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        巨野煤田煤系軟巖遇水強度軟化特征

        2021-12-03 06:13:19陶德保
        科技信息·學(xué)術(shù)版 2021年31期
        關(guān)鍵詞:破壞水穩(wěn)性變形

        陶德保

        摘要:選擇遇水不碎解的2組巖樣分別進(jìn)行了原狀樣的單軸壓縮試驗、飽水樣單軸壓縮試驗和壓縮-浸水-再壓縮……的重復(fù)壓縮-浸水試驗。試驗結(jié)果反映出其破壞機制和壓縮破壞的宏觀特征。

        關(guān)鍵詞:煤系軟巖;水穩(wěn)性;壓縮;變形;破壞

        1引言

        煤礦在建設(shè)時、開采中,煤系軟巖處于不同程度的擾動,特別由于地下水的存在使研究更趨復(fù)雜,但這方面的缺乏研究。本文在原狀巖樣、飽水狀態(tài)巖樣的壓縮試驗結(jié)果的對比分析基礎(chǔ)上,著重進(jìn)行了重復(fù)壓縮-浸水試驗,重在揭示在不同擾動狀態(tài)下煤系軟巖的遇水強度軟化特征。

        2軟巖壓縮試驗

        2.1原狀巖樣單軸壓縮試驗

        圖1為天然狀態(tài)1號、2號試樣單軸壓縮試驗取得的峰值壓力前的全過程曲線。其中1

        號試樣在峰值強度前,由于順層理發(fā)生提前破壞。雖然這兩個試樣巖性的水穩(wěn)性相似,但其峰值強度和應(yīng)力-應(yīng)變曲線有一定差異。1號樣峰值強度高出2號樣近1倍,應(yīng)力-應(yīng)變曲線所反映的彈性特征也較2號樣明顯。與1號樣相比,2號樣表現(xiàn)有明顯的壓密階段,反映出其微觀結(jié)構(gòu)要比1號樣疏松。

        2.2飽水狀態(tài)巖樣單軸壓縮試驗

        圖2為1號、2號樣飽水狀態(tài)的單軸壓縮試驗結(jié)果。與原狀樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(圖1)相比,1號樣壓縮變形初期出現(xiàn)明顯的壓密變形過程,而2號樣則在破壞前出現(xiàn)明顯的屈服變形過程。另一方面,1、2號樣飽水狀態(tài)和天然狀態(tài)的變形模量都沒有發(fā)生明顯的變化。

        分析認(rèn)為這兩種情況反映出浸水主要是引起了粘土礦物的結(jié)構(gòu)性膨脹,沒有導(dǎo)致巖樣的結(jié)構(gòu)性破壞,這一定程度可以說明遇水作用結(jié)構(gòu)狀態(tài)相對穩(wěn)定的內(nèi)在機理。

        2.3重復(fù)壓縮-浸水試驗

        試驗采用如下方法進(jìn)行:①對飽水巖樣(浸水240小時)加壓至一定變形水平后重新置于水中浸泡48小時;②對浸水試樣重新加壓,控制重新加壓應(yīng)變幅度要超過前次加壓最大應(yīng)變60%以上;③重復(fù)進(jìn)行①、②過程,直至試樣破壞。

        本次研究初步設(shè)計了5組試驗,采用遇水作用水穩(wěn)性較好的巖樣完成四~五個加壓-浸水過程,但實際試驗中有三組試驗進(jìn)行至二次加壓-浸水過程即因試樣破壞或應(yīng)變片失效等原因而中途廢止,只有1、2兩組樣的試驗按設(shè)計完成了四次加壓-浸水過程。

        圖3(a)分別為1組巖樣的重復(fù)加壓-浸水過程的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線:過程一,最大壓應(yīng)力為9.2Mpa;過程二:最大壓應(yīng)力達(dá)到18.5 Mpa;過程三:最大壓應(yīng)力達(dá)到27.6 Mpa;過程四:最大壓應(yīng)力為23 Mpa。

        圖3(b)分別為2號巖樣組巖樣的重復(fù)加壓-浸水過程的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線:過程一,最大壓應(yīng)力為4.7Mpa;過程二:最大壓應(yīng)力達(dá)到9.5 Mpa;過程三:最大壓應(yīng)力達(dá)到14.3 Mpa;過程四:最大壓應(yīng)力為14.2 Mpa。

        對比分析不同浸水—壓縮過程的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線可以看出,每次浸水—壓縮過程,曲線初始段都出現(xiàn)明顯的壓密變形,表明每次浸水都導(dǎo)致巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的膨脹變形。從幾個過程的變形特點看,自過程一至過程四曲線的彈性模量表現(xiàn)有先增后降的特點(表1)。在過程一壓力增加過程中,由于微裂隙及孔隙影響,巖樣彈性模量相對較小;在過程二和過程三的加壓過程中,因巖樣本身結(jié)構(gòu)沒有遭到破壞,試樣表現(xiàn)較好的彈性特征,應(yīng)變隨應(yīng)力壓密變形后應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似直線,且應(yīng)力都較前一過程有明顯提高。

