Características de daño de rocas débiles con diferentes ángulos de buzamiento durante la fluencia

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 7497 (2023) Citar este artículo

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Para investigar la influencia del ángulo de buzamiento de la capa débil en la ruptura por fluencia del macizo rocoso compuesto, este artículo lleva a cabo un experimento de fluencia con carga graduada en el macizo rocoso compuesto con diferentes ángulos de buzamiento utilizando el método de emisión acústica para examinar el proceso de evolución de la fractura. Con el aumento del grado de carga, el recuento total acumulativo de anillos del macizo rocoso muestra una tendencia en forma de "U", y los resultados de posicionamiento espacial de emisión acústica muestran que los eventos de emisión acústica en el proceso de fractura del macizo rocoso se concentran principalmente en las proximidades de los puntos débiles. capa, mientras que los eventos en otras áreas son pocos y dispersos. Para macizos rocosos con ángulos de buzamiento de capa débil de 0° y 15°, las grietas ocurren tanto en rocas blandas como duras, donde las grietas de corte son dominantes en rocas blandas, las grietas de tracción son dominantes en rocas duras y, finalmente, el macizo rocoso exhibe principalmente resistencia a la tracción. falla de división. Para macizos rocosos con ángulos de buzamiento de capa débil de 30° y 45°, la mayoría de las grietas existen en el interior de la roca blanda, que está dominada por grietas de corte. Con el aumento de las cargas graduadas, las grietas de corte continúan desarrollándose a lo largo de la dirección de la capa débil, el macizo rocoso superior sigue deslizándose y dislocándose, y el modo de falla final es principalmente falla por deslizamiento de corte. La evolución del daño varía con el ángulo de inclinación de la capa débil, que se puede dividir en tres etapas: acumulación inicial del daño, aceleración del daño y destrucción del daño. Esto demuestra la capacidad de predecir, prevenir y controlar la ocurrencia de desastres por deslizamiento en macizos rocosos con capas débiles.

Con el rápido desarrollo de la economía, la industria de ingeniería de macizos rocosos está creciendo, y más proyectos de ingeniería de macizos rocosos se llevan a cabo uno tras otro, especialmente en estratos de medida de carbón, donde las rocas metamórficas y las lutitas están ampliamente distribuidas, ver Fig. 1. En particular, el macizo rocoso de lecho débil interrumpe la integridad y continuidad de la estructura del macizo rocoso, compromete las propiedades mecánicas del macizo rocoso y aumenta las posibilidades de fallas repentinas y catastróficas bajo el estrés aplicado.

Macizo rocoso de lecho débil.

Las propiedades mecánicas del macizo rocoso con capas débiles no solo se manifiestan en el comportamiento elástico y plástico, sino también en el comportamiento reológico, que depende del tiempo. La fluencia es una de las propiedades mecánicas reológicas importantes de los macizos rocosos. La destrucción es el proceso de acumulación de deformación a lo largo del tiempo bajo la acción a largo plazo de las cargas aplicadas. Debido a la existencia de planos estructurales débiles del macizo rocoso estratificado, sus propiedades mecánicas son relativamente complejas, presentando normalmente anisotropía significativa, y el mecanismo de falla es diferente al del macizo rocoso homogéneo. Con este fin, muchos estudiosos se han centrado en dilucidar las propiedades mecánicas y los mecanismos de falla de los macizos rocosos compuestos. A continuación se proporciona una breve revisión de la literatura.

