肖偉晶，王曉軍, b ，陳 辰，卓毓龍，李永欣

(江西理工大學(xué) a.資源與環(huán)境工程學(xué)院；b.江西省礦業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 贛州 341000)

分級(jí)加載條件下深部灰?guī)r蠕應(yīng)變特性研究

肖偉晶a，王曉軍a, b，陳 辰a，卓毓龍a，李永欣a

(江西理工大學(xué) a.資源與環(huán)境工程學(xué)院；b.江西省礦業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 贛州 341000)

為研究深部灰?guī)r蠕應(yīng)變特性，采用GDS-VIS三軸流變儀對(duì)不同深度試樣做分級(jí)加載單軸蠕變?cè)囼?yàn)。基于試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算出灰?guī)r長(zhǎng)期強(qiáng)度與瞬時(shí)強(qiáng)度之比的均值為0.758，且深度越深比值越??；分析不同深度灰?guī)r在各分級(jí)應(yīng)力水平下軸向蠕應(yīng)變?cè)隽颗c加載級(jí)數(shù)的變化規(guī)律，并將蠕應(yīng)變?cè)隽窟M(jìn)行一次累加，得到軸向蠕應(yīng)變。結(jié)果表明：蠕應(yīng)變?cè)隽侩S級(jí)數(shù)的增加呈現(xiàn)先減小后劇增的變化規(guī)律，且隨深度增加，蠕應(yīng)變?cè)隽窟_(dá)到谷底所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力百分比有明顯增大趨勢(shì)；在分級(jí)加載過(guò)程中，隨級(jí)數(shù)增加，軸向蠕應(yīng)變先后呈現(xiàn)減速增加、等速增加和加速增加3個(gè)發(fā)展階段；當(dāng)恒載應(yīng)力百分比為60%～70%時(shí)，蠕應(yīng)變趨于穩(wěn)定，當(dāng)超過(guò)該范圍后，蠕應(yīng)變加速增加直至發(fā)生蠕變破壞。研究得到的這一應(yīng)力百分比范圍可以為識(shí)別深部灰?guī)r是否會(huì)發(fā)生蠕變破壞提供依據(jù)。

采礦工程；深部灰?guī)r；蠕應(yīng)變特性; 單軸蠕變?cè)囼?yàn)；分級(jí)加載；長(zhǎng)期強(qiáng)度

1 研究背景

隨著21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)家對(duì)資源的需求量越來(lái)越大，采礦工程不斷向深部發(fā)展，同時(shí)規(guī)模不斷擴(kuò)大，對(duì)礦山深部巖石力學(xué)特性研究，尤其是深部巖石的流變特性研究正成為科研工作者們關(guān)注的焦點(diǎn)[1-7]。巖石在恒載應(yīng)力作用下，其變形具有時(shí)間效應(yīng)的現(xiàn)象稱之為流變或蠕變。許多科研工作者在巖石的流變領(lǐng)域做了大量研究，并得出很多重大研究成果[8-10]。邵珠山等[11]基于脆性巖石細(xì)觀模型，分析了巖石細(xì)觀蠕變損傷特性，得出裂紋角度對(duì)脆性巖石的力學(xué)性質(zhì)有重要影響；張清照等[12]對(duì)綠片巖試樣做蠕變?cè)囼?yàn)，得到巖樣的長(zhǎng)期強(qiáng)度,并提出了一種新的長(zhǎng)期強(qiáng)度定量分析方法；曹平等[13]通過(guò)對(duì)金川礦區(qū)工程深部斜長(zhǎng)角閃巖以分級(jí)增量加載方式進(jìn)行松弛試驗(yàn)與蠕變?cè)囼?yàn)，研究其流變特性并建立了流變模型；曹文貴等[14]通過(guò)模擬巖石加速蠕變的全過(guò)程，并引入損傷理論，建立了巖石加速蠕變過(guò)程中損傷模擬的新方法；蔣昱州等[15]以三峽庫(kù)區(qū)典型砂巖為研究對(duì)象，研究在不同應(yīng)力水平下典型砂巖的流變特性，并推導(dǎo)出了在三維應(yīng)力狀態(tài)下的流變本構(gòu)方程；韓庚友等[16]對(duì)薄層狀巖石做分級(jí)蠕變?cè)囼?yàn)，研究巖石在不同加載方向的蠕變特性，結(jié)果表明片理面的存在對(duì)巖石蠕變曲線的影響較?。煌踔緝€等[17]對(duì)三峽庫(kù)區(qū)萬(wàn)州紅層砂巖做流變特性試驗(yàn)，分析并研究了砂巖蠕變特性以及蠕變應(yīng)變率隨時(shí)間的變化規(guī)律。

