隠れた亀裂を有する破砕岩の機械的性質と亀裂進展特性

Scientific Reports volume 13、記事番号: 11639 (2023) この記事を引用

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継ぎ目、構造表面、空隙などの自然欠陥は、岩盤の機械的特性と破壊モードに大きな影響を与えます。 隠れた亀裂はマグマ岩中に広く分布していますが、機械的性質や亀裂のメカニズムに対するその影響はまだ不明です。 実験室試験は、比較として、隠れた亀裂のあるプレハブ岩石状の標本、ならびに無傷の標本および亀裂の密接な標本に対して実施されました。 リアルタイムデジタル画像相関技術とアコースティックエミッションモニタリング技術を同期して採用し、外部と内部の両方の亀裂プロセスを捕捉しました。 結果は、隠れた亀裂は一軸圧縮強度を弱める可能性があるが、隠れた亀裂の劣化効果は亀裂内部粒子間の内部凝集により閉じた亀裂よりも弱いことを示しています。 さらに、α = 90°の隠れ亀裂のある試験片の開始挙動は、β = 90°の閉じた亀裂のある試験片の開始挙動とは異なります。 最後に、RA-AF 関係を解析することにより、隠れ亀裂のある試験片の亀裂メカニズムが明らかになりました。 密接亀裂試験片の破壊は主に引張せん断混合破壊モードですが、隠れ亀裂試験片の破壊は主に引張破壊モードであり、せん断によって補足されます。 実験結果は、隠れた亀裂のある岩石の亀裂特性の理解に貢献します。

自然界の岩石には、長期にわたる地質学的作用の影響で、断層、節理、亀裂など、さまざまな種類の途切れた面が存在します。 これらの地質学的不連続性により、岩石の機械的特性は無傷の岩石とは大きく異なります1、2。 特にマグマ岩の場合、図 1a に示すように、マグマの噴出後の冷却と収縮の影響により、岩石の中に多くの隠れた亀裂が生じます 3。 中国南西部では、西羅都、白河潭、五東徳水力発電所を含む多くの水力発電プロジェクトがマグマ岩の上に建設されています4、5、6、7。 隠れた亀裂を持つマグマ岩の機械的特性は、岩石工学における周囲の岩石の安定性に大きな影響を与えます8。 したがって、隠れた亀裂が岩盤の力学的挙動に及ぼす影響を理解することは、岩石工学の安定性を評価するための鍵であり、この研究は地盤工学の設計と建設にも役立ちます。

岩盤の自然欠陥: (a) 柱状玄武岩の隠れた亀裂 8、(b) 閉じた亀裂、および (c) 開いた亀裂 3。

一軸圧縮では、無傷の岩石標本の破壊は主に引張亀裂またはせん断亀裂によって引き起こされます。 亀裂は最大主応力と平行な方向に徐々に進展し、その結果、軸応力が増加するにつれて試験片の破壊モードがせん断破壊から引張破壊に進展します9。 明らかに、試験片に欠陥が存在すると、試験片の機械的パラメータが大幅に低下し、それが亀裂の種類や破壊モードに影響を与えます。 過去数十年にわたり、破砕された岩石の機械的特性と亀裂挙動が広く研究されてきました。 一般に、これらの研究は、閉じた亀裂または開いた亀裂を含む岩盤に焦点を当てていました。 図 1b、c に示すように、閉じた亀裂と開いた亀裂の違いは、破断面に接触と摩擦があるかどうかです10。

たとえば、Wong et al.11 は、大理石と PMMA 岩石状材料を使用して、さまざまな欠陥深さと傾斜角での亀裂の伝播を研究し、PMMA 試験片の破損メカニズムが大理石試験片の破損メカニズムと類似していることを発見しました。 Ghazvinian et al.12 は、低脆性岩石状材料を使用してプレハブ亀裂を備えたブラジル製ディスク試験片を作成し、ブラジル分割試験によって亀裂の混合破壊モードを研究しました。 Zhuang et al.13 は、単一のプレハブ亀裂を持つ岩石または岩石状試験片の主亀裂の伝播形態を、二次亀裂、翼型亀裂、および反箔亀裂の 3 つのタイプに分類しました。 Jin et al.14 は、単一の亀裂が強度、破壊プロセス、エネルギー消費に与える影響を研究するために、閉じた亀裂を持つ人工岩石モデルで実験室試験と数値シミュレーションを実施しました。 Xu15は、亀裂の破壊メカニズムに従って、異なる傾斜角を持つ単一の閉じた欠陥を含む石膏試験片に対して一軸圧縮試験を実施し、強度、亀裂のメカニズム、破壊モードおよびアコースティックエミッション（AE）挙動に対する亀裂の方向の影響を詳細に分析しました。 。 Meng et al.16 は、AE 技術を使用して、岩石状試験片の混合モード破壊挙動に及ぼすさまざまな層面角度とノッチ角度の包括的な影響を研究しました。 さらに、亀裂の数が増加すると、亀裂の開始位置、合体軌跡、および破壊モードがより複雑になります。 例えば、Wong ら 17 は、3 つの平行な亀裂を含む岩石状試験片について実験研究を行い、欠陥の配置と欠陥表面の摩擦係数が亀裂の治癒メカニズムに影響を与え、ピーク強度が相関していることを発見しました。亀裂の数に。 Sagong と Bobet18 は、それぞれ 3 つのプレハブ欠陥と 16 のプレハブ欠陥を含む石膏試験片に対して一軸圧縮試験を実施しました。 結果は、多重欠陥試験片の亀裂モードが二重欠陥試験片の亀裂モードと類似していることを示しました。 Park と Bobet19 は、さまざまな角度、間隔、連続性を使用して、閉じた亀裂の石膏試験片をテストしました。 開いた欠陥と閉じた欠陥の亀裂の種類は同じであり、合体タイプも類似していることが観察されました。 Zhou ら 20 は、機械的特性、亀裂の発生モード、亀裂の合体タイプに対する複数の亀裂の配置の影響を研究するために、4 つの亀裂を持つ岩石状の試験片で実験を行い、そこから 5 種類の亀裂と 10 種類の亀裂合体モードが得られました。見つかった。 Cao ら 21 は、2 つの既存の欠陥を備えた岩石状の標本をロードし、さまざまな幾何学的形状の亀裂を観察し、7 種類の合体を決定しました。 Luo et al.22 は、顕微鏡の観点から、圧縮せん断荷重下での亀裂で満たされた岩石状試験片の破壊形態および破損挙動に対する 3 つの異なる充填剤の影響を研究しました。 Zhao et al.23 は、体積損失法を使用して、さまざまな内部開放欠陥を持つ石膏岩状の試験片を作成し、アコースティック・エミッション技術と組み合わせて、硬脆性岩石試験片の機械的特性と破壊特性に対するさまざまな欠陥の影響を研究しました。