Xin1 usó un aglutinante de resina epoxi para combinar lutita, arenisca y caliza en una masa de roca compuesta, llevó a cabo el experimento de compresión tridimensional del proceso completo de tensión-deformación y estudió los efectos de la presión lateral en las propiedades mecánicas. Changfu2,3,4 llevó a cabo experimentos de compresión uniaxial, compresión triaxial y corte directo en varias muestras de rocas, como lutitas, areniscas y calizas, y tres tipos de muestras de rocas compuestas cementadas entre sí, para examinar las características de resistencia y deformación de las macizo rocoso estratificado. Yang5 tomó la pendiente alrededor del embalse de las Tres Gargantas como prototipo, usó una plataforma de vibración a gran escala para probar la respuesta dinámica y las características de emisión acústica de la pendiente bajo la acción del terremoto, y estableció la vibración de emisión acústica de la pendiente tipo sándwich. Bingwu6 llevó a cabo experimentos triaxiales en macizos rocosos con capas débiles y discutió la influencia del buzamiento de la interfaz en la curva tensión-deformación, el módulo elástico, la resistencia a la compresión, la caída de tensión posterior al pico y el estado de falla de los macizos rocosos con capas débiles. Además, se analizó teóricamente el estado de falla de diferentes ángulos de inclinación de la interfaz. Li7 llevó a cabo experimentos de compresión uniaxial y compresión triaxial bajo diferentes presiones de confinamiento en tres muestras de núcleo de roca salina intercalada con lutita, lutita pura y roca salina pura, y utilizó la teoría de expansión media de Cosserat para estudiar la compresión de la capa intermedia de esquisto. Se llevó a cabo un análisis teórico de la influencia y se informó que el desajuste en las propiedades mecánicas de la roca salina y la lutita hace que la lutita responda de manera similar a la aplicación de tensión de tracción. Huafeng8 recolectó muestras de campo para experimentos de compresión uniaxial y triaxial y analizó la influencia del ángulo de la capa débil en las propiedades mecánicas y los modos de falla. Wang9 consideró la mina de carbón a cielo abierto de Hami como tema de investigación, determinó la posición de la capa intermedia débil en la pendiente mediante el análisis del perfil de deformación, consideró la masa rocosa de la capa intermedia débil como un sistema mecánico completo, estableció el modelo mecánico de la capa intermedia débil macizo rocoso, y propuso un índice para evaluar el grado de falla antes de que ocurra la inestabilidad. Abbas10 llevó a cabo una investigación sobre las propiedades mecánicas del macizo rocoso compuesto multicapa de arenisca-lutita-arenisca con diferentes ángulos entre capas, estudió la respuesta elástica de la velocidad de propagación de la onda y reveló que el módulo elástico y el módulo de corte del macizo rocoso compuesto varían con la capa intermedia. ángulo. Con el aumento del ángulo, su rigidez tiene un efecto más significativo, y el comportamiento anisotrópico de la velocidad de la onda en el macizo rocoso compuesto se ve afectado por la dirección de la junta, no por la capa intermedia de lutita.

Además de estos experimentos fundamentales, se han informado numerosos estudios sobre las respuestas de fluencia de las masas rocosas en capas. Gengyou et al.11 estudiaron las características de fluencia y la influencia del ángulo de laminilla en estructuras de roca de capa delgada. Yanlin et al.12,13,14 utilizaron el método de carga y descarga cíclica con incrementos graduales para realizar experimentos de fluencia en cuerpos minerales complejos con capas intermedias débiles y analizaron la deformación viscoelástica-plástica. Para verificar la exactitud del modelo de fluencia viscoelástica-plástica no lineal propuesto recientemente, Haifei et al.15 realizaron un experimento de fluencia por compresión triaxial en arenisca en condiciones de alta presión de agua y alta presión de confinamiento. Qiuyan16 llevó a cabo una serie de experimentos de fluencia por compresión uniaxial para estudiar las características de fluencia de rocas blandas arcillosas y analizó los cambios microscópicos y mesoscópicos durante el proceso de fluencia. Xinxi17 llevó a cabo experimentos de fluencia por compresión triaxial en limolita arcillosa utilizando cargas incrementales para estudiar las características de fluencia y la resistencia a largo plazo de la limolita arcillosa bajo alta tensión.

Los estudios anteriores consideran principalmente las propiedades mecánicas del macizo rocoso compuesto en capas, pero hay relativamente pocos estudios sobre las propiedades de fluencia y el mecanismo de evolución de la fractura del macizo rocoso que contiene compuestos débiles utilizando equipos de emisión acústica para observar la propagación de grietas con diferentes ángulos de buzamiento de capa débil bajo carga constante.

