Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Giám sát quá trình phát triển hư hại do nứt của đá có khuyết tật và đặc điểm fractal theo thời gian của nó
International Journal of Civil Engineering - Trang 1-14 - 2023
Tóm tắt
Việc nghiên cứu quá trình nứt tiến triển của các khối đá chứa các khuyết tật có tầm quan trọng lớn đối với việc đánh giá sự ổn định của các dự án kỹ thuật đá. Để nghiên cứu các hành vi tiến triển nứt của đá có các khuyết tật sẵn có, các thí nghiệm nén đơn trục được tiến hành trên các mẫu đá cát đỏ chứa hai khuyết tật song song với các góc liên kết khác nhau (β). Hai kỹ thuật giám sát, bao gồm phát xạ âm thanh (AE) và camera tốc độ cao, được sử dụng để ghi lại quá trình nứt của các khối đá có khuyết tật. Nghiên cứu này chủ yếu điều tra tác động của β lên các tính chất cơ học của các khối đá có khuyết tật. Tiếp theo, sự tiến triển nứt trong các khối đá này được đặc trưng bằng hàm thời gian giữa các sự kiện F(τ), đại diện cho tỷ lệ sự kiện AE. Rõ ràng rằng, sự khởi đầu, đồng nhất và các chế độ thất bại của các khối đá có khuyết tật bị ảnh hưởng đáng kể bởi β. Hơn nữa, chúng tôi đã áp dụng lý thuyết fractal để khám phá các đặc điểm fractal của các khối đá có khuyết tật; do đó, nâng cao đánh giá của chúng tôi về quá trình hư hại do nứt của chúng. Hai tham số được rút ra từ phân tích fractal, bao gồm kích thước tương quan D và tỷ lệ thay đổi của nó η, có thể được sử dụng làm chỉ báo hư hại để đặc trưng hóa quá trình nứt của các khối đá có khuyết tật. D thay đổi từ 1.5 đến 5 trong điều kiện không có nứt vĩ mô. Mặc dù nó dao động từ 0.5 đến 0.7 trong những lần xảy ra nứt vĩ mô. Cuối cùng, D tiến gần đến mức gần bằng không khi đạt đến thất bại cuối cùng. Đáng chú ý, η thể hiện sự gia tăng đáng kể vượt qua 0% khi nứt vĩ mô xảy ra. Sự sụt giảm mạnh của D và sự gia tăng nhanh chóng của η có thể được xem là các chỉ báo cảnh báo sớm quan trọng cho sự khởi đầu của nứt vĩ mô trong các khối đá có khuyết tật.
Từ khóa
#đá có khuyết tật #quá trình hư hại do nứt #fractal #phát xạ âm thanh #nén đơn trục #chỉ báo hư hạiTài liệu tham khảo
Zhang ZB, Wang EY, Chen D, Li XL, Li N (2016) The observation of AE events under uniaxial compression and the quantitative relationship between the anisotropy index and the main failure plane. J Appl Geophys 134:183–190. https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2016.09.004
Huang YH, Yang SQ, Ranjith PG, Zhao J (2017) Strength failure behavior and crack evolution mechanism of granite containing pre-existing non-coplanar holes: Experimental study and particle flow modeling. Comput Geotech 88:182–198. https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2017.03.015
Wang YT, Zhou XP, Wang Y, Shou YD (2018) A 3-D conjugated bond-pair-based peridynamic formulation for initiation and propagation of cracks in brittle solids. Int J Solids Struct 134:89–115. https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2017.10.022
Nagendran SK, Ismail MAM (2019) Analysis of rockfall hazards based on the effect of rock size and shape. Int J Civ Eng 17(12B):1919–1929. https://doi.org/10.1007/s40999-019-00418-1
Yang SQ, Chen M, Huang YH, Jing HW, Ranjith PG (2020) An experimental study on fracture evolution mechanism of a non-persistent jointed rock mass with various anchorage effects by DSCM, AE and X-ray CT observations. Int J Rock Mech Min Sci 134:104469. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2020.104469
Ge ZL, Gao FF, Zhou Z, Cao SR, Zhang D (2022) Fracture characteristics and failure modes of coal, sandstone, and shale impacted by water jet under true triaxial conditions. Energ Fuels 36(9):4770–4781. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.2c00278
Liu SJ, Wang YT, Peng C, Wu W (2022) A thermodynamically consistent phase field model for mixed-mode fracture in rock-like materials. Comp Methods Appl Mech Eng 392:114642. https://doi.org/10.1016/j.cma.2022.114642
Wei HZ, Ma LJ, Wu JW, Yu J, Li Z, Xu R (2022) Dynamic mechanical behavior of coral rock subjected to high strain rate loading. Mar Geophys Res 43(3):30. https://doi.org/10.1007/s11001-022-09493-x
