Proprietà meccaniche e caratteristiche di evoluzione delle fessurazioni di rocce fratturate con fessure nascoste

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 11639 (2023) Citare questo articolo

189 accessi

Dettagli sulle metriche

I difetti naturali, come giunti, superfici strutturali e vuoti, influenzano in modo significativo le proprietà meccaniche e le modalità di frattura dell'ammasso roccioso. Le fessure nascoste sono ampiamente distribuite nelle rocce magmatiche, mentre la loro influenza sulle proprietà meccaniche e sul meccanismo di cracking non è ancora chiara. Sono stati condotti test di laboratorio su campioni prefabbricati simili a rocce con fessure nascoste, nonché su campioni intatti e campioni con fessure strette come confronto. La tecnologia di correlazione delle immagini digitali in tempo reale e la tecnologia di monitoraggio delle emissioni acustiche sono state adottate in modo sincrono per catturare sia il processo di cracking esterno che quello interno. I risultati mostrano che le fessure nascoste possono indebolire la resistenza alla compressione uniassiale, mentre l’effetto di deterioramento delle fessure nascoste è più debole rispetto alle fessure chiuse a causa della coesione interna tra le particelle interne della fessura. Inoltre, il comportamento di inizio del campione con fessura nascosta α = 90° è diverso da quello del campione con fessura chiusa β = 90°. Infine, il meccanismo di rottura dei campioni con fessure nascoste è stato rivelato analizzando la relazione RA-AF. Il cedimento dei provini con fessure strette è principalmente la modalità di frattura mista trazione-taglio, mentre il cedimento dei provini con fessure nascoste è principalmente la modalità di frattura a trazione integrata dal taglio. I risultati sperimentali contribuiscono alla comprensione delle proprietà di fessurazione nelle rocce con fessurazioni nascoste.

L'ammasso roccioso in natura contiene vari tipi di piani discontinui, come faglie, giunti e fessure, sotto l'effetto di processi geologici a lungo termine. Queste discontinuità geologiche rendono le proprietà meccaniche dell'ammasso roccioso molto diverse da quelle della roccia intatta1,2. Soprattutto per la roccia magmatica, gli effetti di raffreddamento e contrazione dopo l'espirazione magmatica contribuiscono alla creazione di numerose fessure nascoste nell'ammasso roccioso3, come mostrato in Fig. 1a. Nel sud-ovest della Cina, molti progetti idroelettrici, tra cui le centrali idroelettriche di Xiluodu, Baihetan e Wudongde, sono costruiti sulla roccia magmatica4,5,6,7. Le proprietà meccaniche della roccia magmatica con fessure nascoste influenzano in modo significativo la stabilità della roccia circostante nell'ingegneria delle rocce8. Pertanto, comprendere l’influenza delle fessure nascoste sul comportamento meccanico dell’ammasso roccioso è la chiave per valutare la stabilità dell’ingegneria delle rocce e lo studio può anche fornire supporto per la progettazione e la costruzione dell’ingegneria geotecnica.

Difetti naturali nell'ammasso roccioso: (a) fessure nascoste nel basalto colonnare8, (b) fessura chiusa e (c) fessura aperta3.

Nella compressione uniassiale, la rottura dei campioni di roccia intatti è causata principalmente da crepe da trazione o da taglio. Le fessure si sviluppano gradualmente nella direzione parallela alla massima tensione principale, determinando la modalità di frattura del provino che evolve da rottura per taglio a rottura per trazione all'aumentare della tensione assiale9. Ovviamente, l'esistenza di difetti nel provino ridurrà significativamente i parametri meccanici del provino, il che a sua volta influenzerà il tipo di cricca e la modalità di frattura. Negli ultimi decenni, le proprietà meccaniche e il comportamento alla fessurazione degli ammassi rocciosi fratturati sono stati ampiamente studiati. In generale, questi studi si sono concentrati su ammassi rocciosi contenenti fessure chiuse o fessure aperte. Come mostrato nelle Fig. 1b,c, la differenza tra fessure chiuse e aperte è se vi è contatto e attrito sulle superfici di frattura10.