De acuerdo con las condiciones geológicas de ingeniería reales y la distribución de las capas de roca blanda, la arenisca y la lutita pertenecen a la categoría de roca sedimentaria, que generalmente se compone de granos de arena y arcilla débilmente consolidada depositada en el lecho del río después de la erosión hídrica a largo plazo, y el inter -las capas generalmente se forman durante cientos de años de acumulación. El macizo rocoso, debido a la baja resistencia introducida por los defectos de las capas intermedias, es susceptible a la desintegración cuando se encuentra con el agua y muestra una pobre capacidad de cementación, lo que es propenso a causar varios desastres geológicos. En esta prueba, la arenisca y la lodolita se seleccionan como roca dura y roca blanda respectivamente, y se cortan y pulen de acuerdo con los requisitos de la especificación de la prueba para formar varios bloques de roca madre. Como se muestra en la Fig. 2, el paralelismo y la suavidad de la cara final del lecho rocoso cumplen con los estándares de la Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas (ISRM), lo que garantiza que el error de la cara final sea de ± 0,1 cm, lo que mantiene limpia la superficie del lecho rocoso. y ordenado, colocándolos en el molde a su vez, y aplicando uniformemente pegamento de mármol en la interfaz. Durante el proceso de unión, es necesario asegurarse de que la verticalidad de la masa rocosa cumpla con los requisitos de la especificación de prueba, y el tamaño de la la masa rocosa es una pieza de prueba rectangular estándar de 50 mm × 50 mm × 100 mm, como se muestra en la Fig. 3. Los ángulos se dividen en cuatro grupos, a saber, 0°, 15°, 30° y 45°, con tres muestras en cada uno. grupo.

Bloque de lecho rocoso cortado a la forma.

Ejemplar de macizo rocoso con lecho débil.

La configuración experimental consiste en un sistema de carga y un sistema de detección de emisión acústica, como se muestra en la Fig. 4. El sistema de carga experimental utiliza una máquina de prueba de presión servo electrohidráulica controlada por microcomputadora YAW-2000. Durante el experimento de fluencia, se aplica una carga constante utilizando carga por etapas. La velocidad de carga es de 0,02 MPa/s. La carga de la primera etapa es la misma para cada condición de trabajo. El macizo rocoso corresponde al 35% al 50% de la resistencia a la compresión uniaxial, y el incremento de carga de la carga por etapas es de 0,5 MPa para los experimentos de fluencia de carga por etapas múltiples. Cuando la curva de fluencia tiende a ser estable o la tasa de la etapa de fluencia estable es cero, se aplica la siguiente etapa de carga hasta que falla la prueba de fluencia. La máquina experimental se usa para registrar la deformación axial durante el proceso de fluencia y el sistema de emisión acústica se usa para monitorear la respuesta en tiempo real. Para la señal de emisión acústica dentro del cuerpo, es necesario prestar mucha atención al proceso experimental y afinar el tiempo de carga.

Sistema de carga de fluencia.

El sistema de monitoreo de emisiones acústicas utiliza el sistema de prueba y análisis de emisiones acústicas de 8 canales tipo PCI-2 producido por American Acoustic Physics Corporation. El sistema está compuesto principalmente por computadoras, sondas, preamplificadores, convertidores, líneas de señal de emisión acústica y otros equipos. La señal de la sonda de emisión acústica es RS-54A, el diámetro es de 8 mm, los modelos de amplificador son de 20/40/60 dB y se proporcionan tres engranajes diferentes: 20, 40 y 60 dB. Su función es principalmente amplificar la sonda. para capturar y transmitir señales a la computadora para su análisis y procesamiento. Este tipo de amplificador tiene las ventajas de un tamaño pequeño, bajo nivel de ruido y resistencia al impacto. El umbral de monitorización del sistema es de 36 dB, la frecuencia de resonancia es de 140 kHz, el tiempo de definición del impacto es de 50 µs y el intervalo de tiempo de muestreo es de 0,1 s. Supervisa principalmente la cantidad de eventos, el conteo de energía, el conteo de llamadas y parámetros como los puntos de características de la fuente. Durante el experimento, para construir la distribución espacial de emisión acústica tridimensional, se utilizaron cinco sondas de emisión acústica en los lados izquierdo, derecho y posterior de la muestra. Las posiciones de la sonda se muestran en la Fig. 5.

Distribución de sensores de carga.

Los valores de carga de carga graduada durante el experimento de fluencia se muestran en la Tabla 1. La señal de conteo de timbre de emisión acústica dentro de la masa rocosa se muestra en la Fig. 6.

