深部灰?guī)r單軸蠕變特性試驗研究

劉東燕,趙寶云,劉?？h,薛凱喜

(1.重慶大學 土木工程學院,重慶 400045;2.西華大學 建筑與土木工程學院,成都 610039;3.重慶大學西南資源開發(fā)及環(huán)境災害控制工程教育部重點實驗室,重慶400030)

深部地下工程的開挖和施工,往往會帶來許多難以預測的問題,如巖爆、瓦斯爆炸、突水、頂板大面積來壓及采空區(qū)失穩(wěn)等。為了避免這些突發(fā)性地質災害對生命財產造成的危害,同時也為了盡量減少重大事故的發(fā)生,必須對深部巖體的力學特征進行深入細致的研究。巖石工程,特別是礦山地下開采,隨著向深部進行,圍巖壓力隨之增大。高應力巖體的破壞方式主要分為巖爆和大變形2種,而大變形是一種流變,其中蠕變是主要因素[1]。

室內巖石蠕變試驗是了解巖石流變力學特性的重要研究方法之一。如何根據(jù)蠕變試驗資料,了解巖石內部的破裂規(guī)律、選擇適當?shù)牧髯兡Ｐ?并確定相應的流變參數(shù),是巖石流變研究領域的重要課題。而巖石的聲發(fā)射作為巖石破壞過程中的一種伴生現(xiàn)象越來越多的應用在巖石試驗過程中[2-6],就蠕變方面曹樹剛等[7]對突出煤體單軸壓縮和蠕變狀態(tài)下的聲發(fā)射對比進行了實驗研究。對深部巖體而言,許多學者對其蠕變特性進行了研究[8-12],而對蠕變狀態(tài)下的聲發(fā)射研究尚不多見。論文以重慶市萬盛區(qū)某煤礦掘進巷道灰?guī)r為例,對其單軸蠕變實驗過程中伴隨的聲發(fā)射特征進行了研究,同時用對數(shù)函數(shù)型及指數(shù)函數(shù)型對實驗曲線進行了模型參數(shù)的反演,依據(jù)實驗數(shù)據(jù),得到了反映其蠕變特性經驗公式,并對參數(shù)進行了求解。

1 深部灰?guī)r蠕變試驗及聲發(fā)射特性

1.1 蠕變試驗裝置

試驗設備采用美國M TS公司生產的MTS815[13-14]巖石材料力學試驗機。該材料試驗機主要測試高強度高性能固體材料在復雜應力條件下的力學性質以及滲流特性?？梢赃M行巖石的抗拉試驗、單軸壓縮試驗、在常溫和高溫下的三軸壓縮試驗、循環(huán)壓縮試驗、蠕變試驗、滲透性試驗。軸向最大加載載荷2 800 kN,圍壓最大80 MPa,孔壓最大80 MPa,溫度最高200℃。測試精度高性能穩(wěn)定,可以進行高低速數(shù)據(jù)采集,采用力、位移、軸向應變、橫向應變等控制方式。通過軸向和橫向傳感器就可以測試材料的應力-應變全過程曲線。聲發(fā)射裝置采用美國物理聲學公司生產的DISP系列PCI-2全數(shù)字化聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)。

1.2 試樣及實驗過程

試樣選取重慶市某煤礦掘進巷道圍巖中具代表性的石灰?guī)r為研究對象,從現(xiàn)場鉆取巖芯經實驗室在加工,制備成 Φ50 mm×100 mm的標準圓柱形試樣。

蠕變試驗過程中,室溫調至28℃以更好的反映巖石所處的溫度環(huán)境,同時保持加載過程與聲發(fā)射監(jiān)測同步進行。加載速率選用單軸壓縮荷載與時間曲線上直線段的平均斜率13.78 kN/min加載至設定荷載。對聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng),設定聲發(fā)射監(jiān)測的采樣時間間隔為50μs,頻率范圍為100～10 000 Hz。為減小端面效應的影響,試樣兩端面均涂固體硬脂酸。在巖樣側面磨2個邊長為8 mm×8 mm的對稱平面,用以安裝聲發(fā)射傳感器。傳感器與巖樣之間用黃油進行耦合,并用膠帶固定。單軸蠕變實驗裝置(圖1)。

