趙永川,楊天鴻,肖福坤,汪 泓,劉 剛,鄭 喜,周靖人,申志亮

(1.東北大學(xué)深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧沈陽(yáng) 110819;2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧沈陽(yáng) 110819;3.黑龍江科技大學(xué)黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江哈爾濱 150028)

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西部弱膠結(jié)砂巖循環(huán)載荷作用下塑性應(yīng)變能變化規(guī)律

趙永川1,2,楊天鴻1,2,肖福坤3,汪 泓1,2,劉 剛3,鄭 喜1,2,周靖人1,2,申志亮3

(1.東北大學(xué)深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧沈陽(yáng) 110819;2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧沈陽(yáng) 110819;3.黑龍江科技大學(xué)黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江哈爾濱 150028)

摘 要:通過(guò)不同應(yīng)力路徑下的三軸循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn),對(duì)中國(guó)西部礦區(qū)中不同粒徑弱膠結(jié)砂巖的塑性應(yīng)變能和塑性變形變化規(guī)律進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,加載路徑對(duì)砂巖的塑性應(yīng)變能及塑性變形特征有顯著影響;在加載過(guò)程中,粗砂,中砂,細(xì)砂儲(chǔ)存的塑性應(yīng)變能以及累計(jì)速度依次遞減,并且塑性應(yīng)變能隨應(yīng)力增大按指數(shù)規(guī)律變化;各加卸載周期內(nèi)儲(chǔ)存的塑性應(yīng)變能隨加卸載次數(shù)及應(yīng)力的增大呈“U”字形變化,即初始階段由于孔隙裂隙壓密,會(huì)儲(chǔ)存較多塑性應(yīng)變能;彈性階段變形源于晶格彈性壓縮,卸載時(shí)可以恢復(fù),儲(chǔ)存的塑性應(yīng)變能較少;屈服階段由于破裂面滑移也會(huì)儲(chǔ)存較多塑性應(yīng)變能;軸向和徑向殘余應(yīng)變隨應(yīng)力增大呈指數(shù)形式增長(zhǎng),并且徑向殘余應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度大于軸向;殘余應(yīng)變與塑性應(yīng)變能變化規(guī)律不同,塑性應(yīng)變能更能真實(shí)反映巖石在受載過(guò)程中的狀態(tài)變化。

關(guān)鍵詞:弱膠結(jié)砂巖;循環(huán)加載;塑性應(yīng)變能;殘余應(yīng)變;粒徑

責(zé)任編輯:韓晉平

近年來(lái),隨著我國(guó)工業(yè)迅速發(fā)展,能源消耗日益劇增,而東部礦區(qū)煤炭資源逐漸枯竭,“十二五”期間,重點(diǎn)建設(shè)的14個(gè)大型煤炭基地(98個(gè)礦區(qū))主要集中在生態(tài)環(huán)境十分脆弱、水土流失嚴(yán)重的西部地區(qū)。預(yù)計(jì)到2020年,煤炭總需求量將達(dá)27億t[1],其中西部供給量占70%以上。研究西部礦區(qū)圍巖在開采擾動(dòng)下變性特征和能量特征具有重要工程意義。

煤炭開采方案會(huì)使圍巖經(jīng)歷不同的應(yīng)力路徑[2-3],應(yīng)力路徑對(duì)試件的破壞強(qiáng)度、彈性模量、泊松比,殘余強(qiáng)度,聲發(fā)射頻譜等物理參數(shù)有著重要的影響[4-6]。循環(huán)加載是較為常見的加載方式,并且對(duì)工程巖體的長(zhǎng)期穩(wěn)定有著重要影響,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)循環(huán)試驗(yàn)進(jìn)行了深入研究[7-8]。李曉泉[9]和韓林[10]等分別對(duì)煤和灰?guī)r進(jìn)行恒圍壓和變圍壓下試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在恒壓力差循環(huán)加載下,殘余變形量隨著循環(huán)次數(shù)的增加而呈現(xiàn)出一個(gè)遞減的趨勢(shì),軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的發(fā)展趨勢(shì)是相反的,并且恒圍壓下變形模量有收斂趨勢(shì)。章清敘等[11]研究了砂巖在循環(huán)載荷作用下疲勞破壞的變形量與相應(yīng)應(yīng)力水平常規(guī)失穩(wěn)變形量一致,并且驗(yàn)證了用變形預(yù)測(cè)失穩(wěn)比用強(qiáng)度準(zhǔn)則更準(zhǔn)確。王鴻[12]和張媛[13]等分別對(duì)滯回環(huán)曲線進(jìn)行擬合參數(shù),以及對(duì)體積耗散能與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系進(jìn)行研究。許江等[14]對(duì)循環(huán)載荷下砂巖的殘余變形與循環(huán)次數(shù)進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)殘余變形與循環(huán)次數(shù)成負(fù)指數(shù)關(guān)系。張黎明等[15]發(fā)現(xiàn)三軸情況下,彈性儲(chǔ)存能與試件強(qiáng)度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,并基于彈性能微分形式建立了能量演化方程。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)論對(duì)循環(huán)載荷作用下巖石損傷失穩(wěn)有重要參考價(jià)值,但是應(yīng)力路徑和砂巖粒徑對(duì)塑性應(yīng)變能影響,應(yīng)力水平對(duì)塑性應(yīng)變能和塑性變形的影響研究相對(duì)較少。

