循環加卸載下煤巖變形特征試驗研究

王小軍，司俊鴻，徐文全，王 鵬，宋 超，趙泓超

(陜西煤業化工技術研究院有限責任公司 國家能源煤炭分質清潔轉化重點實驗室， 陜西 西安 710065)

0 引 言

無論是地上邊坡、大壩還是地下巷道、礦柱等巖石工程，經常遇到循環加卸載荷的過程[1]，比如地質構造運動、橋梁的基巖所受的周期荷載、大壩的反復排、蓄水過程、隧道洞室開挖與支護以及地震荷載等，這些作用都使得工程巖體經歷反復加卸載荷的過程。巖體變形和強度特征與所受的應力狀態以及加載歷史密切相關，因此，研究循環加卸載荷條件下巖樣的強度和變形特征具有重要的工程實踐價值。

損傷是需要時間的過程演化，現有的單純加卸載單軸壓縮試驗[2]，時間都比較短，無法確定加載過程中的彈性模量、塑性應變及內部彈性能大小，為研究損傷過程帶來了較大的困難。針對巖石循環加卸載壓縮力學特性研究，尤明慶、蘇承東[3]研究了大理巖單軸循環加卸載條件下峰值強度變化規律；王海龍、陳紹杰等[4]研究了重復加載條件下的煤巖強度變化情況；周家文、楊興國[5]等對脆性巖石單軸循環加卸載的應力-應變曲線特征、峰值強度及斷裂損傷力學特性等進行了研究；韓林、劉向君[6]等研究了變圍壓循環和恒圍壓循環條件下巖石彈性參數的差異性；王鵬、彭瑞東[7]等研究了玄武巖彈性模量及泊松比隨循環加卸載次數的變化規律。

為了研究煤巖受載過程中其內部各種力學參數的變化，本文設計了三軸循環加卸載壓縮試驗。循環加卸載試驗有別于傳統的疲勞試驗，它是在測試巖石全應力應變曲線的過程中，在適當的位置上進行卸載，然后再加載，加卸載過程保持一定的速度，反復進行。通過循環加卸載試驗可以全面掌握巖石全應力應變曲線上各點的力學參數，以便尋找煤巖損傷破壞的最基本力學特征；并由此得到煤巖在準靜態壓縮時的主要力學性質，為現場工程提供技術指導。

1 試驗過程

1.1 試件制備

本次實驗中所用的巖樣均為砂巖巖樣，取自山西焦煤汾西礦業河東礦和淮北礦業朱仙莊礦。由取回的大塊巖樣在實驗室內按國際規范標準加工成高徑比2∶1的圓柱形試件，試驗試樣尺寸Φ50 mm×100 mm。制備中盡量避免了隱蔽裂隙、臨界裂隙，確保了試件質量。特別是試件與加荷板接觸部位反復研磨，力求光潔，其平整度、垂直度均能達到巖石試驗規范標準。實驗前將所有試件放入器皿，并養護十天左右。

1.2 試驗系統描述

本次循環加卸載壓縮試驗采用EHF-UG500KN型全數字液壓伺服三軸實驗系統，該實驗系統的主要技術參數為：最大動態荷重±500 kN，最大靜態荷重±750 kN，最大行程±25 mm，載荷精度±0.5%以內，加荷頻率0.00001～100 Hz，圍壓0～80 MPa，滲透壓0～70 MPa，溫度范圍為室溫～200 ℃。該實驗系統主要用于高溫和有圍壓條件下巖石和混凝土類材料的靜、動態力學性能試驗，可以用圖形和數字兩種方式，實時顯示所有采樣參數。

實驗過程中的主要測試參數有軸向應力、軸向應變、環向應變、電磁輻射參數，以便對巖石的宏觀參數變化進行全面的測試。在壓縮實驗過程中，施加在試樣上的軸向載荷由伺服材料實驗機軸向壓頭提供，圍壓的實施則由液壓油泵通過三軸壓力腔室實現，并通過各自的傳感器測量。巖樣的環向變形和軸向變形分別由環向引伸計和軸向引伸計測量。

1.3 試驗方案

本文試驗采用了常軸向應變率加載方式，即保持壓力機的壓力端頭位移速率為常量，保持應變速率為常量，同時記錄產生這一形變所需要的力，得到材料的響應曲線。

本文共對砂巖做了3組試樣的試驗。加載方式均采用軸向位移控制，加載變形速率都為1/1000 mm/s，卸載軸向速率為1/100 mm/s。卸載點是參考以往的試驗得到巖石的應力應變曲線及峰值應力應變而確定的。確定卸載點的原則是在峰值前進行7個左右的加卸載循環。試驗具體步驟為：先用特氟龍熱縮管套住巖樣，然后用熱風機加熱特氟龍熱縮套管，巖樣周圍完全密封后裝上軸向和環向引伸計，再將巖樣放入三周壓力腔室。并采用控制環向應變率加載方式進行另一組試驗。試驗全過程采用微型計算機自動控制，其中也可進行手動轉換操作。實驗數據由微機及自動控制程序自動采集，實時顯示。