圖1 試驗裝置

1.3 深部灰?guī)r聲發(fā)射特性

就巖石而言其內部存在固有缺陷,在外力條件作用下,內部缺陷可能激活造成巖石等固體材料內部損傷、破壞,損傷破壞過程中釋放應變能,并以彈性波的形式快速釋放、傳播,這種現(xiàn)象稱作聲發(fā)射(Acoustic Emissions,簡稱AE)。深部巷道在高地應力作用下,高地應力的釋放、卸荷使得臨空一側的巖體往往處于蠕變狀態(tài),條件具備時有可能發(fā)生破裂、突出。因此,認識巖體蠕變狀態(tài)下的聲發(fā)射特征,對探討深部隧道、巷道開挖等施工過程中的變形和圍巖破裂機理,進行有效的預測預防具有非常重要的意義。

圖2、3分別為試樣單軸軸向恒定荷載為50 kN、70 k N、90 k N時軸向應變、聲發(fā)射振鈴計數(shù)counts與時間關系曲線,以及單軸軸向應變、聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)與時間關系曲線與對比圖。

圖2 軸壓50 kN、70 kN、90 kN下巖石單軸蠕變及聲發(fā)射振鈴計數(shù)關系曲線

圖3 軸壓50 k N、70 k N、90 k N下巖石單軸蠕變及聲發(fā)射累積振鈴計數(shù)關系曲線

實驗表明:

1)加載恒定初期,微裂紋進一步擴展,聲發(fā)射振鈴計數(shù)(counts事件數(shù))較為活躍隨時間的推移,其幅度逐漸趨于平穩(wěn)。當蠕變進入等速階段,處于衰減蠕變過程,AE振鈴事件比呈快速遞減趨勢,至較低水平后趨于穩(wěn)定。

2)軸向荷載不同,聲發(fā)射頻率亦不同。隨著軸向荷載的增加聲發(fā)射振鈴計數(shù)(counts事件數(shù))發(fā)生的次數(shù)越來越多,且越來越密集,反映巖體的微裂紋隨著荷載的增加而進一步擴展,在較高恒定荷載下?lián)p傷擴展加劇,蠕變逐漸向加速蠕變階段過渡。

3)深部灰?guī)r試件聲發(fā)射累計振鈴累積計數(shù)-時間關系曲線與軸向應變-時間曲線(蠕變曲線)很好的吻合,能夠很好地體現(xiàn)蠕變的變化趨勢。

4)巖石在蠕變時效條件下的漸近破壞是損傷積累與斷裂擴展的結果。巖石的蠕變行為及蠕變破壞起源于其損傷隨時間的逐漸累積,并伴隨有細、宏觀裂紋的時效擴展。聲發(fā)射特征能很好的表征巖石整個蠕變變形過程包括巖石微觀結構如晶格缺陷的擴散、孔隙裂隙的張合、粒間協(xié)調變形及微觀破裂的產生、擴散貫通等巖石蠕變特征。

2 深部灰?guī)r蠕變模型及參數(shù)識別

通過實驗-理論-應用證實,巖石的蠕變本構模型可用于描述巖石應力-應變關系隨時間變化的規(guī)律。根據(jù)巖石蠕變試驗資料建立(或選取)符合實際的蠕變模型并確定相應的參數(shù)是巖石蠕變學研究的一項重要內容。蠕變模型應能正確地描述巖石內在的本質規(guī)律,反映巖石的蠕變特性及其變形機理。然而,由于巖石材料的復雜性,要建立一種能全面反映巖石各種變形機制且普遍適用的本構模型幾乎是不可能的,即使找到了這種模型,也會因為模型結構太復雜、參數(shù)太多且難以確定等原因而不能有效地應用于工程實際。因而,建立能較好地反映巖石的幾種主要的變形特性且簡單實用的本構模型是十分必要的。

