Propiedades mecánicas y características de evolución de fisuras de rocas fracturadas con fisuras ocultas.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 11639 (2023) Citar este artículo

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Los defectos naturales, como juntas, superficies estructurales y huecos, afectan significativamente las propiedades mecánicas y los modos de fractura del macizo rocoso. Las fisuras ocultas están ampliamente distribuidas en la roca magmática, aunque su influencia sobre las propiedades mecánicas y el mecanismo de fractura aún no está clara. Se realizaron pruebas de laboratorio con muestras prefabricadas que parecían rocas con fisuras ocultas y, a modo de comparación, con muestras intactas y con muestras con fisuras estrechas. La tecnología de correlación de imágenes digitales en tiempo real y la tecnología de monitoreo de emisiones acústicas se adoptaron sincrónicamente para capturar el proceso de agrietamiento tanto externo como interno. Los resultados muestran que las fisuras ocultas pueden debilitar la resistencia a la compresión uniaxial, mientras que el efecto de deterioro de las fisuras ocultas es más débil que el de las fisuras cerradas debido a la cohesión interna entre las partículas internas de las fisuras. Es más, el comportamiento de iniciación de la muestra con fisuras ocultas α = 90° es diferente del de la muestra con fisuras cerradas β = 90°. Finalmente, el mecanismo de agrietamiento de especímenes con fisuras ocultas se reveló analizando la relación RA-AF. La falla de los especímenes con fisuras cercanas es principalmente el modo de fractura mixta por tracción-cortante, mientras que la falla de los especímenes con fisuras ocultas es principalmente el modo de fractura por tracción y complementada por el corte. Los resultados experimentales contribuyen a la comprensión de las propiedades de fisuración en rocas fisuradas ocultas.

El macizo rocoso en la naturaleza contiene diversos tipos de planos discontinuos, como fallas, diaclasas y fisuras, bajo el efecto de procesos geológicos de larga duración. Estas discontinuidades geológicas hacen que las propiedades mecánicas del macizo rocoso sean bastante diferentes de las de la roca intacta1,2. Especialmente en el caso de las rocas magmáticas, los efectos de enfriamiento y contracción después de la exhalación magmática contribuyen a la aparición de muchas fisuras ocultas en el macizo rocoso3, como se muestra en la Fig. 1a. En el suroeste de China, muchos proyectos hidroeléctricos, incluidas las centrales hidroeléctricas de Xiluodu, Baihetan y Wudongde, se construyen sobre roca magmática4,5,6,7. Las propiedades mecánicas de la roca magmática con fisuras ocultas influyen significativamente en la estabilidad de la roca circundante en la ingeniería de rocas8. Por lo tanto, comprender la influencia de las fisuras ocultas en el comportamiento mecánico del macizo rocoso es la clave para evaluar la estabilidad de la ingeniería de rocas, y el estudio también puede brindar apoyo para el diseño y la construcción de ingeniería geotécnica.

Defectos naturales en macizo rocoso: (a) fisuras ocultas en basalto columnar8, (b) fisura cerrada y (c) falla abierta3.

En la compresión uniaxial, la falla de muestras de roca intactas es causada principalmente por grietas de tracción o grietas de corte. Las grietas se desarrollan gradualmente en la dirección paralela a la tensión principal máxima, lo que da como resultado que el modo de fractura de la muestra evolucione de falla por corte a falla por tracción a medida que aumenta la tensión axial9. Obviamente, la existencia de defectos en la muestra reducirá significativamente los parámetros mecánicos de la misma, lo que a su vez afecta el tipo de grieta y el modo de fractura. En las últimas décadas, las propiedades mecánicas y el comportamiento de agrietamiento del macizo rocoso fracturado han sido ampliamente estudiados. En general, estos estudios se centraron en macizos rocosos que contienen fisuras cerradas o fisuras abiertas. Como se muestra en la Fig. 1b,c, la diferencia entre fisuras cerradas y abiertas es si hay contacto y fricción en las superficies de fractura10.

