Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Nghiên cứu thực nghiệm về mô hình cấu trúc viscoelastic nanoindentation của thạch anh và kaolinit trong đá bùn
Tóm tắt
Hành vi trượt trong các cấu trúc kỹ thuật ngầm sâu, đặc biệt là trong các loại đá mềm, có tác động đáng kể đến độ ổn định lâu dài của các hầm khai thác, dẫn đến nguy cơ cao và thất bại trong quá trình khai thác. Do đó, việc nhận diện biến dạng phụ thuộc theo thời gian thông qua việc điều tra hiện tượng này là vô cùng cần thiết. Trong nghiên cứu này, các hành vi trượt của đá mềm đã được kiểm tra để giúp hiểu rõ cơ chế của sự biến dạng phụ thuộc dài hạn. Do kết quả hạn chế về các thuộc tính phụ thuộc theo thời gian của các thành phần trong đá thể hiện mức độ không đồng nhất của chúng, kỹ thuật nanoindentation nhắm mục tiêu (TNIT) đã được áp dụng để nghiên cứu các đặc tính viscoelastic của kaolinit và thạch anh trong mẫu đá bùn hai thành phần. TNIT bao gồm việc xác định các thành phần khoáng vật trong đá bùn và thực hiện thí nghiệm nanoindentation trên từng thành phần đã xác định. Sau khi thực hiện thí nghiệm, các giai đoạn giải nén của các đường cong indentation điển hình đã được phân tích để tính toán độ cứng và mô-đun đàn hồi của cả hai thành phần trong đá bùn. Ngoài ra, các giai đoạn giữ tải 180 giây với tải đỉnh 50 mN đã được chuyển đổi thành các đường cong biến dạng trượt – thời gian điển hình để phân tích phù hợp bằng cách sử dụng mô hình Kelvin, mô hình viscoelastic tiêu chuẩn và mô hình viscoelastic mở rộng. Kết quả phù hợp cho thấy mô hình viscoelastic tiêu chuẩn không chỉ có thể mô tả hoàn hảo hành vi trượt nanoindentation của cả kaolinit và thạch anh mà còn có thể tạo ra các hằng số phù hợp được sử dụng để đo các tham số trượt của chúng. Các tham số trượt của kaolinit nhỏ hơn nhiều so với thạch anh, điều này gây ra biến dạng đáng kể phụ thuộc theo thời gian của đá bùn mềm. Cuối cùng, mô hình viscoelastic tiêu chuẩn cũng đã được xác minh trên thạch anh trong mẫu đá sa thạch.
Từ khóa
#trượt #đá mềm #mô hình viscoelastic #nanoindentation #kaolinit #thạch anh #biến dạng phụ thuộc theo thời gian #kỹ thuật thí nghiệmTài liệu tham khảo
Abedi S, Slim M, Hofmann R, Bryndzia T, Ulm F-J (2016) Nanochemo-mechanical signature of organic-rich shales: a coupled indentation–EDX analysis. Acta Geotech 11(3):559–572
Alstadt KN, Katti KS, Katti DR (2015) Nanoscale morphology of kerogen and in situ nanomechanical properties of green river oil shale. J Nanomech Micromech 6(1):04015003
Auvray C, Lafrance N, Bartier D (2017) Elastic modulus of claystone evaluated by nano-/micro-indentation tests and meso-compression tests. J Rock Mech Geotech Eng 9(1):84–91
Bulychev S, Alekhin V, Shorshorov M, Ternovskii A, Shnyrev G (1975) Determining Young's modulus from the indenter penetration diagram. Indus Lab 41(9):1409–1412
Constantinides G, Ravi Chandran K, Ulm F, Van Vliet K (2006) Grid indentation analysis of composite microstructure and mechanics: principles and validation. Mat Sci Eng A-Struct 430(1–2):189–202
Danesh NN, Chen ZW, Aminossadati SM, Kizil MS, Pan ZJ, Connell LD (2016) Impact of creep on the evolution of coal permeability and gas drainage performance. J Nat Gas Sci Eng 33:469–482
Danesh NN, Chen ZW, Connell LD, Kizil MS, Pan ZJ, Aminossadati SM (2017) Characterisation of creep in coal and its impact on permeability: an experimental study. Int J Coal Geol 173:200–211
Daphalapurkar N, Wang F, Fu B, Lu H, Komanduri R (2010) Determination of Mechanical Properties of Sand Grains by Nanoindentation. Exp Mech 5(5):719–728
Deirieh A, Ortega J, Ulm F, Abousleiman Y (2012) Nanochemomechanical assessment of shale: a coupled WDS-indentation analysis. Acta Geotechnica 7(4):271–295
