張和培 吝曼卿 李先福 柯曉蘇 張 潘

（1.武漢工程大學(xué)資源與安全工程學(xué)院,湖北 武漢 430073;2.磷資源開發(fā)利用教育部工程研究中心,湖北 武漢 430205）

伴隨著磷礦產(chǎn)資源的不斷開采和消耗,磷礦正逐步轉(zhuǎn)入深部開采階段。在深部磷礦開采過程中,磷塊巖不僅受到周圍巖體傳遞而來的圍巖壓力作用,還受到附近開挖擾動(dòng)作用,探究磷塊巖在動(dòng)靜作用下的破壞特性,對井下工程設(shè)計(jì)與安全開采具有重要意義。

關(guān)于巖體在動(dòng)靜加載下的力學(xué)特性試驗(yàn),呂曉聰?shù)萚1]利用SHPB系統(tǒng)對砂巖進(jìn)行循環(huán)沖擊試驗(yàn),研究了圍壓對巖石損傷度的影響。周宗紅等[2]對白云巖進(jìn)行三維加載試驗(yàn),分析了圍壓對白云巖強(qiáng)度、變形模量等的影響。試驗(yàn)表明:當(dāng)白云巖圍壓不變時(shí),白云巖的抗壓強(qiáng)度隨著軸壓的增大而逐漸增大,達(dá)到一定程度后又逐漸減小;且變形模量則隨著軸壓的增大而逐漸減小。薛東杰等[3]研究煤巖在不同加載速率下采動(dòng)力學(xué)響應(yīng)及破壞機(jī)制,獲得了不同加載模式下煤樣的力學(xué)特征參量和變形破壞特性。辛亞軍等[4]對紅砂巖進(jìn)行了不同加載速率下的蠕變特性研究,發(fā)現(xiàn)在相同應(yīng)力加載條件下,加載速率越大,瞬時(shí)應(yīng)變變化越小,衰減蠕變應(yīng)變增量越大,等速蠕變應(yīng)變增量越小。唐建新等[5]研究了破碎巖石在不同加載速率條件下的承壓變形,發(fā)現(xiàn)破碎巖樣在不同加載速度下達(dá)到峰值壓力的時(shí)間與加載速率呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。王文等[6-8]對含水煤樣展開了動(dòng)靜組合加載試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)動(dòng)靜組合加載下的煤樣強(qiáng)度比其靜載強(qiáng)度高。K.Liu等[9-10]利用世界首臺基于真三軸靜載的霍普金森壓桿系統(tǒng)研究砂巖的動(dòng)態(tài)力學(xué)與破壞特征,并分析了砂巖在多軸靜—?jiǎng)咏M合加載下的變形、強(qiáng)度與破壞特征。李夕兵等[11-16]對巖石動(dòng)靜組合加載力學(xué)特性試驗(yàn)進(jìn)行了相關(guān)研究,探究了不同動(dòng)靜組合應(yīng)力狀態(tài)下巖體的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能、損壞形式及能量傳遞規(guī)律,為巖體的動(dòng)態(tài)破壞機(jī)理呈現(xiàn)提供了有意義的指導(dǎo)。楊福見[17]利用靜動(dòng)—靜組合加載對花崗巖進(jìn)行了動(dòng)靜組合加載試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)經(jīng)過動(dòng)載擾動(dòng)后的花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度小于未擾動(dòng)時(shí)的強(qiáng)度。宮鳳強(qiáng)等[12,18]對不同預(yù)靜載下的紅砂巖試樣進(jìn)行了動(dòng)力擾動(dòng)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)了深部圍巖在預(yù)靜載和動(dòng)力擾動(dòng)組合作用下更容易發(fā)生破壞,預(yù)靜載水平主導(dǎo)著圍巖的拉伸破壞強(qiáng)度,且動(dòng)力擾動(dòng)對強(qiáng)度的弱化有促進(jìn)作用。

由上研究可知,近年來研究花崗巖、砂巖、煤炭等在不同加載速率、不同圍壓或靜載條件下的巖體試驗(yàn),對于將圍壓、速率以及加載方式結(jié)合分析的試驗(yàn)相對較少。本文以磷塊巖為研究對象,通過3組常規(guī)三軸靜態(tài)加載試驗(yàn)和9組動(dòng)靜組合作用下的三軸加載試驗(yàn),針對磷塊巖在不同預(yù)加載、不同圍壓下的動(dòng)靜加載試驗(yàn),探究磷塊巖在不同加載環(huán)境下的強(qiáng)度規(guī)律。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試件制備