Por ejemplo, Wong et al.11 utilizaron mármol y materiales similares a rocas de PMMA para estudiar la propagación de grietas de diferentes profundidades de defectos y ángulos de buzamiento, y descubrieron que el mecanismo de falla de las muestras de PMMA era similar al de las muestras de mármol. Ghazvinian et al.12 utilizaron materiales poco frágiles similares a rocas para fabricar muestras de discos brasileños con fisuras prefabricadas y estudiaron el modo de fractura mixta de las grietas mediante la prueba de división brasileña. Zhuang et al.13 dividieron las formas de propagación de las grietas principales en rocas o muestras similares a rocas con grietas prefabricadas individuales en tres tipos: grietas secundarias, grietas aerodinámicas y grietas anti-lámina. Jin et al.14 realizaron pruebas de laboratorio y simulaciones numéricas en modelos de rocas artificiales con fisuras cerradas para estudiar la influencia de una sola fisura sobre la resistencia, el proceso de falla y el consumo de energía. De acuerdo con el mecanismo de falla de las grietas, Xu15 realizó pruebas de compresión uniaxial en muestras de yeso que contenían un solo defecto cerrado con diferentes ángulos de inclinación, y analizó en detalle los efectos de la orientación de la grieta sobre la resistencia, el mecanismo de fisuración, el modo de fractura y el comportamiento de la emisión acústica (AE). . Meng et al.16 estudiaron los efectos integrales de diferentes ángulos del plano de lecho y ángulos de muesca en el comportamiento de fractura en modo mixto de especímenes similares a rocas mediante el uso de tecnología AE. Además, a medida que aumenta el número de fisuras, la posición de inicio de la grieta, la trayectoria de coalescencia y el modo de fractura se vuelven más complejos. Por ejemplo, Wong et al.17 realizaron una investigación experimental en muestras similares a rocas que contenían tres grietas paralelas y descubrieron que la disposición de los defectos y el coeficiente de fricción de la superficie del defecto afectan el mecanismo de curación de las grietas, y la resistencia máxima está relacionada al número de grietas. Sagong y Bobet18 realizaron pruebas de compresión uniaxial en muestras de yeso que contenían tres defectos prefabricados y 16 defectos prefabricados, respectivamente. Los resultados mostraron que el modo de agrietamiento de las muestras con múltiples defectos era similar al de las muestras con doble defecto. Park y Bobet19 probaron las muestras de yeso de fisuras cerradas con diferentes ángulos, espaciamientos y continuidad. Se observó que los tipos de fisuras de defectos abiertos y cerrados eran los mismos, y los tipos de coalescencia eran similares. Zhou et al.20 realizaron experimentos en muestras similares a rocas con cuatro grietas para estudiar los efectos del diseño de múltiples grietas sobre las propiedades mecánicas, los modos de iniciación de grietas y los tipos de coalescencia de grietas, de los cuales se obtuvieron cinco tipos de grietas y diez tipos de modos de coalescencia de grietas. encontró. Cao et al.21 cargaron muestras similares a rocas con dos defectos preexistentes, observaron diferentes formas geométricas de grietas y determinaron siete tipos de coalescencia. Desde el punto de vista microscópico, Luo et al.22 estudiaron la influencia de tres rellenos diferentes en la morfología de la fractura y el comportamiento de falla de especímenes similares a rocas llenos de fisuras bajo cargas de compresión-cortante. Zhao et al.23 utilizaron el método de pérdida de volumen para preparar muestras similares a rocas de yeso con varios defectos internos abiertos, y lo combinaron con tecnología de emisión acústica para estudiar los efectos de diferentes defectos en las propiedades mecánicas y las características de falla de muestras de rocas duras y frágiles.

Estos estudios revelan las influencias del número, la geometría y el material de relleno en el mecanismo mecánico y de falla de muestras de roca que contienen fisuras abiertas o cerradas, sentando una base importante para el desarrollo de la mecánica del macizo rocoso fracturado. Sin embargo, la fisura oculta es significativamente diferente de una fisura cerrada o abierta, ya que la superficie de la fractura ofrece fricción y fuerza cohesiva mientras las partículas minerales aún se fusionan en una sección completa. Aunque las fisuras ocultas son difíciles de observar sin la interferencia de fuerzas externas, quedarán expuestas cuando se produzca la descarga y no se deben ignorar las influencias. Los efectos de las fisuras ocultas sobre las propiedades mecánicas y el comportamiento de agrietamiento del macizo rocoso rara vez se estudian.

Para ello, tomando como comparación las probetas intactas y con fisuras cercanas, se ensaya la evaluación de los parámetros mecánicos y las propiedades de agrietamiento de la probeta con fisuras ocultas con ángulos de fisura. El proceso experimental se presenta en "Métodos experimentales", y las propiedades mecánicas y el comportamiento de agrietamiento de especímenes con fisuras ocultas y con fisuras cercanas se dan en "Especímenes con fisuras ocultas" y "Especímenes con fisuras cercanas", respectivamente. En “Discusión” se analiza la reducción de resistencia inducida por las fisuras ocultas. Además, el mecanismo de fallo se revela mediante el método acústico.

