Caractéristiques d'endommagement des roches fragiles avec différents angles d'inclinaison pendant le fluage

Scientific Reports volume 13, Numéro d’article: 7497 (2023) Citer cet article

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Pour étudier l’influence de l’angle de pendage de la couche faible sur la rupture par fluage de la masse rocheuse composite, cet article mène une expérience de fluage de charge graduée sur la masse rocheuse composite avec différents angles de pendage en utilisant la méthode d’émission acoustique pour examiner le processus d’évolution de la fracture. Avec l’augmentation du grade de charge, le nombre total cumulé de cernes de la masse rocheuse montre une tendance en forme de « U », et les résultats du positionnement spatial de l’émission acoustique montrent que les événements d’émission acoustique dans le processus de fracture de la masse rocheuse sont principalement concentrés au voisinage de la couche faible, tandis que les événements dans d’autres zones sont peu nombreux et dispersés. Pour les masses rocheuses avec des angles de pendage de couche faibles de 0° et 15°, des fissures se produisent dans les roches tendres et dures, où les fissures de cisaillement sont dominantes dans les roches tendres, les fissures de traction sont dominantes dans les roches dures, et enfin, la masse rocheuse présente principalement une rupture de rupture en traction. Pour les masses rocheuses avec des angles de pendage de couche faibles de 30° et 45°, la plupart des fissures existent à l’intérieur de la roche tendre, qui est dominée par des fissures de cisaillement. Avec l’augmentation des charges graduées, les fissures de cisaillement continuent de se développer le long de la direction de la couche faible, la masse rocheuse supérieure continue de glisser et de se déplacer, et le mode de défaillance final est principalement la rupture par glissement de cisaillement. L’évolution des dégâts varie en fonction de l’angle d’inclinaison de la couche faible, qui peut être divisé en trois étapes : l’accumulation initiale des dégâts, l’accélération des dégâts et la destruction des dégâts. Cela démontre la capacité de prédire, de prévenir et de contrôler l’occurrence des catastrophes de fluage dans les masses rocheuses avec des couches faibles.

Avec le développement rapide de l’économie, l’industrie de l’ingénierie de la masse rocheuse se développe et de plus en plus de projets d’ingénierie de la masse rocheuse sont menés les uns après les autres, en particulier dans les strates de mesure du charbon, où les roches métamorphiques et les mudstones sont largement distribuées, voir Fig. 1. Notamment, la masse rocheuse à lit faible interrompt l’intégrité et la continuité de la structure de la masse rocheuse, compromet les propriétés mécaniques de la masse rocheuse et augmente les risques de rupture soudaine et catastrophique sous contrainte appliquée.

Masse rocheuse à lit faible.

Les propriétés mécaniques de la masse rocheuse avec des couches faibles ne se manifestent pas seulement dans le comportement élastique et plastique, mais aussi dans le comportement rhéologique, qui dépend du temps. Le fluage est l’une des propriétés mécaniques rhéologiques importantes des masses rocheuses. La destruction est le processus d’accumulation de déformation au fil du temps sous l’action à long terme des charges appliquées. En raison de l’existence de plans structurels faibles de la masse rocheuse litée, ses propriétés mécaniques sont relativement complexes, présentant généralement une anisotropie importante, et le mécanisme de rupture est différent de celui de la masse rocheuse homogène. À cette fin, de nombreux chercheurs se sont concentrés sur l’élucidation des propriétés mécaniques et des mécanismes de défaillance des masses rocheuses composites. Une brève revue de la littérature est fournie ci-dessous.