Zhang JZ, Zhou XP, Du YH (2023) Cracking behaviors and acoustic emission characteristics in brittle failure of flawed sandstone: a true triaxial experiment investigation. Rock Mech Rock Eng 56(1):167–182. https://doi.org/10.1007/s00603-022-03087-0
Alitalesh M, Yazdani M, Fakhimi A, Naeimabadi M (2020) Effect of loading direction on interaction of two pre-existing open and closed flaws in a rocklike material. Undergr Space 5(3):242–257. https://doi.org/10.1016/j.undsp.2019.04.003
Song DZ, Wang EY, Li ZH, Liu J, Xu WQ (2015) Energy dissipation of coal and rock during damage and failure process based on EMR. Int J Min Sci Technol 25(5):787–795. https://doi.org/10.1016/j.ijmst.2015.07.014
Wong LNY, Xiong QQ (2018) A method for multiscale interpretation of fracture processes in carrara marble specimen containing a single flaw under uniaxial compression. J Geophys Res-Sol Earth 123(8):6459–6490. https://doi.org/10.1029/2018JB015447
Zhao PX, Li SG, Ho CH, Lin HF, Zhuo RS (2019) Crack propagation and material characteristics of rocklike specimens subject to different loading rates. J Mater Civil Eng 31(7):04019113. https://doi.org/10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0002768
Niu Y, Zhou XP (2021) Forecast of time-of-instability in rocks under complex stress conditions using spatial precursory AE response rate. Int J Rock Mech Min Sci 147:104908. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2021.104908
Wang G, Song LB, Liu XQ, Bao CY, Lin MQ, Liu GJ (2022) Shear fracture mechanical properties and acoustic emission characteristics of discontinuous jointed granite. Rock Soil Mech 43(06):1533–1545. https://doi.org/10.16285/j.rsm.2021.2120
Deng XH, Wang YC, Wang R, Cao WP (2023) Analytical model for prediction of tunnel deformations in soft rocks considering the softening and expansion effects. Int J Civ Eng 21(1):101–117. https://doi.org/10.1007/s40999-022-00760-x
Niu Y, Wang JG, Wang XK, Hu YJ, Zhang JZ, Zhang RR, Hu ZJ (2023) Numerical study on cracking behaviors and fracture failure mechanism of flawed rock materials under uniaxial compression. Fatigue Fract Eng Mater Struct 46(6):2096–2111. https://doi.org/10.1111/ffe.13983
Li ZH, Lou Q, Wang EY, Kong B, Niu Y, Li GA (2016) Experimental study of acoustic electric and thermal infrared characteristics of roof rock failure. J Chin Univ Min Technol 45(6):1098–1103. https://doi.org/10.13247/j.cnki.jcumt.000584
Huang J, Qin CZ, Niu Y, Li R, Song ZL, Wang XD (2022) A method for monitoring acoustic emissions in geological media under coupled 3-D stress and fluid flow. J Petrol Sci Eng 211:110227. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2022.110227
Niu Y, Hu YJ, Wang JG (2023) Cracking characteristics and damage assessment of filled rocks using acoustic emission technology. Int J Geomech 23(4):04023013. https://doi.org/10.1061/IJGNAI.GMENG-8034
Liu ZL, Ma CD, Wei XA, Xie WB (2022) Experimental study on the mechanical characteristics of single-fissure sandstone under triaxial extension. Rock Mech Rock Eng 55(7):4441–4457. https://doi.org/10.1007/s00603-022-02876-x
Zhou XP, Zhang JZ (2021) Damage progression and acoustic emission in brittle failure of granite and sandstone. Int J Rock Mech Min Sci 143:104789. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2021.104789
Niu Y, Zhou XP, Zhang JZ, Qian QH (2019) Experimental study on crack coalescence behavior of double unparallel fissure-contained sandstone specimens subjected to freeze-thaw cycles under uniaxial compression. Cold Reg Sci Technol 158:166–181. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2018.11.015
Liu LW, Li HB, Li XF, Wu RJ (2020) Full-field strain evolution and characteristic stress levels of rocks containing a single pre-existing flaw under uniaxial compression. B Eng Geol Environ 79(6):3145–3161. https://doi.org/10.1007/s10064-020-01764-4
