Experimental study on the effect of micro-cracks on Brazilian tensile strength

• Autorzy: Wang X.

Identyfikatory

DOI

10.1515/amsc-2015-0065

Warianty tytułu

PL

Eksperymentalne badanie wpływu mikrospękań na wyniki badań wytrzymałości na rozciąganie według metody brazylijskiej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

For coal mine ground control issues, it is necessary to propose a failure criteria accounting for the transversely isotropic behaviors of rocks. Hence, it is very helpful to provide experimental data for the validation of the failure criteria. In this paper, the method for preparing transversely isotropic specimens and the scheme of the Brazilian tensile strength test are presented. Results obtained from Brazilian split tests under dry and water-saturated conditions reflect the effect of the development direction β of the structural plane, such as the bedding fissure, on the tensile strength, ultimate displacement, failure mode, and the whole splitting process. The results show that the tensile strength decreases linearly with increasing β. The softening coefficient of the tensile strength shows a sinusoidal function. The values of the slope and inflection point for the curve vary at the different stages of the Brazilian test. The failure mode of the rock specimen presented in this paper generally coincides with the standard Brazilian splitting failure mode. Based on the test results, the major influencing factors for the Brazilian splitting strength are analyzed and a mathematical model for solving the Brazilian splitting strength is proposed. The findings in this paper would greatly benefit the coal mine ground control studies when the surrounding rocks of interest show severe transversely isotropic behaviors.

PL

W związku z zagadnieniami ochrony powierzchni w kopalniach węgla, konieczne jest opracowanie odpowiednich kryteriów klasyfikacji uszkodzeń skał uwzględniających ich poprzeczną izotropowość. Pomocnym jest także dostarczenie danych eksperymentalnych niezbędnych do walidacji kryteriów uszkodzeń. W pracy tej zaproponowano metodę przygotowywania próbek wykazujących izotropowość poprzeczną, omówiono także sposób przeprowadzania testu na rozciąganie metodą brazylijską. Wyniki testu uzyskane na sucho oraz w warunkach nasycenia próbki wodą wskazują wpływ kierunku rozwoju β płaszczyzny strukturalnej (np. płaszczyzn spękań) na wytrzymałość próbki na rozciąganie, maksymalne przemieszczenia, rodzaj uszkodzenia oraz przebieg procesu pękania. Wyniki testu wskazują, że wytrzymałość na rozciąganie maleje liniowo wraz ze wzrostem wartości β. Współczynnik mięknienia próbki w trakcie próby wytrzymałościowej na rozciąganie ma przebieg krzywej sinusoidalnej. Wartości kąta nachylenia oraz punkt przegięcia krzywej różnią się dla poszczególnych etapów próby wytrzymałościowej. Tryb uszkodzeń próbek skalnych przedstawiony w artykule zasadniczo pozostaje w zgodzie z typowymi odkształceniami rejestrowanymi w trakcie testu metodą brazylijską. W oparciu o wyniki eksperymentu, przeanalizowano główne czynniki wpływające na wytrzymałość próbek na rozciąganie i zaproponowano odpowiedni model matematyczny do obliczania wytrzymałości. Wyniki przedstawione w artykule stanowią poważny przyczynek do badań stabilności gruntu i ochrony powierzchni w rejonach górniczych w przypadku gdy sąsiadujące z kopalnią skały wykazują izotropowość poprzeczną.

Słowa kluczowe

EN

Brazilian split test; dry and water saturation; bedding fissure; strength coefficient; coal mine ground control

PL

badania na rozciąganie metodą brazylijską; próbki suche i nasycone wodą; płaszczyzny spękań; współczynnik wytrzymałości; ochrona powierzchni w kopalniach węgla

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 60, no. 4
• Strony: 985--996
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Wang X.