筆者在上述研究基礎(chǔ)上,針對(duì)西部弱膠結(jié)砂巖開展三軸壓縮情況下的循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn),采用逐級(jí)增大循環(huán)加載、相等間距循環(huán)加載和一次循環(huán)加載試驗(yàn)(詳見實(shí)驗(yàn)方案),分析不同加載方案下的不同粒徑塑性應(yīng)變能變化趨勢(shì),以及不同應(yīng)力水平的塑性應(yīng)變能和軸向徑向殘余變形的特點(diǎn),用相關(guān)函數(shù)對(duì)變化規(guī)律進(jìn)行擬合,并進(jìn)行機(jī)理上的解釋,得到了弱膠結(jié)砂巖在循環(huán)載荷作用下塑性應(yīng)變能的累積和殘余變形的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用TAW-2 000 kN微機(jī)控制電液伺服三軸試驗(yàn)系統(tǒng),軸向力測(cè)量范圍0~2 000 kN,圍壓測(cè)量范圍0~100 MPa,位移測(cè)量范圍0~100 mm,試驗(yàn)力測(cè)量誤差±1%,軸向位移誤差±1%,變形測(cè)量分辨率1/200 000,如圖1所示。

圖1　壓力機(jī)Fig.1 Press machine

應(yīng)變采集儀采用武漢優(yōu)泰電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的uT7160靜態(tài)應(yīng)變儀,主模塊與計(jì)算機(jī)用USB接口相連,主模塊與應(yīng)變儀用雙向高速485總線相連,最高采集速度100 Hz,精度誤差小于0.01%,分辨率1 με,量程0~±38 000 με,選用半橋連接,如圖2所示。

圖2　應(yīng)變采集儀Fig.2 Strain acquisition machine

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)階段施工特點(diǎn),對(duì)砂巖試件采用三軸循環(huán)加載實(shí)驗(yàn),考慮埋深和構(gòu)造應(yīng)力選取圍壓7.5 MPa,軸向位移控制加載,選擇以下3種實(shí)驗(yàn)方案。

方案1:應(yīng)力逐級(jí)增大循環(huán)加載試驗(yàn),循環(huán)峰值載荷每次增加20 kN,卸載到10 kN,即載荷從0→10 kN→30 kN→10 kN→50 kN→10 kN→70 kN→10 kN→90 kN→10 kN→110 kN……,直到試件破壞,如圖3(a)所示。

方案2:應(yīng)力相等間距循環(huán)加載試驗(yàn),循環(huán)峰值載荷每次增加20 kN,卸載20 kN,即載荷從0→10 kN →30 kN→10 kN→50 kN→30 kN→70 kN→50 kN→90 kN→70 kN→110 kN……,直到試件破壞,如圖3(b)所示。

方案3:一次循環(huán),在加載至峰值強(qiáng)度80%時(shí),進(jìn)行一次卸載至10 kN,然后加載至破壞,如圖3(c)所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)試件

試驗(yàn)選用西部礦區(qū)弱膠結(jié)砂巖,如圖4所示,取樣地點(diǎn)位于“榆橫礦區(qū)”東北部的小紀(jì)汗煤礦,礦區(qū)處于鄂爾多斯盆地次級(jí)構(gòu)造單元—陜北斜坡中部,主要圍巖為侏羅白堊系砂巖,粒徑分為粗中細(xì)砂3種,膠結(jié)成分為鈣泥質(zhì)膠結(jié),主要成分長(zhǎng)石、石英、云母,泥質(zhì)充填。試件參數(shù)見表1。

