Effects of initial damage on time-dependent behavior of sandstone in uniaxial compressive creep test

• Autorzy: Hou Rongbin , Zhang Kai , Tao Jing

Identyfikatory

DOI

10.24425/ams.2019.129377

Warianty tytułu

PL

Wpływ uszkodzeń początkowych na przebieg czasowy zmian zachowania piaskowca w trakcie próby jednoosiowego pełzania

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Time-dependent behavior of rock mass is important for long-term stability analysis in rock engineering. Extensive studies have been carried out on the creep properties and rheological models for variable kinds of rocks, however, the effects of initial damage state on the time-dependent behavior of rock has not yet been taken into consideration. In the present study, the authors proposed a creep test scheme with controlled initial damage to investigate the influence of initial damage on the time-dependent behavior of sandstone. In the test scheme, the initial states of damage were first determined via unloading the specimen from various stresses. Then, the creep test was conducted under different stress levels with specific initial damage. The experimental results show that there is a stress threshold for the initial damage to influence the behavior of the rock in the uniaxial compressive creep tests, which is the stress threshold of dilatancy of rock. When the creep stress is less than the stress threshold, the effect of the initial damage seems to be insignificant. However, if the creep stress is higher than the stress threshold, the initial damage has an important influence on the time-dependent deformation, especially the lateral and volumetric deformation. Moreover, the initial damage also has great influence on the creep failure stress and long-term strength, i.e., higher initial damage leading to lower creep failure stress and long-term strength. The experimental results can provide valuable data for the construction of a creep damage model and long-term stability analysis for rock engineering.

PL

Przebieg czasowy zachowania górotworu jest zagadnieniem kluczowym w analizie stabilności systemu w ujęciu długoterminowym. Przeprowadzono szerokie badania modeli reologicznych i właściwości procesów pełzania dla rozmaitych typów skał; jednakże w badaniach nie uwzględniano wpływu uszkodzeń początkowych na zachowanie górotworu i jego przebieg czasowy. W artykule autorzy zaproponowali nowy sposób przeprowadzania próby pełzania, z uwzględnieniem kontrolowanych uszkodzeń początkowych, tak by wpływ obecności uszkodzeń początkowych na przebieg czasowy zmian zachowania piaskowca mógł zostać uwzględniony. W metodzie tej w pierwszej fazie określono zakres początkowych uszkodzeń poprzez odprężenie próbki w celu wyeliminowania rożnego rodzaju naprężeń. Następnie przeprowadzono próbę pełzania w warunkach zmiennych obciążeń przykładanych do próbki o określonym poziomie uszkodzeń początkowych. Wyniki eksperymentu wskazują na istnienie pewnej wartości progowej naprężenia powyżej której obecność uszkodzeń początkowych będzie mieć wpływ na zachowanie próbki skalnej w trakcie próby jednoosiowego pełzania; jest to poziom progowy dla powstawania dylatacji. Gdy naprężenie pełzania ma wartość niższą od wartości progowej, wpływ uszkodzeń początkowych wydaje się nieznaczny. Jednakże, dla naprężeń pełzania powyżej wartości progowej, wpływ uszkodzeń początkowych na przebieg odkształceń jest znaczący, zwłaszcza w odniesieniu do odkształceń poprzecznych i objętościowych. Ponadto, istnie-nie uszkodzeń początkowych ma także wpływ na poziom naprężeń rozrywających przy próbie pełzania i wytrzymałość próbki w ujęciu długoterminowym. Wykazano, że im większe uszkodzenia początkowe, tym niższa wartość naprężenia zrywającego przy próbie pełzania i niższa wytrzymałość długoterminowa. Wyniki eksperymentu dostarczyć mogą cennych danych niezbędnych do skonstruowania modelu uszkodzeń skał wskutek pełzania oraz do analiz stabilności konstrukcji inżynierskich w ujęciu długoterminowym.

