加載條件對巖石強度尺寸效應及REV的影響研究*

2016-06-20 03:20:36范林強劉祥鑫王金權

采礦技術 2016年1期

范林強，劉祥鑫，張　超，王金權

(1.華北理工大學礦業工程學院，　河北唐山市　063009；2.礦業研究與開發重點實驗室，　河北唐山市　063009)

范林強，劉祥鑫，張超，王金權

(1.華北理工大學礦業工程學院，河北唐山市063009；2.礦業研究與開發重點實驗室，河北唐山市063009)

摘要：應用巖石破裂過程分析系統RFPA，開展不同加載方式下巖石尺寸效應及其特征單元體的對比分析，探究內在規律。研究結果表明，在限制水平向位移的情況下，巖石的尺寸效應跟單軸壓縮時相比，表現更為明顯，其抗壓強度的REV小于水平向自由邊界的REV，但同等參數下巖石的單軸抗拉強度卻不會表現出明顯的尺寸效應，研究結果對準確測定這些加載條件下的巖石材料的實驗尺寸具有一定指導意義。

關鍵詞：巖石強度；加載條件；尺寸效應；REV

0引言

巖石是經過地質作用形成的多種礦物集合體。受發育不完全和地應力的影響，巖石的成巖過程中常常會形成微小裂隙、孔洞及軟弱面等天然缺陷，是典型的非均質材料。隨著尺寸增大，其內部缺陷增多，造成實驗結果的差異，即出現巖石強度尺寸效應的問題。對其強度的尺寸效應進一步研究，得出抗壓強度隨其尺寸的增大而減小，并逐漸趨于某一穩定值[1]。

目前對單軸壓縮下巖石材料強度尺寸效應的試驗和理論研究已經取得了許多重要成果。隨著計算機技術的迅猛發展，對巖石破壞的數值模擬技術也日益成熟。唐春安等基于自行開發的巖石破裂過程分析系統RFPA，對單軸壓縮下巖石材料強度尺寸效應進行了數值模擬，模擬結果與實驗基本相符。楊圣奇[2]等開展不同圍壓下巖石材料強度尺寸效應進行了數值模擬，明確了圍壓對巖石材料尺寸效應的影響規律。路新景[3]等對延時強度尺寸效應進行研究，提出了巖石強度的優勢尺寸這一新概念。根據相關實驗研究及理論表明[4]，巖石在尺寸較小時，同一概率分布模型下不同試件的強度的離散性比較高，隨著尺寸增大，多組試件的強度越來越趨向一致，可以認為巖石強度的離散性同其REV一樣，是尺寸效應的客觀反映。

本文利用RFPA對限制水平向位移、水平向自由以及直接拉伸3種不同加載條件下延時強度的尺寸效應及REV進行對比研究和分析。

1水平向自由或限制位移的巖石尺寸效應

1.1實驗設計模型及方案

試驗選取9種不同寬高比均為1，尺寸不同的方形模型，其邊長分別為20，30，50，100，150，200，250，300，320 mm，分別進行水平向自由和水平向限制位移的單軸壓縮實驗。其中每種工況進行3次實驗，取強度的平均值進行研究。采用位移控制加載方式，速率為0.005 mm/步，其他參數如表1所示。

表1　數值模擬基元參數設置

1.2實驗結果及分析

2組數值模擬實驗的結果見表2。將其強度變化情況按散點圖的形式直觀地展示出來(見圖1)。

從圖1可以看出，2種加載方式下巖石強度均表現出明顯的尺寸效應，隨著試件尺寸的增大，其抗壓強度逐漸降低，同時從圖中也可以發現在水平向限制位移時巖石強度表現出比水平向自由時更明顯的尺寸效應。對比其強度離散性變化情況，見圖2。

表2　數值模擬結果

從強度離散度的角度來看，同樣表現出和以上表述相似的變化規律，即不管是哪加載方式，巖石強度的離散度都隨尺寸的增大而趨近于零。

圖1　平均強度隨試件邊長變化圖

圖2　強度標準差與邊長關系曲線

根據以上分析，可以得出在限制水平向位移對巖石進行單軸壓縮時，其強度值和同一尺寸下強度的離散度都會隨巖石尺寸的曾大而明顯減小，最后趨于一個穩定值。此外，水平限制位移的變化效應相對水平向自由的單軸壓縮實驗更為明顯，原因在于：第一，巖石單軸壓縮試驗在限制水平向位移時，巖石的泊松效應受到限制，微小裂隙的橫向擴展也隨之受到抑制，脆性破壞向塑性破壞轉化，破壞時的峰值強度增大，強度的增大則為其隨尺寸的增大而呈現較大波動性提供了可能的空間；第二，可以從巖石破壞時其內部基元強度分布的非均勻程度方面來考慮，在限制水平向位移的情況下，最大主應力的波動性和離散性明顯大于水平向自由時的情況。

巖石材料的非均質性在加載受力的過程中，不是一個靜態常量，而是一個動態的變量，與外在荷載作用下巖石細觀裂紋的損傷演化過程密切相關。巖石試件內部材料強度處處不等，差異很大。在限制水平向位移進行軸向加載時導致了巖石內部細觀缺陷的非均勻性要明顯大于水平向自由的情況，而細觀缺陷較大非均勻性正是導致其相對明顯的尺寸效應的主要原因[5]。

由于2種加載條件下巖石的強度存在很大的差異性，在確定其特征單元體的大小時不能簡單地以強度值波動大小的絕對值或者同一體積下強度的標準差的大小作為依據，而應該依據其波動值或標準差相對于自身強度值的大小。其中相對離散度計算公式為：

相對離散度=標準差/平均強度

水平向自由和限制位移的相對離散度和平均強度值如表3所示。

對于相對離散度，此處預規定，在其首次達到0.01時，對應的體積即為相應的特征單元體。據此可以得出水平向自由時對應的單軸抗壓強度特征單元體為300 mm×300 mm，相應的穩定強度是16.11 MPa；而水平向限制位移時對應的抗壓強度特征單元體為150 mm×150 mm,相應的穩定強度是34.81 MPa。

綜上所述，水平向限制位移的巖石抗壓強度對其尺寸比較敏感，即改變尺寸對其抗壓強度會產生較大的影響，而大于這一尺寸范圍時，其強度基本保持一個較為穩定的值。在本組實驗的參數及加載條件下，這一尺約為150 mm×150 mm，其強度值約為34.8 MPa。水平向自由的單軸壓縮強度也有相似的規律，但在其特征單元體范圍內，強度對尺寸的敏感度不如水平限制位移時的大，并且相應REV也比前者較大。