圖3　循環(huán)加載方案Fig.3 Cyclic loading projects

表1　試件參數(shù)Table 1 Parameters of specimens

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 加載路徑對(duì)砂巖變形特性的影響

不同循環(huán)加載方案對(duì)砂巖變形特性有重要影響,選取粒徑相同的中砂巖B45,A12,A13為研究對(duì)象,加載方案分別為方案1、方案2和方案3。循環(huán)滯回能代表循環(huán)疲勞過(guò)程中的不可逆塑性應(yīng)變能量?jī)?chǔ)存,可以綜合反應(yīng)循環(huán)應(yīng)力與塑性變形的變化規(guī)律,能在一定程度上反映疲勞損傷參量[16]。在應(yīng)力應(yīng)變曲線中,滯回環(huán)的面積代表著塑性應(yīng)變能的大小。

在循環(huán)載荷作用下,上述3種加載方案產(chǎn)生滯回環(huán)的面積相差懸殊,見表2,產(chǎn)生塑性應(yīng)變能大小關(guān)系為WA12EA13>EB45,峰后變形模量EA12

圖4　試驗(yàn)試件Fig.4 Specimens for experiment

表2　不同加載路徑下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of different loading path

圖5　B45應(yīng)力逐級(jí)增大循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.5 Constitutive curve during stress stepping increasing of B45

圖6　A12應(yīng)力等間距循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.6 Constitutive curve during stress equivalentdeviate increasing of A12

圖7　A13應(yīng)力一次循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.7 Constitutive curve during one cyclic loading of A13

2.2 不同粒徑砂巖滯回環(huán)面積變化趨勢(shì)

加載方案對(duì)塑性應(yīng)變能的儲(chǔ)存影響較大,砂巖的粒徑對(duì)塑性應(yīng)變能也有著顯著影響。針對(duì)試件粗砂A27,A30,A43,中砂B25,B40,B45,細(xì)砂B4,B8,B9按照方案1進(jìn)行試驗(yàn),比較不同粒徑的砂巖在循環(huán)載荷作用下的滯回環(huán)面積變化趨勢(shì)。為避免實(shí)驗(yàn)結(jié)果離散性,分別將同一粒徑砂巖塑性應(yīng)變能取均值,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。對(duì)比圖8發(fā)現(xiàn),在相同應(yīng)力水平下,粗砂巖塑性應(yīng)變能儲(chǔ)存最多,細(xì)砂巖儲(chǔ)存塑性應(yīng)變能最少。對(duì)于粗砂巖,其顆粒較大,排列較為松散,初始空隙裂隙也較多,隨著載荷的增大,滯回環(huán)的面積增長(zhǎng)的最快。細(xì)砂結(jié)構(gòu)致密,初次加載時(shí)滯回環(huán)的面積較少,顆粒間空隙較小,隨著壓力的增大在循環(huán)過(guò)程中面積的增長(zhǎng)速度也較緩慢,中砂巖則居中。在加載過(guò)程中,試件儲(chǔ)存塑性應(yīng)變能可以反映砂巖的彈性性質(zhì),在相同的循環(huán)載荷下,試件儲(chǔ)存的塑性應(yīng)變能越小,說(shuō)明在卸載時(shí)變形越容易恢復(fù)至初始水平,故彈性性質(zhì)越明顯。對(duì)于西部弱膠結(jié)砂巖,顆粒越細(xì),彈性性質(zhì)越明顯。

對(duì)于粗砂,中砂和細(xì)砂將塑性應(yīng)變能用指數(shù)函數(shù)E=exp(aσ+b)進(jìn)行擬合。如圖8所示,相關(guān)系數(shù)R都在0.98以上?；貧w顯著性分析采用F假設(shè)檢驗(yàn), 當(dāng)F值大于分布表對(duì)應(yīng)的F值時(shí)(該模型分別對(duì)應(yīng)5.54,4.54,3.36),說(shuō)明選用該函數(shù)擬合變化趨勢(shì)合理,擬合結(jié)果見表3。對(duì)擬合函數(shù)求導(dǎo)數(shù)可以發(fā)現(xiàn),a表示函數(shù)的增長(zhǎng)速度,即參數(shù)a代表隨著載荷增大塑性應(yīng)變能的增長(zhǎng)速度,b為在初始載荷的折減程度。隨著載荷的增長(zhǎng),塑性應(yīng)變能的增長(zhǎng)速度為:粗砂>中砂>細(xì)砂,而粗中細(xì)砂應(yīng)變能在初始的折減強(qiáng)度基本相近分別為-7.280,-7.577,-6.390。