Eliyahu M, Emmanuel S, Day-Stirrat R, Macaulay C (2015) Mechanical properties of organic matter in shales mapped at the nanometer scale. Mar Petrol Geol 59:294–304
Fan Z, Hanqun G, Jianjian Z, Dawei H, Qian S, Jianfu S (2017) Experimental study of micro-mechanical properties of granite. Chin J Rock Mechan Eng 36(S2):3864–3872
Guery AAC, Cormery F, Shao JF, Kondo D (2008) A micromechanical model of elastoplastic and damage behavior of a cohesive geomaterial. Int J Solids Struct 45(5):1406–1429
Guo Z, Wang Q, Yin S, Kuai X, Yan D, Li M, Qu Y (2019) The creep compaction behavior of crushed mudstones under the step loading in underground mining. Int J Coal Sci Technol 6(3):408–418
Guo ZH, Vu PNH, Hussain F (2018) A laboratory study of the effect of creep and fines migration on coal permeability during single-phase flow. Int J Coal Geol 200:61–76
Hackney S, Aifantis K, Tangtrakarn A, Shrivastava S (2012) Using the Kelvin-Voigt model for nanoindentation creep in Sn-C/PVDF nanocomposites. Mater Sci Tech-Lond 28(9–10):1161–1166
He M, Xie H, Peng S, Jiang Y (2005) Study on rock mechanics in deep mining engineering. Chin J Rock Mechan Eng 24(16):2803–2813
Hu C, Li Z (2015) A review on the mechanical properties of cement-based materials measured by nanoindentation. Constr Build Mater 90:80–90
Jia CJ, Xu WY, Wang RB, Wang SS, Lin ZN (2018) Experimental investigation on shear creep properties of undisturbed rock discontinuity in Baihetan hydropower station. Int J Rock Mech Min 104:27–33
Kalei GN (1968) Some results of microhardness test using the depth of impression. Mashinovedenie 4(3):105–107
Kang JH, Zhou FB, Liu C, Liu YK (2015) A fractional non-linear creep model for coal considering damage effect and experimental validation. Int J Nonlin Mech 76:20–28
Kong L, Ostadhassan M, Zamiran S, Liu B, Li C, Marino GG (2019) Geomechanical upscaling methods: comparison and verification via 3D printing. Energies 12(3):382
Li C, Ostadhassan M, Kong L, Bubach B (2019a) Multi-scale assessment of mechanical properties of organic-rich shales: A coupled nanoindentation, deconvolution analysis, and homogenization method. J Petrol Sci Eng 174:80–91
Li G, Sun C, He J, Sun Y, Dong Y, Zhao H (2019b) Macro- and meso-scale simulation study of the strength-weakening property of soft mudstone affected by water. J China Univ Min Technol 48(5):935–942
Li X, Yang C, Ren T, Nie B, Zhao C, Liu S, Jiang T (2017) Creep behaviour and constitutive model of coal filled with gas. Int J Min Sci Technol 27(5):847–851
Liu K, Ostadhassan M, Bubach B (2018) Application of nanoindentation to characterize creep behavior of oil shales. J Petrol Sci Eng 167:729–736
Liu K, Ostadhassan M, Bubach B, Dietrich R, Rasouli V (2017) Nano-dynamic mechanical analysis (nano-DMA) of creep behavior of shales: Bakken case study. J Mater Sci 53(6):4417–4432
Liu ZB, Xie SY, Shao JF, Conil N (2015) Effects of deviatoric stress and structural anisotropy on compressive creep behavior of a clayey rock. Appl Clay Sci 114:491–496
Lu YL, Wang LG (2017) Effect of water and temperature on short-term and creep mechanical behaviors of coal measures mudstone. Environ Earth Sci 76(17):597
Magnenet V, Auvray C, Francius G, Giraud A (2011) Determination of the matrix indentation modulus of Meuse/Haute-Marne argillite. Appl Clay Sci 52(3):266–269
Mayo M, Nix W (1988) A micro-indentation study of superplasticity in Pb, Sn, and Sn-38 wt% Pb. Acta Metallurgica 36(8):2183–2192
Meng J, Niu J, Junkai X, Kan L (2020) Study on mechanical properties and failure mechanisms of coal at the nanometer scale. Chin J Rock Mechan Eng 39(1):84–92
Mishra B, Verrna P (2015) Uniaxial and triaxial single and multistage creep tests on coal-measure shale rocks. Int J Coal Geol 137:55–65