Xin1 a utilisé un liant de résine époxy pour combiner le mudstone, le grès et le calcaire en une masse rocheuse composite, a réalisé l’expérience de compression tridimensionnelle de l’ensemble du processus de contrainte-déformation et a étudié les effets de la pression latérale sur les propriétés mécaniques. Changfu2,3,4 a effectué des expériences de compression uniaxiale, de compression triaxiale et de cisaillement direct sur divers échantillons de roche, tels que le mudstone, le grès et le calcaire, et trois types d’échantillons de roches composites cimentés ensemble, afin d’examiner les caractéristiques de résistance et de déformation de la masse rocheuse stratifiée. Yang5 a pris la pente autour du réservoir des Trois Gorges comme prototype, a utilisé une plate-forme vibratoire à grande échelle pour tester la réponse dynamique et les caractéristiques d’émission acoustique de la pente sous l’action sismique, et a établi la vibration d’émission acoustique de la pente sandwich. Bingwu6 a mené des expériences triaxiales sur la masse rocheuse avec des couches faibles et a discuté de l’influence du pendage d’interface sur la courbe contrainte-déformation, le module d’élasticité, la résistance à la compression, la chute de contrainte post-pic et l’état de rupture des masses rocheuses avec des couches faibles. De plus, l’état de défaillance de différents angles d’inclinaison de l’interface a été analysé théoriquement. Li7 a mené des expériences de compression uniaxiale et de compression triaxiale sous différentes pressions de confinement sur trois échantillons de carottes de roche salée intercalaire contenant des mudstones, de mudstone pur et de roche salée pure, et a utilisé la théorie d’expansion du milieu Cosserat pour étudier la compression intercalaire du schiste. Une analyse théorique de l’influence a été effectuée, et il a été signalé que l’inadéquation des propriétés mécaniques de la roche salée et du mudstone fait que le mudstone réagit de manière similaire à l’application de contraintes de traction. Huafeng8 a recueilli des échantillons de terrain pour des expériences de compression uniaxiale et de compression triaxiale et a analysé l’influence de l’angle de couche faible sur les propriétés mécaniques et les modes de défaillance. Wang9 a considéré la mine de charbon à ciel ouvert Hami comme sujet de recherche, a déterminé la position de l’intercalaire faible dans la pente en analysant le profil de déformation, a considéré la faible masse rocheuse intercalaire comme un système mécanique complet, a établi le modèle mécanique du système de masse rocheuse intercouche faible et a proposé un indice pour évaluer le degré de défaillance avant que l’instabilité ne se produise. Abbas10 a mené des recherches sur les propriétés mécaniques de la masse rocheuse composite multicouche grès-schiste-grès avec différents angles intercalaires, étudié la réponse élastique de la propagation de la vitesse des vagues et révélé que le module d’élasticité et le module de cisaillement de la masse rocheuse composite varient avec l’angle intercalaire. Avec l’angle croissant, sa rigidité a un effet plus significatif, et le comportement anisotrope de la vitesse de l’onde dans la masse rocheuse composite est affecté par la direction du joint, et non par l’intercalaire de schiste.

En plus de ces expériences fondamentales, de nombreuses études concernant les réponses de fluage des masses rocheuses stratifiées ont été rapportées. Gengyou et al.11 ont étudié les caractéristiques de fluage et l’influence de l’angle de la lamelle sur les structures rocheuses en couches minces. Yanlin et coll.12,13,14 ont utilisé la méthode de chargement et de déchargement cycliques avec des incréments gradués pour mener des expériences de fluage sur des corps minéralisés complexes avec des couches intermédiaires faibles et ont analysé la déformation visco-élastique-plastique. Pour vérifier l’exactitude du nouveau modèle de fluage visco-élastique-plastique non linéaire proposé, Haifei et al.15 ont mené une expérience de fluage par compression triaxiale sur du grès dans des conditions de pression d’eau élevée et de pression de confinement élevée. Qiuyan16 a mené une série d’expériences de fluage par compression uniaxiale pour étudier les caractéristiques de fluage des roches tendres argileuses et a analysé les changements microscopiques et mésoscopiques au cours du processus de fluage. Xinxi17 a réalisé des expériences de fluage par compression triaxiale sur du siltstone argileux en utilisant une charge incrémentielle pour étudier les caractéristiques de fluage et la résistance à long terme du siltstone argileux soumis à des contraintes élevées.

Les études ci-dessus portent principalement sur les propriétés mécaniques de la masse rocheuse composite stratifiée, mais il existe relativement peu d’études sur les propriétés de fluage et le mécanisme d’évolution de la fracture de la masse rocheuse contenant des composites faibles utilisant un équipement d’émission acoustique pour observer la propagation des fissures avec différents angles de pendage de couche faible sous charge constante.

