彭 亮，盧方舟，周 威，蓋 元

（中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116）

采礦工程施工項目多采用混凝土結(jié)構(gòu)，因這種材料具有特殊性，當(dāng)處于復(fù)雜應(yīng)力條件下，混凝土結(jié)構(gòu)性能難以維持，可能會面臨一定的結(jié)構(gòu)破壞?，F(xiàn)階段隨著各種采礦工程施工項目的增多，在一些混凝土結(jié)構(gòu)施工作業(yè)中，常常會遇到孔隙水壓力作用，這是影響混凝土施工作業(yè)的不利因素。施工材料的特性，使得骨料和砂漿界面之間分布有大量的微裂紋，當(dāng)處于孔隙水壓力施工條件下時，隨著外界水壓力作用的存在，孔隙水可以將這些微裂紋填充起來，使得混凝土結(jié)構(gòu)性能有所改善。因此，復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土施工難度較大，工程人員需注意抗壓強度的控制。

1 水環(huán)境下施工材料的破壞機理分析

根據(jù)施工作業(yè)的工程實踐，當(dāng)混凝土受到外部荷載的作用力下，當(dāng)混凝土內(nèi)部存在初始缺陷或者損傷且這些缺陷、損傷不斷變化的過程中，施工材料的孔隙率也隨著這些變化而呈現(xiàn)出動態(tài)性特征。從混凝土結(jié)構(gòu)的影響因素來看，孔隙率是評價混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量的一個關(guān)鍵指標(biāo)，隨著孔隙率的變化，混凝土材料的有效彈性模量、泊松比、剪切模量等都會出現(xiàn)明顯的變化，因此，孔隙率對混凝土結(jié)構(gòu)性能的影響是非常大且直接的[1]。當(dāng)混凝土受到極大的外部荷載作用時，飽和混凝土孔隙率也會隨著該作用力不斷變化，根據(jù)工程經(jīng)驗，孔隙率對混凝土裂紋的影響最為直接，裂紋的長度是由這一指標(biāo)來決定的。由于存在相互的作用機理，當(dāng)混凝土存在孔隙水壓力時，裂紋的有效剪應(yīng)力和應(yīng)力強度因子都大大減弱，再加上孔隙水壓的劈裂作用，使得采礦工程施工材料的性能會受到影響。如果要更為清晰地掌握孔隙水壓經(jīng)由混凝土內(nèi)部材料對混凝土結(jié)構(gòu)所造成的影響，必須要詳細(xì)探明孔隙水的類型、壓力大小和作用方式。

2 飽和土體的孔隙水壓力

為詳細(xì)掌握復(fù)雜應(yīng)力條件下孔隙水壓力對混凝土抗壓強度所造成的影響，需從飽和土體有效應(yīng)力的原理出發(fā)來進(jìn)行相應(yīng)的分析。

2.1 飽和土體有效應(yīng)力原理

相關(guān)學(xué)者在長期的混凝土作用機理研究中，提出了飽和土體的有效應(yīng)力原理，該原理明確指出了松散顆粒土體與連續(xù)固體材料之間所存在的差異性，該研究是現(xiàn)代土力學(xué)變形和強度計算的基礎(chǔ)理論，飽和土體有效應(yīng)力原理如圖1 所示。

圖1 飽和土體有效應(yīng)力原理

根據(jù)圖1，從該圖中選取截面積為A 的飽和土體截面作為研究主體，為使得研究結(jié)果盡可能與實際的混凝土作用機理保持一致，假設(shè)A 截面在選取的過程中，是沿著土顆粒間接觸面所截取的，根據(jù)土體平衡條件的分析，存在以下關(guān)系：

在上式中，As代表的是截面上土顆粒間的接觸面積，而σ 表示的是總應(yīng)力值，σs 代表土顆粒間接觸面上作用的法向應(yīng)力，u為孔隙水壓力。

如果在采礦工程實踐的過程中現(xiàn)場的土體顆粒較為松散，那么基本上可以確定是無限接近于0 的，在這一假設(shè)前提下，有效應(yīng)力原理存在以下關(guān)系：

