不同應(yīng)力速率下充填體強(qiáng)度特性和破裂機(jī)理研究

甘德清，韓 亮，劉志義，趙海鑫，蔡曉盛

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063009)

不同應(yīng)力速率下充填體強(qiáng)度特性和破裂機(jī)理研究

甘德清1,2，韓 亮1,2，劉志義1,2，趙海鑫1,2，蔡曉盛1,2

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山063009；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山063009)

充填體是維護(hù)采場(chǎng)安全穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，是由多種物質(zhì)混合而成的非均質(zhì)材料，力學(xué)特性復(fù)雜，加載條件改變會(huì)對(duì)其力學(xué)特性和損傷破裂機(jī)理有顯著影響。通過進(jìn)行不同應(yīng)力速率下的充填體單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，并結(jié)合非接觸式全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)對(duì)試樣破裂演化過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明：隨著應(yīng)力速率的增加，充填體的峰值強(qiáng)度不斷增大，低濃度、低灰砂比試樣的強(qiáng)度增幅更加明顯；低應(yīng)力速率下試樣表面出現(xiàn)大量宏觀裂紋，發(fā)生拉伸破壞，高應(yīng)力速率下試塊發(fā)生單斜面剪切破壞；低應(yīng)力速率下試樣內(nèi)部的微裂隙和孔隙充分發(fā)育形成貫通面，進(jìn)而弱化了充填體的強(qiáng)度，高應(yīng)力速率下，試樣內(nèi)部微裂隙和孔隙的發(fā)育被限制，試樣的整體承載結(jié)構(gòu)對(duì)強(qiáng)度的影響占主要地位；應(yīng)力加載下，試樣在達(dá)到峰值強(qiáng)度瞬間發(fā)生破壞，積蓄的能量集中瞬間釋放，破裂現(xiàn)象劇烈。

應(yīng)力速率；充填體；峰值強(qiáng)度；破裂過程

資源開采深部化和地表尾廢災(zāi)害化是礦業(yè)發(fā)展面臨的兩大難題，充填采礦法將地表尾廢制備成高濃度膠結(jié)料漿充入地下采空區(qū)形成具有一定強(qiáng)度的充填體，既能提高資源回收率，控制地表塌陷，又能減少尾廢排放，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，在各大礦山廣泛應(yīng)用[1-2]。

已有研究表明，加載速率改變會(huì)對(duì)介質(zhì)的力學(xué)特性產(chǎn)生顯著影響，不同應(yīng)力速率下，介質(zhì)本身彈性能的儲(chǔ)存特征會(huì)發(fā)生變化。學(xué)者對(duì)不同加載速率下材料的力學(xué)行為進(jìn)行了多方面的研究，童敏明等[3]分析了不同應(yīng)力速率下含水煤巖聲發(fā)射頻譜特性，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射的頻次和幅度在應(yīng)力速率提高后有明顯的增加。夏冬等[4]研究了不同應(yīng)力速率下花崗巖的力學(xué)特性和聲發(fā)射特性，發(fā)現(xiàn)巖石的破壞方式和劇烈程度會(huì)隨著應(yīng)力速率的變化而明顯改變，聲發(fā)射信號(hào)特征也有明顯不同。尹小濤等[5]發(fā)現(xiàn)加載速率的改變會(huì)造成巖石材料破壞形態(tài)的改變，存在臨界加載速率使巖石材料破壞過程由塑性向脆性轉(zhuǎn)變，加載速率對(duì)能量轉(zhuǎn)換也有影響。蘇承東等[6]進(jìn)行了不同加載速率下大理巖的單軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)大理巖的峰值強(qiáng)度與加載速率正相關(guān)，破壞形態(tài)也隨加載速率的增加發(fā)生改變。這些研究表明巖石類材料具有明顯的速率效應(yīng)，速率效應(yīng)是指材料的力學(xué)性能參數(shù)和破裂形態(tài)隨著加載速率的變化而發(fā)生明顯改變。其他介質(zhì)如混凝土、CA砂漿等材料的力學(xué)特性也有明顯的速率效應(yīng)。肖詩云等[7]對(duì)鋼筋混凝土梁在不同加載速率下的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)鋼筋混凝土梁的極限強(qiáng)度和極限位移隨著加載速率的增加明顯增大，耗能能力也顯著提高；孔祥明等[8]研究了不同加載速率下水泥瀝青砂漿的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)隨著加載速率的增大，兩種典型水泥瀝青砂漿的峰值應(yīng)力和彈性模量均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；汪勁豐等[9]通過對(duì)不同加載速率下CA砂漿的抗壓性能進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)CA砂漿的抗壓強(qiáng)度隨加載速率的增加而明顯增大，破壞模式隨著加載速率的增加發(fā)生明顯變化。