筆者對(duì)江西某礦深部灰?guī)r做分級(jí)加載的單軸蠕變?cè)囼?yàn)并獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究灰?guī)r在不同應(yīng)力水平下的蠕變特征，討論了灰?guī)r在各應(yīng)力水平下蠕應(yīng)變?cè)隽恳约拜S向蠕應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律。

2 試驗(yàn)方案

選用3個(gè)不同深度，且完整性較好的灰?guī)r進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)深度取2塊，共6塊。為減少選取巖石試樣時(shí)的離散性導(dǎo)致的試驗(yàn)誤差，采用RSM-SY(5)型分體式智能聲波檢測(cè)儀對(duì)各試樣進(jìn)行軸向聲波測(cè)試，取同一深度下聲波波速相近的巖樣，將其加工成尺寸為Φ50 mm×100 mm圓柱形試樣(在制作過(guò)程中，試樣尺寸會(huì)有少許出入)。將試樣兩端進(jìn)行打磨，使其端面不平行度和平直度控制在±0.02 mm以內(nèi)。試驗(yàn)儀器及試樣見(jiàn)圖1，各巖石試樣參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 試驗(yàn)儀器及試樣Fig.1 Test apparatuses and specimens

2.1 單軸壓縮試驗(yàn)

采用RMT-150C巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)不同埋

表1 巖石試樣參數(shù)

深灰?guī)r試樣做無(wú)側(cè)限單軸加載壓縮試驗(yàn)，采用位移式控制加載，加載速率為0.002 mm/s，自動(dòng)記錄各試樣單軸抗壓強(qiáng)度，見(jiàn)表2。

表2 巖石試樣單軸試驗(yàn)結(jié)果

2.2 單軸蠕變?cè)囼?yàn)

采用分級(jí)加載方式對(duì)試樣R-1,R-2,R-3進(jìn)行分級(jí)加載蠕變?cè)囼?yàn)，得到不同應(yīng)力水平下灰?guī)r蠕變特性，其中各分級(jí)恒載應(yīng)力值的大小參考同一深度灰?guī)r試樣的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值σc進(jìn)行設(shè)置。采用GDS-VIS三軸流變儀進(jìn)行分級(jí)蠕變?cè)囼?yàn)，通過(guò)應(yīng)力式控制加載，加載速率為0.1kN/s，加載至指定荷載并穩(wěn)壓8h后，再繼續(xù)加載至下一分級(jí)應(yīng)力。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 蠕變特性分析

通過(guò)分級(jí)加載蠕變?cè)囼?yàn)，測(cè)得各荷載水平下巖石試樣的力學(xué)參數(shù)，并繪制出各試樣蠕變?cè)囼?yàn)特性曲線(各荷載水平加載階段在曲線中未畫(huà)出),見(jiàn)圖2。

根據(jù)蠕變特性曲線，3個(gè)試件除最后一級(jí)恒載出現(xiàn)加速蠕變外，其余各分級(jí)均未出現(xiàn)。而且在發(fā)生蠕變破壞前一分級(jí)(即倒數(shù)第二分級(jí))出現(xiàn)等速蠕變，但蠕變速率為一個(gè)很小的定值且?guī)缀鯙?，由此取蠕變破壞前一分級(jí)(即倒數(shù)第二分級(jí))應(yīng)力值作為長(zhǎng)期強(qiáng)度[6, 16]，據(jù)此，各試樣的長(zhǎng)期強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的荷載分別為56,84,108kN。計(jì)算各試樣的長(zhǎng)期強(qiáng)度σ，取相同深度下試樣的單軸抗壓強(qiáng)度為該試樣的瞬時(shí)強(qiáng)度σi，計(jì)算出σ與σi的比值μ，見(jiàn)表3。

表3 長(zhǎng)期強(qiáng)度與瞬時(shí)強(qiáng)度比值

由表3可知，該礦深部灰?guī)r的長(zhǎng)期強(qiáng)度與瞬時(shí)強(qiáng)度之比的平均值為0.758，且隨深度增加，比值呈逐漸減小的趨勢(shì)。根據(jù)文獻(xiàn)[6]，由經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得到長(zhǎng)期強(qiáng)度與瞬時(shí)強(qiáng)度之比的范圍為0.60～0.80時(shí)，蠕變特性較強(qiáng)，據(jù)此可知，該礦深部灰?guī)r具有較強(qiáng)的蠕變特性，且深度越深，蠕變特性越強(qiáng)。

3.2 蠕應(yīng)變特性分析

根據(jù)分級(jí)加載蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果，得到各試樣在不同荷載作用下軸向應(yīng)變的變化情況，其中，各荷載水平恒載狀態(tài)下產(chǎn)生的應(yīng)變稱之為蠕應(yīng)變?cè)隽縖18]，其計(jì)算公式為

(1)