• School of Mines, Key Laboratory of Deep Coal Resource Mining, Ministry of Education of China, China University of Mining & Technology, 1 University Avenue, Xuzhou 221116, China

Bibliografia

• [1] ASTM D3967-08, 2008. International standard test method for splitting tensile strength of intact rock core specimens. American Society for Testing and Materials, West Conshohocken.
• [2] Cai M., Kaiser P.K., 2004. Numerical Simulation Of The Brazilian Test And The Tensile Strength Of Anisotropic Rocks And Rocks With Pre-Existing Cracks. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 41(3):478-483.
• [3] Coviello A., Lagioia R., Nova R., 2005. On the Measurement of the Tensile Strength of Soft Rocks. Rock Mechanics and Rock Engineering, 38(4):251-273.
• [4] Dan D.Q., Konietzky H., Herbst M., 2013. Brazilian tensile strength tests on some anisotropic rocks. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 58:1-7.
• [5] Erarslan N., Williams D.J., 2012. Experimental, numerical and analytical studies on tensile strength of rocks. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 49:21-30.
• [6] Hoek E., Brown E.T., 1980. Underground excavation in rock. London: Institution of Mining and Metallurgy, p: 157-162.
• [7] ISRM, 1978. Suggested methods for determining tensile strength of rock materials. International Journal of Rock Mechanics, Mining Sciences, and Geomechanics Abstract, 15(3):99-103.
• [8] Khanlari G., Rafiei B., Abdilor Y., 2014a. An experimental investigation of the Brazilian tensile strength and failure patterns of laminated sandstones. Rock Mechanics and Rock Engineer, 48(2):843-852.
• [9] Khanlari G.R., Heidari M., Sepahigero A.A., Fereidooni D., 2014b. Quantification of strength anisotropy of metamorphic rocks of the Hamedan province, Iran, ad determined from cylindrical punch, point load and Brazilian tests. Engineering Geology, 169:80-90.
• [10] Kulatilake P.H.S.W., Shou G., Huang T.H., Morgan R.M., 1995. New peak shear strength criteria for anisotropic rock joints. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, 32(7):673-697.
• [11] Li D., Wong L.N.Y., Liu G., Zhang X.P., 2012. Influence of water content and anisotropy on the strength and deformability of low porosity meta-sedimentary rocks triaxial compression. Engineer Geology, 126:46-66.
• [12] Li W.F., Bai J.B., Peng S.S., Wang X.X., Xu Y., 2014. Numerical modeling for yield pillar design: a case study. Rock Mechanics and Rock Engineering, 48(1):305-318.
• [13] Li W.F., Bai J.B., Cheng J.Y., Peng S.S., Liu H.L., 2015. Determination of coal-rock interface strength by laboratory direct shear tests under constant normal load. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 77:60-67.
• [14] Morsy K., Peng S.S., 2002. Numerical modeling of the gob loading mechanism in longwall coal mines. Proc. of the 21st International Conference on Ground Control in Mining, Morgantown, West Virginia, p: 58-67.
• [15] Peng S.S., 2007. Ground Control Failures-A pictorial view of case studies. West Virginia University, WV, p: 4-6.
• [16] Peng S.S., 2008. Coal Mine Ground Control. Third Edition. West Virginia University, WV, p: 359-363.
• [17] Qing Y.M., Dong C.X., Dong S.C., 2011. Brazilian splitting strengths of discs and rings of rocks in dry and saturated conditions. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 30(3):464-472.
• [18] Su C., Zhang S., Tang X., 2013. Experimental research on deformation and strength characteristics in process of Brazilian split fatigue failure of sandstone. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 32(1):41-48.
• [19] Suchowerska A.M., Merifield R.S., Carter J.P., 2013. Vertical stress changes in multi-seam mining under supercritical longwall panels. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 61:306–320.
• [20] Tan X., Konietzky H., Fruhwirt T., Dan D.Q., 2014. Brazilian tests on transversely isotropic rocks: laboratory testing and numerical simulations. Rock Mechanics and Rock Engineering, 48(4):1341-1351.
• [21] Tien Y.M., Kuo M.C., Juang C.H., 2006. An experimental investigation of the failure mechanism of simulated transversely isotropic rocks. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 43(8):1163-1181.
• [22] Yilmaz I., 2010. Influence of water content on the strength and deformability of gypsum. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 47(2):342-347.
• [23] Wong L.N.Y., Jong M.C., 2014. Water saturation effects on the Brazilian tensile strength of Gypsum and assessment of cracking processes using high-speed video. Rock Mechanics and Rock Engineering, 47(4):1103-1115.