Estudio experimental de las propiedades mecánicas de las rocas.
La "Prueba de resistencia de alambres de hierro de diferentes longitudes" de Leonardo da Vinci [3] puede ser el registro de pruebas mecánicas más antiguo conocido (alrededor del 1500 d.C.). Galielo G informó la resistencia a la tracción directa y la resistencia a la flexión de vigas huecas y vigas sólidas en 1638, y el método de carga terminal de viga en voladizo se utilizó para estudiar la resistencia a la flexión [5].
La primera máquina de ensayo de mecánica de rocas documentada fue construida por E.-M. Gauthey hacia 1770 con el fin de diseñar las columnas de la iglesia de Santa Genoveva. La resistencia a la compresión de una roca cúbica con una longitud de lado de 5 cm se obtuvo mediante un sistema de palanca y se encontró que la resistencia de una roca cilíndrica larga es menor que la de una roca cúbica. Desde finales del siglo XVIII hasta principios del XIX, el diseño y la fabricación de máquinas de ensayo se inspiraron en la construcción de puentes a gran escala (puentes de piedra y puentes de hierro). Cada máquina de ensayo está diseñada y fabricada para llevar el nivel técnico del momento al límite. La máquina de prueba 65438+ de la década de 1980 puede registrar automáticamente la curva de carga-desplazamiento de la muestra. En 1865 se estableció en Londres el primer laboratorio comercial con una capacidad de carga de 1.000.000 de libras. La longitud máxima de la muestra para pruebas de compresión puede ser de hasta 21,5 pies, con una sección transversal de 32 pulgadas de lado. En 1910, se instaló una máquina de prueba con una carga de compresión máxima de 10.000.000 lb en Armory Yard en Pittsburgh y luego se transfirió a la Oficina de Estándares en Washington, donde la longitud máxima de la muestra se aumentó a 30 pies [6].
Figura 1-1 Curva completa de compresión triaxial convencional de mármol.
El número de la curva es la presión de confinamiento, en MPa.
Si bien la carga de la máquina de prueba continúa aumentando, el método de carga de la máquina de prueba también mejora constantemente. De la carga mecánica a la carga hidráulica, de la carga unidireccional a la compresión pseudotriaxial. Es decir, se coloca una muestra de roca cilíndrica en la cámara hidráulica y la muestra de roca se carga lateralmente por la presión del aceite. Mientras se mantiene la presión de confinamiento (también llamada presión de confinamiento o presión ambiental), la muestra de roca se comprime axialmente. La curva de prueba de compresión triaxial convencional del mármol publicada por von Karman en 1911 fue un trabajo histórico (Figura 1-1), donde la presión de confinamiento más alta alcanzó los 326 MPa [7]. Los resultados de las pruebas muestran que, en el caso del mármol, la fragilidad es sólo una manifestación cuando la tensión es baja, mientras que en condiciones de tensión elevada (como las condiciones geológicas), la roca puede sufrir una gran deformación plástica y exhibir ductilidad. Cuando la presión de confinamiento de un mármol de grano grueso alcanza los 3 MPa, puede mostrar características de deformación dúctil [8].
Mao Kiyoo diseñó una verdadera máquina de ensayo triaxial para cargas de presión desigual tridimensional de muestras cilíndricas rectangulares y publicó una serie de artículos en 1967 [9], discutiendo el impacto de la tensión principal intermedia en la resistencia. , deformación y deformación de muestras de rocas Efectos de la fragilidad y ductilidad. La Figura 1-2 es un conjunto típico de resultados de pruebas. A medida que aumenta la tensión principal intermedia, aumenta la resistencia de la dolomita Dunham, mientras que la deformación plástica durante la fluencia disminuye y la roca tiende a ser frágil. La falla frágil consume menos energía, mientras que la falla dúctil consume más energía. Los resultados de las pruebas en la Figura 1-2 muestran que, cuando la tensión principal mínima permanece sin cambios, aumentar la tensión principal intermedia tiene poco efecto en el mantenimiento de la integridad de la roca. No hay duda de que el macizo rocoso real se encuentra en un estado de tensión complejo y es necesario estudiar su modo de falla.
Las verdaderas pruebas triaxiales pueden utilizar placas sólidas que soportan presión para cargar en tres direcciones [10]. Para reducir la influencia de la interferencia y la fricción entre las placas de carga, la verdadera máquina de prueba triaxial adoptó posteriormente la carga hidráulica con tensión principal mínima [11].
La literatura [12] presenta el proceso de desarrollo, las características principales y los resultados de las pruebas de mecánica de rocas correspondientes de una máquina de prueba de carga triaxial de alta temperatura y alta presión.
