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        循環(huán)加卸載下煤巖變形特征試驗(yàn)研究

        2014-03-22 01:21:32王小軍司俊鴻徐文全趙泓超
        采礦技術(shù) 2014年3期
        關(guān)鍵詞:巖樣環(huán)向力學(xué)

        王小軍,司俊鴻,徐文全,王 鵬,宋 超,趙泓超

        (陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司 國家能源煤炭分質(zhì)清潔轉(zhuǎn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710065)

        0 引 言

        無論是地上邊坡、大壩還是地下巷道、礦柱等巖石工程,經(jīng)常遇到循環(huán)加卸載荷的過程[1],比如地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動、橋梁的基巖所受的周期荷載、大壩的反復(fù)排、蓄水過程、隧道洞室開挖與支護(hù)以及地震荷載等,這些作用都使得工程巖體經(jīng)歷反復(fù)加卸載荷的過程。巖體變形和強(qiáng)度特征與所受的應(yīng)力狀態(tài)以及加載歷史密切相關(guān),因此,研究循環(huán)加卸載荷條件下巖樣的強(qiáng)度和變形特征具有重要的工程實(shí)踐價值。

        損傷是需要時間的過程演化,現(xiàn)有的單純加卸載單軸壓縮試驗(yàn)[2],時間都比較短,無法確定加載過程中的彈性模量、塑性應(yīng)變及內(nèi)部彈性能大小,為研究損傷過程帶來了較大的困難。針對巖石循環(huán)加卸載壓縮力學(xué)特性研究,尤明慶、蘇承東[3]研究了大理巖單軸循環(huán)加卸載條件下峰值強(qiáng)度變化規(guī)律;王海龍、陳紹杰等[4]研究了重復(fù)加載條件下的煤巖強(qiáng)度變化情況;周家文、楊興國[5]等對脆性巖石單軸循環(huán)加卸載的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征、峰值強(qiáng)度及斷裂損傷力學(xué)特性等進(jìn)行了研究;韓林、劉向君[6]等研究了變圍壓循環(huán)和恒圍壓循環(huán)條件下巖石彈性參數(shù)的差異性;王鵬、彭瑞東[7]等研究了玄武巖彈性模量及泊松比隨循環(huán)加卸載次數(shù)的變化規(guī)律。

        為了研究煤巖受載過程中其內(nèi)部各種力學(xué)參數(shù)的變化,本文設(shè)計(jì)了三軸循環(huán)加卸載壓縮試驗(yàn)。循環(huán)加卸載試驗(yàn)有別于傳統(tǒng)的疲勞試驗(yàn),它是在測試巖石全應(yīng)力應(yīng)變曲線的過程中,在適當(dāng)?shù)奈恢蒙线M(jìn)行卸載,然后再加載,加卸載過程保持一定的速度,反復(fù)進(jìn)行。通過循環(huán)加卸載試驗(yàn)可以全面掌握巖石全應(yīng)力應(yīng)變曲線上各點(diǎn)的力學(xué)參數(shù),以便尋找煤巖損傷破壞的最基本力學(xué)特征;并由此得到煤巖在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮時的主要力學(xué)性質(zhì),為現(xiàn)場工程提供技術(shù)指導(dǎo)。

        1 試驗(yàn)過程

        1.1 試件制備

        本次實(shí)驗(yàn)中所用的巖樣均為砂巖巖樣,取自山西焦煤汾西礦業(yè)河?xùn)|礦和淮北礦業(yè)朱仙莊礦。由取回的大塊巖樣在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)按國際規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)加工成高徑比2∶1的圓柱形試件,試驗(yàn)試樣尺寸Φ50 mm×100 mm。制備中盡量避免了隱蔽裂隙、臨界裂隙,確保了試件質(zhì)量。特別是試件與加荷板接觸部位反復(fù)研磨,力求光潔,其平整度、垂直度均能達(dá)到巖石試驗(yàn)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)前將所有試件放入器皿,并養(yǎng)護(hù)十天左右。