        另一方面,與過程三相比,過程四中1、2組樣的最終破壞應(yīng)力均出現(xiàn)下降,即試樣出現(xiàn)了“強度疲勞”現(xiàn)象。在正常壓縮試驗情況下,一般在試樣進(jìn)入屈服階段后進(jìn)行循環(huán)加、卸載才會出現(xiàn)“強度疲勞” 現(xiàn)象。分析認(rèn)為,本項試驗出現(xiàn)的“強度疲勞”現(xiàn)象的內(nèi)在原因與重復(fù)浸水-加載引起的結(jié)構(gòu)性軟化有關(guān),因每次浸水都會引起內(nèi)部結(jié)構(gòu)的膨脹,勢必會降低試樣的結(jié)構(gòu)連接強度。

        圖4為2組樣軟巖不同條件單軸壓縮試驗的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系,可以看出,天然狀態(tài)下巖樣的抗壓強度大于飽水狀態(tài)下巖樣的抗壓強度,而飽水狀態(tài)試樣一次性加壓破壞的強度明顯大于重復(fù)浸水—壓縮過程的強度。明顯反映出試樣浸水對強度條和變形性的影響。分析認(rèn)為巖樣變形擾動后再浸水,可導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)性的明顯軟化,一方面表現(xiàn)在與結(jié)構(gòu)性膨脹有關(guān)的塑性變形的增加,另一方面也反映在其最終破壞荷載的大幅度降低。

        3? 擾動變形軟巖軟化壓縮破壞的宏觀特征

        圖5是巖樣在天然狀態(tài)下單向壓縮破壞特征。巖樣破壞裂隙與最大主應(yīng)力方向平行,因此,可判斷試件破壞屬于脆性拉伸破壞。這種斷裂起因于軟巖層理構(gòu)造,層理面水平,受到垂直層理面方向的最大主應(yīng)力后,軟巖沿平行層理面方向產(chǎn)生拉張應(yīng)力,形成脆性拉伸破壞。

        圖6是巖塊飽水狀態(tài)下的單向壓縮破壞特征。由于巖樣的構(gòu)造特征為水平層理構(gòu)造,當(dāng)巖塊浸水后水對巖塊的軟化作用,導(dǎo)致層理面形成軟弱結(jié)構(gòu)面;因此,當(dāng)飽水巖塊在單軸壓縮時,最大主應(yīng)力垂直軟弱結(jié)構(gòu)面,在水平方向形成拉應(yīng)力,導(dǎo)致巖塊沿結(jié)構(gòu)面方向和垂直結(jié)構(gòu)面方向形成剪切拉張破壞,呈塊狀破壞形式,且中間部位水平方向變形破壞特別明顯。

        圖7為巖塊水平層理面卸壓回彈破壞特征,這種破壞特征主要發(fā)生在巖塊重復(fù)壓縮-浸水試驗過程中。研究發(fā)現(xiàn)巖樣在多次加壓浸水后,巖樣的微裂隙不斷沿層理面擴展。當(dāng)巖樣加壓達(dá)到屈服極限時,立刻卸壓,此時巖樣發(fā)生回彈,裂隙擴張,形成如圖6-7的水平層理面軟化破壞特征。

        4結(jié)語

        試驗結(jié)果表明,巨野煤田3煤頂?shù)装逵鏊凰榻廛泿r軟化性明顯,遇水作用后不但強度明顯降低,其變形性也明顯增強。

        (1)由原狀、飽和巖樣單軸壓縮試驗,分析認(rèn)為這兩種情況反映出浸水主要是引起了粘土礦物的結(jié)構(gòu)性膨脹,沒有導(dǎo)致巖樣的結(jié)構(gòu)性破壞,這一定程度可以說明軟巖遇水作用結(jié)構(gòu)狀態(tài)相對穩(wěn)定的內(nèi)在機理;

        (2)重復(fù)壓縮-浸水試驗中彈性模量先升后降,但最終導(dǎo)致巖樣明顯的“強度疲勞”現(xiàn)象,出現(xiàn)破壞。原因是巖樣變形擾動后再浸水,可導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)性的明顯軟化,一方面表現(xiàn)在與結(jié)構(gòu)性膨脹有關(guān)的塑性變形的增加,另一方面也反映在其最終破壞荷載的大幅度降低。

        (3)軟巖破壞特征:天然狀態(tài)下單向壓縮時,產(chǎn)生破壞裂隙與最大主應(yīng)力方向平行脆性拉伸破壞;飽水狀態(tài)下的單向壓縮時,呈塊狀破壞形式,且中間部位水平方向變形破壞特別明顯;重復(fù)壓縮-浸水試驗過程中,巖樣發(fā)生回彈,裂隙擴張,呈水平層理面卸壓回彈破壞特征。

        參考文獻(xiàn)

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        [4]何滿潮,景海河,孫曉明.軟巖工程地質(zhì)力學(xué)研究進(jìn)展,工程地質(zhì)學(xué)報,NO.8,2000:47~62

        [5]何滿潮.中國煤礦軟巖工程地質(zhì)力學(xué)研究進(jìn)展,巖土工程學(xué)報,2000.

        [6]林天健.巖土強度與變形理論剖析,力學(xué)與實踐vol.23(2),2001:1~9

        [7]何滿潮,蘇永華.地下軟巖工程可靠度研究,巖土工程學(xué)報,vol.25(1),2003:55~57

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