在長期的研究工作中,相關學者曾提出過許多描述巖石蠕變特性的本構模型。從形式上看,這些本構模型大體上可以分為3類:經驗公式,組合模型和積分形式的模型[15]。經驗模型理論是從巖石的蠕變特性出發(fā),根據(jù)巖石蠕變的試驗曲線,直接擬合出巖石蠕變的經驗本構關系式,經驗模式一般可分為應力、應變關系的經驗函數(shù)型和應力、應變速率關系的經驗函數(shù)型(即速率型本構關系)。對每種不同的巖石材料,甚至不同的試驗條件,可以得到不同的經驗模型。通常采用的巖石蠕變經驗模型主要有:冪律型、對數(shù)型、指數(shù)型以及三者的混合方程。文章分別采用對數(shù)函數(shù)型、指數(shù)函數(shù)型蠕變模型展開研究:

1)對數(shù)函數(shù)型對數(shù)模型的蠕變方程有較多的相近形式,選用半經驗的蠕變方程公式為:

式中a、b和c為蠕變常數(shù),由試驗確定。該模型右式3項分別表示彈性應變、瞬時蠕變和穩(wěn)態(tài)蠕變。

2)指數(shù)函數(shù)型

圖4 恒載50 k N時2種模型擬合結果與試驗值的對比

圖5 恒載70 kN時2種模型擬合結果與試驗值的對比

圖6 恒載90 k N時2種模型擬合結果與試驗值的對比

圖4、5、6分別為不同荷載下2種模型擬合結果與試驗值的對比,可以看出不管是對數(shù)函數(shù)型模型還是指數(shù)函數(shù)型模型均能與試驗曲線很好的吻合較為理想,均能很好的表征該類灰?guī)r蠕變變形性能。表1為該深部灰?guī)r試件蠕變模型參數(shù)識別表,2類模型的相關系數(shù)R2均接近1,充分說明文中所提及的2類模型的適應性與合理性。通過對相關系數(shù)R2的比較不難發(fā)現(xiàn)對數(shù)函數(shù)模型較指數(shù)函數(shù)模型反演效果要好。

表1 深部灰?guī)r蠕變模型參數(shù)參數(shù)識別表

3 結論

對重慶市某深部灰?guī)r進行了單軸蠕變壓縮試驗,獲得了該灰?guī)r的蠕變與蠕變過程中伴隨的聲發(fā)射之間的關系,是研究該礦區(qū)深部灰?guī)r的重要基礎資料,同時也豐富了該地區(qū)深部灰?guī)r蠕變研究的試驗數(shù)據(jù)。主要結論:

1)巖石的蠕變行為及蠕變破壞表現(xiàn)為其損傷隨時間的逐漸累積,并伴隨有細、宏觀裂紋的時效擴展。聲發(fā)射特征能很好的表征巖石整個蠕變變形過程包括巖石微觀結構如晶格缺陷的擴散、孔隙裂隙的張合、粒間協(xié)調變形及微觀破裂的產生、擴散貫通等巖石蠕變特征。

2)蠕變過程中,AE累計振鈴數(shù)曲線與深部灰?guī)r蠕變狀態(tài)下體應變曲線相似。無論是AE振鈴事件還是AE累計振鈴數(shù)都能很好的反映該深部灰?guī)r變形破壞規(guī)律。深部巖體受力變形過程中AE振鈴事件比和AE累計振鈴數(shù)的全面、深入的研究,有助于該礦巷道掘進過程中圍巖變形控制,對深部巖體動力災害的預測預報具有重要的指導意義。

3)對數(shù)函數(shù)型及指數(shù)函數(shù)型模型均能很好的表針該類灰?guī)r蠕變變形性能,且2類模型中對數(shù)模型效果更佳。

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