煤礦高濃度膠結(jié)充填體能量演化特征試驗(yàn)研究

楊寶貴楊海剛

中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院,北京 100083

煤礦高濃度膠結(jié)充填體是以煤矸石、粉煤灰、水泥、外加劑及水按一定比例配置、凝結(jié)前具有良好流動(dòng)特性、凝結(jié)后具有較高強(qiáng)度的采空區(qū)充填材料,主要用于支撐煤礦采空區(qū)上覆巖層,有效控制地表沉降的同時(shí)降低各類采動(dòng)損害[1]。熱力學(xué)定律表明,物質(zhì)受外部荷載變形破壞過程中的本質(zhì)特征是能量轉(zhuǎn)化[2-3],關(guān)聯(lián)的能量主要包括吸收應(yīng)變能、彈性形變能及耗散應(yīng)變能,隨著物質(zhì)漸進(jìn)性破壞過程的推進(jìn),上述應(yīng)變能隨之發(fā)生變化,并表現(xiàn)出一定的規(guī)律性,即能量演化特征。

目前,能量演化特征研究多集中于巖石材料,并取得了豐碩的研究成果。張志鎮(zhèn)等[4-5]通過開展三軸壓縮試驗(yàn)研究了煤巖、紅砂巖和花崗巖等巖石的能量演化非線性特征。程虹銘等[6]基于損傷演化狀態(tài)分析了砂巖各階段、各損傷演化特征點(diǎn)處能量參數(shù)演化特征。張黎明等[7]開展了大理巖、灰?guī)r和砂巖的常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn),構(gòu)建了巖石變形破壞過程中彈性應(yīng)變能的非線性演化模型。楊國梁等[8]采用分離式霍普金森壓桿系統(tǒng)研究了頁巖試件的強(qiáng)度特征、損傷特性和能量耗散規(guī)律。許江等[9]通過對(duì)江持安山巖進(jìn)行不同圍壓的三軸壓縮試驗(yàn),認(rèn)為峰值強(qiáng)度之前巖石中吸收和存儲(chǔ)的能量隨圍壓的增加而增大。溫韜等[10]根據(jù)板巖三軸試驗(yàn)的結(jié)果,研究了不同圍壓下板巖的能量變化規(guī)律和損傷特征。田勇等[11]分析了灰?guī)r壓縮過程中不同階段的能量轉(zhuǎn)化方式,解釋了高圍壓條件下巖石破壞更加劇烈的原因。李毅等[12]分析了復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下高強(qiáng)混凝土受壓變形破壞過程中的能量演化機(jī)制。在礦山充填材料方面,熊祖強(qiáng)等[13]通過RMT-301 伺服試驗(yàn)機(jī)對(duì)6 種水灰比的高水材料試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn),分析了能耗隨水灰比變化的規(guī)律。徐文彬等[14-15]開展不同灰砂配比、質(zhì)量分?jǐn)?shù)的充填體三軸壓縮試驗(yàn),研究了不同圍壓加載階段充填體的能量耗散與圍壓、應(yīng)變及應(yīng)力的內(nèi)在關(guān)系。

煤礦高濃度膠結(jié)充填體作為一種人工復(fù)合材料,形成時(shí)間相對(duì)較短,其物理力學(xué)特性與各類巖石、混凝土、高水材料、尾砂膠結(jié)充填體等材料表現(xiàn)出較大的差異性。本文以煤礦高濃度膠結(jié)充填體為研究對(duì)象,開展了不同圍壓下的常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn),結(jié)合各部分能量的計(jì)算方法,分析了變形破壞中的能量演化特征,探討了圍壓對(duì)能量演化特征的影響。根據(jù)煤礦高濃度膠結(jié)充填體變形破壞過程中的能量演化特征,可以對(duì)采空區(qū)充填體的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,進(jìn)而為地表沉降控制提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料及儀器

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的煤矸石取自孝義市新陽礦,粉煤灰選自新陽礦周邊燃煤電廠,膠結(jié)料為市售普通硅酸鹽水泥,外加劑為纖維素羥丙基甲基醚,配制用水為實(shí)驗(yàn)室自來水。結(jié)合新陽煤礦充填開采實(shí)踐,煤矸石、粉煤灰、水泥、纖維素羥丙基甲基醚、水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別取49.94%、18%、12%、0.06%、20%,所用煤矸石的級(jí)配見表1。

