不同應力速率下充填體強度特性和破裂機理研究

甘德清，韓 亮，劉志義，趙海鑫，蔡曉盛

(1.華北理工大學礦業工程學院，河北 唐山 063009；2.河北省礦業開發與安全技術實驗室，河北 唐山 063009)

不同應力速率下充填體強度特性和破裂機理研究

甘德清1,2，韓 亮1,2，劉志義1,2，趙海鑫1,2，蔡曉盛1,2

(1.華北理工大學礦業工程學院，河北 唐山063009；2.河北省礦業開發與安全技術實驗室，河北 唐山063009)

充填體是維護采場安全穩定的關鍵因素，是由多種物質混合而成的非均質材料，力學特性復雜，加載條件改變會對其力學特性和損傷破裂機理有顯著影響。通過進行不同應力速率下的充填體單軸抗壓強度試驗，并結合非接觸式全場應變測量系統對試樣破裂演化過程進行監測。結果表明：隨著應力速率的增加，充填體的峰值強度不斷增大，低濃度、低灰砂比試樣的強度增幅更加明顯；低應力速率下試樣表面出現大量宏觀裂紋，發生拉伸破壞，高應力速率下試塊發生單斜面剪切破壞；低應力速率下試樣內部的微裂隙和孔隙充分發育形成貫通面，進而弱化了充填體的強度，高應力速率下，試樣內部微裂隙和孔隙的發育被限制，試樣的整體承載結構對強度的影響占主要地位；應力加載下，試樣在達到峰值強度瞬間發生破壞，積蓄的能量集中瞬間釋放，破裂現象劇烈。

應力速率；充填體；峰值強度；破裂過程

資源開采深部化和地表尾廢災害化是礦業發展面臨的兩大難題，充填采礦法將地表尾廢制備成高濃度膠結料漿充入地下采空區形成具有一定強度的充填體，既能提高資源回收率，控制地表塌陷，又能減少尾廢排放，保護生態環境，在各大礦山廣泛應用[1-2]。

已有研究表明，加載速率改變會對介質的力學特性產生顯著影響，不同應力速率下，介質本身彈性能的儲存特征會發生變化。學者對不同加載速率下材料的力學行為進行了多方面的研究，童敏明等[3]分析了不同應力速率下含水煤巖聲發射頻譜特性，發現聲發射的頻次和幅度在應力速率提高后有明顯的增加。夏冬等[4]研究了不同應力速率下花崗巖的力學特性和聲發射特性，發現巖石的破壞方式和劇烈程度會隨著應力速率的變化而明顯改變，聲發射信號特征也有明顯不同。尹小濤等[5]發現加載速率的改變會造成巖石材料破壞形態的改變，存在臨界加載速率使巖石材料破壞過程由塑性向脆性轉變，加載速率對能量轉換也有影響。蘇承東等[6]進行了不同加載速率下大理巖的單軸壓縮試驗，發現大理巖的峰值強度與加載速率正相關，破壞形態也隨加載速率的增加發生改變。這些研究表明巖石類材料具有明顯的速率效應，速率效應是指材料的力學性能參數和破裂形態隨著加載速率的變化而發生明顯改變。其他介質如混凝土、CA砂漿等材料的力學特性也有明顯的速率效應。肖詩云等[7]對鋼筋混凝土梁在不同加載速率下的力學性能進行了研究，發現鋼筋混凝土梁的極限強度和極限位移隨著加載速率的增加明顯增大，耗能能力也顯著提高；孔祥明等[8]研究了不同加載速率下水泥瀝青砂漿的力學性能，發現隨著加載速率的增大，兩種典型水泥瀝青砂漿的峰值應力和彈性模量均呈現增大趨勢；汪勁豐等[9]通過對不同加載速率下CA砂漿的抗壓性能進行試驗，發現CA砂漿的抗壓強度隨加載速率的增加而明顯增大，破壞模式隨著加載速率的增加發生明顯變化。

充填體是控制地壓，維護采場穩定的關鍵，由于受開采擾動和爆破振動等影響，處于復雜的應力環境中，力學行為復雜。目前對充填體力學特性的研究主要集中在充填體強度的影響因素如尾砂種類、膠凝材料、灰砂比、料漿濃度、養護齡期等，關于應力速率對充填體力學特性影響的研究仍然較少，本文通過進行不同應力速率下充填體單軸抗壓強度試驗，探討應力速率對充填體強度特性和破裂演化過程的影響。

1 試驗設計

1.1 試驗原料

試驗骨料為冀東地區某鐵礦山的尾砂，礦物主要成分為石英、云母，是一種良好的惰性材料，尾砂粒級組成分布曲線見圖1，平均粒徑0.169 mm，不均勻系數9.28，曲率系數1.52，尾砂級配良好；膠凝材料選用冀東水泥廠生產的32.5礦渣硅酸鹽水泥；制漿用水為實驗室自來水。