Curva de relación entre el número de anillos, la deformación axial y el tiempo de roca con diferentes ángulos de buzamiento de capas débiles en un experimento de fluencia.

De la Fig. 6 y la Tabla 2, cuando la carga aumenta de 0 a la carga de primer nivel, las señales de emisión acústica liberadas por cada grupo de macizos rocosos son densas, el conteo acumulativo de timbres correspondiente es mayor y el conteo de timbres aumenta con el inclinación creciente de la capa débil. Cuando la carga del primer nivel es estable, la señal de emisión acústica liberada por el macizo rocoso disminuye gradualmente y el número de timbres acumulados disminuye gradualmente. Cuando aumenta la carga de segundo nivel, el recuento de timbre acumulativo aumenta nuevamente. Una vez que se estabiliza la carga del segundo nivel, el conteo acumulativo de timbres de cada grupo de macizos rocosos se vuelve más tranquilo. Dado que los cambios de carga incrementales son pequeños durante el período de carga ascendente del segundo nivel, el recuento de timbre acumulativo es significativamente menor que el del período de carga del primer nivel. Los recuentos de repiques para la etapa de fluencia bajo la carga de segundo nivel aumentan ligeramente en comparación con la etapa de fluencia de primer nivel. Bajo la acción del último nivel de carga, los recuentos de timbres acumulados en la etapa de carga ascendente han aumentado en comparación con las dos etapas anteriores. En la etapa de fluencia acelerada, los recuentos de anillos acumulados totales de las muestras bajo varias cargas muestran una tendencia de primero disminuir y luego aumentar con el aumento de la carga. El cambio en el ángulo de buzamiento de la capa débil produce un cambio repentino.

Las curvas de fluencia de todos los niveles de carga bajo cada ángulo de inclinación se muestran en la Fig. 7. Para facilitar el análisis, se seleccionan las distribuciones de origen de los distintos niveles de carga bajo varios niveles de tensión después de alcanzar la estabilidad, como se muestra en la Fig. 8A,C y E. Los diagramas de distribución de fuentes en las Fig. 8B y D representan el final posterior de cada etapa, y las distribuciones de fuentes en la Fig. 8F denotan la última etapa de fluencia acelerada, y las posiciones específicas de cada superficie de la roca blanda se especifican en los diagramas

Curvas de fluencia de la muestra de roca que contiene capas débiles con diferentes ángulos de buzamiento.

Distribución focal y evolución de rocas con diferentes ángulos de buzamiento de capas débiles durante la fluencia de carga graduada.

De la Fig. 8, cuando el ángulo de inclinación de la capa débil es 0° y la carga del primer nivel es estable, hay una pequeña cantidad de hipocentro en el medio del lado derecho de la roca blanda. Cuando se aplica la carga de segundo nivel, el hipocentro aumenta ligeramente. En este momento, se genera un hipocentro en la parte superior de la roca dura. Una vez estabilizada la carga, la aceleración del hipocentro disminuye gradualmente. Solo se genera una pequeña cantidad de hipocentro en la roca dura del lado inferior. Cuando la carga supera el 80% de la resistencia a la compresión, la fuente sísmica en la superficie derecha de la roca blanda y la parte superior de la roca dura en el lado superior aumentan significativamente. Después de entrar en la etapa de aceleración, la fuente sísmica se desarrolla rápidamente hacia el lado izquierdo de la roca blanda y luego el macizo rocoso sufre inestabilidad por fluencia.

Cuando el ángulo de inclinación de la capa débil es de 15° y la carga del primer nivel aumenta hasta un nivel estable, hay hipocentros cerca del lado superior de la roca blanda y la parte superior e inferior de la roca dura. En este momento, el número de hipocentros es muy pequeño. Después de entrar en la etapa de fluencia, actúa la carga constante a largo plazo. En medio de la roca blanda, hay un pequeño número de hipocentros dispersos en medio de la roca blanda, y los hipocentros en la roca blanda son más que en la roca dura. También hay una pequeña cantidad de fuentes en el borde. Después de entrar en la etapa de fluencia, el número de fuentes no cambia significativamente. En este momento, la señal de emisión acústica es relativamente tranquila. Cuando se aplica la carga de tercer orden, los hipocentros aumentan significativamente en el lado inferior de la roca blanda y la interfaz inferior. Se generan unos pocos hipocentros y la señal de emisión acústica en la etapa de fluencia también se vuelve muy activa. Después de entrar en la etapa de fluencia acelerada, el número de hipocentros aumenta al valor máximo, el macizo rocoso se tritura como un todo y, finalmente, se produce la falla por división por tracción y el corte. daño de corte.

