숨겨진 균열이 있는 파쇄암의 기계적 성질 및 균열진행 특성

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 11639(2023) 이 기사 인용

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절리부, 구조적 표면 및 공극과 같은 자연적 결함은 암석 덩어리의 기계적 특성과 파괴 모드에 큰 영향을 미칩니다. 숨겨진 균열은 마그마암에 널리 분포되어 있지만 기계적 성질과 균열 메커니즘에 미치는 영향은 아직 명확하지 않습니다. 실험실 테스트는 숨겨진 균열이 있는 암석과 같은 사전 제작된 표본뿐만 아니라 손상되지 않은 표본과 근접 균열 표본을 비교하여 수행되었습니다. 외부 및 내부 균열 과정을 모두 포착하기 위해 실시간 디지털 이미지 상관 기술과 음향 방출 모니터링 기술을 동기적으로 채택했습니다. 결과는 숨겨진 균열이 일축 압축 강도를 약화시킬 수 있는 반면 숨겨진 균열의 열화 효과는 균열 내부 입자 간의 내부 응집력으로 인해 닫힌 균열보다 약한 것으로 나타났습니다. 게다가, α = 90° 숨겨진 균열 표본의 시작 동작은 β = 90° 폐쇄 균열 표본의 시작 동작과 다릅니다. 마지막으로 RA-AF 관계를 분석하여 숨겨진 균열이 있는 표본의 균열 메커니즘을 밝혀냈습니다. 근접 균열 시편의 파손은 주로 인장-전단 혼합 파괴 모드인 반면, 숨겨진 균열 시편의 파손은 주로 인장 파손 모드이며 전단에 의해 보완됩니다. 실험 결과는 숨겨진 균열 암석의 균열 특성을 이해하는 데 도움이 됩니다.

자연의 암반은 장기간의 지질학적 과정의 영향으로 단층, 절리, 균열 등 다양한 종류의 단절된 평면을 포함하고 있습니다. 이러한 지질학적 불연속성은 암석 덩어리의 기계적 특성을 온전한 암석과 상당히 다르게 만듭니다1,2. 특히 마그마 암석의 경우, 마그마 호기 후 냉각 및 수축 효과는 그림 1a에서 볼 수 있듯이 암석 덩어리에 숨겨진 균열을 많이 발생시키는 데 기여합니다. 중국 남서부에서는 Xiluodu, Baihetan 및 Wudongde 수력발전소를 포함한 많은 수력발전 프로젝트가 마그마 암석 위에 건설되었습니다4,5,6,7. 숨겨진 균열이 있는 마그마 암석의 기계적 특성은 암석 공학의 주변 암석 안정성에 큰 영향을 미칩니다8. 따라서 암반의 기계적 거동에 대한 숨겨진 균열의 영향을 이해하는 것이 암석 공학의 안정성을 평가하는 열쇠이며, 이 연구는 지반공학 설계 및 시공에 대한 지원도 제공할 수 있습니다.

암석 덩어리의 자연적 결함: (a) 주상 현무암의 숨겨진 균열8, (b) 폐쇄형 균열 및 (c) 열린 결함3.

단축 압축에서 온전한 암석 표본의 파손은 주로 인장 균열이나 전단 균열에 의해 발생합니다. 균열은 최대 주응력과 평행한 방향으로 점진적으로 발달하여 축 응력이 증가함에 따라 시편의 파괴 모드가 전단 파괴에서 인장 파괴로 발전하게 됩니다9. 분명히 시편에 결함이 있으면 시편의 기계적 매개변수가 크게 감소하여 균열 유형과 파괴 모드에 영향을 미칩니다. 지난 수십 년 동안 파쇄암반의 기계적 성질과 균열거동이 널리 연구되어 왔다. 일반적으로 이러한 연구는 폐쇄형 균열 또는 개방형 균열을 포함하는 암석 덩어리에 중점을 두었습니다. 그림 1b, c에서 볼 수 있듯이 닫힌 균열과 열린 균열의 차이는 파단 표면에 접촉과 마찰이 있는지 여부입니다.