式中：Δεc表示蠕應(yīng)變?cè)隽?；usc,uec分別是開(kāi)始蠕變時(shí)的變形和蠕變結(jié)束時(shí)的變形；h為試樣高度。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。應(yīng)力百分比為各分級(jí)應(yīng)力與單軸抗壓強(qiáng)度比值。

表4 不同荷載下軸向蠕應(yīng)變?cè)隽?/p>

根據(jù)表4，繪制出各試樣在整個(gè)蠕變過(guò)程中，各軸向蠕應(yīng)變?cè)隽孔兓厔?shì),見(jiàn)圖3。

注：百分?jǐn)?shù)表示各點(diǎn)的應(yīng)力百分比圖3 軸向蠕應(yīng)變?cè)隽颗c級(jí)數(shù)的關(guān)系Fig.3 Relationship between increment of axial creep strain and load step

由圖3可知：在蠕變?cè)囼?yàn)過(guò)程中，隨著各分級(jí)恒載應(yīng)力的增加，各分級(jí)蠕變應(yīng)變?cè)隽砍尸F(xiàn)先減小后增加的發(fā)展趨勢(shì)。而且與前期減小的趨勢(shì)相比，后期蠕應(yīng)變?cè)隽侩S應(yīng)力百分比增加而增加的趨勢(shì)更加明顯，直至試樣最終發(fā)生蠕變破壞。

通過(guò)進(jìn)一步分析可知，由于巖石試樣在未受荷載前，內(nèi)部含有一定數(shù)量的空隙，在前期荷載下空隙被明顯壓密，軸向蠕應(yīng)變?cè)隽枯^大，而且隨著級(jí)數(shù)增加，應(yīng)力百分比增大，空隙逐漸密實(shí)，軸向蠕應(yīng)變?cè)隽繙p??；當(dāng)試樣內(nèi)部空隙被充分壓密后，隨著恒載應(yīng)力繼續(xù)增加，空隙裂隙開(kāi)始相互貫通，蠕應(yīng)變?cè)隽坎辉贉p小，而是逐漸增大，內(nèi)部損傷持續(xù)發(fā)展，直至試樣發(fā)生蠕變破壞。根據(jù)圖3可知，3個(gè)試樣隨深度增加，軸向蠕應(yīng)變?cè)隽窟_(dá)到谷底時(shí)所對(duì)應(yīng)的級(jí)數(shù)越來(lái)越高，應(yīng)力百分比越來(lái)越大，依次為60.0%,64.8%,67.1%，據(jù)此可得出，該礦深部灰?guī)r隨深度增加，軸向蠕應(yīng)變?cè)隽窟_(dá)到谷底所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力百分比有明顯后移趨勢(shì)。說(shuō)明隨深度增加，壓密巖石所需要的應(yīng)力水平逐步增高。

(2)

表5 各分級(jí)軸向蠕應(yīng)變

結(jié)合表5，繪制各試樣在不同應(yīng)力百分比的情況下軸向蠕應(yīng)變的變化關(guān)系，如圖4所示。

圖4 軸向蠕應(yīng)變與應(yīng)力百分比的關(guān)系Fig.4 Relationship between axial creep strain and stress

通過(guò)分析圖3和圖4可知，在蠕變?cè)囼?yàn)過(guò)程中，隨恒載應(yīng)力百分比的增加，軸向蠕應(yīng)變呈現(xiàn)減速增加、等速增加和加速增加3個(gè)發(fā)展階段。表明在蠕變?cè)囼?yàn)前期，隨各分級(jí)恒載應(yīng)力百分比的增加，試樣內(nèi)部原有的空隙被逐漸壓密，軸向蠕應(yīng)變?cè)隽恐鸺?jí)遞減，軸向蠕應(yīng)變則呈現(xiàn)減速增加和等速增加。在蠕變?cè)囼?yàn)后期，蠕應(yīng)變擬合曲線等速階段與加速階段的拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力百分比在60%～70%之間，在此應(yīng)力范圍內(nèi)，巖石試樣內(nèi)部已充分壓密，空隙裂隙穩(wěn)定發(fā)展；當(dāng)恒載應(yīng)力百分比超過(guò)該范圍并繼續(xù)增加時(shí)，空隙裂隙相互貫通，內(nèi)部損傷不斷發(fā)展，致使軸向蠕應(yīng)變加速增加，直至試樣發(fā)生蠕變破壞。各穩(wěn)定狀態(tài)的應(yīng)力區(qū)間所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力與長(zhǎng)期強(qiáng)度比值的范圍見(jiàn)表6。

表6 各穩(wěn)定狀態(tài)應(yīng)力與長(zhǎng)期強(qiáng)度的比值

由表6可知，當(dāng)巖體處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力與長(zhǎng)期強(qiáng)度的比值在78.6%～93.0%之間，且隨深度增加，該比值逐步提高(3個(gè)不同深度試樣的比值范圍依次為：78.6%～91.7%,79.2%～92.4%,79.7%～93.0%)。由此可將該穩(wěn)定狀態(tài)應(yīng)力區(qū)間作為長(zhǎng)期強(qiáng)度的初步判別范圍。