表1 煤矸石級(jí)配Table 1 Grading of coal gangue

將上述稱量好的原材料依次混合制備成質(zhì)量濃度為80% 的充填料漿,及時(shí)澆筑試件(?50 mm×100 mm)并養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期(28 d)。全部試件均采用同批次原材料,料漿制備嚴(yán)格參照《GB/T 50080—2016 普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[16],試件澆筑及養(yǎng)護(hù)嚴(yán)格參照《GB/T50081—2019 混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[17],養(yǎng)護(hù)結(jié)束的試件如圖1所示。

圖1 試件Fig.1 The specimens

1.2 試驗(yàn)儀器

本次常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)在RTR-2000 高壓巖石三軸動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)上進(jìn)行,測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。系統(tǒng)配有高剛度加載架,荷載剛度達(dá)10 MN/mm,可提供最大軸壓2 000 kN,最大圍壓140 MPa,最大孔壓140 MPa,最高溫度200 ℃。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 The test system

試驗(yàn)采用軸向位移控制方式,軸向加載速率嚴(yán)格參照《GB/T50081—2019 混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[17]。試驗(yàn)時(shí),首先將試件安裝至壓力室,端部平整度不足的試件應(yīng)及時(shí)打磨處理;其次對(duì)試件進(jìn)行預(yù)加載,使試驗(yàn)機(jī)與試件初步接觸;隨后按靜水壓力條件施加圍壓至預(yù)定值,圍壓加載速率為0.25 MPa/min,預(yù)定值分別為0 MPa、1 MPa、2 MPa、3 MPa,圍壓加載完成的試件處于靜水壓力狀態(tài);最后以恒定的位移速率沿軸向施加荷載,直至試件進(jìn)入殘余強(qiáng)度階段。為了降低試件離散性對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生的不良影響,保證試驗(yàn)的成功,每一圍壓下分別進(jìn)行3 組試驗(yàn),選取其中1 組試驗(yàn)進(jìn)行分析。

2 能量演化原理

一個(gè)巖石試件在外力作用下產(chǎn)生變形,假設(shè)試驗(yàn)過程中與外界未發(fā)生熱交換,即為一封閉系統(tǒng),外力做功產(chǎn)生的總輸入應(yīng)變能為U,外部輸入等價(jià)于自身吸收,所以U亦稱為吸收應(yīng)變能,依據(jù)熱力學(xué)第一定律[18]可得

式中,Ud為耗散應(yīng)變能,MJ/m3;Ue為彈性應(yīng)變能,MJ/m3。

耗散應(yīng)變能與彈性應(yīng)變能之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 Ud 和Ue 的關(guān)系Fig.3 The relationship between Ud and Ue

圖3中,應(yīng)力-應(yīng)變曲線與卸載彈性模量Em圍成的面積為Ud,表示單位體積巖石內(nèi)部發(fā)生破壞和塑性變形時(shí)所消耗的能量;陰影部分面積為Ue,表示單位體積巖石卸載后釋放的能量。

復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下,試件各部分應(yīng)變能在主應(yīng)力空間中可表示為[2]

式中,σi、σj、σk(i,j,k=1,2,3)為主應(yīng)力,MPa;εi、εei分別為主應(yīng)力方向上的應(yīng)變和彈性應(yīng)變,% ;E為彈性模量,GPa;μ為泊松比。

將式(4)代入式(3),可得

單軸壓縮試驗(yàn)中,σ2=σ3=0,僅軸向應(yīng)力σ1參與做功,試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件做的功等于試件吸收的能量U,因此,各部分應(yīng)變能可表示為

常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)時(shí),σ2=σ3≠0,軸向試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件做功,徑向試件對(duì)提供圍壓的液壓油做功,試件吸收的能量為上述兩部分功之和。另外,圍壓施加過程中,液壓油對(duì)試件進(jìn)行壓縮,使試件在施加軸向荷載前已經(jīng)儲(chǔ)存了一部分能量[9],該部分能量記為U0,據(jù)此,式(2)、式(5)可寫成如下形式