試驗(yàn)所用磷塊巖取自湖北宜昌某磷礦開采現(xiàn)場,將磷塊巖巖樣加工成φ50 mm×100 mm的圓柱體并進(jìn)行編號。加工完成后的巖樣有12個(gè),分為4組:常規(guī)靜載組（1#、2#、3#）、動(dòng)載圍壓 2 MPa 組（4#、5#、6#）、動(dòng)載圍壓3 MPa 組（7#、8#、9#）、動(dòng)載圍壓 4 MPa（10#、11#、12#）組。 部分試件如圖1所示。

圖1 試件圖片F(xiàn)ig.1 Pictures of the test piece

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

加載裝置選取美國GCTS公司的RXT-1000高溫高壓巖石三軸試驗(yàn)儀,該裝置由壓力室,圍壓控制器、試驗(yàn)臺、控制分析設(shè)備組成,如圖2所示。

圖2 RXT-1000高溫高壓巖石三軸試驗(yàn)儀Fig.2 RXT-1000 high temperature and high pressure rock triaxial tester

1.3 試驗(yàn)方案

為分析不同加載環(huán)境對磷塊巖損傷破壞的影響,試驗(yàn)選取加載速率為1 mm/min,通過試驗(yàn)測得試樣常規(guī)靜載破壞峰值應(yīng)力均值。再設(shè)置試件軸向初始預(yù)靜載力為常規(guī)破壞峰值應(yīng)力值的70%,80%和90%,進(jìn)行9組靜載+動(dòng)力擾動(dòng)組合試驗(yàn),循環(huán)荷載擾動(dòng)采用正弦波加載,磷塊巖試件的受力如圖3所示。

圖3 試件受力示意Fig.3 Schematic diagram of the force on the specimen

（1）常規(guī)三軸靜載試驗(yàn)分2個(gè)階段進(jìn)行:第一階段,將圍壓從 0 MPa分別加載至2 MPa、3 MPa、4 MPa;第二階段,軸向載荷控制在同一速率,位移速率為1 mm/min,保持圍壓不變,直至試件破壞。以此來模擬磷礦在地下開挖前的原始應(yīng)力狀態(tài)。

（2）三軸動(dòng)靜組合試驗(yàn)主要分為3個(gè)階段,以軸向力作為主要控制參數(shù)。第一階段,將圍壓以勻速率從0 MPa分別加載至2 MPa、3 MPa、4 MPa;第二階段,在圍壓不變的情況下,軸向荷載以相同的速率從0 kN加載到預(yù)定的荷載值,加載速率為1 kN/s;第三階段,保持原始圍壓不變,以預(yù)定的軸向載荷為出發(fā)點(diǎn),反復(fù)施加1 Hz正弦波的軸向周期性載荷,直至試件破壞。以此來模擬磷礦井下開挖擾動(dòng)、放炮震動(dòng)或頂板來壓等動(dòng)態(tài)載荷。

此外,圖4給出了磷塊巖在同一圍壓不同預(yù)靜載水平和同一預(yù)靜載水平不同圍壓下的加載路徑示意圖。

圖4 試驗(yàn)加載路徑示意Fig.4 Schematic diagram of the test loading path

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 巖樣破壞模式分析

在常規(guī)的室內(nèi)三軸靜態(tài)加載試驗(yàn)中,巖體的破壞形式基本為剪切破壞,如圖5（a）所示。在動(dòng)靜組合加載試驗(yàn)中,當(dāng)預(yù)靜載為70%時(shí),巖體達(dá)到破壞需要的動(dòng)態(tài)加載更為密集,巖樣上下兩端分裂成塊體,中間部位完全破碎呈細(xì)碎的顆粒狀,如圖5（b）所示。當(dāng)預(yù)靜載為80%時(shí),巖樣最終分裂成數(shù)塊粒徑不同的磷塊,而其余部分在動(dòng)態(tài)荷載的反復(fù)作用下被研磨成碎屑,如圖5（c）所示。當(dāng)預(yù)靜載達(dá)到90%時(shí),輕微的動(dòng)態(tài)加載就能使得巖體變形破壞。巖樣雖然整體發(fā)生剝落變形,但大致沿著軸向加載方向的裂隙張拉破壞,碎屑的顆粒較大且完整,巖樣整體保持原有的輪廓形狀,如圖5（d）所示。

圖5 不同預(yù)靜載下巖樣的破壞形態(tài)Fig.5 Damage patterns of rock samples under different pre-static loadsds