        1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)描述

        本次循環(huán)加卸載壓縮試驗(yàn)采用EHF-UG500KN型全數(shù)字液壓伺服三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)為:最大動態(tài)荷重±500 kN,最大靜態(tài)荷重±750 kN,最大行程±25 mm,載荷精度±0.5%以內(nèi),加荷頻率0.00001~100 Hz,圍壓0~80 MPa,滲透壓0~70 MPa,溫度范圍為室溫~200 ℃。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要用于高溫和有圍壓條件下巖石和混凝土類材料的靜、動態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn),可以用圖形和數(shù)字兩種方式,實(shí)時顯示所有采樣參數(shù)。

        實(shí)驗(yàn)過程中的主要測試參數(shù)有軸向應(yīng)力、軸向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變、電磁輻射參數(shù),以便對巖石的宏觀參數(shù)變化進(jìn)行全面的測試。在壓縮實(shí)驗(yàn)過程中,施加在試樣上的軸向載荷由伺服材料實(shí)驗(yàn)機(jī)軸向壓頭提供,圍壓的實(shí)施則由液壓油泵通過三軸壓力腔室實(shí)現(xiàn),并通過各自的傳感器測量。巖樣的環(huán)向變形和軸向變形分別由環(huán)向引伸計(jì)和軸向引伸計(jì)測量。

        1.3 試驗(yàn)方案

        本文試驗(yàn)采用了常軸向應(yīng)變率加載方式,即保持壓力機(jī)的壓力端頭位移速率為常量,保持應(yīng)變速率為常量,同時記錄產(chǎn)生這一形變所需要的力,得到材料的響應(yīng)曲線。

        本文共對砂巖做了3組試樣的試驗(yàn)。加載方式均采用軸向位移控制,加載變形速率都為1/1000 mm/s,卸載軸向速率為1/100 mm/s。卸載點(diǎn)是參考以往的試驗(yàn)得到巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線及峰值應(yīng)力應(yīng)變而確定的。確定卸載點(diǎn)的原則是在峰值前進(jìn)行7個左右的加卸載循環(huán)。試驗(yàn)具體步驟為:先用特氟龍熱縮管套住巖樣,然后用熱風(fēng)機(jī)加熱特氟龍熱縮套管,巖樣周圍完全密封后裝上軸向和環(huán)向引伸計(jì),再將巖樣放入三周壓力腔室。并采用控制環(huán)向應(yīng)變率加載方式進(jìn)行另一組試驗(yàn)。試驗(yàn)全過程采用微型計(jì)算機(jī)自動控制,其中也可進(jìn)行手動轉(zhuǎn)換操作。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由微機(jī)及自動控制程序自動采集,實(shí)時顯示。

        2 試驗(yàn)結(jié)果分析

        處理采集到的循環(huán)加卸載壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù),分析得到應(yīng)力應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變軸向應(yīng)變、體積應(yīng)變軸向應(yīng)變?nèi)鐖D1~圖3所示。

        由試驗(yàn)可知,該砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度為75.9 MPa。試驗(yàn)得到了每次加載和卸載過程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖1、圖2為控制軸向應(yīng)變率下試驗(yàn)曲線。由圖中可看出,應(yīng)力峰后曲線幾乎是垂直的,說明該加載方式下應(yīng)力峰后巖石發(fā)生了沖擊性破壞。

        對比分析圖1、圖2可知,動力載荷作用下巖樣在高圍壓時比低圍壓時初始剛度和峰值強(qiáng)度要高。不加圍壓時,巖樣的初始變形存在著明顯的非線性,當(dāng)加有圍壓時,初始變形幾乎呈線性,非線性越來越不明顯;同時可以看出,當(dāng)圍壓為10 MPa時巖樣的初始變形存在一定的非線性,當(dāng)圍壓變?yōu)?0 MPa時,巖樣初始階段的非線性變化表現(xiàn)很不明顯。

