不同石英砂含量对类岩石力学特性及破裂模式的影响.pdf
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1、Journal of Inner Mongolia University of Science and Technology第42 卷第2 期Vol.42,No.22023年6 月June,2023内蒙古科技大学学报不同石英砂含量对类岩石力学特性及破裂模式的影响韩天宇,王创业,游茹,刘城成(内蒙古科技大学矿业与煤炭学院,内蒙古包头014010)摘要:为研究不同石英砂含量的类岩石材料在单轴压缩下的力学特性与破裂模式,对3 组石英砂含量不同(2 5%,3 5%和45%)的类岩石材料进行单轴压缩声发射试验.研究表明:在力学特性上,随着石英砂在所研究范围内增加,类岩石材料的强度与弹性模量均呈现先增大后
2、减小的趋势.声发射特性上,随着石英砂含量增加,声发射事件率会存在一个声发射“事件率饱和点”,声发射事件率呈现先增大后减小的趋势.破裂模式上,当值大于值时则出现剪切裂纹,当值大于值时则出现拉伸裂纹.结果表明,随着石英砂含量的增加,类岩石的破坏趋向简单且剪切裂纹逐渐减小.关键词:石英砂;类岩石;声发射;破裂模式中图分类号:TD315文献标识码:A文章编号:2 0 9 5-2 2 9 5(2 0 2 3)0 2-0 112-0 5D0I:10.16559/ki.2095-2295.2023.02.003Effect of different quartz sand contents on the m
3、echanicalproperties and fracture modes of rock like materialsHAN Tianyu,WANG Chuangye,YOU Ru,LIU Chengcheng(Mining and Coal School,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,China)Abstract:In order to study the mechanical properties and fracture mode of rock like materials wit
4、h different quartz sand contents underuniaxial compression,three groups of rock like materials with different quartz sand contents(25%,35%and 45%)were tested underuniaxial compression acoustic emission(AE).The research shows that,in terms of mechanical properties,with the increase of quartzsand in t
5、he studied range,the strength and elastic modulus of rock like materials show a trend of first increasing and then decreasing.In terms of acoustic emission characteristics,there will be an AE“event rate saturation point,and the AE event rate willfirst increaseand then decrease with the increase of q
6、uartz sand content.In the fracture mode,when is greater than,shear cracks appear,andtension induced cracks will arise when is greater than y.The results also show that the failure mode of rock like materials tends to besimplified and the length of shear crack gradually decreases.Key words:quartz san
7、d;rock like;acoustic emission;rupture mode随着岩土工程的开展,如公路、铁路等隧道工程的大规模实施,评价经历长期变形与地下地质活动后岩石的稳定性,对于岩土工程中是起着指导意义的由于类岩石材料具有原材料易于购买、配制较*基金项目:内蒙古自治区自然科学基金资助项目(2 0 2 2 MS05037);内蒙古自治区高等学校青年科技英才支持计划资助项目(NJYT22073).作者简介:韩天宇(1997),男,内蒙古科技大学硕士研究生,研究方向为岩石力学与工程.通信作者:e-mail:7 3 56 7 2 7 3 5 q q.c o m收稿日期:2 0 2 2-11
8、-2 2113韩天宇,等学特性及破裂模式的影响为简单,且与原岩有较高相似度等优点,且考虑到获取原岩存在一定困难,所以采用类岩石材料进行研究在类岩石材料方面开展类岩石材料的研究对于岩石工程的设计和施工具有重要的理论和工程意义.选取类岩石材料进行模拟试验得到广泛认同。例如:徐新木等 研究含节理类岩石材料在冻融循环下类岩石材料的力学特性;经来旺等2 研究循环载荷下类岩石材料的能量演化与损伤特性;康一强等3 发现在节理类岩石材料中,节理角度对类岩石材料力学特性的影响;武东阳等4 分别对节理类岩石材料数值模拟与室内试验结合进行研究;黄彦华等5 详细分析了石膏水泥比和石英砂含量对类岩石材料的单轴抗压强度,
9、抗拉强度及弹性模量等力学参数的影响.以往的研究中的主要方法以改变类岩石材料的不同配比含量,来分析不同配比对类岩石材料的影响,或是对加载过程中声发射振铃计数的分析研究.在声发射事件率,声发射平均频率与声发射信号上升时间与幅度的比值(-u)上的研究有所欠缺因此,研究将基于不同石英砂含量的类岩石材料,对制备出的类岩石材料开展声发射事件率与-u值的研究1试验方案1.1试样的制备类岩石材料类比的对象为砂岩,砂岩取自江西乐平市塔前镇:经加工后制成直径为 50 mmH100mm的圆柱形标准试样,制备类岩石材料的原料分别为42 5早强型水泥、3.0 高强度石膏、2 0 0目的石英砂、3 2 5目的重晶石粉和水
10、,水泥石膏比为9:1.类岩石材料采用3 种不同石英砂含量的类岩石材料进行制备,石英砂含量分别为2 5%,3 5%和45%.试样共分A、B和C3组,每组3 个类岩石材料试样.试样皆为 50mmH100mm的圆柱形试样,养护完成后即可开展试验。1.2试验设备和试验方法采用伺服试验机(SAS-2000,长春新科,中国)研究所制备类岩石样品的单轴压缩性能加载采用位移控制方法,加载速率为0.1mm/min,预加载荷为2 kN.采用声发射仪(DS5-8B声发射仪,北京软岛,中国)采集声发射,声发射系统门槛值为40 dB,前置放大器增益为40 dB,采集频率为3 MHz.将声发射探头涂抹耦合剂,贴合在试样表
11、面,试验设备如图1所示。单轴压缩台单轴压缩控制仪DS5-8B声发射控制仪图1试验设备2试验结果与分析2.1类岩石材料的力学特性对3 组石英砂含量不同的类岩石材料和砂岩试样进行单轴压缩试验试验结果如表1所示表中石英砂含量相同的类岩石材料力学特性虽有少许差异但大体相近,因此挑出具有代表性的3 块类岩石材料进行接下来的力学及声发射特性分析.不同石英砂含量类岩石材料与砂岩的应力应变曲线如图2 所示由表1和图2 可知,制备出的类岩石材料力学特性与砂岩大致相同,尤其45%石英砂含量的类岩石材料其力学特性与所模拟砂岩基本一致,表明类岩石材料的配比是可行的随着石英砂含量的增加,类岩石材料的单轴抗压强度表现出先
12、增大后减小的趋势,具体表现为:3 5%石英砂含量类岩石材料 砂岩 45%石英砂含量类岩石材料 2 5%石英砂含量类岩石材料弹性模量则出现一直减小的趋势:50.-A-2-B-240-.C-2砂岩30201000.00.10.20.30.40.50.60.7应变/%图2砂岩及类岩石材料的应力一应变曲线1142023年6 月内蒙古科技大学学报第42 卷第2 期表1砂岩及类岩石材料的物理力学参数石英砂含量密度波速平均波速单轴抗压平均抗压弹性模量平均弹性试样编号/%p/(g:cm)/(m sl)/(m sl)强度a/MPa强度g/MPaE/GPa模量E/CPaA-1251.842.7852.63625.
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