圖8　粗砂巖,中砂巖和細(xì)砂巖應(yīng)變能擬合曲線Fig.8 Fitting curves of plastic energy of coarse sandstone, medium sandstone and fine sandstone

表3　不同粒徑砂巖塑性應(yīng)變能擬合參數(shù)Table 3 Plastic energy fitting results of different particle sizes

2.3 不同應(yīng)力階段產(chǎn)生塑性應(yīng)變能的分析

上面分析了不同粒徑砂巖在循環(huán)載荷(方案1)作用下塑性應(yīng)變能的變化規(guī)律,下面分析在不同的應(yīng)力水平下等間距的應(yīng)力差引起砂巖試件塑性應(yīng)變能的變化規(guī)律,按方案2加載,選取有代表性的中砂巖A12,A20,A44進(jìn)行試驗(yàn)。試樣壓縮過(guò)程的變形量由3個(gè)部分構(gòu)成:一是晶粒之間的裂隙或孔隙閉合;二是晶粒界面之間滑移;三是巖石材料的壓縮變形[17]。在壓密階段,孔隙壓密裂隙閉合產(chǎn)生的塑性應(yīng)變能占主要成分,在接近峰值強(qiáng)度時(shí),顆粒界面的滑移產(chǎn)生的塑性變形占主要成分,而材料的壓縮變形可以在卸載時(shí)迅速恢復(fù),不會(huì)產(chǎn)生塑性變形。進(jìn)行應(yīng)力等間距循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn),可以比較在不同的應(yīng)力水平,相同的載荷變化量(20 kN)引起的塑性應(yīng)變能的變化規(guī)律。

等間距應(yīng)力循環(huán)加載引起的塑性應(yīng)變能的變化規(guī)律如圖9所示,塑性應(yīng)變能的變化曲線都表現(xiàn)出U字形變化,應(yīng)變能彈性階段達(dá)到最小值。在低應(yīng)力階段,應(yīng)變能處于較高水平,并且變化趨勢(shì)較為平緩,滯回環(huán)面積較大是因?yàn)樯皫r主要成分是顆粒(石英長(zhǎng)石),膠結(jié)物(鈣質(zhì),泥質(zhì)),充填物(泥質(zhì))組成,結(jié)構(gòu)松散,較低應(yīng)力會(huì)使孔隙壓密,裂隙閉合,從而把變形以塑性應(yīng)變能的形式儲(chǔ)存起來(lái)。在峰值強(qiáng)度50%應(yīng)力水平時(shí),由于前期的壓密,導(dǎo)致砂巖顆粒之間直接接觸,此時(shí)試件處于彈性變形階段,在加載和卸載時(shí),由于顆粒的彈性作用,很容易使變性得到恢復(fù),導(dǎo)致塑性應(yīng)變能較小,但是仍然存在。在接近峰值強(qiáng)度時(shí),塑性變形能急劇增大,增大的主要原因一方面是孔隙裂隙的持續(xù)壓密,但更多的是膠結(jié)物和顆粒骨架的滑移變形,即試件內(nèi)部出現(xiàn)不可逆的損傷,兩方面的塑性變形的疊加導(dǎo)致應(yīng)變能增大較快,也預(yù)示著巖石宏觀破壞的到來(lái)。

圖9　等應(yīng)力間距下應(yīng)變能變化規(guī)律Fig.9 Plastic strain energy during stress equivalent deviate increasing process

2.4 循環(huán)加載過(guò)程中殘余應(yīng)變的變化趨勢(shì)

上述分析了等間距應(yīng)力下的塑性應(yīng)變能的變化規(guī)律,塑性應(yīng)變能是在應(yīng)力應(yīng)變曲線上對(duì)滯回環(huán)面積進(jìn)行離散積分得到的,故塑性變性能取決于應(yīng)力路徑和塑性變形大小。研究巖石試件在循環(huán)載荷作用下殘余變形的變化規(guī)律有重要的意義,每次加載、卸載循環(huán)將導(dǎo)致殘余變形殘留下來(lái),而殘余變形量的大小、增長(zhǎng)趨勢(shì)以及總的累積量是度量巖石力學(xué)性能的標(biāo)志之一[10]。下面單獨(dú)分析在循環(huán)過(guò)程中殘余應(yīng)變的變化規(guī)律,按方案2對(duì)中砂巖加載,在加載過(guò)程中,載荷的變化規(guī)律是20 kN為1個(gè)間距,圖10是在不同應(yīng)力水平的變形隨時(shí)間的變化規(guī)律,軸向壓縮為正,徑向拉伸為負(fù)。

