不同角度預(yù)制裂隙條件下加錨煤巖體單軸壓縮試驗(yàn)

趙 帥,王亞峰

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 胡底煤業(yè)有限公司,山西 晉城 048000)

巖體是自然界中的一種復(fù)雜介質(zhì),其內(nèi)部存在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)面,工程界和科學(xué)界重點(diǎn)關(guān)注巖體的力學(xué)特性。由于巖石的不同性質(zhì)造成巖石間力學(xué)性質(zhì)存在著差異性,破壞形式和變形特征都不盡相同。巖石中存在大量裂隙,并且裂隙的存在會使其力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。

在大型巖石工程中,由于動態(tài)載荷和地質(zhì)結(jié)構(gòu),巖體中的裂紋很多,威脅著巖體工程的安全穩(wěn)定[1-2]。張偉等[3]研究了傾角對裂隙巖體力學(xué)性質(zhì)的影響;孫朝陽[4]對類似模型材料中預(yù)制裂紋的類巖石模型樣品進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn);吳文等[5]通過單軸壓縮試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn),得出了巖石孔隙度越高,巖石強(qiáng)度越低的結(jié)論;劉超等[6]研究了單裂隙煤巖體結(jié)構(gòu)面角效應(yīng)的強(qiáng)度、變形特征和破壞形式;蒲承志等[7]探討了裂縫角度和分布密度對多裂縫巖石材料斷裂強(qiáng)度的影響;劉學(xué)偉等[8]研究了側(cè)壓力對裂隙巖體破壞模式和強(qiáng)度特征的影響;謝統(tǒng)冠等[9]研究出當(dāng)裂紋傾角為45°時(shí),試樣的強(qiáng)度先減小后增大,當(dāng)溫度較高時(shí),試樣的強(qiáng)度最低。

為了提高裂隙巖體的穩(wěn)定性,有必要對其進(jìn)行加固。錨固是加固方法之一。周輝等[10-11]用高強(qiáng)度石膏制作了裂隙角度為30°、 45°、 60°的模型,通過試驗(yàn)，分析了預(yù)應(yīng)力錨桿的錨固機(jī)理,運(yùn)用室內(nèi)物理模型試驗(yàn)和FLAC3D數(shù)值模擬技術(shù),采用三種不同的預(yù)應(yīng)力錨桿方案,研究了預(yù)應(yīng)力錨桿控制裂縫的效果;張永正等[12-13]研究了不同粗糙度和錨固角度下,不同法向荷載作用下,含錨固節(jié)理巖體的力學(xué)性質(zhì)、剪切宏-細(xì)觀力學(xué)機(jī)制、破壞特征和錨固機(jī)理,從宏觀和細(xì)觀角度分析了結(jié)構(gòu)面的破壞機(jī)理。裂隙煤巖試件力學(xué)規(guī)律的影響因素很多,如外部施加錨固限制、不同裂隙類型、裂隙角度等。

本文使用了一系列單軸試驗(yàn),分析加錨后含裂隙煤巖破壞模式和力學(xué)特性,以加錨前后含裂隙煤巖破裂過程的破壞強(qiáng)度差異為基礎(chǔ),探究裂隙角度對加錨煤巖強(qiáng)度的影響。

1 準(zhǔn)備試件與試件方案

1.1 試驗(yàn)試件

眾所周知,裂隙巖體力學(xué)行為研究的主要難點(diǎn)在于裂隙巖體試件的獲取。目前,裂隙巖體試件主要是直接或間接獲取的。受試件加工、取樣等因素影響,直接獲取裂隙巖體試件比較困難,本文通過在試件幾何中心位置切割30 mm×1 mm的預(yù)制裂隙試件來模擬含裂隙煤巖。

本文以胡底煤礦的煤巖作為研究對象,分析研究完整煤巖、裂隙角度分別為0°、30°、45°、60°、90°的煤巖體以及其加錨后試件破壞演化規(guī)律及差異。試件的直徑為50 mm,高度為100 mm，如圖1所示。無錨裂隙煤巖試件裂隙角度為0°、15°、30°和45°,編號為A-(0°～90°);加錨裂隙煤巖試件裂隙角度為0°、15°、30°和45°,編號為B-(0°～90°)。無裂隙無錨煤巖和無裂隙加錨煤巖作為參考對比試件,每種變量試驗(yàn)取3個(gè)試樣。

