李陽,趙延林,程建超,常樂,譚濤

(湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201;湖南科技大學(xué) 南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害預(yù)防控制安全生產(chǎn)重點實驗室,湖南 湘潭 411201)

巖石是穩(wěn)定的天然礦物集合體,經(jīng)過長時間的地質(zhì)構(gòu)造作用后會以某種方式組合[1].在巖石力學(xué)領(lǐng)域,從微觀上講,孔洞是不規(guī)則的天然孔,與流變耦合密切相關(guān);從宏觀上講,是與人們生活有密切聯(lián)系的規(guī)則孔,如隧道、地下硐室與防空洞等[2].受外部載荷作用,內(nèi)部缺陷(如孔洞和裂隙)很容易引起裂紋的發(fā)生、發(fā)展和滲透,從而對巖體造成局部破壞,進(jìn)而影響整個工程的穩(wěn)定性[3].

國內(nèi)外學(xué)者對含有孔洞類巖石的力學(xué)特性進(jìn)行了試驗研究.Lajtai等[4]通過多軸壓縮試驗,對巖石孔洞周圍裂紋演化規(guī)律進(jìn)行了研究,同時分析了圍壓對巖石破壞機(jī)制的影響.Fakhim[5]通過雙軸壓縮試驗研究了預(yù)制圓形孔洞砂巖試樣破壞過程的聲發(fā)射特性.Janeiro和Einstein[6]對含有充填物的石膏試件進(jìn)行了單軸壓縮試驗,研究了充填物與孔洞形狀對類巖石材料力學(xué)特性的影響.

國內(nèi)不少學(xué)者對含孔洞巖石進(jìn)行了單軸壓縮試驗研究[7-9],還有一些研究人員對含孔洞及裂隙巖石進(jìn)行了動靜荷載的研究[10-14],與此同時,還有單軸抗拉試驗[15]、局部荷載作用下的壓縮試驗[16]、循環(huán)荷載作用下壓縮試驗[17].戎虎仁等[18]對不同孔洞半徑大小的巖石試樣進(jìn)行了單軸壓縮試驗,從孔洞尺寸效應(yīng)方面對巖石單軸壓縮強(qiáng)度及破壞特征影響進(jìn)行了研究.崔嘉慧等[19]對不同孔徑類巖石材料進(jìn)行單軸壓縮試驗,分析了不同孔徑對巖石破壞模式和變形的影響.崔柔杰等[20]對雙圓孔試樣進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度試驗,分析了不同傾角裂隙、不同孔心距的雙圓孔裂隙和圍壓對試件強(qiáng)度的影響.

綜上所述,雖然國內(nèi)外在含孔洞類巖石的力學(xué)特性研究方面取得了一些研究成果,但對雙向壓縮下孔洞類巖石的力學(xué)特性研究還缺乏完整的試驗.本文針對含孔洞類巖石材料進(jìn)行了雙軸壓縮試驗,分析了側(cè)壓和支護(hù)對含孔洞類巖石試件的抗壓性能和變形規(guī)律.

1 力學(xué)試驗

1.1 試件制備

試件為中心預(yù)制規(guī)則圓形孔洞的立方體,孔洞直徑為30 mm;試件中心孔洞由不同厚度鋁管加固,可抑制孔周裂紋擴(kuò)展.鋁管加固圈各成分比例為Al∶ Sl∶Fe∶Cu∶Mn∶Cr∶Zn=98.36∶0.47∶0.30∶0.08∶0.07∶0.62∶0.01∶0.09,其硬度和抗拉強(qiáng)度分別為13 HW,266 MPa.試件與定制模具如圖1.為制作類巖石材料,準(zhǔn)備河沙、水泥、水，并按質(zhì)量比例m水泥∶m沙∶m水=26∶25 ∶10配合,攪拌均勻制作水泥砂漿,將水泥砂漿澆入模具,然后振搗密實,24 h后脫模,放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28 d.

圖1 含孔洞和加固圈類巖石材料試件與模具

1.2 試驗裝置

試驗裝置采用RYL-600巖石剪切流變儀(如圖2).該試驗設(shè)備具有操作簡單、穩(wěn)定性好、實驗精度高、控制能力強(qiáng)等特點,可以進(jìn)行不同軸壓、圍壓、孔隙壓的巖石力學(xué)試驗,能完成巖石流變試驗、應(yīng)力-滲流耦合試驗和巖石弱結(jié)構(gòu)面剪切試驗,最大法向(垂直)施加荷載600 kN,最大橫向(剪切)施加荷載400 kN,最大圍壓施加荷載60 MPa,最大孔隙水壓50 MPa,試驗施加荷載測量誤差不大于±0.001 0,剪切變形測量誤差不大于±0.000 5.由于灰?guī)r的單軸抗壓強(qiáng)度不是特別高,該試驗設(shè)備完全能滿足試驗要求,在試驗過程中可以測試出基本力學(xué)和變形指標(biāo),可以粗略地繪制出應(yīng)力-應(yīng)變曲線.