Se adopta yeso de alta resistencia para fabricar especímenes magmáticos similares a rocas10,24. Cálculo de la ley de similitud combinado con experimentos previos, la relación de masa de materiales similares y agua es 3:1. La mezcla se vierte en cajas transparentes para formar muestras rectangulares de 50 mm × 100 mm después de la solidificación, como se muestra en la Fig. 2a. Mientras tanto, las fisuras fueron prefabricadas mediante el método de extracción en corte fino19,25. Una lámina de acero rectangular (1 mm × 20 mm × 50 mm) con suficiente resistencia y rigidez se coloca en el centro de la caja inmediatamente después de verter la mezcla.

(a) El proceso de fabricación de las muestras fisuradas y (b) diagrama esquemático del ángulo de la fisura.

Cabe señalar que la clave para obtener ejemplares con fisuras ocultas es controlar el tiempo de extracción de láminas de acero delgadas. Si la fina chapa de acero se retira demasiado pronto, la fisura puede desaparecer debido a la fluidez del material; por el contrario, se formará una fisura cerrada a medida que el material se solidifique si la delgada lámina de acero se retira demasiado tarde. El tiempo de extracción de la muestra con fisuras ocultas debe ser más corto que el de la muestra con fisuras cercanas. Después de varios intentos repetidos, se descubre que se puede obtener un espécimen con fisuras ocultas sacándolo después de 10 minutos. Se unta lubricante sobre la lámina de acero para muestras con fisuras estrechas y se fija el tiempo de extracción en 18 minutos o incluso más. La muestra con fisuras cerradas se obtiene después de que el material esté totalmente solidificado. El ángulo entre la fisura oculta (fisura cerrada) y la dirección vertical es α (β) = 0°, 30°, 60° y 90° (Fig. 2b).

El sistema experimental comprende un módulo de carga, un módulo de adquisición de imágenes y un módulo de monitoreo de emisión acústica (AE), como se muestra en la Fig. 3. Las muestras se cargan en la máquina de prueba de mecánica de masas de roca SHT465. El modo de carga se controla mediante la fuerza y ​​la velocidad de carga se establece en 50 N/s. El sistema de adquisición de imágenes utiliza una cámara industrial Basler acA2440-75um con una resolución de 2048 × 2048 píxeles y una velocidad de disparo de 10 cuadros/s para monitorear el proceso de deformación y agrietamiento de la muestra. El programa de software comercial Vic-Snap8 se utiliza para calcular el campo de desplazamiento de la superficie y el campo de deformación. Además, se utilizan dos luces LED para iluminar la superficie de la muestra. Se crea un campo moteado artificial en la superficie frontal de la muestra para el análisis de correlación de imágenes digitales (DIC). El monitoreo de emisiones acústicas se realiza mediante un instrumento PCI-II de 8 canales de American Physical Acoustics Company. Puede recopilar y almacenar automáticamente parámetros AE y datos de formas de onda de forma continua en tiempo real. El valor umbral se establece en 40 dB y la frecuencia de muestreo es 1 MSPS. Los sensores Nano-30 AE se recubren con un agente de acoplamiento y se colocan sobre las superficies de la muestra. El preamplificador está ajustado a 40 dB.

El sistema experimental se compone de un módulo de carga, un módulo de adquisición de imágenes y un módulo de monitoreo AE.

Se utiliza vaselina entre los extremos de la muestra y las placas de carga para reducir el efecto final. El módulo de carga, el módulo de adquisición de imágenes y el módulo de monitoreo AE se inician sincrónicamente para adquirir y registrar datos.

La Figura 4 muestra las curvas tensión-deformación de especímenes con fisuras ocultas con diferentes ángulos de inclinación de fisuras y especímenes intactos. Todas las muestras pasan por procesos similares de evolución de las curvas tensión-deformación, es decir, etapas de compresión, elástica y de daño. Las curvas caen repentinamente después de alcanzar su punto máximo debido a la rápida liberación de energía de las grietas. Entre todos los especímenes, la pendiente del ejemplar intacto es la más pronunciada y su resistencia es la mayor. Es decir, la fisura oculta debilita la resistencia y rigidez de los ejemplares.

Curvas tensión-deformación de probetas con diferentes orientaciones de fisuras ocultas.

La tensión máxima de la muestra α = 90° es 15,64 MPa, cerca de 16,04 MPa de la muestra intacta, y la tensión máxima de otras muestras es mucho menor. La deformación máxima máxima se produce en la muestra de α = 30°, seguida de la muestra de α = 0°. La tensión máxima de otros especímenes con fisuras ocultas es similar. En resumen, la fisura horizontal tiene el efecto más bajo sobre la resistencia y rigidez de la muestra.