Zhao YS, Gao YT, Wu SC, Chen L, Zhang CL (2020) Experimental and numerical study of failure characteristics of brittle rocks with single internal 3D open-type flaw. Acta Geotech 16(10):3087–3113. https://doi.org/10.1007/s11440-021-01285-8
Miao ST, Pan PZ, Zhao SK, Han J, Konicek P (2021) A new DIC-based method to identify the crack mechanism and applications in fracture analysis of red sandstone containing a single flaw. Rock Mech Rock Eng 54(8):3847–3871. https://doi.org/10.1007/s00603-021-02472-5
Wang XR, Wang EY, Liu XF, Zhou X (2021) Failure mechanism of fractured rock and associated acoustic behaviors under different loading rates. Eng Fract Mech 247:107674. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2021.107674
Liu LW, Li HB, Li XF, Wu D, Zhang GK (2021) Underlying mechanisms of crack initiation for granitic rocks containing a single pre-existing flaw: insights from digital image correlation (DIC) analysis. Rock Mech Rock Eng 54(2):857–873. https://doi.org/10.1007/s00603-020-02286-x
Gk Z, Wang MY, Li XF, Yue SL, Wen Z, Han ST (2021) Micro- and macrocracking behaviors in granite and molded gypsum containing a single flaw. Constr Build Mater 292:123452. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.123452
Niu Y, Liu GJ, Zhong Z, Wang JG, Zhang RR, Liu BL (2023) Numerical investigation on fracture characteristic and failure mechanism of rock-like materials with intermittent flaws under compressive-shear loading. Constr Build Mater 388:131698. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.131698
Wang YT, Zhou XP, Shou YD (2017) The modeling of crack propagation and coalescence in rocks under uniaxial compression using the novel conjugated bond-based peridynamics. Int J Mech Sci 128–129:614–643. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2017.05.019
Wong LNY, Einstein HH (2009) Crack coalescence in molded gypsum and Carrara marble: part 1 macroscopic observations and interpretation. Rock Mech Rock Eng 42(3):475–511. https://doi.org/10.1007/s00603-008-0002-4
Zietlow WK, Labuz JF (1998) Measurement of the intrinsic process zone in rock using acoustic emission. Int J Rock Mech Min Sci 35(3):291–299. https://doi.org/10.1016/S0148-9062(97)00323-9
Zhang ZB, Wang EY, Li N (2017) Fractal characteristics of acoustic emission events based on single-link cluster method during uniaxial loading of rock. Chaos Soliton Fract 104:298–306. https://doi.org/10.1016/j.chaos.2017.08.028
Xie HP, Liu JF, Ju Y, Li J, Xie LZ (2011) Fractal property of spatial distribution of acoustic emissions during the failure process of bedded rock salt. Int J Rock Mech Min Sci 48(8):1344–1351. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2011.09.014
Zhang R, Dai F, Gao MZ, Xu NM, Zhang CP (2015) Fractal analysis of acoustic emission during uniaxial and triaxial loading of rock. Int J Rock Mech Min Sci 79:241–249. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2015.08.020
Yang SQ, Jing HW (2011) Strength failure and crack coalescence behavior of brittle sandstone samples containing a single fissure under uniaxial compression. Int J Fract 168(2):227–250. https://doi.org/10.1007/s10704-010-9576-4
Triantis D, Kourkoulis SK (2018) An alternative approach for representing the data provided by the acoustic emission technique. Rock Mech Rock Eng 51(8):2433–2438. https://doi.org/10.1007/s00603-018-1494-1
Kong XG, Wang EY, Hu SB, Shen RX, Li XL, Zhan TQ (2016) Fractal characteristics and acoustic emission of coal containing methane in triaxial compression failure. J Appl Geophys 124:139–147. https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2015.11.018
Grassberger P, Procaccia I (1983) Characterization of strange attractors. Phys Rev Lett 50(5):346. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.50.346
Grassberger P, Procaccia I (1983) Measuring the strangeness of strange attractors. Phys D 9:189–208. https://doi.org/10.1016/0167-2789(83)90298-1
Grassberger P, Procaccia I (1984) Dimensions and entropies of strange attractors from a fluctuating dynamics approach. Phys D 13(1–2):34–54. https://doi.org/10.1016/0167-2789(84)90269-0