Selon les conditions géologiques d’ingénierie réelles et la distribution des couches de roches tendres, le grès et le mudstone appartiennent à la catégorie des roches sédimentaires, qui est généralement composée de grains de sable et d’argile faiblement consolidée déposée sur le lit de la rivière après une érosion hydrique à long terme, et les intercouches se forment généralement au cours de centaines d’années d’accumulation. La masse rocheuse, en raison de la faible résistance introduite par les défauts des couches intermédiaires, est susceptible de se désintégrer lorsqu’elle rencontre de l’eau et présente une faible capacité de cimentation, ce qui est susceptible de provoquer diverses catastrophes géologiques. Dans cet essai, le grès et le mudstone sont sélectionnés respectivement comme roche dure et roche tendre, et coupés et polis conformément aux exigences de la spécification d’essai pour fabriquer plusieurs blocs rocheux. Comme le montre la Fig. 2, le parallélisme et la douceur de la face d’extrémité du substratum rocheux répondent aux normes de l’International Society for Rock Mechanics (ISRM), garantissant que l’erreur de face terminale est de ± 0,1 cm, en gardant la surface du substrat rocheux propre et ordonnée, en les plaçant dans le moule à tour de rôle et en appliquant uniformément de la colle de marbre à l’interface, Au cours du processus de collage, il est nécessaire de s’assurer que la verticalité de la masse rocheuse répond aux exigences de la spécification d’essai et que la taille de la masse rocheuse est de 50 mm × 50 mm × éprouvette rectangulaire standard de 100 mm, comme indiqué à la Fig. 3, Les angles sont divisés en quatre groupes, à savoir 0°, 15°, 30° et 45°, avec trois échantillons dans chaque groupe.

Bloc rocheux coupé en forme.

Spécimen de masse rocheuse avec lit faible.

La configuration expérimentale se compose d’un système de chargement et d’un système de détection d’émission acoustique, comme le montre la Fig. 4. Le système de chargement expérimental utilise une servo-machine d’essai de pression électrohydraulique contrôlée par micro-ordinateur aYAW-2000. Au cours de l’expérience de fluage, une charge constante est appliquée à l’aide d’une charge échelonnée. La vitesse de chargement est de 0,02 MPa/s. La charge de la première étape est la même pour chaque condition de travail. La masse rocheuse correspond à 35 % à 50 % de la résistance uniaxiale à la compression, et l’augmentation de charge de la charge échelonnée est de 0,5 MPa pour les expériences de fluage à chargement multiple. Lorsque la courbe de fluage tend à être stable ou que la vitesse de l’étape de fluage stable est nulle, l’étape suivante de chargement est appliquée jusqu’à ce que l’essai de fluage échoue. La machine expérimentale est utilisée pour enregistrer la déformation axiale pendant le processus de fluage, et le système d’émission acoustique est utilisé pour surveiller la réponse en temps réel. Pour le signal d’émission acoustique à l’intérieur du corps, il est nécessaire de porter une attention particulière au processus expérimental et d’affiner le temps de chargement.

Système de chargement par fluage.

Le système de surveillance des émissions acoustiques utilise le système de test et d’analyse d’émission acoustique à 8 canaux de type PCI-2 produit par American Acoustic Physics Corporation. Le système est principalement composé d’ordinateurs, de sondes, de préamplificateurs, de convertisseurs, de lignes de signaux d’émission acoustique et d’autres équipements. Le signal de la sonde d’émission acoustique est RS-54A, le diamètre est de 8 mm, les modèles d’amplificateurs sont 20/40/60 dB, et trois engrenages différents sont fournis: 20, 40 et 60 dB.Sa fonction est principalement d’amplifier la sonde pour capturer et transmettre des signaux à l’ordinateur pour analyse et traitement. Ce type d’amplificateur présente les avantages de la petite taille, du faible bruit et de la résistance aux chocs. Le seuil de surveillance du système est de 36 dB, la fréquence de résonance est de 140 kHz, le temps de définition de l’impact est de 50 μs et l’intervalle de temps d’échantillonnage est de 0,1 s. Il surveille principalement le nombre d’événements, le nombre d’énergie, le nombre de sonneries et des paramètres tels que les points caractéristiques de la source. Au cours de l’expérience, pour construire la distribution spatiale tridimensionnelle de l’émission acoustique, cinq sondes d’émission acoustique ont été utilisées sur les côtés gauche, droite et arrière de l’échantillon. Les positions des sondes sont indiquées à la Fig. 5.

Distribution de capteurs de charge.

Les valeurs de charge graduée au cours de l’expérience de fluage sont indiquées dans le tableau 1. Le signal de comptage des anneaux d’émission acoustique à l’intérieur de la masse rocheuse est représenté à la Fig. 6.