La Figura 5 muestra la morfología de falla de especímenes con fisuras ocultas con diferentes ángulos de inclinación bajo tensión de compresión uniaxial. La línea discontinua negra representa la fisura oculta y la línea roja representa la grieta.

La morfología de falla de especímenes con fisuras ocultas cambia con los ángulos de inclinación de las fisuras.

Para α = 0 ° espécimen con fisuras ocultas (Fig. 5a), la grieta se genera primero en las puntas superior e inferior de la fisura oculta prefabricada y se extiende a ambos extremos del espécimen. Después de que se inicia la grieta 1, crece y gira hacia la izquierda durante la propagación hacia arriba y, al mismo tiempo, se extiende hacia abajo a través de la fisura oculta, acelerando la apertura de la fisura oculta. Finalmente, la grieta 1 continúa expandiéndose para conectarse con la grieta 2 hasta que falla. Se produce coalescencia de múltiples fisuras en áreas de campo lejano y se observa descamación local de la superficie.

Para α = 30 ° espécimen con fisuras ocultas (Fig. 5b), dos grietas en las alas (grieta 1 y grieta 2) se inician primero en las dos puntas de la fisura oculta prefabricada. Con el aumento de la tensión, se generan dos grietas coplanares secundarias, la grieta 3 y la grieta 4, en la punta de la fisura. Siguen creciendo a lo largo de la fisura oculta y luego giran en la dirección de la tensión principal máxima. Debido al desarrollo de la grieta 3 y al aumento de la tensión, aparece la grieta 5 y la muestra se daña por corte.

Para α = 60 ° espécimen con fisuras ocultas (Fig. 5c), primero se inician las grietas de ala 1 y 2, y luego se generan las grietas 3 y 4. La fisura 1 no comienza en la punta de la fisura. La grieta 2 comienza desde la punta superior de la fisura oculta y la ruta de propagación de la grieta es relativamente recta después del inicio. Después de que se generan las grietas 1 y 2, hay una tendencia a extenderse hasta la mitad de los extremos de la muestra. Ambas grietas 3 y 4 se generan en las puntas de las fisuras y se extienden hasta la esquina de la muestra. Los caminos de propagación de estas dos grietas son tortuosos y se observan partículas finas en las superficies de las grietas. Se observan protuberancias y bloques alrededor de las fisuras ocultas. Las fisuras ocultas se dañan por tracción cuando la tensión es pequeña y luego se produce una dislocación por cizallamiento a medida que aumenta la tensión. Las fisuras ocultas, grieta 3 y grieta 4 forman una superficie débil, lo que resulta en la falla final.

Para α = 90 ° espécimen con fisura oculta (Fig. 5d), la grieta 1 se genera primero en la punta izquierda de la fisura oculta y se extiende hacia arriba. Luego, la grieta 2 comienza en la punta izquierda y se extiende hacia abajo. La grieta 3 se genera en la zona media derecha de la fisura oculta prefabricada. Luego se genera la grieta 4 en la región de la punta en el lado derecho de la fisura oculta prefabricada y se extiende hacia arriba, y las grietas 5 y 6 se inician y se propagan a la zona media. Mientras tanto, se retira la superficie cercana a la fisura oculta. La razón principal puede ser que la fisura oculta se comprime bajo tensión perpendicular, haciendo que la zona circundante de la fisura oculta esté más rota.

Como tecnología de monitoreo sin contacto, DIC se ha convertido en una técnica ampliamente utilizada en mecánica experimental. El principio básico de DIC es registrar los patrones de motas digitales durante el proceso de deformación mediante una cámara de alta velocidad. Se calculan dos patrones de moteado para obtener el campo de deformación superficial, y se puede reconocer y caracterizar aún más el inicio y la propagación de grietas. Se calculan los nefogramas de deformación principal y de deformación por corte de muestras con fisuras ocultas con diferentes ángulos de inclinación, como se muestra en la Fig. 6.

Nefograma de cepas de ejemplares fisurados ocultos con diferentes ángulos de inclinación.

Para α = 0° espécimen con fisuras ocultas, el nefograma de deformación principal coincide bien con la trayectoria real de la grieta. La tensión de tracción principal se concentra alrededor de la fisura y se extiende gradualmente a medida que aumenta la tensión. Mientras tanto, se forma una banda de concentración de deformación cortante cuando la tensión es lo suficientemente grande. Es más, el valor de la deformación por tensión es mayor que el esfuerzo cortante en la tercera etapa. Para una muestra con fisuras ocultas de α = 0°, el daño por tracción que abre la fisura domina su proceso de deformación, y el daño por corte también contribuye significativamente a la falla final.