El dispositivo Grigos utiliza plomo sólido (Pb) o sal (NaCl) como medio de presión de confinamiento y utiliza dos pistones para generar presión de confinamiento y diferencia de tensión principal, respectivamente. La presión de confinamiento alcanza los 3GPa, la temperatura alcanza los 1500°C y se pueden realizar pruebas de fluencia a alta temperatura durante varios meses [13, 14]. El sistema de prensa de seis lados utiliza seis cilindros hidráulicos para realizar una carga triaxial real de muestras cúbicas en tres direcciones. Por ejemplo, en las referencias [15, 16], se utilizó un sistema de prensa de seis lados de 2 MN (200 toneladas) para probar una muestra de roca con una longitud de lado de 42 mm, y se introdujo una temperatura de 700 °C en la roca. muestra del cabezal de la prensa. Los sistemas de presurización de cubos también se pueden utilizar para pruebas de alta presión de confinamiento y alta temperatura si se colocan muestras cilíndricas en medios sólidos. La literatura [17] realizó una prueba de compresión triaxial en una muestra con un diámetro de 2,9 mm y una longitud de 8,5 ~ 9,5 mm en condiciones de una presión de confinamiento de 7 GPa y una temperatura de 2000 °C. Según el sistema de compresión hexaédrico de la Referencia [18], bajo una presión de trabajo de 700 MPa, la carga del cilindro hidráulico puede alcanzar 5 MN (500 toneladas), y se puede realizar una prueba de compresión triaxial en una muestra con un diámetro de 8 mm y un longitud de 16 mm y la presión de confinamiento es 3,7 GPa, la diferencia de tensión principal es 4 GPa y la temperatura es 1000 °C. El medio de presión de confinamiento es la pirofilita (Py).
Figura 1-2 La influencia de la tensión principal intermedia en la resistencia y deformación de las muestras de dolomita
La tensión principal mínima σ3=125MPa, el número en la curva es la tensión principal intermedia σ2, la unidad es MPa.
Figura 1-3 Curva de compresión uniaxial completa de la muestra de roca [20]
1—Granito gris tiza I; 2—piedra caliza de Indiana; 3—mármol de Tennessee 4—granito gris tiza; ⅱ; 5-Basalto; 6-Caliza Zolnhofen
En 1935, después de que Spaceth W propusiera la idea de una máquina de pruebas rígida, comenzó a estudiar la curvatura completa del hormigón. Más de 30 años después, se han tomado varias medidas para mejorar la rigidez de la máquina de ensayo, incluido el aumento de la rigidez del soporte de la máquina de ensayo, la instalación de instalaciones rígidas adicionales paralelas a la muestra de roca, la reducción de la longitud del tubo de carga, etc. Finalmente, el mercurio incluso se utilizó como medio de trabajo para cargar cilindros. Pero no fue hasta 1966 que Cook N G W obtuvo la curva completa de compresión uniaxial de muestras de roca en una máquina de ensayo rígida con carga mixta hidrotermal [19]. La recopilación de la curva completa muestra que el daño por explosión de la roca es causado por la rigidez insuficiente de la máquina de prueba. La roca aún puede soportar la carga después de alcanzar su resistencia. El trabajo histórico es que Wawersik W R mejoró la máquina de prueba en 1968, utilizando el método de servocontrol manual para obtener las curvas completas de una serie de muestras de roca bajo compresión uniaxial (Figura 1-3), y señaló que la roca según la compresión uniaxial La estabilidad del daño se puede dividir en materiales tipo I y tipo II [20]. Esta visión sigue siendo controvertida.
Las modernas máquinas de ensayos mecánicos se caracterizan por el procesamiento informático del control de carga y la adquisición de datos. El soporte rígido y el control de retroalimentación de la máquina de prueba logran la destrucción controlable de materiales frágiles, comprendiendo así el proceso de falla de las rocas después de alcanzar su límite de resistencia, estudiando las características de carga y deformación de las rocas durante el proceso de falla y creando una nueva era. de la investigación en mecánica de rocas. La Figura 1-4a muestra la tensión axial, la deformación axial y la deformación circunferencial de la muestra de carbón durante la compresión uniaxial. La Figura 1-4b amplía la curva local en 5:1. Durante la prueba, la carga axial [21] se controla mediante la tasa de aumento de la deformación circunferencial de la muestra de 4 mm/3600 s. La máquina de prueba toma muestras una vez por segundo y los datos se limitan a 3600 conjuntos. Durante el proceso de carga, se producirá una falla frágil localmente en la muestra de carbón, lo que provocará que la deformación circunferencial aumente repentinamente; para mantener una tasa de deformación circunferencial constante, la máquina de prueba realizará una descarga axial servocontrolada para reducir la deformación circunferencial y luego. continuar con la carga axial.
Figura 1-4 Proceso de compresión uniaxial de una muestra de carbón en una máquina de prueba servo
a-Todo el proceso de prueba, ampliación parcial
Actualmente, escaneo con microscopio electrónico; Se utiliza tecnología CT para estudiar cambios microscópicos en la estructura de las partículas causados por la deformación de la roca. Durante el proceso de destrucción de la roca, varios dispositivos también han probado los fenómenos sonoros y electromagnéticos [22 ~ 27].