Oliver WC, Pharr GM (1992) An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments. J Mater Res 7(6):1564–1583
Oliver WC, Pharr GM (2004) Measurement of hardness and elastic modulus by instrumented indentation: Advances in understanding and refinements to methodology. J Mater Res 19(1):3–20
Sainoki A, Mitri HS (2017) Numerical investigation into pillar failure induced by time-dependent skin degradation. Int J Min Sci Technol 27(4):591–597
Sha ZH, Pu H, Li M, Cao LL, Liu D, Ni HY, Lu JF (2018) Experimental study on the creep characteristics of coal measures sandstone under seepage action. Processes 6(8):110
Shi X, Jiang S, Lu S, He Z, Li D, Wang Z, Xiao D (2019) Investigation of mechanical properties of bedded shale by nanoindentation tests: A case study on Lower Silurian Longmaxi Formation of Youyang area in southeast Chongqing, China. Petrol Explor Dev+ 46(1):163–172
Slim M, Abedi S, Bryndzia LT, Ulm F-J (2019) Role of organic matter on nanoscale and microscale creep properties of source rocks. J Eng Mech 145(1):04018121
Sone H, Zoback MD (2014) Time-dependent deformation of shale gas reservoir rocks and its long-term effect on the in situ state of stress. Int J Rock Mech Min 69:120–132
Sun C, Li G, Gomah ME, Xu J, Rong H (2020a) Experimental investigation on the mechanical properties of crushed coal samples based on the nanoindentation technique. J China Coal Soc https://doi.org/10.13225/j.cnki.jccs.2020.0351
Sun C, Li G, Zhang S, Xu J, Yang H (2020b) Mechanical and heterogeneous properties of coal and rock quantified and mapped at the microscale. Appl Sci 10(1):342
Sun J (2007) Rock rheolocical mechanics and its advance in engineering applications. Chin J Rock Mechan Eng 26(6):1081–1106
Sun Q, Zhang X, Yu Y (2013) Creep constitutive model of cemented body used in backfilling mining. J China Coal Soc 38(6):994–1000
Timms N, Healy D, Reyes-Montes J, Collins D, Prior D, Young R (2010) Effects of crystallographic anisotropy on fracture development and acoustic emission in quartz. J Geophys Res 115(B7)
Xiong ZQ, Song CS, Su CD, Wang XL, Wang C, Hao Y (2019) Uniaxial compression creep relaxation and grading of coal samples via tests on the progressive failure characteristics. Geofluids 2019:1–13
Xu P, Yang S, Guofei C (2014) Modified Burgers model of rocks and its experimental verification. J China Coal Soc 39(10):1993–2000
Yang SQ, Xu P, Ranjith PG (2015) Damage model of coal under creep and triaxial compression. Int J Rock Mech Min 80:337–345
Yang Y, Xing L, Zhang Y, Ma D (2015) Analysis of long-time stability of gypsum pillars based on creep tests. Chin J Rock Mechan Eng 34(10):2106–2113
Zeng Q, Wu Y, Liu Y, Zhang G (2019) Determining the micro-fracture properties of Antrim gas shale by an improved micro-indentation method. J Nat Gas Sci Eng 62:224–235
Zhang F, Guo H, Hu D, Shao J-F (2018) Characterization of the mechanical properties of a claystone by nano-indentation and homogenization. Acta Geotech 13(6):1395–1404
Zhang Y, Lebedev M, Al-Yaseri A, Yu H (2018) Nanoscale rock mechanical property changes in heterogeneous coal after water adsorption. Fuel 218:23–32
Zhang Y, Lebedev M, Al-Yaseri A, Yu H, Xu X, Iglauer S (2018) Characterization of nanoscale rockmechanical properties and microstructures of a Chinese sub-bituminous coal. J Nat Gas Sci Eng 52:106–116
Zhao J, Zhang D, Wu T, Tang H, Xuan Q, Jiang Z, Dai C (2019) Multiscale approach for mechanical characterization of organic-rich shale and its application. Int J Geomech 19(1):04018180
Zhou HW, Wang LJ, Rong TL, Zhang L, Ren WG, Su T (2019) Creep-based permeability evolution in deep coal under unloading confining pressure. J Nat Gas Sci Eng 65:185–196