圖10　等應(yīng)力間距加載過(guò)程中殘余應(yīng)變Fig.10 Deformation during stress equivalent deviate increasing process

殘余應(yīng)變是指在循環(huán)加載過(guò)程中,應(yīng)力到達(dá)同一水平,試件殘余的軸向和徑向的應(yīng)變。試件A12, A20,A44在等間距應(yīng)力循環(huán)加載中的殘余應(yīng)變?nèi)鐖D11所示。在循環(huán)過(guò)程中,試件的殘余應(yīng)變與載荷的關(guān)系呈現(xiàn)指數(shù)變化規(guī)律,利用指數(shù)關(guān)系ε=±exp(aσ+ b)進(jìn)行擬合,擬合結(jié)果見表4。擬合結(jié)果上可以看出,徑向殘余應(yīng)變的增長(zhǎng)速率(a值)明顯大于軸向殘余應(yīng)變的增長(zhǎng)速率。隨著載荷的增大,徑向塑性變形的增長(zhǎng)速度大于軸向,故在巖石接近宏觀失穩(wěn)時(shí),擴(kuò)容現(xiàn)象必然出現(xiàn),在循環(huán)加載過(guò)程中,隨著載荷的增大,徑向殘余變形相比軸向更加敏感,故監(jiān)測(cè)徑向殘余變形預(yù)測(cè)砂巖破裂更具可靠性。

根據(jù)上述結(jié)論,在等間距應(yīng)力循環(huán)的加載路徑下,試件A12,A20,A44產(chǎn)生的殘余應(yīng)變與塑性應(yīng)變能(2.3節(jié)的結(jié)論)的變化趨勢(shì)有較大區(qū)別。殘余應(yīng)變和塑性應(yīng)變能都可以表示巖石的塑性特征,但是塑性應(yīng)變能取決于應(yīng)力應(yīng)變曲線在加載和卸載過(guò)程中路徑上的差異,同時(shí)兼顧了變形和受力,更能真實(shí)的反映巖石所處的狀態(tài)。

圖11　軸向和徑向殘余應(yīng)變以及擬合曲線Fig.11 Fitting curves of axial and lateral residual deformation

表4　殘余應(yīng)變擬合結(jié)果Table 4 Fitting results of residual strain

3 結(jié) 論

(1)塑性應(yīng)變能和塑性變形特征很大程度上依賴于加載路徑,應(yīng)力逐級(jí)增大加載塑性應(yīng)變能最大,一次大循環(huán)加載塑性應(yīng)變能次之,應(yīng)力等間距循環(huán)加載塑性應(yīng)變能最小,峰后變形模量呈現(xiàn)相同變化規(guī)律,而峰前變形模量呈現(xiàn)相反規(guī)律。

(2)在應(yīng)力逐級(jí)增大循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)中,粒徑對(duì)塑性應(yīng)變能有重要影響,塑性應(yīng)變能積累速度:粗砂>中砂>細(xì)砂,塑性應(yīng)變能與應(yīng)力呈現(xiàn)指數(shù)變化規(guī)律。塑性應(yīng)變能可以反映巖石的彈性性質(zhì),塑性應(yīng)變能越小,彈性性質(zhì)越明顯,在不同的粒徑砂巖中,細(xì)砂巖的彈性性質(zhì)最為明顯。

(3)塑性應(yīng)變能與應(yīng)力水平呈現(xiàn)“U”字形變化規(guī)律,即在壓密階段,產(chǎn)生塑性應(yīng)變能較多,且增長(zhǎng)速度較慢,在彈性階段,產(chǎn)生塑性應(yīng)變能較少,在屈服階段,產(chǎn)生塑性應(yīng)變能較多,且增長(zhǎng)速度較快。相對(duì)于殘余應(yīng)變,塑性應(yīng)變能更能反映巖石的塑性損傷過(guò)程。

(4)軸向殘余應(yīng)變與徑向殘余應(yīng)變隨應(yīng)力的增大呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)規(guī)律,徑向殘余應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度明顯大于軸向,即相對(duì)于軸向殘余應(yīng)變,徑向殘余應(yīng)變對(duì)高應(yīng)力更敏感,對(duì)預(yù)測(cè)巖石破裂更具可靠性。

參考文獻(xiàn):

[1]張 宏,李仲學(xué).煤炭需求影響因素及情景分析[J].煤炭學(xué)報(bào),2007,32(5):557-560.