Para α = 30° espécimen con fisuras ocultas, los valores de deformación principal son generalmente mayores que la deformación de corte. El esfuerzo cortante en la fisura α = 30° es mayor que el esfuerzo de tracción, el enlace entre las partículas se rompe bajo el esfuerzo cortante para formar grietas y las superficies de las grietas se alejan más bajo el esfuerzo de tracción.

De manera similar, la deformación por tracción se concentra en la fisura oculta para α = 60° de muestra con fisura oculta. Sin embargo, las regularidades de distribución del esfuerzo cortante son diferentes. Las grietas de las alas están sujetas al efecto combinado de tracción-cortante, y el área central de la fisura oculta está sujeta al efecto de corte por compresión.

La situación del espécimen con fisuras ocultas α = 90° es muy notable. La tensión de tracción se concentra en la fisura oculta y se extiende gradualmente hacia el trayecto de la grieta, mientras que la tensión de corte se distribuye a lo largo de la dirección de 45°. Esto es similar a las características de evolución de la tensión de especímenes intactos y consistente con los hallazgos anteriores de que la fisura horizontal oculta tiene el efecto mínimo sobre la falla del espécimen.

La Figura 7 muestra las curvas tensión-deformación de los especímenes intactos y los especímenes con fisuras cercanas con diferentes ángulos de inclinación. La pendiente de la etapa elástica lineal del espécimen intacto es mayor que la de otros especímenes con fisuras cercanas. La resistencia de los ejemplares con fisuras estrechas es mucho menor que la del ejemplar intacto. Las curvas de tensión-deformación de β = 0°, 30° y 60° de muestras con fisuras cercanas fluctúan alrededor de los puntos máximos, mientras que la curva de β = 90° de muestras con fisuras cercanas cayó directamente. Los valores máximos de tensión y deformación de β = 0° del espécimen con fisuras cercanas son los más altos, mientras que los valores máximos de deformación de los otros tres especímenes son cercanos. Las curvas de las muestras β = 60° y β = 90° casi se superponen en la etapa elástica lineal, y las dos curvas se desvían debido a la caída repentina de tensión inducida por el comportamiento de las grietas.

Curvas tensión-deformación de probetas con fisuras cercanas.

La Figura 8 muestra la morfología de falla de especímenes con fisuras cercanas con diferentes ángulos de inclinación bajo tensión de compresión uniaxial, indicando el proceso de falla y la morfología de falla final de los especímenes. Por ejemplo, cuando β = 60°, las grietas en forma de ala (grietas 1 y 2) se generan primero en la punta de la fisura y se extienden hasta la dirección de tensión principal máxima. Las grietas anti-alas (grietas 3 y 4) también se iniciaron más tarde en las puntas de las fisuras. Finalmente, el espécimen pierde capacidad de carga debido al cierre de la fisura cerrada, lo cual es diferente a la falla del espécimen con fisura oculta α = 60°. En comparación, se encuentra que la longitud de propagación de las grietas del ala del espécimen con fisuras ocultas es más corta y las grietas se generan dentro de la fisura prefabricada en lugar de en la punta. También se observan grietas antialas en los ejemplares con fisuras cercanas, que no se encuentran durante el agrietamiento de los ejemplares con fisuras ocultas. El espécimen con fisuras ocultas falla por deslizamiento debido al plano débil formado por la penetración de las grietas, y el espécimen con fisuras cerradas está perdiendo la capacidad de carga debido al gran desplazamiento inducido por el cierre de las fisuras cerradas. Por ejemplo, el desarrollo de grietas es relativamente simple para β = 90° de muestra con fisuras cercanas. Las grietas 1 y 2 se inician primero en el medio de la fisura cerrada prefabricada y se extienden a ambos extremos de la muestra, luego la grieta 3 se genera en la punta de la fisura izquierda y se extiende hasta el final de la muestra. El ancho de la grieta 1 y la grieta 2 aumenta con el aumento de la carga. Finalmente se pone en contacto la parte media de la fisura cerrada prefabricada. La razón puede ser que la grieta central hace que los dos lados de la superficie de la grieta formen un estado similar a un voladizo y se forma la flexión por compresión. Obviamente, el modo de falla de β = 90° espécimen con fisuras cercanas es bastante diferente del modo de falla de α = 90° espécimen con fisuras ocultas.