Cuando el ángulo de inclinación de la capa débil es de 30°, la carga de primer nivel se aplica hasta la etapa estable y durante toda la etapa de fluencia. En este caso, no hay una fuente sísmica dentro de la roca blanda y la roca dura, y luego aumenta la carga. Después de que la carga permanece sin cambios, la interfaz superior muestra fuentes traza distribuidas alrededor de la roca blanda y la roca blanda. Después de entrar en la etapa de fluencia, la fuente casi no aumentó. Después de aplicar la carga de tercer nivel, la fuente aumenta significativamente en la interfaz y parte de la fuente se produce en la esquina inferior izquierda de la roca dura en el lado inferior, que entra en la etapa de fluencia. En la misma etapa, el mismo número de fuentes permanece constante. Cuando se aplica la carga de cuarto nivel, la carga alcanza el 85% de la resistencia a la compresión. La fuente en el lado derecho de la roca blanda aumenta significativamente y la acumulación de fuentes en la interfaz superior se vuelve más clara. Después de un daño severo, la capacidad de carga del macizo rocoso disminuye gradualmente. Después de entrar en la etapa de fluencia acelerada, se genera una gran cantidad de hipocentros que se desarrollan hacia la roca blanda. En este momento, se ha formado un "grupo fuente sísmica" en la roca blanda y la masa rocosa finalmente se descompone.

Cuando el ángulo de inclinación de la capa débil es de 45°, después de alcanzar la estabilidad durante la carga primaria, se genera una fuente traza en la parte superior del lado superior de la roca blanda. Se genera el hipocentro y la carga sigue aumentando. El número de hipocentros aumenta en la mitad superior e inferior de la roca blanda. Hay un rastro de hipocentro en la parte superior de la roca dura. Después de entrar en la etapa de fluencia, el hipocentro aumenta ligeramente. El número de hipocentros en el medio de la roca aumenta significativamente y los hipocentros están distribuidos uniformemente en la roca blanda, mientras que los hipocentros en la roca dura son extremadamente pequeños.

No solo cambia el número de fuentes con el aumento de la carga, para un nivel de carga dado, el número de fuentes también aumenta con el aumento del ángulo de inclinación débil; cuanto mayor es el ángulo de buzamiento, más tienden a distribuirse los hipocentros cerca de la roca blanda y mayor es el daño del macizo rocoso. Se puede ver que cuanto mayor es el ángulo de buzamiento débil, más propenso es a fallar por inestabilidad del macizo rocoso. Se puede ver que cuanto mayor es el ángulo de buzamiento de la capa débil, más severo es el daño del macizo rocoso y más probable es que ocurra la falla por inestabilidad.

A partir de la Fig. 9, los modos de falla de los cuatro grupos de muestras de roca con diferentes ángulos de buzamiento de las capas débiles se pueden dividir en falla por tracción dividida y falla por corte-deslizamiento a lo largo de la capa intermedia débil. Las grietas generadas cuando el macizo rocoso se corta a lo largo del esfuerzo cortante máximo son grietas de corte, y las grietas generadas cuando el macizo rocoso se corta son grietas de tracción. Cuando el ángulo de inclinación de la capa débil es de 0°, las grietas superficiales aparecen alrededor de la roca blanda y la roca dura, y los bloques de roca se desprenden sucesivamente y, finalmente, la masa rocosa experimenta una falla por división por tracción. Cuando el ángulo de inclinación de la capa débil es de 15°, la fisura vertical penetra en la interfase blanda-dura y se conecta con la fisura principal en la roca blanda y, finalmente, el macizo rocoso sufre una falla por división por tracción. Cuando el ángulo de inclinación de la capa débil es de 30°, debido a la expansión y penetración de las grietas superficiales en el lado izquierdo del macizo rocoso, se produce la exfoliación de grandes bloques y se forma una superficie de fractura macroscópica en medio del blando. roca, y la muestra se desliza a lo largo de la superficie de fractura macroscópica. Eventualmente, el macizo rocoso sufre una falla por deslizamiento de corte. Cuando el ángulo de inclinación de la capa débil es de 45°, las grietas en ambos lados de la grieta están conectadas, se extienden hasta la interfaz superior en el lado izquierdo de la capa débil, penetran la interfaz y se extienden hasta la parte superior de la roca dura. , provocando la caída de grandes trozos de roca dura y roca blanda. Se generan fisuras macroscópicas por deslizamiento de corte, que provocan inestabilidad por deslizamiento de corte y falla del macizo rocoso.