式中,U0為試件靜水壓力狀態(tài)下的吸收應(yīng)變能,MJ/m3。

依據(jù)式(6)至式(12)對(duì)常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,可以得到任意軸向應(yīng)變對(duì)應(yīng)的各類應(yīng)變能。限于文章篇幅,本文僅給出不同圍壓下試件峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的吸收應(yīng)變能、彈性應(yīng)變能及耗散應(yīng)變能(表2)。

表2 峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變能Table 2 Strain energy corresponding to peak strength

由表2可知,圍壓為0 時(shí),試件峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的彈性應(yīng)變能、耗散應(yīng)變能近似各占吸收應(yīng)變能的一半,意味著試件在外部荷載作用下達(dá)到峰值強(qiáng)度的過程中,吸收的應(yīng)變能一半儲(chǔ)存在試件內(nèi)部,一半耗散于試件的變形破壞。隨著圍壓的增大,峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的彈性應(yīng)變能占吸收應(yīng)變能的比例不足30%,而耗散應(yīng)變能占吸收應(yīng)變能的比例已超70%,即大部分吸收應(yīng)變能用于試件的變形破壞,僅有少數(shù)部分儲(chǔ)存于試件內(nèi)部,說明試件在達(dá)到峰值強(qiáng)度前,已經(jīng)發(fā)生劇烈的塑性變形和破壞。

上述規(guī)律與巖石等材料的能量占比特征不同[2,9]。巖石達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí),吸收應(yīng)變能的大部分以彈性應(yīng)變能的形式儲(chǔ)存起來,巖石變形破壞所消耗的能量只占吸收應(yīng)變能的一小部分;超過峰值強(qiáng)度后,儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能不斷釋放,參與巖石峰后變形破壞過程,同時(shí)耗散應(yīng)變能顯著增加?？梢?巖石在峰前階段以儲(chǔ)能為主,峰后階段以變形破壞為主。

3 能量演化特征分析

從能量轉(zhuǎn)化角度來看,試件的變形直至破壞是能量驅(qū)動(dòng)下的一種宏觀失穩(wěn)現(xiàn)象,是能量吸收、積累、耗散、釋放等共同作用的結(jié)果。能量吸收能夠使試件從外界不斷獲得能量補(bǔ)充;能量積累是試件內(nèi)部?jī)?chǔ)存能量的主要途徑;能量耗散主要誘發(fā)試件破壞,致使試件性質(zhì)劣化和強(qiáng)度喪失;能量釋放則是導(dǎo)致試件突然破壞的內(nèi)在原因。不同圍壓下試件各部分應(yīng)變能隨軸向應(yīng)變的演化過程如圖4所示,圖4中Uy表示試件的各部分應(yīng)變能。

類似于巖石等材料,煤礦高濃度膠結(jié)充填體σ1-ε1曲線也可以劃分為初始?jí)好?、彈性變形、屈服變形、峰后破? 個(gè)階段。圖4中的虛線為試件σ1-ε1曲線4 個(gè)階段的分界線。由于煤礦高濃度膠結(jié)充填體的強(qiáng)度相對(duì)較小,在圍壓施加過程中,試件內(nèi)部的孔隙、裂隙大部分已被壓密,后期軸向加載時(shí),獲得的σ1-ε1曲線初始?jí)好茈A段不明顯,該階段在水平方向的長(zhǎng)度較短。

圖4 能量演化曲線Fig.4 Energy evolution curve

(1) 在初始?jí)好茈A段,吸收應(yīng)變能和彈性應(yīng)變能快速增加,而耗散應(yīng)變能緩慢增加。壓密過程中,彈性應(yīng)變能大于耗散應(yīng)變能并近似等于吸收應(yīng)變能,說明外部輸入的能量大部分轉(zhuǎn)化為彈性應(yīng)變能儲(chǔ)存在試件內(nèi)部,盡管耗散應(yīng)變能增加緩慢,但不為0,說明試件中少數(shù)原生孔隙、裂隙的閉合消耗了一定的能量。

(2) 在彈性變形階段,試件繼續(xù)從外部吸收能量,吸收的能量大部分用于試件內(nèi)部承載結(jié)構(gòu)的彈性變形,進(jìn)而轉(zhuǎn)化為彈性應(yīng)變能儲(chǔ)存在試件內(nèi)部,耗散應(yīng)變能近似保持不變或小幅增加,耗散于閉合微缺陷的摩擦和局部微裂隙的萌生。