上式中， 'σ 為有效應(yīng)力，也就是土顆粒間接觸應(yīng)力在選取截面A 上的平均應(yīng)力值。根據(jù)對這一公式的研究，可以得出：飽和土體所承受的總應(yīng)力不僅包含了固相承擔(dān)的部分，還包含了液相承擔(dān)的部分。

2.2 飽和土體的有效應(yīng)力原理

混凝土與松散的土體顆粒有所不同，主要體現(xiàn)為混凝土結(jié)構(gòu)相對緊湊，為連續(xù)的固體材料，正是由于混凝土結(jié)構(gòu)的這一特殊性，使得在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)存在很多呈現(xiàn)隨機分布狀態(tài)的微裂紋和微孔洞，如果從宏觀分析的角度，這些微裂紋和微孔洞在受力的初期階段內(nèi)，基本上呈現(xiàn)出一個均勻分布的狀態(tài)，當(dāng)處于飽和狀態(tài)下時，這些裂紋與孔洞可以經(jīng)由孔隙水來加以填充[2]。基于混凝土結(jié)構(gòu)的特性，應(yīng)力公式在建立的過程中，將圓柱形的理想飽和混凝土模型作為研究對象。

飽和混凝土中包含了無缺陷的混凝土基體和球形孔隙，如果在開展復(fù)雜應(yīng)力研究的過程中，不考慮孔隙尺寸和形狀對研究結(jié)果的影響，假定孔隙在基體中呈現(xiàn)出均勻分布的特征，且這些孔隙可以直接經(jīng)孔隙水來加以填充。在飽和混凝土中截取一個水平截面積為A 的柱體結(jié)構(gòu)，將該截面上的總應(yīng)力作用設(shè)為σ，這種情況下，該應(yīng)力作用中，一部分是由混凝土基體應(yīng)力所承擔(dān)的，而另一部分是由孔隙內(nèi)飽和水產(chǎn)生的孔隙水壓力所承擔(dān)的[3]。沿著特定的位置來進(jìn)行隔離體的選取，使得該隔離體的截面能夠順利穿過基體和孔隙，此時，在該截面上，混凝土基體間接觸面上作用的法向壓力用σs 表示，基體接觸面積的和是As，孔隙對應(yīng)的截面積用Av 表示，孔隙水壓力為u，此時，存在以下的關(guān)系：

根據(jù)平衡條件的分析，得出以下結(jié)論：

混凝土材料與松散顆粒土體存在著明顯的差異性，在采礦工程施工作業(yè)開展的過程中，混凝土基體接觸面是主體的受力部位，那么，也就有：如果在研究分析的過程中不考慮混凝土微結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)性問題，將混凝土的有效應(yīng)力用基體承受應(yīng)力在截面上的平均應(yīng)力來代替。

3 真實水環(huán)境下孔隙水壓力的影響

根據(jù)相應(yīng)的研究，有關(guān)學(xué)者經(jīng)由研究發(fā)現(xiàn)，在真實的水環(huán)境狀態(tài)下，混凝土的孔隙水壓力包含了貫通孔隙水壓力和封閉孔隙水壓力。如果在混凝土施工作業(yè)開展的過程中，加載速度比較慢，此時，可以認(rèn)定混凝土中的裂紋呈現(xiàn)出靜態(tài)擴展的狀態(tài)，如果在研究分析時不考慮流體在介質(zhì)內(nèi)的擴散因素，此時，基本上可以認(rèn)定貫通孔隙水壓力和靜水圍壓是相等的[4]。真實的水環(huán)境狀態(tài)下，對混凝土結(jié)構(gòu)施加一定的荷載，此時，混凝土中的微裂紋是呈緩慢擴展的狀態(tài)的，外界的水會經(jīng)由表面裂紋逐步滲透到混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，隨著微裂紋的擴展，裂紋會導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。

4 試驗驗證與分析

針對不同水灰比下的混凝土試塊，來分別探析在干燥和飽和狀態(tài)下時，當(dāng)對混凝土試塊開展壓縮加載試驗的過程中，在圍壓、孔隙率不同的條件下，孔隙水壓力對混凝土抗壓強度的直接影響。在研究模型中，假定理性混凝土材料基體的單軸抗壓強度是已知的，根據(jù)對混凝土材料各個力學(xué)參數(shù)的分析，就可以分別來確定干燥混凝土、飽和混凝土材料的體積模量、孔隙水壓力系數(shù)等基本的試驗參數(shù)。