試驗(yàn)中未考慮錨桿變形破壞對煤巖體強(qiáng)度的影響。螺栓直徑為3 mm,長度為50 mm,鋼筋螺栓強(qiáng)度較大。具體螺栓力學(xué)參數(shù)如表1所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

GCTS-RTR-1000巖石三軸試驗(yàn)系統(tǒng)是一套閉環(huán)數(shù)字伺服控制裝置,可以方便快捷地進(jìn)行巖石試件的單軸或三軸加載試驗(yàn)和滲流試驗(yàn)。它可以測量巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度等一系列力學(xué)參數(shù)。試驗(yàn)設(shè)備如圖2所示。

(a) GCTS-RTR-1000巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)

1.3 試驗(yàn)方案

單軸加載試驗(yàn)是在試驗(yàn)機(jī)上將軸向荷載均勻的施加在巖樣上,應(yīng)用應(yīng)變傳感器測量荷載作用下巖樣的軸向和環(huán)向變形量,直到巖樣產(chǎn)生破壞。然后采集單向加載下的巖石的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線,并根據(jù)關(guān)系曲線求得表征巖石物理力學(xué)特性的基本參數(shù)。

試驗(yàn)在室溫約20°C條件下進(jìn)行,常規(guī)單軸和三軸壓縮試驗(yàn)均采用軸向應(yīng)變控制,加載速率為0.02%/min。試驗(yàn)數(shù)據(jù)由系統(tǒng)自動采集,記錄最大破壞載荷、應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線以及軸向和環(huán)向的變形位移值。試驗(yàn)結(jié)束后,對破壞后試樣整理,并進(jìn)行拍照,由照片上的試樣破壞形態(tài)分析破壞特征。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 無錨桿錨固的裂隙煤巖

每個(gè)角度做3個(gè)試件,取3組數(shù)據(jù)的平均數(shù)值進(jìn)行整合,整合數(shù)據(jù)后得到不同傾角裂隙的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。

圖3 無錨不同裂隙角度試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線

如圖3所示,非錨固裂隙煤巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表明,不同裂隙傾角抗壓強(qiáng)度曲線的發(fā)展趨勢基本相似,可分為四個(gè)明顯階段。

第一階段為壓實(shí)階段。應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈凹形,即應(yīng)變增量隨應(yīng)力的增大而減小,形成這一特征的主要原因是微裂紋在外力作用下閉合。

第二階段為彈性階段。應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本呈線性,一般來說,這個(gè)階段的斜率是彈性模量,也叫平均模量,同時(shí)巖石的泊松比通常在彈性階段得到。

第三階段是塑性變形階段。當(dāng)軸向應(yīng)力大于巖石屈服應(yīng)力時(shí),隨著應(yīng)力的增大,曲線呈凹形,應(yīng)變增大,導(dǎo)致巖石發(fā)生明顯的不可逆塑性變形。

第四階段是高峰后階段。在峰值后階段,當(dāng)承載力達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí),內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞。在連續(xù)壓力作用下,裂紋迅速發(fā)展,出現(xiàn)宏觀斷口。峰值出現(xiàn)后,應(yīng)力-應(yīng)變曲線中應(yīng)力下降較快,應(yīng)變變化較小,此時(shí),裂紋迅速擴(kuò)展和穿透,含裂紋的介質(zhì)發(fā)生脆性破壞。

2.2 錨桿錨固后的裂隙煤巖

圖4為四種裂隙傾角加錨后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。加錨后其應(yīng)力-應(yīng)變曲線走向趨勢與無錨裂隙煤巖的十分相似,無明顯峰后臺階式波動。

圖4 加錨后不同裂隙角度試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖4中可以明顯看出,在30°到60°時(shí)加錨后的煤巖單軸抗壓強(qiáng)度大幅上升,其他角度時(shí)加錨后的單軸抗壓強(qiáng)度也有所提升。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以得到,裂隙角度較小時(shí)加錨后試件強(qiáng)度大幅增加,裂隙角度較大時(shí)加錨后試件強(qiáng)度有所增加,其他性質(zhì)保持不變,原因在于加錨后強(qiáng)度的增加。

2.3 有、無錨桿錨固后的裂隙煤巖對比分析

不同裂隙傾角加錨情況對其應(yīng)力強(qiáng)度的影響如圖5和圖6所示。

圖5 加錨前后應(yīng)力強(qiáng)度對比

圖6 加錨前后不同傾角應(yīng)力增量

由圖5、圖6分析得出如下結(jié)論。

1)隨著裂隙傾角的增大,試件的抗壓強(qiáng)度逐漸增加,無錨試件的強(qiáng)度由45 MPa逐漸上升到125 MPa,加錨后的試件強(qiáng)度由47 MPa逐漸上升到136 MPa,說明了裂隙傾角越大,試件強(qiáng)度越高。