充填體是控制地壓，維護(hù)采場(chǎng)穩(wěn)定的關(guān)鍵，由于受開采擾動(dòng)和爆破振動(dòng)等影響，處于復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境中，力學(xué)行為復(fù)雜。目前對(duì)充填體力學(xué)特性的研究主要集中在充填體強(qiáng)度的影響因素如尾砂種類、膠凝材料、灰砂比、料漿濃度、養(yǎng)護(hù)齡期等，關(guān)于應(yīng)力速率對(duì)充填體力學(xué)特性影響的研究仍然較少，本文通過進(jìn)行不同應(yīng)力速率下充填體單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，探討應(yīng)力速率對(duì)充填體強(qiáng)度特性和破裂演化過程的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)骨料為冀東地區(qū)某鐵礦山的尾砂，礦物主要成分為石英、云母，是一種良好的惰性材料，尾砂粒級(jí)組成分布曲線見圖1，平均粒徑0.169 mm，不均勻系數(shù)9.28，曲率系數(shù)1.52，尾砂級(jí)配良好；膠凝材料選用冀東水泥廠生產(chǎn)的32.5礦渣硅酸鹽水泥；制漿用水為實(shí)驗(yàn)室自來水。

1.2 試驗(yàn)方案

為探討不同應(yīng)力速率下充填體強(qiáng)度特性和損傷破裂過程，采用微機(jī)控制液壓伺服壓力機(jī)結(jié)合全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)對(duì)充填體進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。VIC-3D技術(shù)可監(jiān)測(cè)整個(gè)加載過程中充填體表面裂紋的產(chǎn)生，演化。由于充填體本身強(qiáng)度較小，共設(shè)計(jì)3種加載速率，分別為0.1 kN/s、0.2 kN/s 、0.3 kN/s，同時(shí)為避免試驗(yàn)結(jié)果的偶然性，改變充填體的濃度和灰砂比，制作不同的充填體試塊。加載過程中壓力機(jī)和全場(chǎng)應(yīng)變系統(tǒng)需同時(shí)開始試驗(yàn)，確保能監(jiān)測(cè)到充填體損傷破裂的全過程。每種速率下最少重復(fù)進(jìn)行3次試驗(yàn)，取3次試驗(yàn)的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 尾砂粒級(jí)組成分布曲線

1.3 試驗(yàn)過程

首先參照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T70—2009)制作不同濃度、灰砂比的充填體試塊，采用長×寬×高為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的標(biāo)準(zhǔn)三聯(lián)試模，使用JJ-15型行星式水泥膠砂攪拌機(jī)對(duì)料漿進(jìn)行攪拌，將試塊放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。根據(jù)VIC-3D測(cè)量原理，試驗(yàn)開始前需要對(duì)試塊表面進(jìn)行處理，人工噴漆制作無規(guī)則散斑，如圖2所示。試樣有散斑的一側(cè)對(duì)準(zhǔn)全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，壓力機(jī)設(shè)定好加載速率，在加載開始的同時(shí)，全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)開始拍攝散斑圖。試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)和散斑圖進(jìn)行保存分析。