Zhang Hong,Li Zhongxue.Affecting factors and projected scenarios for coal demand in China[J].Journal of China Coal Society,2007, 32(5):557-560.

[2]謝和平,周宏偉,劉建峰,等.不同開采條件下采動(dòng)力學(xué)行為研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2011,36(7):1067-1074.

Xie Heping,Zhou Hongwei,Liu Jianfeng,et al.Mining-induced mechanical behavior in coal seams under different mining layouts[J].Journal of China Coal Society,2011,36(7):1067-1074.

[3]蘇承東,高保彬,南 華,等.不同應(yīng)力路徑下煤樣變形破壞過(guò)程聲發(fā)射特征的試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009, 28(4):757-766.

Su Chengdong,Gao Baobin,Nan Hua,et al.Experimental study on acoustic emission characteristic during deformation and failure processes of coal samples under different stress paths[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009,28 (4):757 -766.

[4]張立強(qiáng),許 江,蔣長(zhǎng)寶,等.砂巖在循環(huán)載荷下不同飽和度時(shí)的變形特征[J].中國(guó)礦業(yè),2006,15(10):109-112.

Zang Liqiang,Xu Jiang Jiang Changbao,et al.Research on the deformation characteristics of sandstone under cyclic loading and different saturations[J].Chinese Mining Magazine,2006,15(10):109-112.

[5]夏 冬,楊天鴻,王培濤,等.循環(huán)加卸載下飽和巖石變形破壞的損傷與能量分析[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào),2014,35(6):867-870.

Xia Dong,Yang Tianhong,Wang Peitao,et al.Analysis on damage and energy in deformation fractural of saturated rock subject to cyclic loading and unloading[J].Journal of Northeastern University,2014, 35(6):867-870.

[6]張寧博,齊慶新,歐陽(yáng)振華,等.不同應(yīng)力路徑下大理巖聲發(fā)射特性試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(2):389-394.

Zhang Ningbo,Qi Qinghua,Ouyang Zhenhua,et al.Experiment on acoustic emission characteristic of marble with different stress paths [J].Journal of China Coal Society,2014,39(2):389-394.

[7]陳祖安.循環(huán)加載高壓流變實(shí)驗(yàn)中塑性應(yīng)變分析[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2002,17(3):414-417,423.

Chen Zuan.Analysis of plastic strain in rhology experiment with cycle loading[J].Progress of Geophysics,2002,17(3):414 -417, 423.

[8]許 江,唐曉軍,李樹春,等.周期性循環(huán)載荷作用下巖石聲發(fā)射規(guī)律試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2009,30(5):1241-1246.

Xu Jiang,Tang Xiaojun,Li Shuchun,et al.Experimental research on acoustic emission rules of rock under cyclic loading [J].Rock and Soil Mechanics,2009,30(5):1241-1246.

[9]李曉泉,尹光志,蔡 波.循環(huán)載荷下突出煤樣的變形和滲透特性試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(S2):3498 -3504.

Li Xiaoquan,Yin Guangzhi,Cai Bo.Experimental study on deformation and seepage properties of outburst coal samples under cyclic loading[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010,29(S2):3498-3504.

[10]韓 林,劉向君,孟英峰,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(S1):2840-2844.

Han Lin,Liu Xiangjun,Meng Yingfeng,et al.Study of deformation behaviors of limestone under cyclic triaxial compression with different confining pressures[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2010,29(S1):2840-2844.

[11]章清敘,葛修潤(rùn),黃 銘,等.周期荷載作用下紅砂巖三軸疲勞變形特性試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(3): 473-478.

Zhang Qingxun,Ge Xiurun,Huang Ming,et al.Texting study on fatigue deformation law of red-sandstone under triaxial compression with cyclic loading[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2006,25(3):473-478.

[12]王 鴻,許 江,楊秀貴.循環(huán)載荷條件下巖石塑性滯回環(huán)的演化規(guī)律[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2006,29(4):80-82.

