Scherschlupfversagen entlang der schwachen Zwischenschicht einteilen. Die Risse, die entstehen, wenn die Gesteinsmasse entlang der maximalen Scherspannung schert, sind Scherrisse, und die Risse, die entstehen, wenn die Gesteinsmasse schert, sind Zugrisse. Wenn der Neigungswinkel der schwachen Schicht 0° beträgt, treten Oberflächenrisse um das weiche Gestein und das harte Gestein herum auf, und die Gesteinsblöcke lösen sich nacheinander ab, und schließlich erfährt die Gesteinsmasse ein Versagen durch Zugspaltung. Wenn der Neigungswinkel der Schwachschicht 15° beträgt, dringt der vertikale Riss in die Weich-Hart-Grenzfläche ein und verbindet sich mit dem Hauptriss im Weichgestein, und schließlich erleidet die Gesteinsmasse einen Bruch durch Zugspaltung. Wenn der Neigungswinkel der Schwachschicht 30° beträgt, kommt es aufgrund der Ausdehnung und Durchdringung der Oberflächenrisse auf der linken Seite der Gesteinsmasse zur Ablösung großer Blöcke und es bildet sich in der Mitte der Weichschicht eine makroskopische Bruchfläche Gestein, und die Probe rutscht entlang der makroskopischen Bruchfläche. Schließlich kommt es zu einem Schergleitversagen der Gesteinsmasse. Wenn der Neigungswinkel der Schwachschicht 45° beträgt, sind die Risse auf beiden Seiten des Risses verbunden, erstrecken sich bis zur oberen Grenzfläche auf der linken Seite der Schwachschicht, durchdringen die Grenzfläche und erstrecken sich bis zur Oberseite des Hartgesteins Dabei fallen große Stücke harten und weichen Gesteins herunter. Es entstehen makroskopische Schergleitrisse, die zu Schergleitinstabilität und Versagen der Gesteinsmasse führen.

Endgültiger Kriechversagensmodus der Gesteinsmasse mit unterschiedlichen Schwachschichten und Neigungswinkeln.

Die akustische Emission kann Aufschluss über die innere Schädigung des Gesteins geben, die während des Versagensprozesses entsteht. Um den inneren Schaden des Gesteins während des Ladevorgangs intuitiv zu erfassen, wird die kumulative Anzahl der akustischen Emissionen als Variable zur Charakterisierung des Gesteinsschadens ausgewählt.

Kachanov18 definierte die Schadensvariable D als:

In der Formel stellt D die Schadensvariable dar, A ist die effektive Querschnittsfläche des Ausgangszustands und Ad ist die effektive Querschnittsfläche der Gesteinsprobe, an der der Schaden auftritt.

Die Anzahl der Schallemissionen pro Flächeneinheit bei Beschädigung des Gesteins beträgt:

In der Formel ist Nc die kumulative Ringing-Anzahl, wenn die Gesteinsprobe pro Flächeneinheit beschädigt ist, und Nw ist die kumulative Ringing-Anzahl, nachdem die Gesteinsprobe vollständig beschädigt wurde.

Wenn der beschädigte Bereich At ist, kann Nt wie folgt ausgedrückt werden:

Kombinieren von Gleichungen. (1) und (3) kann die Schadensvariable D ausgedrückt werden als:

Basierend auf dem unvollständigen Schadensschaden kann die Schadensvariable korrigiert werden. Unter Bezugnahme auf die Forschung von Liu Baoxian19,20,21 und anderen Wissenschaftlern kann der kritische Wert des Schadens nach der Korrektur wie folgt angenommen werden:

In der Formel ist D der kritische Schadenswert, ∂p die Spitzenfestigkeit des Gesteins und ∂c die Restfestigkeit des Gesteins. Die modifizierte Schadensvariable kann wie folgt ermittelt werden:

Gemäß der Theorie der äquivalenten Dehnung und der elastischen Mechanik ist das Gesteinsschadensmodell unter Schallemission:

Sortieren und berechnen Sie die kumulative Ringzahl, die Änderung der Ringzahl zu jedem Zeitpunkt sowie die physikalischen und mechanischen Gesteinsparameter in den Ergebnissen der Schallemissionstests, setzen Sie die Ergebnisse dann in Formel (7) ein und zeichnen Sie die Gesteinsschadensentwicklungskurve verschiedener Neigungswinkel schwacher Schichten durch den Ursprung, wie in Abb. 10 dargestellt.

Schadensentwicklungskurven von Gesteinen, die schwache Schichten mit unterschiedlichen Neigungswinkeln enthalten.

Aus Abb. 10 geht hervor, dass die Schadensentwicklungskurven der Gesteinsmasse mit dem Neigungswinkel der Schwachschicht variieren, sie können jedoch in drei Phasen unterteilt werden: Schadensakkumulation, Schadensbeschleunigung und Schadenszerstörung. Wenn der Neigungswinkel der Schwachschicht 0° beträgt, ist die anfängliche Schadensvariable des Gesteins gering und das Gestein wird während des Belastungsprozesses allmählich verdichtet. Bei einem Neigungswinkel der Schicht von 15° ist die anfängliche Schadensvariable am kleinsten. Mit der allmählichen Anhäufung von Schäden tritt das Gestein in die Phase der beschleunigten Schädigung ein, und schließlich kommt es zu Schäden. Bei einem Schwachschichtneigungswinkel von 30° entwickelt sich die Anfangsschädigungsgröße flexibel mit der Gesteinsverdichtung. Mit der kontinuierlichen Entwicklung des Kriechens häuft sich der Schaden allmählich an, tritt früher als bei 15° in die beschleunigte Schadensphase ein und erreicht schließlich den Spitzenschadenswert. Wenn der Neigungswinkel der Schwachschicht 45° beträgt, ist der anfängliche Schadensvariablenwert am größten und das Gestein ist vollständig verdichtet. Danach tritt es in die Schadensakkumulationsphase ein. Mit der kontinuierlichen Erhöhung der Spannung tritt das Gestein in das Versagensstadium ein und die Schadenshöhe erreicht ein Maximum. Letztlich hat der Neigungswinkel der Schwachschicht unterschiedliche Auswirkungen auf die verschiedenen Gesteinsstadien.