Courbe de relation entre le nombre de cernes, la déformation axiale et le temps de la roche avec différents angles de pendage de couches faibles dans l’expérience de fluage.

D’après la Fig. 6 et tableau 2, lorsque la charge passe de 0 à la charge de premier niveau, les signaux d’émission acoustique émis par chaque groupe de masses rocheuses sont denses, le nombre cumulé de baguages correspondant est plus élevé et le nombre de baguages augmente avec l’inclinaison croissante de la couche faible. Lorsque la charge de premier niveau est stable, le signal d’émission acoustique émis par la masse rocheuse diminue progressivement et le nombre cumulé de baguages diminue progressivement. Lorsque la charge du deuxième niveau augmente, le nombre cumulé de sonneries augmente à nouveau. Une fois la charge de deuxième niveau stabilisée, le nombre cumulé de baguages de chaque groupe de masses rocheuses devient plus calme. Étant donné que les changements de charge incrémentielle sont faibles au cours de la période de charge croissante du deuxième niveau, le nombre cumulatif de sonneries est nettement inférieur à celui de la période de charge du premier niveau. Le nombre de sonneries pour l’étape de fluage sous la charge du deuxième niveau augmente légèrement par rapport à l’étape de fluage de premier niveau. Sous l’action du dernier niveau de charge, le nombre cumulé de sonneries dans la phase de charge croissante a augmenté par rapport aux deux étapes précédentes. Au stade de fluage accéléré, le nombre total de baguages accumulés des échantillons sous diverses charges montre une tendance à diminuer d’abord, puis à augmenter avec la charge croissante. Le changement de l’angle de pendage de la couche faible produit un changement soudain.

Les courbes de fluage de tous les niveaux de charge sous chaque angle d’inclinaison sont représentées à la Fig. 7. Pour faciliter l’analyse, les distributions à la source des différents niveaux de charge sous différents niveaux de contrainte après avoir atteint la stabilité sont sélectionnées, comme le montre la Fig. 8A, C et E. Les diagrammes de distribution des sources de la Fig. 8B et D représentent la fin ultérieure de chaque étape, et les distributions de sources dans la Fig. 8F indique le stade avancé du fluage accéléré, et les positions spécifiques de chaque surface de la roche tendre sont spécifiées dans les diagrammes.

Courbes de fluage de l’échantillon de roche contenant des couches faibles avec différents angles de pendage.

Distribution focale et évolution des roches avec différents angles de pendage des couches faibles pendant le fluage de chargement gradué.

D’après la Fig. 8, lorsque l’angle d’inclinaison de la couche faible est de 0° et que la charge du premier niveau est stable, il y a une petite quantité d’hypocentre au milieu du côté droit de la roche tendre. Lorsque la charge de deuxième niveau est appliquée, l’hypocentre augmente légèrement. À ce moment, un hypocentre est généré au sommet de la roche dure. Une fois la charge stabilisée, l’accélération de l’hypocentre diminue progressivement. Seule une petite quantité d’hypocentre est générée dans la roche dure sur la face inférieure. Lorsque la charge dépasse 80% de la résistance à la compression, la source sismique sur la surface droite de la roche tendre et le sommet de la roche dure sur la face supérieure augmentent considérablement. Après être entrée dans la phase d’accélération, la source sismique se développe rapidement vers le côté gauche de la roche tendre, puis la masse rocheuse subit une instabilité de fluage.

Lorsque l’angle d’inclinaison de la couche faible est de 15° et que la charge du premier niveau augmente à un niveau stable, il y a des hypocentres près de la face supérieure de la roche tendre et du haut et du bas de la roche dure. À l’heure actuelle, le nombre d’hypocentres est très faible. Après être entré dans la phase de fluage, la charge constante à long terme agit. Au milieu de la roche tendre, il y a un petit nombre d’hypocentres dispersés au milieu de la roche tendre, et les hypocentres de la roche tendre sont plus nombreux que ceux de la roche tendre. Il y a aussi un petit nombre de sources à la périphérie. Après être entré dans la phase de fluage, le nombre de sources ne change pas de manière significative. À l’heure actuelle, le signal d’émission acoustique est relativement faible. Lorsque la charge du troisième ordre est appliquée, les hypocentres augmentent considérablement sur la face inférieure de la roche tendre et l’interface inférieure. Quelques hypocentres sont générés, et le signal d’émission acoustique dans l’étape de fluage devient également très actif. Après être entré dans la phase de fluage accéléré, le nombre d’hypocentres augmente jusqu’à la valeur maximale, la masse rocheuse est concassée dans son ensemble et, enfin, la rupture de rupture en traction et le cisaillement se produisent. réduire les dégâts.