圖2 RYL-600巖石力學(xué)剪切流變儀

1.3 雙軸壓縮試驗

利用RYL-600剪切流變儀進(jìn)行雙向壓縮試驗.實驗前將試件按加固圈厚度分別為0.0,1.0,1.5 mm分為3組,每組再按側(cè)壓分別為0.0,0.5,1.0,1.5 MPa 設(shè)置4個試件的編碼,依次為SN0-1～SN0-4,SN10-1～SN10-4,SN15-1～SN15-4. 試驗時將試件放置于加載平臺上,首先將軸向加載系統(tǒng)用位移控制至試件與加載壓頭幾近接觸,然后將軸向加載系統(tǒng)用負(fù)荷控制(負(fù)荷荷載為1～3 kN)至試件與壓頭完全接觸,再加載不同側(cè)壓.加載側(cè)壓時先將側(cè)向加載系統(tǒng)用位移控制至試件與加載壓頭幾近接觸,然后將側(cè)向加載系統(tǒng)用負(fù)荷控制至試件與壓頭完全接觸,再以0.01 MPa/s的速率施加側(cè)向應(yīng)力.當(dāng)側(cè)壓加載穩(wěn)定后,軸向加載系統(tǒng)用位移控制并以0.10 mm/min的恒定加載速率加載,直至試件失穩(wěn)破壞.

2 試驗結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

為了比較詳細(xì)地描述含孔洞類巖石試件裂破壞情況,以SN15-2試件(即加固圈厚度為1.5 mm,側(cè)壓0.5 MPa)的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線(見圖3)為例進(jìn)行分析.

由圖3可以看出該試件大致經(jīng)歷了4個階段:內(nèi)部孔隙的閉合階段、彈性變形階段、塑性變形階段、應(yīng)力迅速下跌階段.

OA段為孔隙裂隙閉合階段.該階段是一個非線性變形階段,未出現(xiàn)宏觀裂紋.此時試件中原有的張開結(jié)構(gòu)面或微小孔隙逐漸被壓密,該階段試件表現(xiàn)出軸向較強(qiáng)的塑性變形,橫向變形較少.

AB段為彈性變形階段.該階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈線性,出現(xiàn)微小宏觀裂紋.這是試件在經(jīng)過裂隙壓密后,繼續(xù)增加軸向應(yīng)力,裂隙進(jìn)一步被壓密的同時體積也被壓縮,試件出現(xiàn)彈性變形.

BC段為塑性變形階段.該階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線從B點開始偏離直線,曲線表現(xiàn)為上凸形,試件出現(xiàn)非線性變形,并開始產(chǎn)生較多宏觀裂紋且逐步擴(kuò)展.該階段試件體積由壓縮轉(zhuǎn)為擴(kuò)容,軸向應(yīng)變速率開始增大.隨著軸向應(yīng)力的增加,逐漸達(dá)到峰值強(qiáng)度點C.

CD段為應(yīng)力迅速下跌階段.軸向應(yīng)力一旦達(dá)到試件的峰值強(qiáng)度,軸向應(yīng)力立即大幅跌落,此時試件出現(xiàn)大量宏觀裂紋,大致貫通整個試件,短時間后試件失穩(wěn)破壞.

2.2 強(qiáng)度特性和變形特征分析

2.2.1 同加固圈不同側(cè)壓下全應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

根據(jù)收集的試驗數(shù)據(jù),繪制在相同加固圈不同側(cè)壓條件下試件的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示.

圖4 同加固圈不同側(cè)壓下試件的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖4分析得知,在相同加固圈厚度的情況下,側(cè)壓為0.0,0.5和1.0 MPa時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)在加載前中期比較接近,而側(cè)壓為1.5 MPa時試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)上有相對較大的偏差.側(cè)壓為0.0 MPa時,明顯發(fā)現(xiàn)各個試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線在形態(tài)上極大的相似,其線彈性階段較為陡峭,隨著側(cè)壓的逐漸增大,試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線在線彈性階段逐漸變得相對平緩,這是由于側(cè)壓的增加,軸向應(yīng)力加載使試件內(nèi)部孔隙壓密階段時間稍微增加.特別地,側(cè)壓為1.5 MPa時的試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出相對不太相似的孔隙壓密階段,不僅僅是時間長短的不一致,還表現(xiàn)在斜率的不一致.另外,試件的峰值強(qiáng)度與側(cè)壓聯(lián)系密切,在雙軸壓縮下試件的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)塑性-彈性-塑性體的性質(zhì),曲線大致呈S型.

2.2.2 同加固圈厚度不同側(cè)壓對峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變的影響分析

根據(jù)收集的試驗數(shù)據(jù),整理同加固圈厚度不同側(cè)壓下試件峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變的數(shù)據(jù)見表1.并繪制出同加固狀態(tài)下峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變隨側(cè)壓的變化曲線,分別見圖5和圖6.