In dieser Arbeit werden Kriechexperimente mit abgestufter Belastung an der schwachen Verbundgesteinsmasse mit unterschiedlichen Neigungswinkeln der schwachen Schicht durchgeführt. Ein akustisches Emissionssystem wird verwendet, um die akustischen Emissionssignale innerhalb der Gesteinsmasse in Echtzeit zu überwachen, und die abgestufte Belastungskriechkurve, der Versagensmodus und die akustischen Emissionseigenschaften wurden umfassend analysiert (Klingelzahl und Eigenschaften der Quellenentwicklung). Die folgenden Schlussfolgerungen sind erhalten:

Mit zunehmender abgestufter Belastung entstehen im Inneren der Probe neue Risse, die sich weiter ausdehnen, verbinden und durchdringen, und der Schaden an der Probe häuft sich mit zunehmender Belastungszeit. Je größer die Neigung der Schwachschicht ist, desto größer ist die Kriechverformung des Gesteins. Die kumulativen Ringzahlen von Gesteinsmassen mit schwachen Schichten unter verschiedenen Belastungen zeigen einen Trend, der mit zunehmendem Belastungsniveau zunächst abnimmt und dann zunimmt, was einen U-förmigen Trend zeigt.

Die Ergebnisse der räumlichen Positionierung der akustischen Emission geben Aufschluss über die anfängliche Rissposition innerhalb der Probe, den Schadensstatus der Gesteinsmasse und die Rissausbreitung unter verschiedenen Belastungsstufen. Die zeitliche und räumliche Entwicklung der Quelle weist relativ deutliche Stadien auf. Die Schallemissionsereignisse beim Bruchprozess der Verbundgesteinsmasse konzentrieren sich hauptsächlich in der Nähe des weichen Gesteins, während die Schallemissionsereignisse in anderen Bereichen seltener und stärker verstreut sind. Schäden und Brüche von Weichgestein bestimmen effektiv die Gesamtverformung und das Versagen der Verbundgesteinsmasse.

Der endgültige Kriechversagensmodus der Gesteinsmasse wird erheblich durch den Neigungswinkel der schwachen Schicht beeinflusst. Bei den Gesteinsmassen mit Schwachschichtneigungswinkeln von 0° und 15° kommt es sowohl im Weich- als auch im Hartgestein zu Rissen und es kommt zu einer Zugspaltung des Gesteins. In den Gesteinsmassen mit Schwachschichtneigungswinkeln von 30° und 45° liegen die meisten Risse im Weichgestein vor, wobei es sich überwiegend um Scherrisse handelt. Mit zunehmender abgestufter Belastung entwickeln sich die Scherrisse weiter in Richtung des weichen Gesteins, die obere Gesteinsmasse rutscht und verlagert sich weiter und die endgültige Versagensart ist hauptsächlich Schergleitversagen.

Die Schadensentwicklungskurven der Gesteine ​​variieren mit der Neigung der Schwachschicht, können jedoch in drei Stufen unterteilt werden: Schadensakkumulation, Schadensbeschleunigung und Schadenszerstörung. Je größer der Neigungswinkel der Schwachschicht des Gesteins ist, desto mehr akkumulierte Ringing-Zählungen werden gemessen und desto größer ist der Schadensvariablenwert.

Die zur Untermauerung der Ergebnisse dieser Studie verwendeten Daten sind auf Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Die finanzielle Unterstützung erfolgt durch den National Key Research and Development Plan (2017YFC1503101), das Key Science and Technology Innovation Base Joint Open Fund Project der Provinz Liaoning (2020-KF-13-06) und das vom Bildungsministerium der Provinz Liaoning finanzierte Projekt (LJ2020JCL013). ) werden dankbar anerkannt.

State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, China Coal Technology and Engineering Group, Shenyang Research Institute, Shenfu Demonstration Zone, Shenyang, 113122, China

Haibin Miao & Na Zhao

Hochschule für Mechanik und Ingenieurwesen, Technische Universität Liaoning, Fuxim, 123000, China

Na Zhao, Lixin Meng, Yibin Zhang und Laigui Wang

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Neuseeland: Verfassen und Überarbeiten von Manuskripten; Datenanalyse; Experimentdesign und -implementierung. HM und LW: kreative Gestaltung des Manuskripts und finanzielle Unterstützung; Experimentelles Design.LM und YZ: Überarbeitung des Manuskripts und experimentelle Umsetzung.

Korrespondenz mit Na Zhao.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Miao, H., Zhao, N., Meng, L. et al. Schädigungseigenschaften schwacher Gesteine ​​mit unterschiedlichen Neigungswinkeln beim Kriechen. Sci Rep 13, 7497 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34246-0

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Eingegangen: 30. November 2022

Angenommen: 26. April 2023

Veröffentlicht: 09. Mai 2023

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

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