Modo de falla por fluencia final del macizo rocoso con diferentes capas débiles y ángulos de buzamiento.

La emisión acústica puede dilucidar el daño interno a la roca que se desarrolla durante el proceso de falla. Para obtener intuitivamente el daño interno de la roca durante el proceso de carga, se selecciona el conteo acumulado de emisiones acústicas como la variable para caracterizar el daño de la roca.

Kachanov18 definió la variable de daño D como:

En la fórmula, D representa la variable de daño, A es el área transversal efectiva del estado inicial y Ad es el área transversal efectiva de la muestra de roca donde ocurre el daño.

El recuento de zumbidos de emisión acústica por unidad de área cuando la roca está dañada es:

En la fórmula, Nc es el recuento acumulativo de timbres cuando la muestra de roca se daña por unidad de área, y Nw es el recuento acumulativo de timbres después de que la muestra de roca se daña por completo.

Cuando el área dañada es cualquier At, Nt se puede expresar como:

Combinando Ecs. (1) y (3), la variable de daño D se puede expresar como:

Con base en el daño incompleto del daño, la variable del daño puede corregirse. Con referencia a la investigación de Liu Baoxian19,20,21 y otros académicos, el valor crítico del daño después de la corrección puede tomarse como:

En la fórmula, D es el valor de daño crítico, ∂p es la resistencia máxima de la roca y ∂c es la resistencia residual de la roca. La variable de daño modificada se puede obtener como:

De acuerdo con la teoría de la deformación equivalente y la mecánica elástica, el modelo de daño de la roca bajo emisión acústica es:

Clasifique y calcule el conteo acumulativo de anillos, el cambio del conteo de anillos en cualquier momento y los parámetros físicos y mecánicos de la roca en los resultados de la prueba de emisión acústica, y luego sustituya los resultados en la fórmula (7) y dibuje la curva de evolución del daño de la roca de diferentes ángulos de buzamiento de la capa débil a través del origen, como se muestra en la Fig. 10.

Curvas de evolución del daño de rocas que contienen capas débiles con diferentes ángulos de buzamiento.

De la Fig. 10, las curvas de evolución del daño del macizo rocoso varían con el ángulo de buzamiento de la capa débil, pero se puede dividir en tres etapas: acumulación de daño, aceleración de daño y destrucción de daño. Cuando el ángulo de inclinación de la capa débil es 0°, la variable de daño inicial de la roca es pequeña y la roca se compacta gradualmente durante el proceso de carga. Cuando el ángulo de inclinación de la capa es de 15°, la variable de daño inicial es la más pequeña. Con la acumulación gradual de daño, la roca entra en la etapa de daño acelerado y, finalmente, se produce el daño. Cuando el ángulo de buzamiento de la capa débil es de 30°, la variable de daño inicial se desarrolla flexiblemente con la compactación de la roca. Con el desarrollo continuo de la fluencia, el daño se acumula gradualmente y entra en la etapa de daño acelerado antes que a 15°, y finalmente alcanza el valor de daño máximo. Cuando el ángulo de inclinación de la capa débil es de 45°, el valor de la variable de daño inicial es el mayor y la roca está completamente compactada. Después de eso, entra en la etapa de acumulación de daño. Con el aumento continuo de la tensión, la roca entra en la etapa de falla y la cantidad de daño alcanza un máximo. En última instancia, el ángulo de inclinación de la capa débil tiene diferentes efectos en las distintas etapas del macizo rocoso.