由此可以看出,磷塊巖在經(jīng)過動(dòng)載擾動(dòng)后,與常規(guī)三軸荷載試驗(yàn)相比,巖樣的裂隙發(fā)育更加密集,破壞狀態(tài)更加破碎松散,說明巖樣在圍壓和動(dòng)載的共同作用下,磷塊巖體中產(chǎn)生了大量的豎向裂縫,并在隨后的加載過程中不斷擴(kuò)展和交錯(cuò),使其力學(xué)性能嚴(yán)重劣化。結(jié)合常規(guī)三軸荷載試驗(yàn)中巖樣的破壞特征可以看出,雖然常規(guī)靜態(tài)加載試驗(yàn)中試樣的應(yīng)力水平較高,但破壞模式只是典型的剪切破壞,而在動(dòng)靜組合共同加載下,試件的破壞形態(tài)則更為嚴(yán)重,除了明顯的剪切破壞,變形破壞后巖體在動(dòng)載作用下甚至被碾為碎屑。這說明巖體內(nèi)部儲存大量的彈性應(yīng)變能僅是巖體發(fā)生損傷變形的條件之一,而在外界因素的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)下,巖體會發(fā)生更為嚴(yán)重的損傷變形,甚至粉碎破壞。

2.2 磷塊巖常規(guī)靜載三軸試驗(yàn)結(jié)果

分別對1#巖樣進(jìn)行了圍壓為2 MPa條件下的三軸試驗(yàn),對2#巖樣進(jìn)行了圍壓為3 MPa條件下的三軸試驗(yàn),對3#巖樣進(jìn)行了圍壓為4 MPa條件下的三軸試驗(yàn)。

此次常規(guī)靜載三軸試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 常規(guī)靜載三軸試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Conventional static load triaxial test results

2.3 動(dòng)靜組合三軸試驗(yàn)結(jié)果

為分析研究動(dòng)靜組合加載下磷塊巖的損傷破壞特性,通過磷塊巖樣在2 MPa、3 MPa、4 MPa圍壓下的常規(guī)靜載三軸抗壓強(qiáng)度,進(jìn)而分別設(shè)置預(yù)靜載水平為常規(guī)靜載三軸抗壓強(qiáng)度的70%、80%、90%,進(jìn)行9組“預(yù)靜載+動(dòng)力擾動(dòng)”系列試驗(yàn):動(dòng)力擾動(dòng)采用正弦波加載,在擾動(dòng)圍壓一定的情況下（圍壓分別為2 MPa、3 MPa、4 MPa）分別進(jìn)行不同預(yù)靜載（70%、80%、90%）巖樣的動(dòng)靜組合三軸加載測試試驗(yàn)。動(dòng)靜組合作用下的三軸荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 動(dòng)靜組合三軸破壞試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Dynamic and static combination of three-axis damage test results

由表2可知,在圍壓2 MPa 的條件下,4#、5#、6#磷塊巖樣的三軸抗壓強(qiáng)度約為131 MPa,小于常規(guī)靜載三軸圍壓2 MPa下的138.21 MPa;圍壓3 MPa的條件下 7#、8#、9#磷塊巖樣的三軸抗壓強(qiáng)度約為149 MPa,小于常規(guī)靜載三軸圍壓3 MPa下的161.38 MPa;圍壓 4 MPa 的條件下的 7#、8#、9#磷塊巖樣的三軸抗壓強(qiáng)度約為176 MPa,小于常規(guī)靜載三軸圍壓4 MPa下的188.84 MPa。由此可見,在相同的圍壓下,動(dòng)靜組合下的磷塊巖三軸抗壓強(qiáng)度降低,隨著其所受圍壓的增加,較常規(guī)靜態(tài)加載試驗(yàn)分別降低5.2%、7.7%、6.8%,說明所受圍壓越大,相同動(dòng)力擾動(dòng)下的磷塊巖的三軸抗壓強(qiáng)度越低。

9組動(dòng)靜組合加載試驗(yàn)的應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖6～圖8所示。圖中滯回圈的加入是為了防止隨著周期加載過程,導(dǎo)致曲線過于密集,因此軟件中只設(shè)置了超過0.012 5 mm的軸向位移增量。

圖6 磷塊巖在動(dòng)靜組合作用下應(yīng)力—應(yīng)變曲線（σ3=2 MPa）Fig.6 Stress-strain curve of phosphorite under combined dynamic and static action （σ3=2 MPa）