表1 相同加固狀態(tài)下側(cè)壓對試件峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變的影響

圖5 同加固圈厚度下峰值強(qiáng)度與側(cè)壓

圖6 同加固圈下峰值應(yīng)變與側(cè)壓

由表1和圖5可以看出,相較試件SN0-1,試件SN0-2,SN0-3,SN0-4的峰值強(qiáng)度增幅分別為5.56%,26.14%和34.58%;試件SN10-2,SN10-3和SN10-4的峰值強(qiáng)度較SN10-1分別增大了21.58%,37.96%和56.99%;試件SN15-2,SN15-3,SN15-4的峰值強(qiáng)度較SN15-1分別增大了31.48%,35.90%和66.52%.由此得出同加固圈厚度下試件的峰值強(qiáng)度隨著側(cè)壓的升高而升高.

峰值應(yīng)變是指含孔洞和加固圈的類巖石試件達(dá)到峰值應(yīng)力時所對應(yīng)的應(yīng)變,是分析雙向壓縮狀態(tài)下試件破壞變形特性的重要參數(shù).由表1和圖6中看出,相較試件SN0-1,試件SN0-2,SN0-3,SN0-4的峰值應(yīng)變增幅分別為16.39%,27.78%,90.93%;試件SN10-2,SN10-3和SN10-4的峰值應(yīng)變較SN10-1分別增大了20.09%,22.88%和108.65%;試件SN15-2,SN15-3,SN15-4的峰值應(yīng)變較SN15-1分別增大了20.21%,29.44%和97.37%.試件的峰值應(yīng)變范圍為10.8×10-3～24.81×10-3,變化幅度較小,同加固圈厚度下試件的峰值應(yīng)變隨側(cè)壓的增大而增大.

2.2.3 同側(cè)壓下不同加固圈厚度對峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變的影響分析

根據(jù)收集的試驗數(shù)據(jù),整理在相同側(cè)壓不同加固圈厚度下試件的峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變的數(shù)據(jù)見表2.并繪制出同側(cè)壓狀態(tài)下峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變隨加固圈厚度的變化曲線,分別見圖7和圖8.

由表2和圖7可以看出,試件SN10-1和SN15-1的峰值強(qiáng)度較SN0-1分別增大了-3.00%,6.80%;試件SN10-2和SN15-2的峰值強(qiáng)度較SN0-2分別增大了11.69%,32.61%;試件SN10-3和SN15-3的峰值強(qiáng)度較SN0-3分別增大了6.15%,14.70%;試件SN10-4和SN15-4的峰值強(qiáng)度較SN0-4分別增大了13.11%,31.74%.由此得出同側(cè)壓下加固圈對試件峰值強(qiáng)度的增大有著較為明顯的積極影響.

表2 相同側(cè)壓不同加固狀態(tài)對試件峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變的影響

圖7 同側(cè)壓下峰值強(qiáng)度與加固圈厚度

圖8 同側(cè)壓下峰值應(yīng)變與加固圈厚度

由表2和圖8可以得出,試件SN10-1和SN15-1的峰值應(yīng)變較SN0-1分別增大了6.02%,16.64%;試件SN10-2和SN15-2的峰值應(yīng)變較SN0-2分別增大了9.21%,20.02%;試件SN10-3和SN15-3的峰值應(yīng)變較SN0-3分別增大了1.96%,17.90%;試件SN10-4和SN15-4的峰值應(yīng)變較SN0-4分別增大了15.89%,20.32%.由此發(fā)現(xiàn)不同的加固圈厚度可以通過支護(hù)來影響其應(yīng)變特征,同側(cè)壓下試件的峰值應(yīng)變隨加固圈厚度的增大而增大.

綜上分析發(fā)現(xiàn),相同加固圈下側(cè)壓對試件峰值強(qiáng)度的增幅為5.56%～66.52%.相同側(cè)壓下加固圈對試件峰值強(qiáng)度的增幅為-3.00%～32.61%.由此可以得出,側(cè)壓對試件峰值強(qiáng)度增加的影響程度較大,加固圈厚度對其影響程度次之.

3 結(jié)論

1)試件在雙向壓縮條件下全應(yīng)力-應(yīng)變曲線分4個階段:試件內(nèi)部孔隙的閉合階段、彈性變形階段、塑性變形階段、應(yīng)力迅速下跌階段,其軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出塑性-彈性-塑性體的性質(zhì),曲線大致呈S型.

2)在雙向壓縮下,同側(cè)壓下試件的峰值強(qiáng)度隨加固圈厚度的增大而升高,同加固圈厚度不同側(cè)壓下的試件的峰值強(qiáng)度會隨著側(cè)壓的升高而升高.側(cè)壓對試件峰值強(qiáng)度增加的影響程度比加固圈厚度對其影響程度大.

3)同加固圈厚度下試件的峰值應(yīng)變隨側(cè)壓的增大而增大.同側(cè)壓下試件的峰值應(yīng)變也隨加固圈厚度的增大而增大.