2 試驗結果分析

處理采集到的循環加卸載壓縮試驗數據，分析得到應力應變、環向應變軸向應變、體積應變軸向應變如圖1～圖3所示。

由試驗可知,該砂巖的單軸抗壓強度為75.9 MPa。試驗得到了每次加載和卸載過程的應力-應變曲線。圖1、圖2為控制軸向應變率下試驗曲線。由圖中可看出，應力峰后曲線幾乎是垂直的，說明該加載方式下應力峰后巖石發生了沖擊性破壞。

對比分析圖1、圖2可知，動力載荷作用下巖樣在高圍壓時比低圍壓時初始剛度和峰值強度要高。不加圍壓時，巖樣的初始變形存在著明顯的非線性，當加有圍壓時，初始變形幾乎呈線性，非線性越來越不明顯；同時可以看出，當圍壓為10 MPa時巖樣的初始變形存在一定的非線性，當圍壓變為20 MPa時，巖樣初始階段的非線性變化表現很不明顯。

圖3為控制環向應變率下的試驗曲線。對比圖1～圖3可以看到，控環向應變率試驗應力應變曲線與控軸向應變率試驗應力應變曲線有著明顯的差別，主要體現在應力峰后。環向應變率一定時，峰后沖擊現象得到了很好的控制，應力應變曲線較為完整。

圖1 圍壓10 MPa時循環加卸載試驗曲線

圖2 圍壓20 MPa時循環加卸載壓縮試驗曲線

另外由上述試驗可看出，當循環增加時，循環初期殘余軸向應變會增大，隨后快速增加，直到試樣破壞。殘余體積應變在循環初期收縮，然后剪脹直到試件破壞。當圍壓增加時，殘余軸向應變和殘余體積應變都會增加。參考文獻[6]做了靜力壓縮試驗，與靜力實驗結果相比，動力軸向循環試驗發生剪切膨脹時需要更大的軸向應變。當發生剪切膨脹時，圍壓為10MPa與圍壓為20MPa時的動力試驗體應變比靜力試驗要小。由參考文獻[6]可知，當圍壓更大時，動力試驗的體應變要比靜力試驗大。主要因為圍壓較小時，動力加載試件表現出的脆性抑制了剪脹的發展；當圍壓較大時，動力加載試件表現的延性有助于剪脹的發展。

圖3 圍壓3 MPa時循環加卸載壓縮試驗曲線

3 結 論

(1) 循環加卸載壓縮條件下試驗結果表明，砂巖試件全部為剪切破壞，而且存在局部破壞帶；另外試樣破壞帶在動力載荷作用下比靜力載荷作用下時大。

(2) 當圍壓增大時，砂巖試樣的應力峰值和殘余應力都相應增大。

(3) 隨著圍壓的增大，砂巖逐漸表現為線彈性性質；砂巖在反復加卸載過程中，其彈性模量變化很小，幾乎保持不變，而塑性應變卻變化較大，且隨著循環次數的增加，殘余變形逐漸變小，泊松比逐漸變大。

參考文獻：

[1]張 清，杜 靜. 巖石力學基礎[M]. 北京：中國鐵道出版社，1997.

[2]吉育兵，楊偉峰,等.脆性巖石單軸壓縮條件下損傷機制分析[J].煤礦安全，2011(7)：165-167.

[3]尤明慶，蘇承東.大理巖試樣循環加卸載強化作用的試驗研究[J].固體力學學報，2008，29(1)：66-72.

[4]王海龍，陳紹杰,等.煤巖重復加載力學特性試驗研究[J].煤礦安全，2012，43(11)：48-50.

[5]楊家文，周興國,等.脆性巖石單軸循環加卸載試驗及斷裂損傷力學特性研究[J].巖石力學與工報，2010，29(6)：1172-1182.

[6]韓 林，劉向君,等.灰巖在三軸變圍壓循環壓縮中的變形特征研究[J]. 巖石力學與工程學報，2010，29(1)：2840-2844.

[7]王 鵬，彭瑞東,等.循環載荷作用下巖石損傷特性試驗研究[C]//北京力學會第17屆學術年會，2011(1)：363-365.

[8]王瑞紅，將昱州,等.循環加卸載對砂巖變形特征影響試驗研究[J].采礦與安全工程學報，2011，28(2)：231-235.