Morfología de falla de especímenes con fisuras cercanas con diferentes ángulos de inclinación.

Al comparar y analizar los modos de fractura de los especímenes con fisuras ocultas y cercanas, la forma de la grieta se representa en la Tabla 1. Para α = 0° espécimen con fisuras ocultas, la grieta inicial comienza desde las puntas de las fisuras, la longitud de la grieta de las muestras ocultas -El espécimen fisurado es más largo que el del espécimen fisurado. Cuando el ángulo de inclinación es de 30°, aparecen grietas secundarias en las puntas de las fisuras cerradas, que no aparecen en la muestra con fisuras ocultas. Mientras tanto, las grietas se propagan por más tiempo que las del espécimen con fisuras cercanas. Cuando el ángulo de inclinación es de 60°, las grietas en la muestra con fisuras ocultas se desarrollan más, mientras que el arco de la grieta del ala no es tan flexible como el de la muestra con fisuras cercanas. Cuando el ángulo de inclinación es de 90°, la grieta se inicia desde la punta de la fisura oculta, mientras que la grieta del espécimen con fisuras cercanas generalmente se inicia en la posición media de la fisura, lo que indica diferencias significativas en el mecanismo de falla. En general, la longitud de propagación de la grieta en una muestra con fisuras ocultas es mayor que en una muestra con fisuras cercanas. La razón puede ser que la grieta de la muestra con fisuras cerradas aún no se ha desarrollado completamente y el cierre de la fisura cerrada conduce a un gran desplazamiento y pérdida de capacidad de carga.

En la Fig. 9 se muestran los nefogramas de deformación principal y de deformación por corte de especímenes con fisuras cercanas con diferentes ángulos de inclinación. La línea negra continua en la figura indica la ubicación de la fisura cerrada.

Diagrama de nubes de deformación de especímenes con fisuras cercanas con diferentes ángulos de inclinación.

Para una muestra con fisuras cercanas de β = 0°, la deformación principal se concentra alrededor de la fisura cerrada mientras que la deformación de corte se dispersa en toda la muestra. La deformación de una muestra con fisuras cercanas de β = 0° está controlada principalmente por la tensión de tracción.

Para una muestra con fisuras cercanas de β = 30°, la muestra sufre deformaciones por tracción y por corte en la etapa elástica. El efecto de tracción-cizallamiento se observa en las puntas de las fisuras cerradas y controla la falla final, mientras que el efecto de tracción-corte aparece en las fisuras cerradas. En comparación con la muestra de fisura oculta α = 30°, los valores de deformación por tracción son más considerables. Las fisuras cerradas pueden provocar grandes deformaciones y tensiones.

Para β = 60° espécimen con fisuras cercanas, se observa que la banda de concentración de deformación principal solo aparece a lo largo de las grietas de las alas en lugar de la fisura cerrada, lo cual es diferente de α = 60° espécimen con fisuras ocultas. El deslizamiento cortante a lo largo de la superficie de la fisura induce una tensión cortante.

Para una muestra con fisuras cercanas a β = 90°, se encuentra que la deformación en el extremo izquierdo de la fisura es mayor que en el extremo derecho. El inicio de dos grietas en las alas posee asincronismo, el lado izquierdo comienza primero y el lado derecho le sigue. Es más, a diferencia del espécimen con fisuras ocultas de α = 90°, aparece una banda de tensión de corte a lo largo del camino de agrietamiento.

Como se muestra en la Fig. 10, se comparan las evoluciones de los valores de resistencia a la compresión libre de las muestras con fisuras ocultas y con fisuras cercanas que cambian con los ángulos de inclinación. Existen similitudes, así como diferencias, entre especímenes ocultos y con fisuras cercanas.

Comparación de los parámetros mecánicos de los ejemplares con fisuras ocultas y con fisuras cercanas.

En primer lugar, cabe señalar que la resistencia de todas las muestras fracturadas es menor que la de las muestras intactas (16,04 MPa), lo que indica que las fisuras ocultas pueden debilitar la resistencia del material, mientras que el efecto debilitante es menor que el de las fisuras cerradas, independientemente del ángulo de la fisura. En segundo lugar, cuando la fisura oculta es horizontal, su efecto en la reducción de la resistencia y la rigidez es mínimo. El módulo de resistencia y elasticidad de los especímenes con fisuras ocultas muestra una tendencia en forma de U, y los valores más bajos ocurren en la situación α = 30°; la fuerza de los especímenes con fisuras cerradas disminuye con el aumento del ángulo, mientras que la fisura cerrada horizontal se debilita más.