假設(shè)在試驗開展的過程中，相關(guān)人員的試驗是從初始靜水壓力的狀態(tài)下進(jìn)行的，在加載試驗具體的實施中，所經(jīng)歷的加載路徑為應(yīng)力空間中的壓縮子午面，而該壓縮子午線采用的是William Warnke 五參數(shù)模型中的拋物線，根據(jù)有關(guān)研究，將干燥混凝土單軸抗壓強度和應(yīng)力人為定義出來，根據(jù)混凝土的制備過程，混凝土的水灰比與孔隙率之間存在著緊密的聯(lián)系，二者呈現(xiàn)正相關(guān)，在水灰比越大的情況下，混凝土的孔隙率也比較大[5]。經(jīng)由試驗結(jié)果，可以指導(dǎo)，當(dāng)水灰比或者孔隙率逐步增大的過程中，干燥混凝土的單軸抗壓強度指標(biāo)是隨之逐步減小的。

不同的圍壓條件下，飽和混凝土抗壓強度也會發(fā)生明顯的變化，其具體變化趨勢如圖2 所示，為了進(jìn)行試驗結(jié)果的準(zhǔn)確把握，將試驗和預(yù)測結(jié)果開展歸一化處理，從最終的處理結(jié)果可以看出，試驗數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出相對分散的分布特征，根據(jù)這一試驗結(jié)果的分析，也就準(zhǔn)確、直觀地反映了孔隙水壓力對飽和混凝土抗壓強度的直接影響。當(dāng)相對圍壓條件已知且固定的情況下，如果飽和混凝土的水灰比或者孔隙率逐步增大，這一條件下所對應(yīng)的飽和混凝土抗壓強度降低率也顯著增大[6]。但是，如果在試驗開展的過程中，如果飽和混凝土的水灰比或者孔隙率是已知且固定的，當(dāng)圍壓逐步變化的過程中，飽和混凝土抗壓強度降低率也會發(fā)生明顯的變化，圍壓如果呈現(xiàn)增大趨勢，飽和混凝土抗壓強度降低率將反向變化，呈減小趨勢。

圖2 不同圍壓下飽和土體抗壓強度降低率關(guān)系曲線

對理想采礦工程使用材料而言，其基體真實應(yīng)力是與總應(yīng)力相等的，這一條件下，所對應(yīng)的加載路徑會與子午線產(chǎn)生交點，該交點所對應(yīng)的就是強度達(dá)到極限狀態(tài)下所呈現(xiàn)的應(yīng)力分布形態(tài)。在材料加載試驗開展的過程中，如果針對的是含有孔隙缺陷的混凝土試塊，當(dāng)處于干燥條件下時，混凝土中的孔隙是直接經(jīng)由空氣來填充的，在相同的總應(yīng)力加載路徑工況條件下，混凝土基體的真實應(yīng)力路徑會呈現(xiàn)出一定的偏移，處于子午面向右側(cè)平行偏移的狀態(tài)，這也真實應(yīng)力路徑的變化恰好反映了在達(dá)到了特定的強度狀態(tài)以后，對應(yīng)的名義抗壓強度有所減小。而在干燥狀態(tài)下，由于存在孔隙水壓力的作用，當(dāng)處于相同的總應(yīng)力加載路徑工況條件下時，與干燥狀態(tài)相比較，基體真實應(yīng)力路徑在子午面內(nèi)向左側(cè)偏移，且路徑斜率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于干燥狀態(tài)下的路徑斜率，此時，達(dá)到強度狀態(tài)下的對應(yīng)名義抗壓強度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于干燥狀態(tài)下的名義抗壓強度。

5 結(jié)語

采礦工程施工作業(yè)開展的過程中，水環(huán)境條件會對材料強度產(chǎn)生一定的影響，尤其是孔隙水壓力作用對于施工材料抗壓強度的影響非常大。因此，在實際的施工過程中，工程企業(yè)必須要根據(jù)這一影響機理，來制定有效的施工策略。