TSL材料防護作用下砂巖動態(tài)抗拉性能的試驗研究

王世鳴,熊咸瑞,王嘉琪,顏世軍,吳秋紅,翁 磊

(1．湖南科技大學 土木工程學院,湖南 湘潭 411201;2.湖南科技大學 南方煤礦瓦斯與頂板災害預防控制安全生產(chǎn)重點實驗室,湖南 湘潭 411201;3.武漢大學 土木建筑工程學院,武漢 430072)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展,人類地下空間的活動工程不斷往深部發(fā)展。隨著深度的增加,地應力有呈非線性增加趨勢,巖體處于高初始應力的復雜條件中[1-3]。從大量工程實際和理論分析可知,巖體的開挖會破壞圍巖的原始應力場,導致周邊巖體應力狀態(tài)發(fā)生改變,造成工程圍巖力學發(fā)生巖爆、板裂、層裂等破壞[4-6]。支護可以有效改善圍巖的應力狀態(tài),提高圍巖的穩(wěn)定性[7-9]。噴射混凝土支護以最快的速度施工,有效減少圍巖的暴露時間,有利于迅速控制或穩(wěn)定圍巖因爆破引起的擾動,從而大大地提高了圍巖的穩(wěn)定性和自撐能力,成為地下開挖工程中常見的一種支護。但隨著地下開挖速度的加快,采用普通干噴混凝土或砂漿封閉圍巖的方法缺陷越來越明顯：一是工人勞動強度大,噴射速度慢;二是噴射混凝土回彈率高,施工現(xiàn)場環(huán)境差;三是噴射混凝土支護巷道時受動壓影響容易掉皮、脫落而影響安全。

對此,化學工程師們發(fā)明了一種新型的柔性支護材料TSL(thin spray-on liner)。不同TSL支護材料的主要區(qū)別在于它的化學成分的不同,現(xiàn)在大多數(shù)為聚氨酯、甲基丙烯酸酯和水泥基乳膠產(chǎn)品。TSL材料支護具有許多優(yōu)點,如縮短固化時間、快速應用、高拉伸強度、高黏合性能。與噴射混凝土相比,具有高強度和高附著力,以及顯著的穿透接縫的能力,加固圍巖的穩(wěn)定性,同時可以減少了材料搬運,且可以遠程噴射,提高了操作人員的安全性,如圖1所示。國內外不少研究者對TSL材料的力學特性,例如抗拉強度、黏結強度、抗剪強度、變形。能力以及蠕變特性等展開了大量的研究[10-15]。多數(shù)研究表明,噴射TSL厚度在2～5 mm時,就可以獲得較好的支護效果。為了進一步研究TSL材料實際支護效果,Plessis等[16]研究了采場工作面上TSL的支護性能,研究表明,在考慮將 TSL 材料用作地下結構支撐元件之前,需要進行現(xiàn)場測試,特別是在需要早期強度的區(qū)域。然而目前多數(shù)研究主要局限于TSL在靜載荷作用下的支護性能,雖然Mpunzi等和Archibald等[17]通過現(xiàn)場支護研究發(fā)現(xiàn),與傳統(tǒng)的動載區(qū)域支護方法相比,TSL材料支護具有明顯的優(yōu)勢,適用于深部開采的支護。但是在動載荷下TSL對巖石支護效果研究很少涉及。對此,本文研究TSL對砂巖最重要的參數(shù)之一,靜動態(tài)抗拉強度的影響。根據(jù)已有研究成果,本次試驗考慮了3種TSL與巖石的接觸面,并設計了1 mm,3 mm和5 mm 3組支護厚度。

圖1 TSL現(xiàn)場施工

1 巴西劈裂試驗

1.1 試樣準備

本次研究采用的TSL由河南中煤礦業(yè)科技有限公司生產(chǎn)。當水粉比為1∶2,表面干燥時間小于40 min,TSL厚度小于10 mm時,兩天即可完全固化,抗拉強度可達8 MPa。巖石為變質青砂巖,本次試驗材料參數(shù)如表1所示。巖樣直徑為50 mm,高度為25 mm。TSL與巖石接觸分別為光滑接觸(A組)、傾角15°三角形接觸(B組)和傾角30°三角形(C組)接觸3種,TSL厚度分別設置了1 mm,3 mm和5 mm,如圖2所示。試樣制作主要按照以下步驟完成：準備巖樣、裝載模具、抹油、配制TSL、澆筑TSL、抹平,主要過程如圖3所示;12 h后對另一面完成澆筑,過12 h后拆模,期間一直放在(20±1)℃的溫度下的養(yǎng)護箱中養(yǎng)護,確保TSL養(yǎng)護時間達到48 h,之后取出用于試驗。

圖2 試樣加工簡圖(mm)

1.2 測試方法

(a)

(a)

2 試驗結果分析

2.1 TSL對砂巖巴西劈裂抗拉強度的影響

靜載劈裂試驗在RMT-150液壓伺服材料試驗機開車,在位移加載模式下對JS系列試件進行靜載劈裂試驗,加載過程中的力-時間曲線如圖6所示。與動載下加載曲線相比,靜載下加載曲線峰前呈直線。圖7為靜載下TSL對砂巖抗拉強度的影響。從圖7可以看出,在TSL材料支護作用下,試樣的強度均得到了提高,且隨厚度的增加而增加,隨接觸面的粗糙度度增加而增加。當施加TSL的厚度從1 mm增加到3 mm時,試樣抗拉強度增加明顯,而當施加TSL的厚度從3 mm增加到5 mm時,抗拉強度增加速率相對降低。這符合目前多數(shù)研究者推薦施加TSL厚度,2～5 mm,即當TSL厚度在該范圍內時,靜載下支護效果相差不會特別明顯。