Lorsque l’angle d’inclinaison de la couche faible est de 30°, la charge du premier niveau est appliquée jusqu’à l’étage stable et pendant toute l’étape de fluage. Dans ce cas, il n’y a pas de source sismique à l’intérieur de la roche tendre et de la roche dure, puis la charge augmente. Une fois que la charge reste inchangée, l’interface supérieure affiche les sources de traces réparties autour de la roche tendre et de la roche tendre. Après être entré dans la phase de fluage, la source n’a presque pas augmenté. Une fois la charge du troisième niveau appliquée, la source augmente considérablement à l’interface et une partie de la source se trouve dans le coin inférieur gauche de la roche dure sur le côté inférieur, qui entre dans la phase de fluage. Au même stade, le même nombre de sources reste constant. Lorsque la charge de quatrième niveau est appliquée, la charge atteint 85% de la résistance à la compression. La source sur le côté droit de la roche tendre augmente considérablement et l’accumulation de sources sur l’interface supérieure devient plus claire. Après de graves dommages, la capacité portante de la masse rocheuse diminue progressivement. Après être entré dans le stade de fluage accéléré, un grand nombre d’hypocentres sont générés et se développent vers la roche tendre. À ce moment-là, un « groupe source sismique » s’est formé dans la roche tendre, et la masse rocheuse finit par se décomposer.

Lorsque l’angle d’inclinaison de la couche faible est de 45°, une fois la stabilité atteinte pendant le chargement primaire, une source de traces est générée au sommet de la face supérieure de la roche tendre. L’hypocentre est généré et la charge continue d’augmenter. Le nombre d’hypocentres augmente dans le milieu supérieur et le milieu inférieur de la roche tendre. Il y a une trace d’hypocentre au sommet de la roche dure. Après être entré dans la phase de fluage, l’hypocentre augmente légèrement. Le nombre d’hypocentres au milieu de la roche est considérablement augmenté, et les hypocentres sont répartis uniformément dans la roche tendre, tandis que les hypocentres dans la roche dure sont extrêmement petits.

Non seulement le nombre de sources change avec l’augmentation de la charge, mais pour un niveau de charge donné, mais le nombre de sources augmente également avec l’augmentation de l’angle de pendage faible; Plus l’angle de pendage est grand, plus les hypocentres ont tendance à être distribués près de la roche tendre et plus les dommages causés par la masse rocheuse sont importants. On peut voir que plus l’angle de pendage est faible, plus il est sujet à l’instabilité de la masse rocheuse. On peut voir que plus l’angle de pendage de la couche faible est grand, plus les dommages causés par la masse rocheuse sont graves et plus la défaillance de l’instabilité est probable.

D’après la Fig. 9, les modes de rupture des quatre groupes d’échantillons de roche avec différents angles de pendage des couches faibles peuvent être divisés en rupture de traction fractionnée et rupture par glissement de cisaillement le long de l’intercalaire faible. Les fissures générées lorsque la masse rocheuse cisaille le long de la contrainte de cisaillement maximale sont des fissures de cisaillement, et les fissures générées lorsque la masse rocheuse cisaille sont des fissures de traction. Lorsque l’angle de pendage de la couche faible est de 0°, les fissures superficielles apparaissent autour de la roche tendre et de la roche dure, et les blocs rocheux se décollent successivement, et enfin, la masse rocheuse subit une rupture de rupture par traction. Lorsque l’angle d’inclinaison de la couche faible est de 15°, la fissure verticale pénètre dans l’interface tendre-dur et se connecte à la fissure principale dans la roche tendre, et enfin, la masse rocheuse subit une rupture par traction. Lorsque l’angle d’inclinaison de la couche faible est de 30°, en raison de l’expansion et de la pénétration des fissures de surface sur le côté gauche de la masse rocheuse, l’exfoliation de gros blocs se produit et une surface de fracture macroscopique se forme au milieu de la roche tendre et l’échantillon glisse le long de la surface de fracture macroscopique. Finalement, la masse rocheuse subit une rupture par glissement de cisaillement. Lorsque l’angle d’inclinaison de la couche faible est de 45°, les fissures des deux côtés de la fissure sont connectées, s’étendent jusqu’à l’interface supérieure du côté gauche de la couche faible, pénètrent dans l’interface et s’étendent jusqu’au sommet de la roche dure, provoquant la chute de gros morceaux de roche dure et de roche tendre. Des fissures macroscopiques de glissement de cisaillement sont générées, ce qui provoque une instabilité du glissement de cisaillement et une rupture de la masse rocheuse.