Słowa kluczowe

EN

multi-loading uniaxial creep test; initial damage; time-dependent behaviour; sandstone

PL

próba pełzania jednoosiowego przy wielokrotnym obciążeniu; uszkodzenia początkowe; czasowy przebieg zachowań górotworu; piaskowiec

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2019
• Tom: Vol. 64, no. 4
• Strony: 687--707
• Opis fizyczny: Bibliogr. 36 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Hou Rongbin

• China University of Mining & Technology,School of Mechanics & Civil Engineering, Xuzhou 221116, Jiangsu, China
• North China University of Water Resources and Electric Power, School of Civil Engineering and Communication, Zhengzhou 450045, Henan, China

autor

Zhang Kai

• China University of Mining & Technology, State Key Laboratory for Geomechanics & Deep Underground Engineering, Xuzhou 221116, Jiangsu, China

autor

Tao Jing

• China University of Mining & Technology, State Key Laboratory for Geomechanics & Deep Underground Engineering, Xuzhou 221116, Jiangsu, China

Bibliografia

• [1] Bobet A., 2009. Elastic solution for deep tunnels. Application to excavation damage zone and rockbolt support. Rock Mechanics and Rock Engineering 42 (2), 147-174.
• [2] Cao P., Wen Y.D., Wang Y.X. et al., 2016. Study on nonlinear damage creep constitutive model for high-stress soft rock. Environmental Earth Sciences 75, 900.
• [3] Cui X.H., Fu Z.L., 2006. Experimental study on rheology properties and long-term strength of rocks. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering 25 (5), 1021-1024 (in Chinese).
• [4] Chandler N.A., 2013. Quantifying long-term strength and rock damage properties from plots of shear strain versus volume strain. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 59, 105-110.
• [5] Chen L., Liu J.F., Wang C.P. et al., 2014. Characterization of damage evolution in granite under compressive stress condition and its effect on permeability. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 71, 340-349.
• [6] Chen L., Liu J.F., Wang C.P. et al., 2015. Damage and plastic deformation modeling of beishan granite under compressive stress conditions. Rock Mechanics and Rock Engineering 48 (4), 1623-1633.
• [7] Fan H.L., Jin F.N., 2000. Effcetive modulus method in damage mechanics of rock. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering 19 (4), 432-435 (in Chinese).
• [8] Gatelier N., Pellet F., Loret B., 2002. Mechanical damage of an anisotropic porous rock in cyclic triaxial tests. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 39 (3), 335-354.
• [9] Kortas G., 2013. Long- and short-term processes indicated by the displacement of the chamber roofs in the monumental wieliczka salt mine. Archives of Mining Sciences 58 (1), 119-130.
• [10] Kortas G., 2016. Equilizing of the primary stress state in the rock mass, simulated by a model of layer in an elastic-viscous medium. Archives of Mining Sciences 61 (4), 853-873.
• [11] Kozubal J., Tomanovic Z., Zivaljevic S., 2016. The soft rock socketed monopile with creep effects - a reliability approach based on wavelet neural networks. Archives of Mining Sciences 61 (3), 571-585.
• [12] Li Y.S., Xia C.C., 2000. Time-dependent tests on intact rocks in uniaxial compression. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 37 (3), 467-475.
• [13] Liu L., Xu W., 2015. Experimental researches on long-term strength of granite gneiss. Advances in Materials Science and Engineering 2, 1-9.
• [14] Lu C., Hu X.L., 2017. Triaxial rheological property of sandstone under low confining pressure. Engineering Geology 231, 45-55.
• [15] Malan D.F., 1999. Time-dependent behaviour of deep level tabular excavations in hard rock. Rock Mechanics and Rock Engineering 32 (2), 123-155.
• [16] Ma L.J., Wang M.Y., Zhang N., et al., 2017. A variable-parameter creep damage model incorporating the effects of loading frequency for rock salt and its application in a bedded storage cavern. Rock Mechanics and Rock Engineering 50 (9), 1-15.
• [17] Okubo S., Fukui K., Hashiba K., 2010. Long-term creep of water-saturated tuff under uniaxial compression. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 47 (5), 839-844.