上述分析表明：當(dāng)應(yīng)力百分比在 60%～70%之間時(shí)，該礦深部灰?guī)r被充分壓縮密實(shí)，巖體處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)巖體所受應(yīng)力與長(zhǎng)期強(qiáng)度的比值在78.6%～93.0%之間；當(dāng)應(yīng)力百分比超過(guò)該范圍后，蠕應(yīng)變將明顯增加，最終導(dǎo)致蠕變破壞。根據(jù)研究得到的這一應(yīng)力百分比范圍可以為識(shí)別該礦深部灰?guī)r是否會(huì)發(fā)生蠕變破壞提供依據(jù)，同時(shí)也能夠?yàn)槌醪脚袆e巖體長(zhǎng)期強(qiáng)度提供參考。

4 結(jié) 論

(1) 該礦深部不同深度灰?guī)r的長(zhǎng)期強(qiáng)度與瞬時(shí)強(qiáng)度的比值μ依次是0.764,0.758,0.753，均值為0.758，而且深度越深,比值越小。由此表明，該礦深部灰?guī)r的蠕變特性較為明顯，且隨深度增加蠕變特性增強(qiáng)。

(2) 在各分級(jí)應(yīng)力的恒載作用下，灰?guī)r蠕應(yīng)變?cè)隽侩S級(jí)數(shù)(或恒載應(yīng)力)的增加呈現(xiàn)先減小后劇增的趨勢(shì)。隨深度增加，軸向蠕應(yīng)變?cè)隽窟_(dá)到谷底時(shí)的級(jí)數(shù)越來(lái)越高，所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力百分比有明顯后移趨勢(shì)。說(shuō)明隨深度增加，壓密巖石所需要的應(yīng)力水平逐步增高。

(3) 在蠕變過(guò)程中，隨應(yīng)力百分比增加，軸向蠕應(yīng)變先后呈現(xiàn)減速增加、等速增加和加速增加3個(gè)發(fā)展階段。當(dāng)應(yīng)力百分比為60%～70%時(shí)，灰?guī)r試樣軸向蠕應(yīng)變只出現(xiàn)減速增加和等速增加，巖體處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)超過(guò)該范圍后，軸向蠕應(yīng)變將急劇增加，最終發(fā)生蠕變破壞。因此，研究得到的這一應(yīng)力百分比范圍可以為識(shí)別該礦深部灰?guī)r是否會(huì)發(fā)生蠕變破壞提供依據(jù)。

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(編輯：占學(xué)軍)

Creep Strain Characteristics of Deep Limestone under Step Loading

XIAO Wei-jing1, WANG Xiao-jun1, 2, CHEN Chen1, ZHUO Yu-long1, LI Yong-xin1

(1.School of Resource and Environmental Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China; 2.Jiangxi Provincial Key Laboratory of Mining Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China )

In the aim of exploring the creep characteristics of deep limestone, uniaxial creep tests were conducted with GDS-VIS triaxial rheometer by step loading on specimens from different depths. According to the test results, the mean value (0.758) of the ratio of long-term strength to instantaneous strength decreases as depth increases. Furthermore, the variation law of axial creep strain increment of limestone in different depths under different stress levels was investigated, and then axial creep strains were obtained by accumulating creep strain increment. Results revealed that creep strain increment decreased first and then increased dramatically with the increasing of stress level. As depth increased, the percentage of stress corresponding to the minimum creep strain increment obviously increased. Moreover, with the increase of loading level, the axial creep strain experienced three development stages from decelerated growth, constant growth and accelerated growth. When the stress percentage ratio of constant load was within the range from 60% to 70%, creep strain tended to be stable; whereas beyond the range, the creep strain acceleratedly increased until creep failure. Therefore, the range of stress percentage could be taken as reference for identifying whether creep failure will happen or not for deep limestone.

mining engineering; deep limestone; creep strain characteristics; uniaxial creep test; step loading; long-term strength

2016-07-31；

2016-09-07

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51564012)；江西省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(20141BBE50005)

肖偉晶(1991-)，男，江西高安人，碩士研究生，主要從事工程巖體穩(wěn)定性分析與控制等方面的研究工作，(電話)18270716918(電子信箱)921046160@qq.com。

王曉軍(1979-)，男，山西晉中人，副教授，博士，從事工程巖體穩(wěn)定性分析與控制等方面的研究與教學(xué)工作,(電話)13970141616(電子信箱)xiaojun7903@126.com。

10.11988/ckyyb.20160767

2017,34(8):135-138，143

TD315

A

1001-5485(2017)08-0135-04