巖石受加載過程中,加載和卸載的兩條應(yīng)力—應(yīng)變曲線不是重合的,而是呈現(xiàn)出一個(gè)滯回圈[19],同樣閉環(huán)的滯回圈曲線證明了巖石記憶的動(dòng)靜態(tài)力學(xué)響應(yīng),其一般隨著巖石疲勞殘余應(yīng)變增大的方向移動(dòng)。由圖6可知,當(dāng)圍壓為2 MPa時(shí),隨著預(yù)靜載水平從70%提高到90%,巖樣的三軸抗壓強(qiáng)度分別為132.25 MPa、129.48 MPa、130.85 MPa,較常規(guī)靜載下的138.21 MPa有所降低,且基本保持在穩(wěn)定的區(qū)間大小。當(dāng)預(yù)靜載程度較小時(shí),應(yīng)力—應(yīng)變曲線上滯回圈面積較大,隨著預(yù)靜載程度的增大,滯回圈的面積逐漸減小,軸向變形逐漸增大。由圖7和圖8可知,當(dāng)圍壓為3 MPa和4 MPa時(shí),隨著預(yù)靜載水平的提高,巖樣的三軸抗壓強(qiáng)度同樣低于常規(guī)靜載水平,滯回圈面積逐漸減小,軸向變形逐漸增大,表現(xiàn)形式與圍壓為2 MPa時(shí)的規(guī)律一致。由此說明,當(dāng)圍壓相同時(shí),應(yīng)力—應(yīng)變曲線上滯回圈的面積隨著預(yù)靜載水平的增大而明顯減小。結(jié)合前文巖樣破壞模式分析,巖樣的損傷程度受預(yù)靜載程度的影響較大,巖樣在經(jīng)過動(dòng)載擾動(dòng)以后強(qiáng)度降低,且預(yù)靜載程度越高,強(qiáng)度劣化越明顯,巖樣經(jīng)受擾動(dòng)的次數(shù)也就越少,小幅度的動(dòng)載就能使巖樣發(fā)生變形破壞,且變形的程度更明顯。

圖7 磷塊巖在動(dòng)靜組合作用下應(yīng)力—應(yīng)變曲線（σ3=3 MPa）Fig.7 Stress-strain curve of phosphorite under combined dynamic and static action （σ3=3 MPa）

圖8 磷塊巖在動(dòng)靜組合作用下應(yīng)力—應(yīng)變曲線（σ3=4 MPa）Fig.8 Stress-strain curve of phosphorite under combined dynamic and static action （σ3=4 MPa）

由圖6～圖8可知,當(dāng)預(yù)靜載水平為70%時(shí),隨著圍壓從2MPa上升到4 MPa,巖樣的三軸抗壓強(qiáng)度分別為132.25MPa、151.82 MPa、176.78MPa,逐漸高于常規(guī)靜載下的磷塊巖抗壓強(qiáng)度,軸向變形也逐漸增大;當(dāng)預(yù)靜載水平為80%和90%時(shí),隨著圍壓的升高,巖樣表現(xiàn)形式與靜載水平為70%時(shí)的規(guī)律一致。由此可見,當(dāng)預(yù)靜載水平相同時(shí),圍壓越大,巖樣破壞時(shí)的軸向壓力越大,此時(shí)磷塊巖受動(dòng)載擾動(dòng)程度逐漸降低。

3 結(jié) 論

通過對磷塊巖進(jìn)行不同動(dòng)靜組合加載下的損傷破壞試驗(yàn)。研究結(jié)論如下:

（1）相比常規(guī)三軸靜荷載試驗(yàn),經(jīng)過動(dòng)載擾動(dòng)后的磷塊巖的三軸抗壓強(qiáng)度明顯降低,裂隙發(fā)育更為密集,且損傷破壞形態(tài)明顯。

（2）在相同初始圍壓下,隨著磷塊巖所受的預(yù)靜載力的越高,循環(huán)動(dòng)載使得磷塊巖的峰值強(qiáng)度逐漸降低,且磷塊巖在加載狀態(tài)下產(chǎn)生的變形破壞程度越明顯。

（3）在相同預(yù)靜載水平動(dòng)靜組合加載下,由于彈性階段磷塊巖內(nèi)部裂隙被壓密,隨著磷塊巖所受圍壓越高,巖樣發(fā)生破壞時(shí)的軸向壓力和軸向變形也越大,即在預(yù)靜載水平相同時(shí),磷塊巖的三軸抗壓強(qiáng)度隨著圍壓的增大而增大。