• [18] Aydan O., Ito T., Özbay U. et al., 2014. ISRM Suggested Methods for Determining the Creep Characteristics of Rock. Rock Mechanics and Rock Engineering 47 (1), 275-290.
• [19] Qiu S.L., Feng X.T., Zhang C.Q. et al., 2012. Experimental research on mechanical properties of deep marble under different initial damage levels and unloading paths. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering 31 (8), 1686-1697 (in Chinese).
• [20] Tan T., 1982. The mechanical problems for the long-term stability of underground galleries. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering 1 (1), 1-20 (in Chinese).
• [21] Tsai L.S., Hsieh Y.M., Weng M.C. et al., 2008 Time-dependent deformation behaviors of weak sandstones. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 45 (2), 144-154.
• [22] Wu L.Z., Li B., Huang R.Q. et al., 2017. Experimental study and modeling of shear rheology in sandstone with nonpersistent joints. Engineering Geology 222, 201-211.
• [23] Weng M.C., Tsai L.S., Hsieh Y.M. et al., 2010. An associated elastic-viscoplastic constitutive model for sandstone involving shear-induced volumetric deformation. International Journal of Rock Mechanics and Mining Science 47 (8), 1263-1273.
• [24] Wang W.J., Feng T., Hou C.J. et al., 2002. Analysis on the relationship between stress distribution on integrated coal beside roadway driving along next goaf and damage of surrounding rocks. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering 21 (11), 290-593 (in Chinese).
• [25] Wang R.B., Xu W.Y., Wang W. et al., 2013. A nonlinear creep damage model for brittle rocks based on time-dependent damage. European Journal of Environmental and Civil Engineering 17 (s1), 111-125.
• [26] Xu W.Y., Yang S.Q., Chu W.J., 2006. Nonlinear viscoelasto-plastic rheological model (hohai model) of rock and its engineering application. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering 25 (3), 433-447 (in Chinese).
• [27] Xie H.P., Ju Y., Dong Y.L., 1997. Discussion about “elastic modulus method” in the classic definition of damage. Mechanics Practice 19 (2), 1-5 (in Chinese).
• [28] Yang C.H., Daemen J.J.K., Yin J.H., 1999. Experimental investigation of creep behavior of salt rock. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 36 (2), 233-242.
• [29] Yuan H.P., Cao P., Wan W. et al., 2006. Study on creep rules of soft and intricate ore-rock under step load and unload. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering 25 (8), 1575-1581 (in Chinese).
• [30] Yang W.D., Zhang Q.Y., Li S.C. et al., 2014. Time-dependent behavior of diabase and a nonlinear creep model. Rock Mechanics and Rock Engineering 47 (4), 1211-1224.
• [31] Yang S.Q., Cheng L., 2011. Non-stationary and nonlinear visco-elastic shear creep model for shale. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 48 (6), 1011-1020.
• [32] Yan P., Lu W.B., Chen M. et al., 2015. Contributions of in-situ stress transient redistribution to blasting excavation damage zone of deep tunnels. Rock Mechanics and Rock Engineering 48 (2), 715-726.
• [33] Zhang Y., Shao J.F., Xu W.Y. et al., 2016. Time-dependent behavior of cataclastic rocks in a multi-loading triaxial creep test. Rock Mechanics and Rock Engineering 49 (1), 1-11.
• [34] Zhang Z.L., Xu W.Y., Wang W. et al., 2012. Triaxial creep tests of rock from the compressive zone of dam foundation in xiangjiaba hydropower station. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 50 (35), 133-139.
• [35] Zhang K., Zhang G.M., Hou R.B. et al., 2015. Stress evolution in roadway rock bolts during mining in a fully mechanized longwall face and an evaluation of rock bolt support design. Rock Mechanics and Rock Engineering 48 (1), 333-344.
• [36] Zhang Q., Zhang C.H., Jiang B.S. et al., 2018. Elastoplastic coupling solution of circular openings in strain-softening rock mass considering pressure-dependent effect. International Journal of Geomechanics 18 (1), 04017132.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020)