Mode de défaillance de fluage final de la masse rocheuse avec différentes couches faibles et angles de pendage.

L’émission acoustique peut élucider les dommages internes à la roche qui évoluent pendant le processus de rupture. Pour obtenir intuitivement les dommages internes de la roche pendant le processus de chargement, le nombre cumulé de sondes des émissions acoustiques est sélectionné comme variable pour caractériser les dommages rocheux.

Kachanov18 a défini la variable de dommage D comme suit:

Dans la formule, D représente la variable des dommages, A est la section efficace de l’état initial et Ad est la section efficace de l’échantillon de roche où les dommages se produisent.

Le nombre de sondes d’émission acoustique par unité de surface lorsque la roche est endommagée est de :

Dans la formule, Nc est le nombre cumulatif de baguages lorsque l’échantillon de roche est endommagé par unité de surface, et Nw est le nombre cumulatif de baguages après que l’échantillon de roche est complètement endommagé.

Lorsque la zone endommagée est At, Nt peut être exprimé comme suit:

Combinaison d’éqs. (1) et (3), la variable de dommage D peut être exprimée comme suit:

Sur la base des dommages incomplets des dommages, la variable des dommages peut être corrigée. En se référant aux recherches de Liu Baoxian19,20,21 et d’autres chercheurs, la valeur critique des dommages après correction peut être considérée comme suit:

Dans la formule, Dtis est la valeur des dommages critiques, ∂p est la résistance du pic rocheux et ∂c est la résistance résiduelle de la roche. La variable de dommage modifiée peut être obtenue sous la forme :

Selon la théorie de la déformation équivalente et de la mécanique élastique, le modèle de dommages rocheux sous émission acoustique est:

Trier et calculer le nombre cumulé de cycles, le changement du nombre de cycles à tout moment et les paramètres physiques et mécaniques de la roche dans les résultats des essais d’émission acoustique, puis substituer les résultats dans la formule (7) et tracer la courbe d’évolution des dommages aux roches de différents angles de pendage de couche faible jusqu’à l’origine, comme indiqué à la Fig. 10.

Courbes d’évolution des dommages des roches contenant des couches faibles avec différents angles de pendage.

D’après la Fig. 10, les courbes d’évolution des dommages de la masse rocheuse varient avec l’angle de pendage de la couche faible, mais il peut être divisé en trois étapes: accumulation des dommages, accélération des dommages et destruction des dommages. Lorsque l’angle d’inclinaison de la couche faible est de 0°, la variable initiale des dommages de la roche est faible et la roche est progressivement compactée au cours du processus de chargement. Lorsque l’angle de pendage de la couche est de 15°, la variable de dommage initial est la plus petite. Avec l’accumulation progressive des dommages, la roche entre dans la phase de dommages accélérés et, finalement, des dommages se produisent. Lorsque l’angle de pendage de la couche faible est de 30°, la variable de dommage initial se développe de manière flexible avec le compactage de la roche. Avec le développement continu du fluage, les dommages s’accumulent progressivement, et ils entrent dans la phase de dommages accélérés plus tôt que cela à 15°, et atteignent finalement la valeur maximale des dommages. Lorsque l’angle d’inclinaison de la couche faible est de 45°, la valeur variable initiale des dommages est la plus grande et la roche est complètement compactée. Après cela, il entre dans la phase d’accumulation des dégâts. Avec l’augmentation continue de la contrainte, la roche entre dans la phase de défaillance et le montant des dommages atteint un maximum. En fin de compte, l’angle d’inclinaison de la couche faible a des effets différents sur les différentes étapes de la masse rocheuse.