Wang Hong,Xu Jiang,Yang Xiugui.Evolvement of plastic-loop of fine-sandstone under the loading and unloading conditions [J].Journal of Chongqing University,2006,29(4):80-82.

[13]張 媛,許 江,楊 紅.循環(huán)荷載作用下圍壓對(duì)砂巖滯回環(huán)演化規(guī)律的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2011,30(2):320-326.

Zhang Yuan,Xu Jiang,Yang Hong.Effect of confining pressure on evolution law of hysteresis loop of sand stone under cyclic loading [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011, 30(2):320-326.

[14]許 江,楊紅偉,李樹春,等.循環(huán)加卸載孔隙水壓力對(duì)砂巖變形特性影響實(shí)驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009,28(5): 892-899.

Xu Jiang,Yang Hongwei,Li Shuchun,et al.Experimental study of effects of cyclic loading and unloading pore water pressure on deformation characteristic of sandstone [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009,28(5):892-899.

[15]張黎明,高 速,任明遠(yuǎn),等.巖石加荷破壞彈性能和耗散能演化特性[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(7):1238-1242.

Zhang Liming,Gao Su,Ren Mingyuan,et al.Rock elastic strain energy and dissipation strain energy evolution characteristics under conventional triaxial compression[J].Journal of China Coal Society,2014,39(7):1238-1242.

[16]童小燕,王德俊,徐 灝.疲勞失效中的循環(huán)滯回能[J].東北工學(xué)院學(xué)報(bào),1988,56(3):287-295.

Tong Xiaoyan,Wang Dejun,Xu Hao.Cyclic hysteresis energy fatigue failure[J].Journal of Northeastern Technology Collage,1988, 56(3):287-295.

[17]尤明慶,蘇承東.大理巖試樣循環(huán)加載強(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.

You Mingqing,Su Chengdong.Experimental study on strengthening of marble specimen in cyclic loading of uniaxial or pseudo-triaxial compression [J].Chinese Journal of Solid Mechanics,2008, 29(1):66-72.

The variation law of plastic strain energy of western weak cemented sandstone during cyclic loading experiment

ZHAO Yong-chuan1,2,YANG Tian-hong1,2,XIAO Fu-kun3,WANG Hong1,2, LIU Gang3,ZHENG Xi1,2,ZHOU Jing-ren1,2,SHEN Zhi-liang3

(1.Key Laboratory of Ministry of Education on Safe Mining of Deep Metal Mines,Northeastern University,Shenyang 110819,China;2.School of Resources and Civil Engineering,Northeastern University,Shenyang 110819,China;3.Key Lab of Heilongjiang Province of Ground Pressure Control and Gas Control of Deep Coal Mines,Heilongjiang University of Science and Technology,Harbin 150028,China)

Abstract:The variations of plastic strain energy and plastic deformation of weak cemented sandstone in different particle sizes were analyzed in triaxial cyclic loading experiments.The sandstone was taken from a coal mine in Western China.The results show that the cyclic loading paths have a notable effect on the deformation properties and plastic strain energy.The plastic strain energy and its growth rate of sandstone decrease with the decrease of sandstone particle sizes,moreover,the plastic strain energy increases exponentially with the increase of loading.The plastic strain energy stored in each loading and unloading cycles changes in the form of“U”with the increase of number of cycles and stress,namely,at the initial stage,the void and cracks are consolidated,so the plastic strain energy is stored,and during the elastic stage,the deformation stemmed from lattice elastic compression can recover when the loading is released,so the plastic strain energy is less,and during the yield stage,the plastic strain energy stemmed from fracture

slipping grows rapidly.Furthermore,during the cyclic loading,the axial residual deformation and lateral residual deformation increase exponentially with the increase of loading,and the lateral residual deformation grows faster than the axial residual deformation.The plastic strain energy is more reliable than the residual deformation in reflecting the change of state in the process of loading.

Key words:weak cemented sandstone;cyclic loading;plastic strain energy;residual deformation;particle sizes

通訊作者:楊天鴻(1968—),男,遼寧撫順人,教授,博士生導(dǎo)師。E-mail:yang_tianhong@126.com

作者簡(jiǎn)介:趙永川(1989—),男,河北滄州人,博士研究生。E-mail:yongchuanzhao@ sina.com。

基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2013CB227902);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51174045)

收稿日期:2014-09-12

中圖分類號(hào):TU443

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0253-9993(2015)08-1813-07