圖2 待測(cè)試樣表面

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 充填體強(qiáng)度特性分析

不同應(yīng)力速率下充填體試樣的單軸抗壓強(qiáng)度結(jié)果見表1。

從表1中可以看出，充填體試樣的單軸抗壓強(qiáng)度隨著應(yīng)力速率的增加而不斷增大，灰砂比1∶4、濃度70%的試樣在低應(yīng)力速率下的強(qiáng)度為4.826 MPa，隨著應(yīng)力速率增加到0.3 kN/s，峰值強(qiáng)度增大到了7.591 MPa，增加幅度達(dá)57%；當(dāng)提高料漿濃度后，強(qiáng)度增幅為14%?；疑氨?∶8、濃度70%的試樣的強(qiáng)度增幅為54%；當(dāng)料漿濃度變?yōu)?5%后，試樣的強(qiáng)度增幅為28%。不同狀態(tài)的充填體試樣在不同應(yīng)力速率下都表現(xiàn)出基本相同的強(qiáng)度特性，這充分證明這一現(xiàn)象并非偶然現(xiàn)象，表明充填體在不同應(yīng)力速率下的強(qiáng)度特性是有規(guī)律的。較低濃度試樣的強(qiáng)度增幅都超過了50%，所表現(xiàn)出的強(qiáng)度特性更加明顯，當(dāng)濃度提高到75%以后，較小灰砂比試樣的強(qiáng)度增幅是大灰砂比試樣的2倍。充填體之所以表現(xiàn)出明顯的速率效應(yīng)，是由于充填體是一種人工制作的含有骨料、膠凝材料、水、外加劑等多種物質(zhì)的非均質(zhì)材料，內(nèi)部含有多種孔隙和裂隙，較低的應(yīng)力速率加載下，在試樣達(dá)到峰值強(qiáng)度之前，內(nèi)部的孔隙和裂隙得到了充分的發(fā)育，這些裂隙擴(kuò)展演化形成貫通面，當(dāng)試樣快達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)，在貫通面周圍發(fā)生大的損傷破裂，導(dǎo)致充填體試塊破壞失穩(wěn)；在高應(yīng)力速率加載下，明顯縮短了試樣達(dá)到峰值強(qiáng)度的時(shí)間，內(nèi)部的裂隙和孔隙沒有足夠的時(shí)間發(fā)育，裂隙沒有完全發(fā)育形成貫通面，對(duì)試樣整體強(qiáng)度的弱化十分有限，當(dāng)試樣快達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)，某些部位發(fā)生大面積垮塌，導(dǎo)致試塊破壞失穩(wěn)。低濃度、低灰砂比的充填體試塊在制作過程中就易形成大量的孔隙和裂隙，試樣質(zhì)量較差，這也是導(dǎo)致低濃度、低灰砂比試樣強(qiáng)度速率效應(yīng)的直接原因。

表1 不同應(yīng)力速率下充填體試塊單軸抗壓強(qiáng)度

2.2 充填體破裂演化分析

采用VIC—3D分析軟件對(duì)試驗(yàn)過程中采集到的散斑圖進(jìn)行分析，重現(xiàn)了試驗(yàn)加載中試樣表面裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展全過程，充填體試樣破壞過程中位移場(chǎng)的演化較好的反應(yīng)了試塊內(nèi)部孔隙和裂隙擴(kuò)展演化成宏觀破壞的規(guī)律。圖3和圖4顯示了不同應(yīng)力速率下充填體試樣損傷破裂演化全過程。

圖3顯示了低應(yīng)力速率下試樣破裂演化全過程，整個(gè)加載過程持續(xù)200多秒。在180 s左右，試塊表面右下角開始出現(xiàn)明顯的裂紋，在這之前試塊表面沒有明顯裂紋出現(xiàn)，低應(yīng)力速率下，試塊內(nèi)部的孔隙和裂隙有足夠的時(shí)間發(fā)育，在試塊內(nèi)部形成了大量的貫通面，之后進(jìn)入裂紋加速擴(kuò)展階段，最終演化成宏觀裂紋，如圖3(d)所示，試樣在達(dá)到峰值強(qiáng)度后，表面有大量的宏觀破壞帶。從試樣表面的觀測(cè)點(diǎn)可以看出，試塊左側(cè)發(fā)生負(fù)方向的位移，右側(cè)發(fā)生正方向的位移，認(rèn)為充填體試塊發(fā)生了明顯的拉伸破壞。

圖4顯示了高應(yīng)力速率下試樣破裂演化全過程，整個(gè)加載時(shí)間僅為低速率下的1/3，破壞過程迅速，可以看出在試塊達(dá)到應(yīng)力峰值前并沒有宏觀裂紋產(chǎn)生，在達(dá)到應(yīng)力峰值的瞬間發(fā)生破壞，突變過程持續(xù)不到1 s，并且破裂現(xiàn)象劇烈，試樣表面出現(xiàn)一條宏觀裂紋，試塊左上角發(fā)生大面積垮塌，整體承載結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。高應(yīng)力速率下，試樣破裂演化時(shí)間大幅度減少，限制了試樣內(nèi)部微裂隙和孔隙的發(fā)育，不能形成貫通面，高應(yīng)力速率下的試樣破壞也并沒有像圖3(d)那樣產(chǎn)生大量宏觀裂隙。從圖4(d)中可以看出，裂紋左上角部分發(fā)生負(fù)方向位移，其他部分發(fā)生正方向位移，試樣發(fā)生明顯的單斜面剪切破壞，認(rèn)為是破壞面上的剪應(yīng)力超過極限引起的。