(3) 在屈服變形階段,外界依然不斷向試件輸入能量,吸收應(yīng)變能快速增長(zhǎng),彈性應(yīng)變能增長(zhǎng)速率放緩,并逐漸趨于0,試件達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí),彈性應(yīng)變能逐漸達(dá)到儲(chǔ)能極限,對(duì)應(yīng)的試件已破壞。該階段,耗散應(yīng)變能快速增長(zhǎng),逐漸接近并超過彈性應(yīng)變能,除了圍壓為0 的試件,其他試件輸入的能量以耗散為主,原因在于試件中新生裂隙大量擴(kuò)展、塑性變形在總變形中所占比例明顯增大,造成耗散應(yīng)變能顯著增加。

(4) 在峰后破壞階段,試件仍從外界吸收能量,吸收應(yīng)變能在低圍壓下的增加速率有減緩的趨勢(shì),而高圍壓下幾乎保持不變,耗散應(yīng)變能快速增加。隨著圍壓的增大,耗散應(yīng)變能演化曲線和吸收應(yīng)變能演化曲線近似平行,吸收的能量主要用于試件的變形破壞,塑性變形、裂隙貫通及宏觀破裂面的滑移錯(cuò)動(dòng)耗散了大量的能量,巖石強(qiáng)度逐漸喪失,承載能力不斷下降,儲(chǔ)存的試件內(nèi)部的大量彈性應(yīng)變能以塊體動(dòng)能、摩擦熱能等形式釋放,最終試件整體失穩(wěn)破壞。

4 圍壓效應(yīng)分析

本次試驗(yàn)的差異性影響因素即圍壓大小。通過開展不同圍壓下的常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn),可以分析圍壓對(duì)能量演化特征的影響。盡管不同圍壓下的能量演化過程具有高度的相似性,但是不同圍壓下的能量演化曲線也存在一定的差異性。下面就同種應(yīng)變能在不同圍壓下的差異性進(jìn)行研究。

4.1 吸收應(yīng)變能

吸收應(yīng)變能反映了試件與外界的能量交換,以從外界不斷獲得能量為主。將σ1-ε1曲線中峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的吸收應(yīng)變能定義為峰值吸收應(yīng)變能,記為Up,不同圍壓下吸收應(yīng)變能隨軸向應(yīng)變的變化關(guān)系如圖5(a)所示,峰值吸收應(yīng)變能隨圍壓的變化關(guān)系如圖5(b)所示。

由圖5(a)可知,吸收應(yīng)變能在試件變形破壞過程中近似呈線性增長(zhǎng),圍壓越大,線性增長(zhǎng)的形態(tài)越顯著。相同軸向應(yīng)變條件下,圍壓越大,試件的吸收應(yīng)變能越大;圍壓越小,試件的吸收應(yīng)變能越小。吸收應(yīng)變能由兩部分組成,即軸向試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件做的功以及徑向試件對(duì)液壓油做的功,其中,軸向所做的功為正,徑向所做的功為負(fù)。圍壓的增大,一方面可以大幅提高試件的應(yīng)力水平,即相同的軸向應(yīng)變下試件具有更高的軸向應(yīng)力,迫使試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件做更多的功;另一方面,可以有效限制試件的徑向變形,相同的軸向應(yīng)變下,圍壓為0 時(shí)的徑向應(yīng)變最大, 3 MPa 圍壓下的徑向應(yīng)變最小。由此,高圍壓下試件對(duì)液壓油做更少的功,在更多正功及更少負(fù)功的共同作用下,試件擁有更大的吸收應(yīng)變能。軸向應(yīng)變較小時(shí),相鄰圍壓試件吸收應(yīng)變能的差值不明顯,但隨著軸向應(yīng)變的增大,差值變大。