Se utilizó tecnología AE para monitorear los comportamientos de craqueo en tiempo real. Los recuentos de AE, los recuentos de AE ​​acumulados en el tiempo de las muestras con fisuras ocultas α = 0 ° y con fisuras cercanas β = 0 ° se toman como ejemplos (Fig. 11). Como se muestra en la Fig. 10, los recuentos acumulativos de AE ​​poseen tendencias de evolución similares, es decir, aumentan lentamente al principio, crecen de manera constante a medida que aumenta la tensión y se disparan bruscamente antes de fallar. La tendencia de evolución de los recuentos de AE ​​es útil para pronosticar la rotura de las muestras, mientras que la relación RA-AF se adopta para analizar el mecanismo de falla de diferentes muestras.

Recuentos de AE, recuentos de AE ​​acumulados en el tiempo de muestras.

Los estudios han demostrado que la relación entre AR y FA es bastante diferente cuando se produce una fractura por tracción o una fractura por cizallamiento26,27,28. Los parámetros RA-AF se definen como:

Desde la perspectiva de la forma de onda, las grietas de tracción forman una forma de onda AE con alta energía y alta amplitud, pero con un tiempo de subida corto, por lo que las grietas de tracción aparecen en la región superior izquierda (Fig. 12a, c). El valor máximo de la forma de onda generada por la falla por corte tiene un retraso más largo desde el primer punto de llegada de la onda P, y la señal AE tiene un tiempo de subida más largo con una duración más larga, pero una frecuencia promedio más baja, por lo que las grietas por corte aparecen en el región inferior derecha (Fig. 12b,c). En consecuencia, la relación RA-AF basada en las características de emisión acústica puede revelar efectivamente el mecanismo de agrietamiento de la roca29.

Clasificación típica de grietas basada en RA y AF.

La Figura 13 muestra la distribución RA-AF de especímenes intactos, ocultos y con fisuras cercanas, lo que indica diferencias significativas en el mecanismo de falla. El color representa la densidad de dispersión de los puntos RA-AF, ya que el color del blanco al rojo (e incluso al negro) significa que la densidad aumenta gradualmente.

La distribución RA-AF de especímenes.

Para la muestra intacta (Fig. 13c), tanto las grietas de tracción como las de corte son densas y la relación de cantidad es 42,50%:58,49%. El daño por corte ocurre más fácilmente que las grietas por tracción, lo cual es consistente con el proceso de falla. La Figura 13a es el diagrama RA-AF del espécimen con fisuras ocultas. Cuando α = 0°, la relación cuantitativa de grietas por tracción y corte es 55,92%:44,08%. Los valores extremadamente altos de AF y RA son relativamente pequeños y la mayoría de los puntos de dispersión se concentran cerca del origen de las coordenadas y cerca del eje AF. A medida que aumenta el valor de las coordenadas, el número de puntos de dispersión disminuye gradualmente. El área central de la distribución de puntos dispersos, es decir, la mayor parte del área del círculo negro, está por encima de la línea de puntos y cerca del eje AF, lo que indica que el modo de fractura de la muestra con fisuras ocultas es principalmente fractura por tracción. Cuando α = 30°, la cantidad de grietas por corte (60,92%) es mayor que la de grietas por tracción (39,08%). Mientras tanto, la distribución de dispersión es bastante diferente a la del espécimen α = 0°. La mayoría de las dispersiones RA-AF están cerca del eje RA y los puntos a lo largo del eje RA se vuelven cada vez más escasos con el aumento del valor de las coordenadas. La mayor parte del área del núcleo está ubicada debajo de la línea de puntos y cerca del eje RA, lo que indica que la falla de la muestra está dominada por grietas de corte, complementadas con grietas de tracción. Cuando α = 60°, la relación cuantitativa de grietas por tracción y corte es 56,49%:43,51%. Todavía se puede encontrar que la mayoría de los puntos se concentran cerca del origen de las coordenadas. En general, hay más puntos encima de la línea de puntos, lo que indica que la falla de la muestra es principalmente falla por tracción. Cuando α = 90°, la relación cuantitativa de grietas por tracción y por corte es 61,30%:38,70%. La distribución de dispersión es similar a la del espécimen α = 0°, pero el número total de dispersiones es menor y el área del núcleo se encuentra principalmente por encima de la línea de puntos negra, lo que indica que el modo de fractura del espécimen todavía está dominado por la tracción. modo de fractura, complementado por falla por corte.