通過對(duì)比圖3和圖4中的觀測(cè)點(diǎn)可以看出，高應(yīng)力速率下充填體試塊最終由宏觀裂紋分為明顯的兩部分，這是由于充填體的整體承載結(jié)構(gòu)受到破壞，低應(yīng)力速率下充填體試塊的破壞現(xiàn)象更加復(fù)雜，因?yàn)榇罅康奈⒘严逗涂紫冻浞职l(fā)育后演化成貫通面，導(dǎo)致試樣破壞是表面有大量宏觀裂紋。破壞現(xiàn)象的區(qū)別驗(yàn)證了充填體強(qiáng)度特性的率效應(yīng)。

圖3 低應(yīng)力速率下充填體試塊破裂演化過程

圖4 高應(yīng)力速率下充填體試塊破裂演化過程

3 結(jié) 論

1) 充填體有明顯的速率效應(yīng)，充填體的單軸抗壓強(qiáng)度隨著應(yīng)力速率的增加而不斷增大，低濃度、低灰砂比的充填體的強(qiáng)度增幅更加明顯，因?yàn)榈蜐舛取⒌突疑氨鹊脑嚇觾?nèi)部的微裂隙和孔隙相對(duì)較高，在低應(yīng)力速率下充分發(fā)育演化成貫通面，大幅度弱化了充填體試塊強(qiáng)度。

2) 不同應(yīng)力速率下充填體試樣表面裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展及演化過程也明顯不一樣，低應(yīng)力速率下試塊表面的破壞形式更傾向于拉伸破壞，高應(yīng)力速率下發(fā)生明顯的單斜面剪切破壞；同時(shí)，應(yīng)力速率加載下，試塊在達(dá)到峰值強(qiáng)度的瞬間，應(yīng)力集中瞬間釋放，破裂失穩(wěn)現(xiàn)象劇烈。

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Studyonstrengthcharacteristicsandfracturemechanismoffillingbodyunderdifferentstressrates

GAN Deqing1,2,HAN Liang1,2,LIU Zhiyi1,2,ZHAO Haixin1,2,CAI Xiaosheng1,2

(1.School of Mining Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan 063009,China;2.Mining Development and Safety Technology Key Lab of Hebei Province,Tangshan 063009,China)

Filling body is a key factor to maintain the safety and stability of stope,which is composed of heterogeneous materials mixed with many kinds of materials.The mechanical properties are complex and the change of loading condition have a significant effect on the mechanical properties and damage mechanism.The uniaxial compressive strength test of the filling under different stress rates is carried out,and the evolution process of the specimen is monitored by the non-contact full strain measurement system.The result shows:With the increase of the stress rate,the peak intensity of the filling body is increasing,and the strength of the low concentration and low gray sand is more obvious than that of the sample.Under low stress rate,a large number of macroscopic cracks appear on the surface of the specimen and tensile failure occurs.The single cant shear failure occurs under the high stress rate.The microfractures and pores in the specimen under low stress rate are fully developed to form a through surface,which weakens the strength of the filling.The microfracture and pore development of the specimen under high stress rate are limited,and the effect of the overall bearing structure on the strength of the specimen is dominant.Under stress loading,the specimen is destroyed at the moment of peak intensity,and the accumulation of energy concentrated instantaneous release,rupture phenomenon violent.

stress rate;filling body;peak strength;rupture process

TD853.3

A

1004-4051(2017)10-0123-04

2017-07-06責(zé)任編輯宋菲

華北理工大學(xué)研究生創(chuàng)新項(xiàng)目資助(編號(hào)：CXZZSS2017070;2017S02)；河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：E2016209220)

甘德清(1962-)，男，河北撫寧人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事采礦工藝與理論方面的教學(xué)與研究工作，E-mail：gdqheut@163.com。

韓亮(1992-)，男，河北邯鄲人，碩士研究生，主要從事充填采礦與巖石力學(xué)方面的研究，E-mail：hanliang0116@163.com。