Dans cet article, des expériences de fluage de chargement gradué sont effectuées sur la masse rocheuse composite faible avec différents angles de pendage de couche faible. Un système d’émission acoustique est utilisé pour surveiller les signaux d’émission acoustique en temps réel à l’intérieur de la masse rocheuse, et la courbe de fluage de charge graduée, le mode de défaillance et les caractéristiques d’émission acoustique ont été analysés de manière exhaustive (nombre de baguages et caractéristiques d’évolution de la source). Les conclusions suivantes sont obtenues :

Avec l’augmentation de la charge graduée, de nouvelles fissures apparaissent à l’intérieur de l’échantillon et continuent de se dilater, de se connecter et de pénétrer, et les dommages à l’échantillon s’accumulent avec l’augmentation du temps de chargement. Plus l’inclinaison de la couche faible est grande, plus la déformation de la masse rocheuse est importante. Le nombre cumulé de baguages de masses rocheuses avec des couches faibles sous diverses charges montre une tendance à la baisse puis à la hausse avec l’augmentation du niveau de charge, montrant une tendance en forme de U.

Les résultats du positionnement spatial de l’émission acoustique indiquent la position initiale de la fissure à l’intérieur de l’échantillon, l’état de dommage de la masse rocheuse et la propagation de la fissure sous différents étages de chargement. L’évolution temporelle et spatiale de la source montre des étapes relativement évidentes. Les événements d’émission acoustique dans le processus de fracture de la masse rocheuse composite sont principalement concentrés près de la roche tendre, et les événements d’émission acoustique dans d’autres zones sont moins fréquents et plus dispersés. Les dommages et la fracture de la roche tendre déterminent efficacement la déformation et la rupture globales de la masse rocheuse composite.

Le mode de défaillance final de fluage de la masse rocheuse est affecté de manière significative par l’angle de pendage de la couche faible. Pour les masses rocheuses dont les angles de pendage de la couche sont faibles de 0° et 15°, des fissures se produisent dans les roches tendres et dures, et la masse rocheuse présente une division en traction. Dans les masses rocheuses avec des angles de pendage de couche faibles de 30° et 45°, la plupart des fissures existent dans la roche tendre, avec une majorité de fissures de cisaillement. Avec l’augmentation de la charge graduée, les fissures de cisaillement continuent de se développer le long de la direction de la roche tendre, la masse rocheuse supérieure continue de glisser et de se déplacer, et le mode de défaillance final est principalement la rupture par glissement de cisaillement.

Les courbes d’évolution des dommages des roches varient avec l’inclinaison de la couche faible, mais elles peuvent être divisées en trois étapes: l’accumulation des dommages, l’accélération des dommages et la destruction des dommages. Plus l’angle d’inclinaison de la couche faible de la masse rocheuse est grand, plus le nombre cumulatif de baguages est mesuré et plus la valeur variable des dommages est importante.

Les données utilisées pour appuyer les résultats de cette étude sont disponibles sur demande auprès de l’auteur correspondant.

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Le soutien financier du Plan national de recherche et de développement clé (2017YFC1503101), du projet de fonds ouvert conjoint de la base d’innovation scientifique et technologique clé de la province du Liaoning (2020-KF-13-06) et du projet financé par le Département de l’éducation de la province du Liaoning (LJ2020JCL013) est vivement apprécié.

State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, China Coal Technology and Engineering Group, Shenyang Research Institute, Shenfu Demonstration Zone, Shenyang, 113122, China

Haibin Miao & Na Zhao

Collège de mécanique et d’ingénierie, Université technique du Liaoning, Fuxim, 123000, Chine

Na Zhao, Lixin Meng, Yibin Zhang et Laigui Wang

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N.Z.: Rédaction et révision de manuscrits; Analyse des données; Conception et mise en œuvre de l’expérience.H.M. et L.W.: conception créative du manuscrit et soutien financier; Experimental design.L.M. et Y.Z.: révision du manuscrit et mise en œuvre expérimentale.

Correspondance avec Na Zhao.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Miao, H., Zhao, N., Meng, L. et coll. Caractéristiques des dommages des roches faibles avec différents angles de pendage pendant le fluage. Sci Rep 13, 7497 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34246-0

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Reçu: 30 novembre 2022

Acceptée : 26 avril 2023

Publication : 9 mai 2023

DEUX : https://doi.org/10.1038/s41598-023-34246-0

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