예를 들어, Wong et al.11은 대리석과 PMMA 암석 같은 재료를 사용하여 다양한 결함 깊이와 경사각의 균열 전파를 연구했으며 PMMA 시편의 파손 메커니즘이 대리석 시편의 파손 메커니즘과 유사하다는 것을 발견했습니다. Ghazvinian et al.12은 취성이 낮은 암석과 같은 재료를 사용하여 조립식 균열이 있는 브라질 디스크 시편을 만들고 브라질 분할 시험을 통해 균열의 혼합 파괴 모드를 연구했습니다. Zhuang et al.13은 단일 조립식 균열이 있는 암석 또는 암석 유사 표본의 주요 균열의 전파 형태를 2차 균열, 익형 균열 및 호일 방지 균열의 세 가지 유형으로 분류했습니다. Jin et al.14은 단일 균열이 강도, 파괴 과정 및 에너지 소비에 미치는 영향을 연구하기 위해 닫힌 균열이 있는 인공 암석 모델에 대한 실험실 테스트 및 수치 시뮬레이션을 수행했습니다. 균열의 파괴 메커니즘에 따라 Xu15는 경사각이 다른 단일 폐쇄 결함을 포함하는 석고 시편에 대해 일축 압축 시험을 수행하고 균열 방향이 강도, 균열 메커니즘, 파괴 모드 및 음향 방출(AE) 거동에 미치는 영향을 자세히 분석했습니다. . Meng et al.16은 AE 기술을 사용하여 암석과 같은 시편의 혼합 모드 파괴 거동에 대한 다양한 층상 평면 각도와 노치 각도의 포괄적인 영향을 연구했습니다. 또한 균열의 수가 증가함에 따라 균열 발생 위치, 유착 궤적 및 파괴 모드가 더욱 복잡해집니다. 예를 들어 Wong et al.17은 3개의 평행균열을 포함하는 암석형 시편에 대한 실험적 연구를 수행한 결과 결함의 배열과 결함 표면의 마찰계수가 균열의 치유 메커니즘에 영향을 미치며 최대 강도가 ​​관련이 있음을 발견했습니다. 균열의 수에. Sagong과 Bobet18은 각각 3개의 조립식 결함과 16개의 조립식 결함이 포함된 석고 시편에 대해 단축 압축 시험을 수행했습니다. 결과는 다중 결함 시편의 균열 모드가 이중 결함 시편의 균열 모드와 유사하다는 것을 보여주었습니다. Park과 Bobet19은 다양한 각도, 간격 및 연속성을 사용하여 폐쇄형 균열 석고 시편을 테스트했습니다. 개방형 결함과 폐쇄형 결함의 균열 유형이 동일하고 유착 유형도 유사한 것으로 관찰되었다. Zhou et al.20은 기계적 특성, 균열 발생 모드 및 균열 유착 유형에 대한 다중 균열 레이아웃의 영향을 연구하기 위해 4개의 균열이 있는 암석과 같은 시편에 대한 실험을 수행했으며, 이로부터 5가지 유형의 균열과 10가지 유형의 균열 유착 모드가 결정되었습니다. 설립하다. Cao et al.21은 두 개의 기존 결함이 있는 암석 같은 표본을 로드하고 균열의 다양한 기하학적 모양을 관찰하고 7가지 유형의 유착을 결정했습니다. 미세한 관점에서 Luo et al.22는 압축 전단 하중 하에서 균열로 채워진 암석 같은 시편의 파손 형태와 파손 거동에 대한 세 가지 다른 충전재의 영향을 연구했습니다. Zhao 등23은 다양한 내부 개방 결함이 있는 석고 암석과 같은 시편을 준비하기 위해 부피 손실 방법을 사용했으며 음향 방출 기술과 결합하여 단단하고 부서지기 쉬운 암석 시편의 기계적 특성과 파손 특성에 대한 다양한 결함의 영향을 연구했습니다.