Propriedades mecânicas e características de evolução de fissuras em rochas fraturadas com fissuras ocultas

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 11639 (2023) Citar este artigo

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Defeitos naturais, como juntas, superfícies estruturais e vazios, afetam significativamente as propriedades mecânicas e os modos de fratura do maciço rochoso. Fissuras ocultas estão amplamente distribuídas em rochas magmáticas, enquanto suas influências nas propriedades mecânicas e no mecanismo de fissuração ainda não são claras. Testes de laboratório foram realizados em amostras pré-fabricadas semelhantes a rochas com fissuras ocultas, bem como amostras intactas e amostras com fissuras próximas como comparação. A tecnologia de correlação de imagem digital em tempo real e a tecnologia de monitoramento de emissão acústica foram adotadas de forma síncrona para capturar o processo de fissuração externa e interna. Os resultados mostram que as fissuras ocultas podem enfraquecer a resistência à compressão uniaxial, enquanto o efeito de deterioração das fissuras ocultas é mais fraco do que as fissuras fechadas devido à coesão interna entre as partículas internas da fissura. Além do mais, o comportamento de iniciação da amostra com fissura oculta α = 90° é diferente daquele da amostra com fissura fechada β = 90°. Finalmente, o mecanismo de fissuração de espécimes com fissuras ocultas foi revelado pela análise da relação RA-AF. A falha das amostras com fissuras fechadas é principalmente o modo de fratura mista por tração-cisalhamento, enquanto a falha das amostras com fissuras ocultas é principalmente o modo de fratura por tração e complementado pelo cisalhamento. Os resultados experimentais contribuem para a compreensão das propriedades de fissuração em rochas com fissuras ocultas.

O maciço rochoso na natureza contém vários tipos de planos descontínuos, como falhas, juntas e fissuras, sob o efeito de processos geológicos de longa duração. Essas descontinuidades geológicas tornam as propriedades mecânicas do maciço rochoso bastante diferentes das rochas intactas1,2. Especialmente para rochas magmáticas, os efeitos de resfriamento e encolhimento após a exalação magmática contribuem para muitas fissuras ocultas no maciço rochoso3, como mostrado na Fig. No sudoeste da China, muitos projectos hidroeléctricos, incluindo as Estações Hidroeléctricas de Xiluodu, Baihetan e Wudongde, são construídos sobre a rocha magmática4,5,6,7. As propriedades mecânicas da rocha magmática com fissuras ocultas influenciam significativamente a estabilidade da rocha circundante da engenharia rochosa8. Portanto, compreender a influência das fissuras ocultas no comportamento mecânico do maciço rochoso é a chave para avaliar a estabilidade da engenharia rochosa, e o estudo também pode fornecer suporte para projetos e construções de engenharia geotécnica.

Falhas naturais no maciço rochoso: (a) fissuras ocultas em basalto colunar8, (b) fissura fechada e (c) falha aberta3.

Na compressão uniaxial, a falha de amostras de rocha intactas é causada principalmente por fissuras de tração ou fissuras de cisalhamento. As fissuras desenvolvem-se gradualmente na direção paralela à tensão principal máxima, resultando no modo de fratura da amostra evoluindo de falha por cisalhamento para falha por tração à medida que a tensão axial aumenta9. Obviamente, a existência de defeitos na amostra reduzirá significativamente os parâmetros mecânicos da amostra, o que por sua vez afeta o tipo de fissura e o modo de fratura. Nas últimas décadas, as propriedades mecânicas e o comportamento de fissuração de maciços rochosos fraturados têm sido amplamente estudados. Em geral, esses estudos focaram em maciços rochosos contendo fissuras fechadas ou fissuras abertas. Como mostrado na Figura 1b,c, a diferença entre fissuras fechadas e abertas é se há contato e atrito nas superfícies de fratura10.

Por exemplo, Wong et al.11 usaram mármore e materiais semelhantes a rochas de PMMA para estudar a propagação de fissuras de diferentes profundidades de defeitos e ângulos de mergulho, e descobriram que o mecanismo de falha das amostras de PMMA era semelhante ao das amostras de mármore. Ghazvinian et al.12 utilizaram materiais pouco frágeis, semelhantes a rochas, para fabricar corpos de prova de discos brasileiros com fissuras pré-fabricadas e estudaram o modo de fratura mista das trincas pelo teste de fissuração brasileiro. Zhuang et al.13 dividiram as formas de propagação de fissuras principais em rochas ou espécimes semelhantes a rochas com fissuras pré-fabricadas únicas em três tipos: fissuras secundárias, fissuras de aerofólio e fissuras anti-fólio. Jin et al.14 realizaram testes de laboratório e simulações numéricas em modelos de rochas artificiais com fissuras fechadas para estudar a influência de uma única fissura na resistência, processo de falha e consumo de energia. De acordo com o mecanismo de falha das fissuras, Xu15 conduziu testes de compressão uniaxial em amostras de gesso contendo um único defeito fechado com diferentes ângulos de inclinação e analisou detalhadamente os efeitos da orientação da fissura na resistência, mecanismo de fissuração, modo de fratura e comportamento de emissão acústica (AE). . Meng et al.16 estudaram os efeitos abrangentes de diferentes ângulos do plano de estratificação e ângulos de entalhe no comportamento de fratura de modo misto de amostras semelhantes a rochas usando a tecnologia AE. Além disso, com o aumento do número de fissuras, a posição de início da trinca, a trajetória de coalescência e o modo de fratura tornam-se mais complexos. Por exemplo, Wong et al.17 conduziram pesquisas experimentais em amostras semelhantes a rochas contendo três trincas paralelas e descobriram que o arranjo dos defeitos e o coeficiente de atrito da superfície do defeito afetam o mecanismo de cura das trincas, e a resistência de pico está relacionada ao número de fissuras. Sagong e Bobet18 realizaram testes de compressão uniaxial em amostras de gesso contendo três defeitos pré-fabricados e 16 defeitos pré-fabricados, respectivamente. Os resultados mostraram que o modo de fissuração das amostras com múltiplos defeitos foi semelhante ao das amostras com duplo defeito. Park e Bobet19 testaram corpos de prova de gesso com fissura fechada com diferentes ângulos, espaçamentos e continuidade. Observou-se que os tipos de fissuras dos defeitos abertos e fechados eram iguais e os tipos de coalescência eram semelhantes. Zhou et al.20 conduziram experimentos em amostras semelhantes a rochas com quatro trincas para estudar os efeitos do layout multifissuras nas propriedades mecânicas, modos de iniciação de trincas e tipos de coalescência de trincas, dos quais cinco tipos de trincas e dez tipos de modos de coalescência de trincas foram encontrado. Cao et al.21 carregaram corpos de prova rochosos com dois defeitos pré-existentes, observaram diferentes formas geométricas de fissuras e determinaram sete tipos de coalescência. Do ponto de vista microscópico, Luo et al.22 estudaram a influência de três diferentes enchimentos na morfologia da fratura e no comportamento de ruptura de amostras semelhantes a rochas preenchidas com fissuras sob carga de compressão-cisalhamento. Zhao et al.23 usaram o método de perda de volume para preparar amostras semelhantes a rochas de gesso com vários defeitos internos abertos e combinaram com tecnologia de emissão acústica para estudar os efeitos de diferentes defeitos nas propriedades mecânicas e características de falha de amostras de rochas duras e quebradiças.