循環(huán)加卸載下煤巖變形特征試驗研究

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)研究院有限責任公司 國家能源煤炭分質(zhì)清潔轉(zhuǎn)化重點實驗室， 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度和變形特征具有重要的工程實踐價值。

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[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、峰值強度及斷裂損傷力學(xué)特性等進行了研究；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)計了三軸循環(huán)加卸載壓縮試驗。循環(huán)加卸載試驗有別于傳統(tǒng)的疲勞試驗，它是在測試巖石全應(yīng)力應(yīng)變曲線的過程中，在適當?shù)奈恢蒙线M行卸載，然后再加載，加卸載過程保持一定的速度，反復(fù)進行。通過循環(huán)加卸載試驗可以全面掌握巖石全應(yīng)力應(yīng)變曲線上各點的力學(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 試驗過程

1.1 試件制備

本次實驗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驗室內(nèi)按國際規(guī)范標準加工成高徑比2∶1的圓柱形試件，試驗試樣尺寸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、垂直度均能達到巖石試驗規(guī)范標準。實驗前將所有試件放入器皿，并養(yǎng)護十天左右。

1.2 試驗系統(tǒng)描述

本次循環(huán)加卸載壓縮試驗采用EHF-UG500KN型全數(shù)字液壓伺服三軸實驗系統(tǒng)，該實驗系統(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 ℃。該實驗系統(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，可以用圖形和數(shù)字兩種方式，實時顯示所有采樣參數(shù)。

實驗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)變化進行全面的測試。在壓縮實驗過程中，施加在試樣上的軸向載荷由伺服材料實驗機軸向壓頭提供，圍壓的實施則由液壓油泵通過三軸壓力腔室實現(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)向引伸計和軸向引伸計測量。

1.3 試驗方案

本文試驗采用了常軸向應(yīng)變率加載方式，即保持壓力機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。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。卸載點是參考以往的試驗得到巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線及峰值應(yīng)力應(yīng)變而確定的。確定卸載點的原則是在峰值前進行7個左右的加卸載循環(huán)。試驗具體步驟為：先用特氟龍熱縮管套住巖樣，然后用熱風(fēng)機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，再將巖樣放入三周壓力腔室。并采用控制環(huán)向應(yīng)變率加載方式進行另一組試驗。試驗全過程采用微型計算機自動控制，其中也可進行手動轉(zhuǎn)換操作。實驗數(shù)據(jù)由微機及自動控制程序自動采集，實時顯示。

2 試驗結(jié)果分析

處理采集到的循環(huán)加卸載壓縮試驗數(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。

由試驗可知,該砂巖的單軸抗壓強度為75.9 MPa。試驗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，當圍壓為10 MPa時巖樣的初始變形存在一定的非線性，當圍壓變?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)變率下的試驗曲線。對比圖1～圖3可以看到，控環(huán)向應(yīng)變率試驗應(yīng)力應(yīng)變曲線與控軸向應(yīng)變率試驗應(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)加卸載試驗曲線

圖2 圍壓20 MPa時循環(huán)加卸載壓縮試驗曲線

另外由上述試驗可看出，當循環(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[6]做了靜力壓縮試驗，與靜力實驗結(jié)果相比，動力軸向循環(huán)試驗發(fā)生剪切膨脹時需要更大的軸向應(yīng)變。當發(fā)生剪切膨脹時，圍壓為10MPa與圍壓為20MPa時的動力試驗體應(yīng)變比靜力試驗要小。由參考文獻[6]可知，當圍壓更大時，動力試驗的體應(yīng)變要比靜力試驗大。主要因為圍壓較小時，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)加卸載壓縮試驗曲線

3 結(jié) 論

(1) 循環(huán)加卸載壓縮條件下試驗結(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：

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