La Figura 13b es el diagrama RA-AF del espécimen con fisuras cercanas. Cuando β = 0°, la relación cuantitativa de grietas por tracción y corte es 61,15%:38,85%. Se observa que los puntos se extienden a lo largo del eje RA. El área con la mayor densidad de dispersión está por encima de la línea de puntos y cerca del eje AF. El valor de RA es mucho mayor que diez veces AF, lo que indica que la grieta de tracción es más fuerte que la grieta de corte en el modo de fractura de la muestra con fisuras cercanas. Cuando β = 30° y β = 90°, la relación cuantitativa de grietas por tracción y corte es 63,37%:36,63% y 62,22%:37,78%. La mayoría de los puntos se concentran cerca del origen del eje de coordenadas y el área central está por encima de la línea de puntos negra y cerca del eje AF. La muestra es un modo de fractura mixta por tracción-cortante dominado por la fractura por tracción. Cuando β = 60°, la relación cuantitativa de grietas por tracción y corte es 58,33%:42,67%. La dispersión está distribuida casi a la mitad en ambos lados de la línea de puntos negra, y el área del núcleo está la mitad por encima de la línea de puntos y la mitad por debajo de la línea de puntos, lo que indica que se trata de un modo de fractura mixta por tracción y corte.

En general, el número de puntos de dispersión RA-AF generados por el espécimen con fisuras ocultas es mayor que el del espécimen con fisuras cercanas, y la mayoría de los puntos de dispersión se concentran cerca del origen del eje de coordenadas. El área con la mayor densidad de dispersión está mayoritariamente cerca del eje AF, excepto en el caso de α = 30°. El modo de fractura de los especímenes con fisuras cercanas es un modo de fractura mixta por tracción y corte, y el de los especímenes con fisuras ocultas es principalmente un modo de fractura mixta por tracción y corte dominado por la fractura por tracción.

El comportamiento de agrietamiento y el mecanismo de falla de los especímenes con fisuras ocultas se estudian comparándolos con especímenes intactos y con fisuras cercanas. A través de pruebas de compresión uniaxial, combinadas con monitoreo en tiempo real de AE ​​de roca y fotografía óptica DIC, se estudian las influencias de las fisuras ocultas en los parámetros mecánicos, el proceso de agrietamiento, el modo de fractura y el mecanismo de falla. El estudio apoya las siguientes conclusiones:

Las fisuras ocultas debilitaron significativamente la resistencia en comparación con el espécimen intacto, mientras que el efecto de deterioro es más débil que el de los especímenes con fisuras cercanas. Las diferencias son inducidas por propiedades estructurales, es decir, las partículas de material dentro de la fisura oculta proporcionan cohesión interna, en lugar de que solo exista fricción en la superficie de la fisura en muestras con fisuras cercanas. Entre todos los ángulos de fisura, la fisura oculta α = 90° tiene la menor influencia sobre la resistencia y rigidez de la muestra.

Al igual que en los especímenes con fisuras cerradas, se observaron grietas en las alas y grietas secundarias en los especímenes con fisuras ocultas. Sin embargo, la posición inicial de las muestras que contienen fisuras horizontales fue diferente debido a la distribución del campo de tensiones, lo que indica que las influencias de las fisuras ocultas en la morfología de agrietamiento de las muestras son diferentes a las de las fisuras cerradas.

Se investiga la relación RA-AF basada en características acústicas para revelar el mecanismo de falla. La falla de los especímenes con fisuras cercanas es principalmente el modo de fractura mixta por tracción-cortante, mientras que la falla de los especímenes con fisuras ocultas es principalmente el modo de fractura por tracción y complementada por el corte.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Los autores agradecen los proyectos apoyados por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (52209122), la Fundación de Ciencias Naturales de Chongqing (2023NSCQ-MSX3641), la Universidad de Ciencia y Tecnología de Chongqing (ckrc2022009) y el Programa de Innovación para Graduados de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Chongqing (YKJCX2220664). ).

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Fu Xiang

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YB y LC escribieron el texto del manuscrito, YB, JD y CH realizaron los experimentos, QX realizó el cálculo de AE, LC procesó los datos, XF y XX prepararon las figuras. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Qiang Xie o Jun Duan.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Ban, Y., Chen, L., Xie, Q. et al. Propiedades mecánicas y características de evolución de fisuras de rocas fracturadas con fisuras ocultas. Representante científico 13, 11639 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38285-5

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Recibido: 01 de abril de 2023

Aceptado: 06 de julio de 2023

Publicado: 19 de julio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38285-5

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