1.2 試驗方案

為探討不同應力速率下充填體強度特性和損傷破裂過程，采用微機控制液壓伺服壓力機結合全場應變測量系統對充填體進行單軸抗壓強度試驗。VIC-3D技術可監測整個加載過程中充填體表面裂紋的產生，演化。由于充填體本身強度較小，共設計3種加載速率，分別為0.1 kN/s、0.2 kN/s 、0.3 kN/s，同時為避免試驗結果的偶然性，改變充填體的濃度和灰砂比，制作不同的充填體試塊。加載過程中壓力機和全場應變系統需同時開始試驗，確保能監測到充填體損傷破裂的全過程。每種速率下最少重復進行3次試驗，取3次試驗的平均值作為試驗結果。

圖1 尾砂粒級組成分布曲線

1.3 試驗過程

首先參照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T70—2009)制作不同濃度、灰砂比的充填體試塊，采用長×寬×高為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的標準三聯試模，使用JJ-15型行星式水泥膠砂攪拌機對料漿進行攪拌，將試塊放入標準養護箱內進行養護。根據VIC-3D測量原理，試驗開始前需要對試塊表面進行處理，人工噴漆制作無規則散斑，如圖2所示。試樣有散斑的一側對準全場應變測量系統，壓力機設定好加載速率，在加載開始的同時，全場應變測量系統開始拍攝散斑圖。試驗結束后，對采集到的數據和散斑圖進行保存分析。

圖2 待測試樣表面

2 試驗結果和分析

2.1 充填體強度特性分析

不同應力速率下充填體試樣的單軸抗壓強度結果見表1。

從表1中可以看出，充填體試樣的單軸抗壓強度隨著應力速率的增加而不斷增大，灰砂比1∶4、濃度70%的試樣在低應力速率下的強度為4.826 MPa，隨著應力速率增加到0.3 kN/s，峰值強度增大到了7.591 MPa，增加幅度達57%；當提高料漿濃度后，強度增幅為14%。灰砂比1∶8、濃度70%的試樣的強度增幅為54%；當料漿濃度變為75%后，試樣的強度增幅為28%。不同狀態的充填體試樣在不同應力速率下都表現出基本相同的強度特性，這充分證明這一現象并非偶然現象，表明充填體在不同應力速率下的強度特性是有規律的。較低濃度試樣的強度增幅都超過了50%，所表現出的強度特性更加明顯，當濃度提高到75%以后，較小灰砂比試樣的強度增幅是大灰砂比試樣的2倍。充填體之所以表現出明顯的速率效應，是由于充填體是一種人工制作的含有骨料、膠凝材料、水、外加劑等多種物質的非均質材料，內部含有多種孔隙和裂隙，較低的應力速率加載下，在試樣達到峰值強度之前，內部的孔隙和裂隙得到了充分的發育，這些裂隙擴展演化形成貫通面，當試樣快達到峰值強度時，在貫通面周圍發生大的損傷破裂，導致充填體試塊破壞失穩；在高應力速率加載下，明顯縮短了試樣達到峰值強度的時間，內部的裂隙和孔隙沒有足夠的時間發育，裂隙沒有完全發育形成貫通面，對試樣整體強度的弱化十分有限，當試樣快達到峰值強度時，某些部位發生大面積垮塌，導致試塊破壞失穩。低濃度、低灰砂比的充填體試塊在制作過程中就易形成大量的孔隙和裂隙，試樣質量較差，這也是導致低濃度、低灰砂比試樣強度速率效應的直接原因。

表1 不同應力速率下充填體試塊單軸抗壓強度

2.2 充填體破裂演化分析

采用VIC—3D分析軟件對試驗過程中采集到的散斑圖進行分析，重現了試驗加載中試樣表面裂紋的產生、擴展全過程，充填體試樣破壞過程中位移場的演化較好的反應了試塊內部孔隙和裂隙擴展演化成宏觀破壞的規律。圖3和圖4顯示了不同應力速率下充填體試樣損傷破裂演化全過程。

圖3顯示了低應力速率下試樣破裂演化全過程，整個加載過程持續200多秒。在180 s左右，試塊表面右下角開始出現明顯的裂紋，在這之前試塊表面沒有明顯裂紋出現，低應力速率下，試塊內部的孔隙和裂隙有足夠的時間發育，在試塊內部形成了大量的貫通面，之后進入裂紋加速擴展階段，最終演化成宏觀裂紋，如圖3(d)所示，試樣在達到峰值強度后，表面有大量的宏觀破壞帶。從試樣表面的觀測點可以看出，試塊左側發生負方向的位移，右側發生正方向的位移，認為充填體試塊發生了明顯的拉伸破壞。

圖4顯示了高應力速率下試樣破裂演化全過程，整個加載時間僅為低速率下的1/3，破壞過程迅速，可以看出在試塊達到應力峰值前并沒有宏觀裂紋產生，在達到應力峰值的瞬間發生破壞，突變過程持續不到1 s，并且破裂現象劇烈，試樣表面出現一條宏觀裂紋，試塊左上角發生大面積垮塌，整體承載結構發生破壞。高應力速率下，試樣破裂演化時間大幅度減少，限制了試樣內部微裂隙和孔隙的發育，不能形成貫通面，高應力速率下的試樣破壞也并沒有像圖3(d)那樣產生大量宏觀裂隙。從圖4(d)中可以看出，裂紋左上角部分發生負方向位移，其他部分發生正方向位移，試樣發生明顯的單斜面剪切破壞，認為是破壞面上的剪應力超過極限引起的。