圖5 吸收應(yīng)變能演化曲線Fig.5 Evolution curve of absorbed strain energy

試件在軸向荷載的作用下達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí),從外界吸收了一定的應(yīng)變能。由圖5(b)可知,圍壓為0 時(shí),峰值吸收應(yīng)變能為 0.025 5 MJ/m3,3 MPa 圍壓下的峰值吸收應(yīng)變能為0.426 6 MJ/m3。這說明圍壓越大,試件的峰值吸收應(yīng)變能越大,實(shí)際上試件的峰值吸收應(yīng)變能與圍壓呈二次函數(shù)關(guān)系,隨圍壓的增長(zhǎng)速率越來越快。高圍壓試件具有更高的峰值吸收應(yīng)變能的原因,除了相同軸向應(yīng)變條件下外界對(duì)其做更多的正功及其對(duì)外界做更少的負(fù)功外,由圖5(a)可以看出,主要是高圍壓試件的軸向壓縮量更大;相反,低圍壓試件的峰值吸收應(yīng)變能對(duì)應(yīng)更小的軸向應(yīng)變,在低軸向應(yīng)力、大徑向變形及小軸向壓縮量的共同作用下,其峰值吸收應(yīng)變能較小。

4.2 彈性應(yīng)變能

區(qū)別于吸收應(yīng)變能和耗散應(yīng)變能的單調(diào)遞增,在試件變形破壞過程中,彈性應(yīng)變能隨著軸向應(yīng)變的增加先增大后減小,此為彈性應(yīng)變能的本質(zhì)特征。變化的分界值為峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變。彈性應(yīng)變能增大,意味著試件內(nèi)部的彈性應(yīng)變能在不斷積累;彈性應(yīng)變能減小,說明試件內(nèi)部的彈性應(yīng)變能不再積累,并且已積累的彈性應(yīng)變能在不斷釋放。將σ1-ε1曲線中峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的彈性應(yīng)變能定義為峰值彈性應(yīng)變能,記為Uep,則不同圍壓下彈性應(yīng)變能隨軸向應(yīng)變的變化關(guān)系如圖6(a)所示,峰值彈性應(yīng)變能隨圍壓的變化關(guān)系如圖6(b)所示。

圖6 彈性應(yīng)變能演化曲線Fig.6 Evolution curve of elastic strain energy

由圖6(a)可知,達(dá)到峰值前,不同圍壓下的彈性應(yīng)變能先快速增長(zhǎng)后緩慢增長(zhǎng),越過峰值后,彈性應(yīng)變能不同程度地降低,變化形態(tài)類似于對(duì)應(yīng)試件的σ1-ε1曲線。彈性應(yīng)變能反映了試件存儲(chǔ)能量的能力,相同軸向應(yīng)變條件下,圍壓越大試件彈性應(yīng)變能越大,儲(chǔ)能能力越高,在小軸向應(yīng)變階段也不例外。軸向應(yīng)變較小時(shí),相鄰圍壓試件儲(chǔ)能能力的差異不明顯;隨著軸向應(yīng)變的增大,相鄰圍壓試件儲(chǔ)能能力的差異變大,并且圍壓越高,相鄰圍壓試件儲(chǔ)能能力的差異越大。

與吸收及耗散應(yīng)變能不同,彈性應(yīng)變能具有儲(chǔ)能極限,即峰值彈性應(yīng)變能。由圖6(a)可知,不同圍壓的試件具有不同的儲(chǔ)能極限。在圖6(b) 中,圍壓為0 時(shí)的峰值彈性應(yīng)變能為0.013 5 MJ/m3,3 MPa 圍壓下的峰值彈性應(yīng)變能為0.121 8 MJ/m3。圍壓越大,試件的峰值彈性應(yīng)變能越大,試件的峰值彈性應(yīng)變能與圍壓呈二次函數(shù)關(guān)系,隨圍壓的增長(zhǎng)速率越來越快,軸向應(yīng)變是造成峰值彈性應(yīng)變能差異化的原因之一。在峰值彈性應(yīng)變能之后,隨著軸向應(yīng)變的增加,彈性應(yīng)變能減小,隨著圍壓的降低,彈性應(yīng)變能釋放的速率越大。3 MPa 圍壓下的彈性應(yīng)變能釋放速率近乎為0,即高圍壓下,彈性應(yīng)變能將不再釋放、不再參與試件的峰后變形破壞,而是持續(xù)儲(chǔ)存在試件內(nèi)部,試件峰后變形破壞的能量將全部由外界提供。