2)0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°裂隙傾角的試件加錨后強(qiáng)度分別上升1、11、15、17、18、7和11 MPa,其中30°和45°裂隙傾角的試件強(qiáng)度增加比值較高;0°、75°、90°裂隙傾角試件的強(qiáng)度增加比值較低。

3)錨桿錨固的裂隙巖體比相同角度情況的無錨裂隙巖體的抗壓強(qiáng)度均有所提高,因此可以得出,錨桿在加固裂隙巖體方面有很大作用。

3 討論

3.1 破壞模式

圖7(a)為無錨裂隙巖體的破壞形式,圖7(b)為加錨裂隙巖體的破壞形式。0°和15°試件是主要受到拉應(yīng)力產(chǎn)生破壞,附帶少量剪切破壞;30°和45°試件主要有拉力破壞和剪切破壞,45°裂隙試件無太大破壞;60°裂隙煤巖試件則出現(xiàn)明顯的滑移;90°裂隙試件無滑移現(xiàn)象,破壞模式以拉力破壞為主,附帶少量剪切破壞,可能是煤巖中的微裂隙導(dǎo)致。因此,錨桿在15°時(shí)體現(xiàn)的錨固作用較小。

(a)無錨

3.2 力學(xué)特性

錨桿與煤巖結(jié)構(gòu)面錨固角θ的選取對巖體的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)鍵影響。本文設(shè)巖石的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為c0和φ0,預(yù)制裂隙與垂直方向的角度為β,貫穿裂隙面的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為cw和φw,并假設(shè)裂隙面強(qiáng)度和巖體強(qiáng)度服從摩爾-庫倫分布,煤巖試件結(jié)構(gòu)面應(yīng)力場如圖8所示。

圖8 結(jié)構(gòu)面應(yīng)力場

由摩爾應(yīng)力圓方法可得

(1)

(2)

由摩爾庫侖準(zhǔn)則可得

τ=cw+σtanφw.

(3)

聯(lián)立得

(4)

式(4)即為由最大主應(yīng)力σ1和最小主應(yīng)力σ3表示的裂隙強(qiáng)度庫侖準(zhǔn)則,得裂隙面強(qiáng)度曲線的斜率和單軸抗壓強(qiáng)度分別為

(5)

(6)

錨桿加固后巖體的應(yīng)力場將變?yōu)閳D8(b)所示。加錨后,在裂隙面上產(chǎn)生的正應(yīng)力為

σ=σbsinθ.

(7)

剪應(yīng)力為

τ=τbcosθ.

(8)

裂隙面上的總正應(yīng)力和剪應(yīng)力分別為

(9)

(10)

錨固后巖體的抗剪強(qiáng)度為

(11)

式(11),式(9)聯(lián)立可得

(12)

由式(12)可得錨固后巖體單軸抗壓強(qiáng)度為

(13)

裂隙巖體錨固裂隙面的抗壓強(qiáng)度增加值為

(14)

圖9為加錨試件和無錨試件抗壓強(qiáng)度增值與裂隙角度的關(guān)系,傾斜煤巖組合體角度與煤巖組合體提升的抗壓強(qiáng)度在裂隙角度35°到45°時(shí)加錨強(qiáng)化有更加明顯的效果。試驗(yàn)數(shù)據(jù)散點(diǎn)與預(yù)測曲線體現(xiàn)了較好的一致性。

圖9 模型曲線與試驗(yàn)散點(diǎn)結(jié)果比較

4 結(jié)論

本文提出了加錨對不同角度裂隙煤巖體的影響效果,得到以下主要結(jié)論。

1)通過試驗(yàn)和推導(dǎo),可以得出含裂隙煤巖在裂隙角度為35°到45°時(shí),加錨效果最明顯。

2)錨桿含裂隙的試件,變成擁有一定強(qiáng)度的錨固體,巖體在錨固范圍內(nèi)不易發(fā)生破壞。垂直于錨桿表面兩側(cè)的區(qū)域更易發(fā)生破壞,其次是錨桿上下兩部分的二次應(yīng)力疊加區(qū)。錨桿能有效地協(xié)調(diào)控制含裂隙煤巖的整體變形。