通過對比圖3和圖4中的觀測點可以看出，高應力速率下充填體試塊最終由宏觀裂紋分為明顯的兩部分，這是由于充填體的整體承載結構受到破壞，低應力速率下充填體試塊的破壞現象更加復雜，因為大量的微裂隙和孔隙充分發育后演化成貫通面，導致試樣破壞是表面有大量宏觀裂紋。破壞現象的區別驗證了充填體強度特性的率效應。

圖3 低應力速率下充填體試塊破裂演化過程

圖4 高應力速率下充填體試塊破裂演化過程

3 結 論

1) 充填體有明顯的速率效應，充填體的單軸抗壓強度隨著應力速率的增加而不斷增大，低濃度、低灰砂比的充填體的強度增幅更加明顯，因為低濃度、低灰砂比的試樣內部的微裂隙和孔隙相對較高，在低應力速率下充分發育演化成貫通面，大幅度弱化了充填體試塊強度。

2) 不同應力速率下充填體試樣表面裂紋的產生、擴展及演化過程也明顯不一樣，低應力速率下試塊表面的破壞形式更傾向于拉伸破壞，高應力速率下發生明顯的單斜面剪切破壞；同時，應力速率加載下，試塊在達到峰值強度的瞬間，應力集中瞬間釋放，破裂失穩現象劇烈。

[1] WANG Xinmin,ZHAO Bin,ZHANG Qinli,et al.Cemented backfilling technology with unclassified tailings based on vertical sand silo[J].Journal of Central South University of Technology,2008,15(6):801-807.

[2] 于潤滄.我國膠結充填工藝發展的技術創新[J].中國礦山工程,2010,39(5):1-3.

[3] 童敏明,胡俊立,唐守鋒,等.不同應力速率下含水煤巖聲發射信號特性[J].采礦與安全工程學報,2009,26(1):97-100.

[4] 夏冬,常宏.應力速率對巖石聲發射特征影響的試驗研究[J].礦業研究與開發,2015,35(3):52-56.

[5] 尹小濤,葛修潤,李春光,等.加載速率對巖石材料力學行為的影響[J].巖石力學與工程學報,2010,29(S1):2610-2615.

[6] 蘇承東,李懷珍,張盛,等.應變速率對大理巖力學特性影響的試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2013,32(5):943-950.

[7] 肖詩云,曹聞博,潘浩浩.不同加載速率下鋼筋混凝土梁力學性能試驗研究[J].建筑結構學報,2012,33(12):142-146.

[8] 孔祥明,劉永亮,閻培渝.加載速率對水泥瀝青砂漿力學性能的影響[J].建筑材料學報,2010,13(2):187-192.

[9] 汪勁豐,陳一日,吳熙,等.不同加載速率下CA砂漿的抗壓性能試驗[J].材料科學與工程學報,2015,33(4):479-483.

Studyonstrengthcharacteristicsandfracturemechanismoffillingbodyunderdifferentstressrates

GAN Deqing1,2,HAN Liang1,2,LIU Zhiyi1,2,ZHAO Haixin1,2,CAI Xiaosheng1,2

(1.School of Mining Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan 063009,China;2.Mining Development and Safety Technology Key Lab of Hebei Province,Tangshan 063009,China)

Filling body is a key factor to maintain the safety and stability of stope,which is composed of heterogeneous materials mixed with many kinds of materials.The mechanical properties are complex and the change of loading condition have a significant effect on the mechanical properties and damage mechanism.The uniaxial compressive strength test of the filling under different stress rates is carried out,and the evolution process of the specimen is monitored by the non-contact full strain measurement system.The result shows:With the increase of the stress rate,the peak intensity of the filling body is increasing,and the strength of the low concentration and low gray sand is more obvious than that of the sample.Under low stress rate,a large number of macroscopic cracks appear on the surface of the specimen and tensile failure occurs.The single cant shear failure occurs under the high stress rate.The microfractures and pores in the specimen under low stress rate are fully developed to form a through surface,which weakens the strength of the filling.The microfracture and pore development of the specimen under high stress rate are limited,and the effect of the overall bearing structure on the strength of the specimen is dominant.Under stress loading,the specimen is destroyed at the moment of peak intensity,and the accumulation of energy concentrated instantaneous release,rupture phenomenon violent.

stress rate;filling body;peak strength;rupture process

TD853.3

A

1004-4051(2017)10-0123-04

2017-07-06責任編輯宋菲

華北理工大學研究生創新項目資助(編號：CXZZSS2017070;2017S02)；河北省自然科學基金項目資助(編號：E2016209220)

甘德清(1962-)，男，河北撫寧人，教授，博士，博士生導師，主要從事采礦工藝與理論方面的教學與研究工作，E-mail：gdqheut@163.com。

韓亮(1992-)，男，河北邯鄲人，碩士研究生，主要從事充填采礦與巖石力學方面的研究，E-mail：hanliang0116@163.com。