En este artículo, se llevan a cabo experimentos de fluencia de carga graduada en el macizo rocoso compuesto débil con diferentes ángulos de buzamiento de la capa débil. Se utiliza un sistema de emisión acústica para monitorear las señales de emisión acústica en tiempo real dentro del macizo rocoso, y se analizaron exhaustivamente la curva de fluencia de carga gradual, el modo de falla y las características de emisión acústica (recuento de timbres y características de evolución de la fuente). Las siguientes conclusiones son obtenido:

Con el aumento de la carga graduada, aparecen nuevas grietas dentro de la muestra y continúan expandiéndose, conectando y penetrando, y el daño a la muestra se acumula con el aumento del tiempo de carga. Cuanto mayor sea la inclinación de la capa débil, mayor será la deformación por fluencia del macizo rocoso. Los conteos acumulados de anillos de macizos rocosos con capas débiles bajo varias cargas muestran una tendencia de primero disminuir y luego aumentar con el aumento del nivel de carga, mostrando una tendencia en forma de U.

Los resultados del posicionamiento espacial de la emisión acústica indican la posición inicial de la fisura dentro de la muestra, el estado de daño del macizo rocoso y la propagación de la fisura bajo diferentes etapas de carga. La evolución temporal y espacial de la fuente muestra etapas relativamente evidentes. Los eventos de emisión acústica en el proceso de fractura del macizo rocoso compuesto se concentran principalmente cerca de la roca blanda, y los eventos de emisión acústica en otras áreas son menos frecuentes y más dispersos. El daño y la fractura de la roca blanda determinan efectivamente la deformación general y la falla del macizo rocoso compuesto.

El modo de falla por fluencia final del macizo rocoso se ve afectado significativamente por el ángulo de buzamiento de la capa débil. Para los macizos rocosos con ángulos de buzamiento de capa débil de 0° y 15°, las grietas ocurren tanto en las rocas blandas como en las duras, y el macizo rocoso exhibe hendimiento por tracción. En los macizos rocosos con ángulos de buzamiento de capa débil de 30° y 45°, la mayoría de las grietas existen en la roca blanda, con una mayoría de grietas de corte. Con el aumento de la carga graduada, las grietas de corte continúan desarrollándose a lo largo de la dirección de la roca blanda, el macizo rocoso superior sigue deslizándose y dislocándose, y el modo de falla final es principalmente falla por deslizamiento por corte.

Las curvas de evolución del daño de las rocas varían con la inclinación de la capa débil, pero se pueden dividir en tres etapas: acumulación de daño, aceleración de daño y destrucción de daño. Cuanto mayor sea el ángulo de inclinación de la capa débil del macizo rocoso, se medirán más recuentos de anillamiento acumulativos y mayor será el valor de la variable de daño.

Los datos utilizados para respaldar los hallazgos de este estudio están disponibles del autor correspondiente a pedido.

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El apoyo financiero del Plan Nacional Clave de Investigación y Desarrollo (2017YFC1503101), el Proyecto de Fondo Abierto Conjunto de la Base de Innovación Tecnológica y Científica Clave de la Provincia de Liaoning (2020-KF-13-06) y el Proyecto financiado por el Departamento de Educación de la Provincia de Liaoning (LJ2020JCL013 ) son reconocidos con gratitud.

Laboratorio Estatal Clave de Tecnología de Seguridad en Minas de Carbón, Grupo de Ingeniería y Tecnología del Carbón de China, Instituto de Investigación de Shenyang, Zona de Demostración de Shenfu, Shenyang, 113122, China

Haibin Miao y Na Zhao

Facultad de Mecánica e Ingeniería, Universidad Técnica de Liaoning, Fuxim, 123000, China

Na Zhao, Lixin Meng, Yibin Zhang y Laigui Wang

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NZ: Redacción y revisión de manuscritos; Análisis de los datos; Diseño e implementación de experimentos. HM y LW: diseño creativo del manuscrito y apoyo financiero; Diseño experimental. LM y YZ: revisión del manuscrito e implementación experimental.

Correspondencia a Na Zhao.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Miao, H., Zhao, N., Meng, L. et al. Características de daño de rocas débiles con diferentes ángulos de buzamiento durante la fluencia. Informe científico 13, 7497 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34246-0

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Recibido: 30 noviembre 2022

Aceptado: 26 abril 2023

Publicado: 09 mayo 2023

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

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