Failure of Transversely Isotropic Rocks Under Intermediate Strain Rate Loading

Abstract

Rocks involved with mechanized excavation via moving rock cutting tools are known to be under the influence of intermediate strain rate loading. In the mechanical excavation of rock, the cutting efficiency is affected by discontinuities, while the density of discontinuities and the direction of excavation against discontinuities greatly affect the efficiency of cutting. However, the deformation and fracture behavior of rocks vary depending on the changes in loading rate. It is known that under higher loading rates, rocks show relatively higher strength and low anisotropic behaviors. In this research, strength properties under static and intermediate strain rate loadings were studied using transversely isotropic rocks and artificially made rock-like specimens of similar characteristics. Since the uniaxial compressive strength of transversely isotropic rocks is known to show U form when tested by its angles formed by loading direction and isotropic axis through theoretical and experimental research, this study was to examine the changes of its form under different loading or strain rate loadings. The specimens of the study were schist from Boryeong area of Korea, cement mortar, and 3D printed materials in form of transversely isotropic behaviors. The cement mortar specimen had been cored from an artificial block which cement mortar had been alternatively layered by two different mixing ratios; 100:0 and 70:30 of commercial cement mix:sand from Jumunjin area of Korea. Each layer was to be of 10 mm in thickness. Objet30Pro of Stratasys was used for 3D printing, while PMMA material was used for the specimen. Grid modeled plane formed of 1mm thickness and height located every 1 mm was removed from the cylinder to express weak layers every 10 mm. Artificial specimens consisting of 0, 15, 30, 45, 60, 75, 90 degrees of transversely isotropic angles were manufactured. Three loading conditions were used for the test, which were 0.0067 mm/s and 10 mm/s of displacement-controlled loading rate for pressure machine and dynamic condition of free fall for drop weight test machine. Through the uniaxial compression test, the maximum strength was measured with specimens with degree of anisotropy near 0 and 90 degrees when the minimum strength was measured near 45 and 60 degrees. All tests had shown the U form and its anisotropic behavior could be found to take less effect as the loading rate increased. An increase of strength proportion to its loading rate, or strain rate, could only be related to the test results from the same testing method. By the use of Particle Flow Code 3D (PFC3D) by Itasca, a program to perform discrete element method (DEM) analysis, test results were to be reproduced via numerical simulation. Weak planes were expressed using smooth-joint contacts, weakening the bond among particles. The loading rates in the range of quasi-static and intermediate strain rate was used during the simulation. However, change of loading rate under same micro parameters did not show proper simulation results, requiring further studies. As tests proceeded, the result showed the form of U, where the maximum strength was measured near models with degree of anisotropy near 0 and 90 degrees while the minimum strength was measured near 45 and 60 degrees.

암석은 높은 강도와 취성 파괴거동을 보이는 특성을 갖는다. 암석의 굴착은 대부분 발파와 기계식 굴착으로 진행되며 이 경우 암석은 높은 변형률속도에 노출된다. 특히, 암석의 기계식 굴착 장비를 활용한 암석의 굴착에서 암석이 절삭공구의 이동 혹은 회전에 의하여 굴착될 시 암석은 중간변형률속도의 하중 재하를 받는 것으로 보고된 바 있다. 암반의 기계식 굴착에서 절삭효율은 불연속면의 상태에 의하여 영향을 받으며 특히 불연속면의 밀도 및 굴착 방향과 불연속면이 이루는 방향에 큰 영향을 받는다. 반면, 재하속도의 변화에 따라 암석의 변형 및 파괴 거동이 달라지게 되며, 높은 재하속도에서는 상대적으로 높은 강도와 낮은 이방성 특성이 발현되는 것으로 알려져 있다. 이 연구에서는 횡등방성 암석과 유사 시험편을 사용하여, 정하중 조건과 중간 변형률속도의 압축하중 상태에서 시험편의 강도 특성을 고찰하고자 하였다. 횡등방성 암석의 압축강도는 하중방향과 등방축이 이루는 각도의 변화에 따라 U형의 특성이 나타남이 이론적, 실험적으로 알려져 있는 바, 하중 속도, 즉 변형률속도를 달리할 때 그 형태의 변화를 고찰하고자 하였다. 시험편으로는 보령편암, 횡등방성을 갖도록 제작된 시멘트모르타르 및 3D프린터 출력물을 이용하였다. 시멘트모르타르 시험편은 시멘트와 주문진표준사를 중량비 100:0, 70:30로 2종을 배합하여 10 mm 두께의 교호층을 이루도록 제작하였으며, 이때 시혐편의 축방향과 등방축이 0, 15, 30, 45, 60, 75, 90도의 각도를 갖도록 하였다. 3D프린터 출력물은 Stratasys사 Objet 30 Pro 프린터 및 투명 PMMA재료인 Veroclear를 사용하여 제작하였으며, 1 mm 간격의 격자무늬를 연약층으로 하고 이를 10 mm 간격으로 배열한 횡등방성 시험편으로 제작하였으며 이방성 각도는 시멘트모르타르 시험편과 동일하도록 하였다. 하중 조건으로 3가지를 설정하였으며, 만능시험기 MTS하중기를 이용한 정하중과 동하중(재하속도 0.0067 mm/s, 10 mm/s)의 단축압축시험과 자유낙하시험기를 이용한 동하중 시험을 실시하였다. 하중기기 시험 결과, 0°, 90°에 가까워질수록 최대 강도가 측정되었으며 45°, 60°에 가까워질수록 최소 강도값이 측정되었다. 최대, 최소강도의 변화 양상은 유지하였으나 정하중(0.0067 mm/s재하)에서의 강도보다 동하중(10 mm/s 재하)에서의 강도가 최소강도는 약 15%, 최대강도는 약 3% 증가하여 높은 재하속도에서 최소 및 최대강도 사이의 편차가 줄어들었음을 확인하였다. PFC3D(Particle Flow Code 3D)를 이용한 수치모사를 통하여 실내 시험결과와 재현된 결과를 비교하여 정량적인 관계를 도출하고자 하였다. 해석은 유압식 가압장치를 사용하는 Quasi-static수준의 변형률속도인 0.15 mm/s 와 0.0015 mm/s의 재하속도로 가압하였다. 실내실험의 결과와 마찬가지로 45°, 60°에 가까워질수록 강도의 최소값이 측정되었으며 0°, 90°에 가까워질수록 강도의 최대값이 관찰되었다.