Ad esempio, Wong et al.11 hanno utilizzato materiali simili a rocce di marmo e PMMA per studiare la propagazione delle cricche a diverse profondità di difetti e angoli di immersione e hanno scoperto che il meccanismo di rottura dei campioni di PMMA era simile a quello dei campioni di marmo. Ghazvinian et al.12 hanno utilizzato materiali simili a rocce poco fragili per realizzare campioni di dischi brasiliani con fessure prefabbricate e hanno studiato la modalità di frattura mista delle cricche mediante il test di spaccatura brasiliano. Zhuang et al.13 hanno diviso le forme di propagazione delle fessure principali in campioni di roccia o simili a rocce con singole fessure prefabbricate in tre tipologie: fessure secondarie, fessure a profilo alare e fessure anti-foglia. Jin et al.14 hanno condotto test di laboratorio e simulazioni numeriche su modelli di roccia artificiale con fessure chiuse per studiare l'influenza di una singola fessura sulla resistenza, sul processo di rottura e sul consumo di energia. Secondo il meccanismo di rottura delle fessure, Xu15 ha condotto prove di compressione uniassiale su provini di gesso contenenti un singolo difetto chiuso con diversi angoli di inclinazione e ha analizzato in dettaglio gli effetti dell'orientamento della fessura sulla resistenza, sul meccanismo di fessurazione, sulla modalità di frattura e sul comportamento delle emissioni acustiche (AE). . Meng et al.16 hanno studiato gli effetti complessivi di diversi angoli del piano di stratificazione e angoli di intaglio sul comportamento di frattura in modalità mista di campioni simili a roccia utilizzando la tecnologia AE. Inoltre, con l’aumento del numero delle fessure, la posizione di inizio della cricca, la traiettoria della coalescenza e la modalità di frattura diventano più complesse. Ad esempio, Wong et al.17 hanno condotto una ricerca sperimentale su campioni simili a roccia contenenti tre fessure parallele e hanno scoperto che la disposizione dei difetti e il coefficiente di attrito della superficie del difetto influenzano il meccanismo di guarigione delle fessure e la resistenza del picco è correlata al numero di crepe. Sagong e Bobet18 hanno condotto prove di compressione uniassiale su provini di gesso contenenti rispettivamente tre difetti prefabbricati e 16 difetti prefabbricati. I risultati hanno mostrato che la modalità di fessurazione dei campioni multi-difetto era simile a quella dei campioni con doppio difetto. Park e Bobet19 hanno testato i campioni di gesso a fessura chiusa con diversi angoli, spaziatura e continuità. È stato osservato che i tipi di cricche dei difetti aperti e dei difetti chiusi erano gli stessi e i tipi di coalescenza erano simili. Zhou et al.20 hanno condotto esperimenti su campioni simili a rocce con quattro fessure per studiare gli effetti della disposizione multi-fessure sulle proprietà meccaniche, sulle modalità di inizio delle cricche e sui tipi di coalescenza delle fessure, da cui sono stati ricavati cinque tipi di fessure e dieci tipi di modalità di coalescenza delle fessure. trovato. Cao et al.21 hanno caricato campioni simili a rocce con due difetti preesistenti, hanno osservato diverse forme geometriche di fessure e hanno determinato sette tipi di coalescenza. Dal punto di vista microscopico, Luo et al.22 hanno studiato l'influenza di tre diversi riempitivi sulla morfologia della frattura e sul comportamento di rottura di campioni rocciosi pieni di fessure sottoposti a carico di compressione-taglio. Zhao et al.23 hanno utilizzato il metodo della perdita di volume per preparare campioni simili a gesso con vari difetti interni aperti, e combinato con la tecnologia delle emissioni acustiche per studiare gli effetti di diversi difetti sulle proprietà meccaniche e sulle caratteristiche di rottura dei campioni di roccia dura e fragile.