Propriétés mécaniques et caractéristiques d'évolution des fissures des roches fracturées avec fissures cachées

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 11639 (2023) Citer cet article

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Les défauts naturels, tels que les joints, les surfaces structurelles et les vides, affectent de manière significative les propriétés mécaniques et les modes de fracture des masses rocheuses. Les fissures cachées sont largement réparties dans les roches magmatiques, tandis que leurs influences sur les propriétés mécaniques et le mécanisme de fissuration sont encore floues. Des tests en laboratoire ont été effectués sur des spécimens préfabriqués ressemblant à des roches fissurées et cachées, ainsi que sur des spécimens intacts et des spécimens étroitement fissurés à titre de comparaison. La technologie de corrélation d'images numériques en temps réel et la technologie de surveillance des émissions acoustiques ont été adoptées de manière synchrone pour capturer à la fois le processus de fissuration externe et interne. Les résultats montrent que les fissures cachées peuvent affaiblir la résistance à la compression uniaxiale, tandis que l'effet de détérioration des fissures cachées est plus faible que celui des fissures fermées en raison de la cohésion interne entre les particules internes des fissures. De plus, le comportement d'initiation du spécimen α = 90 ° fissuré caché est différent de celui du spécimen β = 90 ° fissuré fermé. Enfin, le mécanisme de fissuration des spécimens cachés et fissurés a été révélé en analysant la relation RA – AF. La rupture des éprouvettes à fissuration fermée est principalement le mode de rupture mixte traction-cisaillement, tandis que la rupture des éprouvettes à fissuration cachée est principalement le mode de rupture par traction et complétée par le cisaillement. Les résultats expérimentaux contribuent à la compréhension des propriétés de fissuration des roches fissurées cachées.

La masse rocheuse dans la nature contient divers types de plans discontinus, tels que des failles, des joints et des fissures, sous l'effet de processus géologiques à long terme. Ces discontinuités géologiques rendent les propriétés mécaniques de la masse rocheuse très différentes de celles de la roche intacte1,2. En particulier pour les roches magmatiques, les effets de refroidissement et de retrait après l'expiration magmatique contribuent à la création de nombreuses fissures cachées dans la masse rocheuse, comme le montre la figure 1a. Dans le sud-ouest de la Chine, de nombreux projets hydroélectriques, notamment les centrales hydroélectriques de Xiluodu, Baihetan et Wudongde, sont construits sur la roche magmatique4,5,6,7. Les propriétés mécaniques des roches magmatiques présentant des fissures cachées influencent de manière significative la stabilité des roches environnantes lors de l’ingénierie des roches8. Par conséquent, comprendre l’influence des fissures cachées sur le comportement mécanique de la masse rocheuse est la clé pour évaluer la stabilité de l’ingénierie rocheuse, et l’étude peut également fournir un soutien à la conception et à la construction géotechniques.

Failles naturelles dans la masse rocheuse : (a) fissures cachées dans le basalte en colonne8, (b) fissure fermée et (c) faille ouverte3.

En compression uniaxiale, la rupture d'échantillons de roche intacts est principalement causée par des fissures de traction ou des fissures de cisaillement. Les fissures se développent progressivement dans la direction parallèle à la contrainte principale maximale, ce qui fait que le mode de rupture de l'éprouvette évolue de la rupture par cisaillement à la rupture par traction à mesure que la contrainte axiale augmente9. Évidemment, l’existence de défauts dans l’éprouvette réduira considérablement les paramètres mécaniques de l’éprouvette, ce qui affectera à son tour le type de fissure et le mode de rupture. Au cours des dernières décennies, les propriétés mécaniques et le comportement à la fissuration des masses rocheuses fracturées ont été largement étudiés. En général, ces études se sont concentrées sur des massifs rocheux contenant des fissures fermées ou des fissures ouvertes. Comme le montre les figures 1b, c, la différence entre les fissures fermées et ouvertes réside dans la présence ou non d'un contact et d'un frottement sur les surfaces de fracture10.

Par exemple, Wong et al.11 ont utilisé des matériaux semblables à du marbre et du PMMA pour étudier la propagation des fissures à différentes profondeurs de défauts et angles d'inclinaison, et ont découvert que le mécanisme de rupture des échantillons de PMMA était similaire à celui des échantillons de marbre. Ghazvinian et al.12 ont utilisé des matériaux rocheux peu cassants pour fabriquer des spécimens de disque brésilien avec des fissures préfabriquées et ont étudié le mode de fracture mixte des fissures par un test de fendage brésilien. Zhuang et al.13 ont divisé les formes de propagation des fissures principales dans les roches ou les échantillons rocheux avec des fissures préfabriquées uniques en trois types : les fissures secondaires, les fissures à profil aérodynamique et les fissures anti-feuille. Jin et al.14 ont mené des tests en laboratoire et des simulations numériques sur des modèles de roches artificielles comportant des fissures fermées pour étudier l'influence d'une seule fissure sur la résistance, le processus de rupture et la consommation d'énergie. Selon le mécanisme de rupture des fissures, Xu15 a effectué des tests de compression uniaxiale sur des échantillons de gypse contenant un seul défaut fermé avec différents angles d'inclinaison, et a analysé en détail les effets de l'orientation des fissures sur la résistance, le mécanisme de fissuration, le mode de rupture et le comportement des émissions acoustiques (AE). . Meng et al.16 ont étudié les effets complets de différents angles de plan de stratification et d'angles d'entaille sur le comportement de fracture en mode mixte d'échantillons rocheux en utilisant la technologie AE. De plus, à mesure que le nombre de fissures augmente, la position d’initiation de la fissure, la trajectoire de coalescence et le mode de fracture deviennent plus complexes. Par exemple, Wong et al.17 ont mené des recherches expérimentales sur des spécimens ressemblant à des roches contenant trois fissures parallèles, et ils ont découvert que la disposition des défauts et le coefficient de frottement de la surface du défaut affectent le mécanisme de guérison des fissures, et que la résistance maximale est liée. au nombre de fissures. Sagong et Bobet18 ont réalisé des essais de compression uniaxiale sur des éprouvettes de gypse contenant respectivement trois défauts préfabriqués et 16 défauts préfabriqués. Les résultats ont montré que le mode de fissuration des éprouvettes multi-défauts était similaire à celui des éprouvettes double-défauts. Park et Bobet19 ont testé les échantillons de gypse à fissure fermée avec différents angles, espacements et continuité. Il a été observé que les types de fissures des défauts ouverts et des défauts fermés étaient les mêmes, et que les types de coalescence étaient similaires. Zhou et al.20 ont mené des expériences sur des échantillons ressemblant à des roches comportant quatre fissures pour étudier les effets de la disposition multi-fissures sur les propriétés mécaniques, les modes d'initiation des fissures et les types de coalescence des fissures, à partir desquels cinq types de fissures et dix types de modes de coalescence des fissures ont été trouvé. Cao et al.21 ont chargé des spécimens ressemblant à des roches avec deux défauts préexistants, observé différentes formes géométriques de fissures et déterminé sept types de coalescence. Du point de vue microscopique, Luo et al.22 ont étudié l'influence de trois charges différentes sur la morphologie de la fracture et le comportement à la rupture d'échantillons de type roche remplis de fissures sous charge de compression-cisaillement. Zhao et al.23 ont utilisé la méthode de perte de volume pour préparer des échantillons de type roche de gypse présentant divers défauts internes ouverts, et l'ont combinée à la technologie d'émission acoustique pour étudier les effets de différents défauts sur les propriétés mécaniques et les caractéristiques de rupture des échantillons de roche dure et cassante.