4.3 耗散應(yīng)變能

耗散應(yīng)變能主要參與試件的變形破壞,反映了試件的變形破壞程度。試件變形破壞程度越劇烈,對(duì)應(yīng)的耗散應(yīng)變能越高。將σ1-ε1曲線中峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的耗散應(yīng)變能定義為峰值耗散應(yīng)變能,記為Udp。不同圍壓下耗散應(yīng)變能隨軸向應(yīng)變的變化關(guān)系如圖7(a)所示,峰值耗散應(yīng)變能隨圍壓的變化關(guān)系如圖7(b)所示。

圖7 耗散應(yīng)變能演化曲線Fig.7 Evolution curve of dissipated strain energy

由圖7(a)可知,耗散應(yīng)變能的增長(zhǎng)形態(tài)亦近似呈線性,隨著圍壓的增大,線性程度越高。初始加載時(shí),相同軸向應(yīng)變的條件下,圍壓越高試件的耗散應(yīng)變能越小,圍壓越低試件的耗散應(yīng)變能越大,原因在于圍壓具有抑制試件變形破壞的作用。圍壓越大,對(duì)試件變形破壞的抑制作用越強(qiáng),試件完整性越好。由此可知,圍壓較低時(shí),試件變形破壞程度大,導(dǎo)致耗散應(yīng)變能升高;隨著軸向應(yīng)變的不斷增加,高、低圍壓試件的耗散應(yīng)變能均加大,但是高圍壓試件的耗散應(yīng)變能逐漸超過低圍壓試件的耗散應(yīng)變能;相同軸向應(yīng)變的條件下,高圍壓試件具有更高的應(yīng)力水平,相應(yīng)受到更大的軸向荷載。盡管高圍壓對(duì)試件的變形破壞具有更強(qiáng)的抑制作用,但是在占主導(dǎo)地位的軸向荷載的作用下,高圍壓試件發(fā)生更劇烈的變形破壞,由此造成高圍壓試件的耗散應(yīng)變能逐漸反超低圍壓試件的耗散應(yīng)變能。

不同圍壓下的試件達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí),其變形破壞過程已發(fā)展到一定階段,相應(yīng)地也消耗了一定的應(yīng)變能。如圖7(b)所示,圍壓為0 時(shí)的峰值耗散應(yīng)變能為0.012 0 MJ/m3,3 MPa 圍壓下的峰值彈性應(yīng)變能為0.3048 MJ/m3。圍壓越大,試件的峰值耗散應(yīng)變能越大,試件的峰值耗散應(yīng)變能與圍壓呈二次函數(shù)關(guān)系,隨圍壓的增長(zhǎng)速率越來越快。高圍壓試件具有更大的峰值耗散應(yīng)變能,其原因是圍壓對(duì)試件變形破壞的抑制作用,圍壓越大,對(duì)試件的保護(hù)作用越強(qiáng),試件發(fā)生破壞時(shí)消耗的應(yīng)變能將越多。

5 結(jié) 論

(1) 圍壓為0 時(shí),試件峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的彈性應(yīng)變能、耗散應(yīng)變能各占吸收應(yīng)變能的一半;隨著圍壓的增加,峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的彈性應(yīng)變能的占比不足30%,而耗散應(yīng)變能的占比已超70%,試件在達(dá)到峰值強(qiáng)度前,已經(jīng)發(fā)生劇烈的塑性變形和破壞。

(2) 試件變形破壞過程中,吸收應(yīng)變能快速增加,峰后吸收應(yīng)變能在低圍壓下的增加速率有減緩的趨勢(shì),彈性應(yīng)變能先積累后釋放,峰值強(qiáng)度時(shí)達(dá)到儲(chǔ)能極限,耗散應(yīng)變能自屈服變形階段開始快速增長(zhǎng)。

(3) 相同軸向應(yīng)變條件下,圍壓越大,試件的吸收應(yīng)變能、彈性應(yīng)變能越大;隨著軸向應(yīng)變的增加,高圍壓試件的耗散應(yīng)變能逐漸超過低圍壓試件的耗散應(yīng)變能。圍壓可以大幅改善試件的應(yīng)力水平,限制試件的徑向變形,提高試件的儲(chǔ)能能力,抑制試件的變形破壞。