        圖3為控制環(huán)向應(yīng)變率下的試驗(yàn)曲線。對比圖1~圖3可以看到,控環(huán)向應(yīng)變率試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線與控軸向應(yīng)變率試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線有著明顯的差別,主要體現(xiàn)在應(yīng)力峰后。環(huán)向應(yīng)變率一定時,峰后沖擊現(xiàn)象得到了很好的控制,應(yīng)力應(yīng)變曲線較為完整。

        圖1 圍壓10 MPa時循環(huán)加卸載試驗(yàn)曲線

        圖2 圍壓20 MPa時循環(huán)加卸載壓縮試驗(yàn)曲線

        另外由上述試驗(yàn)可看出,當(dāng)循環(huán)增加時,循環(huán)初期殘余軸向應(yīng)變會增大,隨后快速增加,直到試樣破壞。殘余體積應(yīng)變在循環(huán)初期收縮,然后剪脹直到試件破壞。當(dāng)圍壓增加時,殘余軸向應(yīng)變和殘余體積應(yīng)變都會增加。參考文獻(xiàn)[6]做了靜力壓縮試驗(yàn),與靜力實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比,動力軸向循環(huán)試驗(yàn)發(fā)生剪切膨脹時需要更大的軸向應(yīng)變。當(dāng)發(fā)生剪切膨脹時,圍壓為10MPa與圍壓為20MPa時的動力試驗(yàn)體應(yīng)變比靜力試驗(yàn)要小。由參考文獻(xiàn)[6]可知,當(dāng)圍壓更大時,動力試驗(yàn)的體應(yīng)變要比靜力試驗(yàn)大。主要因?yàn)閲鷫狠^小時,動力加載試件表現(xiàn)出的脆性抑制了剪脹的發(fā)展;當(dāng)圍壓較大時,動力加載試件表現(xiàn)的延性有助于剪脹的發(fā)展。

        圖3 圍壓3 MPa時循環(huán)加卸載壓縮試驗(yàn)曲線

        3 結(jié) 論

        (1) 循環(huán)加卸載壓縮條件下試驗(yàn)結(jié)果表明,砂巖試件全部為剪切破壞,而且存在局部破壞帶;另外試樣破壞帶在動力載荷作用下比靜力載荷作用下時大。

        (2) 當(dāng)圍壓增大時,砂巖試樣的應(yīng)力峰值和殘余應(yīng)力都相應(yīng)增大。

        (3) 隨著圍壓的增大,砂巖逐漸表現(xiàn)為線彈性性質(zhì);砂巖在反復(fù)加卸載過程中,其彈性模量變化很小,幾乎保持不變,而塑性應(yīng)變卻變化較大,且隨著循環(huán)次數(shù)的增加,殘余變形逐漸變小,泊松比逐漸變大。

        參考文獻(xiàn):

        [1]張 清,杜 靜. 巖石力學(xué)基礎(chǔ)[M]. 北京:中國鐵道出版社,1997.

        [2]吉育兵,楊偉峰,等.脆性巖石單軸壓縮條件下?lián)p傷機(jī)制分析[J].煤礦安全,2011(7):165-167.

        [3]尤明慶,蘇承東.大理巖試樣循環(huán)加卸載強(qiáng)化作用的試驗(yàn)研究[J].固體力學(xué)學(xué)報(bào),2008,29(1):66-72.

        [4]王海龍,陳紹杰,等.煤巖重復(fù)加載力學(xué)特性試驗(yàn)研究[J].煤礦安全,2012,43(11):48-50.

        [5]楊家文,周興國,等.脆性巖石單軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)及斷裂損傷力學(xué)特性研究[J].巖石力學(xué)與工報(bào),2010,29(6):1172-1182.

        [6]韓 林,劉向君,等.灰?guī)r在三軸變圍壓循環(huán)壓縮中的變形特征研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(1):2840-2844.

        [7]王 鵬,彭瑞東,等.循環(huán)載荷作用下巖石損傷特性試驗(yàn)研究[C]//北京力學(xué)會第17屆學(xué)術(shù)年會,2011(1):363-365.

        [8]王瑞紅,將昱州,等.循環(huán)加卸載對砂巖變形特征影響試驗(yàn)研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2011,28(2):231-235.

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