Образование дефектов в синтетических кристаллах кварца при однососном сжатии

В данной статье рассматривается возможность использования комплекса интроскопических методов, включающего акустическую эмиссию и лазерный ультразвуковой неразрушающий контроль для исследования поведения синтетических кристаллов кварца при циклической нагрузке. Эксперимент включал в себя два последовательных цикла нагружения, в ходе которых с помощью автоматизированного лазерно-ультразвукового структуроскопа ГЕОСКАН-2МУ исследовались прочностные свойства синтетического кварца и процесс образования дефектов внутренней структуры. Дальнейшая интерпретация экспериментальных результатов проводилась с помощью численного моделирования на основе модели Друкера-Прагера, которая описывает поведение среды при одноосном сжатии с учетом ее прочностных характеристик. В результате было установлено, что несмотря на небольшое количество дефектов и неоднородностей в образце в начале нагружения, активация процесса роста микротрещин начинается при внешней нагрузке 30 МПа. Это составляет около десяти процентов от разрушающего напряжения. Когда внешняя нагрузка достигает 75 МПа, в центральной части образца возникают микротрещины длиной более 20 мм. Результаты данного исследования могут быть использованы для создания численной модели, которая будет учитывать нелинейную зависимость деформаций и напряжений от внешней нагрузки.

Ян Прушка, Кравцов А., Сас И. Е., Черепецкая Е. Б., Виего Жозе Викторина, Борисов Н. Г. Образование дефектов в синтетических кристаллах кварца при однососном сжатии // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 4-1. — С. 73—80. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_41_0_73.

Ян Прушка¹ — доцент;
Александр Кравцов¹ — PhD, kravtale@fsv.cvut.cz;
Сас Иван Евгеньевич² — инженер;
Черепецкая Елена Борисовна² — доктор технических наук, профессор;
Виего Жозе Викторина² — студент;
Борисов Никита Геннадьевич² — аспирант;
¹ Чешский технический университет в Праге, строительный факультет, Thákurova 7/2077, Прага 6 — Дейвице, Чешская Республика;
² Национальный Исследовательский Технологический Университет «МИСиС» Горный институт, Москва, Россия.

1. Preteseille M., Lenoir T. Mechanical fatigue behavior in treated/stabilized soils subjected to a uniaxial flexural test. International Journal of Fatigue, 2016, Vol. 14, pp. 1923—1929. DOI: 10.1016/j.trpro.2016.05.159.

2. González-Cao J., Varas F., Bastante F. G., Alejano L. R. Ground reaction curves for circular excavations in non-homogeneous, axisymmetric strain-softening rock masses. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 2013, Vol. 5, pp. 431—442. DOI: 10.1016/j.jrmge.2013.08.001.

3. Jia L. C., Chen M., Zhang W., Xu T., Zhou Y., Hou B., Jin Y. Experimental study and numerical modeling of brittle fracture of carbonate rock under uniaxial compression. Mechanics Research Communications, 2013, Vol. 50, pp. 58—62. DOI: 10.1016/j. mechrescom.2013.04.002.

4. Xue L., Qin S., Sun Q., Wang Y., Lee L. M., Li W. A study on crack damage stress thresholds of different rock types based on uniaxial compression tests. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2014, Vol. 47, pp. 1183–119. DOI: 10.1007/s00603-013-0479-3.

5. Li X. Z., Shao Z. S., Fan L. F. A micro-macro method for predicting the shear strength of brittle rock under compressive loading. Mechanics Research Communications, 2016, Vol. 75, pp. 13—19. DOI: 10.1016/j.mechrescom.2016.05.008.

6. Brantut N., Heap M. J., Meredith P. G., Baud P. Time-dependent cracking and brittle creep in crustal rocks: A review. Journal of Structural Geology, 2013, Vol. 52, pp. 17—43. DOI: 10.1016/j.jsg.2013.03.007

7. Revil-Baudard B., Cazacu O. Role of the plastic flow of the matrix on yielding and void evolution of porous solids: Comparison between the theoretical response of porous solids with Tresca and von Mises matrices. Mechanics Research Communications, 2014, Vol. 56, pp. 69—75. DOI: 10.1016/j.mechrescom.2013.11.008.

8. Aker E., Kühn D., Vavryèuk V., Soldal M., Oye V. Experimental investigation of acoustic emissions and their moment tensors in rock during failure. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2014, Vol. 70, pp. 286—295. DOI: 10.1016/j. ijrmms.2014.05.003.

9. Lin J., Shao J.-F., Kondo D.. A two scale model of porous rocks with Drucker–Prager matrix: Application to a sandstone. Mechanics Research Communications, 2011, Vol. 38, pp. 602—606. DOI: 10.1016/j/mechrescom2011.08.005.

10. Zhang X.-P., Wu S., Afolagboye L. O., Wang S., Han G. Using the point load test to analyze the strength anisotropy of quartz mica schist along an exploration adit. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2015, Vol. 49, pp. 1967—1975. DOI: 10.1007/s00603015-0792-0.

11. Guzmana I. L., Iskander M., Bless S. Observations of projectile penetration into a transparent soil. Mechanics Research Communications, 2015, Vol. 70, pp. 4—11. DOI: 10.1016/j.mechrescom.2015.08.008.

12. Ohtsu M. Acoustic emission (AE) and related non-destructive evaluation (NDE) techniques in the fracture mechanics of concrete. Elsevier Inc., 2015, 318 p.

13. Shibaev I. A., Vinnikov V. A., Stepanov G. D. Determining elastic properties of sedimentary strata in terms of limestone samples by laser ultrasonics. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2020, No. 7, pp. 125—134. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-7-0-125134.

14. Shibaev, I. A., Morozov, D. V., Dudchenko, O. L., Pavlov, I. A. Estimation of local elastic moduli of carbon-containing materials by laser ultrasound. Key Engineering Materials, 2018, Vol. 769, pp. 96—101. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.769.96.

15. Abaqus 6.13 (Abaqus/CAE User’s Guide), available at http://130.149.89.49:2080/ v6.13/index.html, 2020.

16. Yang Q., Zhang J.-M., Zheng H., Yao Y. Constitutive Modeling of Geomaterials. Springer Series in Geomechanics and Geoengineering, 2013, 810 p.

17. Oka F., Murakami A., Uzuoka R., Kimoto S. Computer Methods and Recent Advances in Geomechanics. CRC Press, 2014, 472 p.

18. Jiang J.-F., Wu Yu-F. Identification of material parameters for Drucker–Prager plasticity model for FRP confined circular concrete columns. International Journal of Solids and Structures, 2012, Vol. 49, pp. 445–456. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2011.10.002.

19. Practical Acoustic Emission Testing, Springer, 2016, 110 p.

20. Zhou J. W., Xu W. Y., Yang X. G. A microcrack damage model for brittle rocks under uniaxial compression. Mechanics Research Communications, 2010, Vol. 37, pp. 399—405. DOI: 10.1016/j.mechrescom.2010.05.001.

21. Stoeckhert F., Molenda M., Brenne S., Alber M. Fracture propagation in sandstone and slate — Laboratory experiments, acoustic emissions and fracture mechanics. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 2015, Vol. 3, pp. 237—249. DOI: 10.1016/j.jrmge.2015.03.011.