圖6 靜載下砂巖加載力-時間曲線

圖7 靜載下TSL對砂巖抗拉強度的影響

圖8為動載下TSL對砂巖抗拉強度的影響。從圖8可以看出,與砂巖相比,施加了TSL材料后,試樣的動態(tài)強度明顯提高,隨著加載率的提高而提高,但是隨著接觸面類型和TSL厚度變化,其規(guī)律會發(fā)生變化。當接觸面為光滑型,試樣的動態(tài)抗拉強度隨應變率的增加而增加,但是從圖8(a)擬合公式可以看出,施加TSL后,動態(tài)強度略微有些提高,但是不明顯,4條擬合曲線非常接近,這意味著動載荷下,當接觸面為光滑型時,施加本次研究TSL的厚度對巖石動態(tài)抗拉強度提高不明顯。當接觸面為粗糙型時,施加TSL厚度對砂巖動態(tài)抗拉強度隨加載率的變化影響不大(見圖8(b)和圖8(c)擬合曲線)。然而不同粗糙度下,施加不同TSL厚度對砂巖動態(tài)抗拉強度提高效果是不一樣的。當粗糙型接觸面為傾角15°三角形時,施加3 mm和5 mm TSL對砂巖動態(tài)抗拉強度提高作用接近,均高于TSL厚度為1 mm的試樣,如圖8(b)所示。當粗糙型接觸面為傾角30°三角形時,施加1 mm和3 mm TSL對砂巖動態(tài)抗拉強度提高作用接近。但隨著厚度的增加,動態(tài)抗拉強度隨著加載率的提高呈下降趨勢,從圖8(c)可以看出。當加載率較低時,TSL厚度5 mm試樣抗拉強度遠大于其他兩組,而隨著加載率的提高,其抗拉強度提高速率下降,逐漸與其他兩組接近。這表明,在動載下,TSL支護材料對巖石的動態(tài)抗拉強度提高明顯,其提高程度取決于與TSL的厚度和接觸面形式,但是當加載率超過一定值之后(B組為250 GPa/s左右,C組為285 GPa/s左右,見圖8(b)和圖8(c)),增加TSL厚度和接觸面粗糙度對強度提高作用有所下降,這可能是因為TSL材料抗拉強度和黏結強度有限,隨著加載率的提高,TSL厚度和接觸面形式對動態(tài)抗拉強度影響不大,這一點可以從圖8(d)得出。圖9為DIF(dynamic increase factor)隨加載率的變化圖。從圖9可以看出,施加TSL能明顯提高砂巖的DIF,每一組砂巖的DIF隨著加載率的提高而提高,但是隨著TSL的厚度增加,DIF隨加載率增加的速率開始降低,DA,DB和DC 3組試樣均呈現(xiàn)類似的規(guī)律。這與圖8中,動態(tài)抗拉強度隨厚度的增加而增加存在一定差異。這可能是由于厚度的增加,在靜載下更容易發(fā)揮材料的支護性能。而動載下,由于加載速率高,厚度增加對DIF影響提高作用降低。

(a)

圖9 DIF隨加載率的變化圖

靜載和動載下TSL對砂巖抗拉性能的研究表明,TSL在靜載和動載下的力學性能表現(xiàn)存在一定的區(qū)別。在靜載下,不同接觸面和不同厚度TSL對砂巖靜態(tài)抗拉強度和劈裂破壞均有明顯的改善,隨著厚度的增加和接觸面粗糙度的增加,效果越好;而在動載下,當接觸面為光滑面時,TSL對砂巖動態(tài)強度有一定的提高作用;而當接觸面為不光滑時,TSL對砂巖的動態(tài)抗拉強度有明顯的改善作用,隨著接觸面粗糙度的增加,厚度改變表現(xiàn)不再明顯,當加載率超過一定值時,接觸面粗糙度和TSL厚度的增加對砂巖動態(tài)強度不會顯著提高。因此,當TSL材料主要用于受靜載荷為主的工程時,效果明顯,可以根據(jù)實際工程需要適當選取合適的厚度;而當TSL材料主要用于受動載荷為主的工程時,在設計支護時,需要綜合考慮接觸面的形式以及TSL的厚度。

2.2 TSL對巖石巴西劈裂破壞的影響

圖10為靜載下砂巖的巴西劈裂破壞圖。從圖10可以看出,試樣在靜載作用下,沿加載線方向劈裂成兩半,在與加載端接觸的部位存在次生裂紋,為典型的巴西劈裂破壞。圖11為砂巖在TSL作用下的巴西劈裂破壞圖。從圖11可以看出,所有試樣破壞后,TSL與巖石仍然緊密結合,沒有發(fā)生分離現(xiàn)象。隨著TSL施加厚度的增加,劈裂線兩端的次生裂紋逐漸消失,破裂面(直線段)由相對較為平整的平面逐漸變成凹凸不平的平面。這表明,隨著TSL厚度的增加,由于TSL良好的黏結性和抗拉性能,使得TSL與巖石成為一個整體,改善了巖石的受力特征,減少了巖石次生裂紋的出現(xiàn);同時由于TSL存在一定的不均勻性,使得劈裂面不是理想的平整面。這些現(xiàn)象都說明了TSL對靜載下抗拉性能有這明顯的改善作用,即使是破壞后,支護材料仍然與剩余巖石緊密結合,在工程實際中支護效果顯著。

(a) JA-1

試驗中采用SA5高速攝影儀記錄試樣破壞過程,分辨率為448×424,采樣頻率為35 000 fps/s,間隔拍攝時間大約為29 μs。沖擊前,對試樣進行散斑處理,沖擊完成后,采用GOM軟件獲得試樣劈裂過程的應變場變化圖。根據(jù)巴西劈裂試驗原理可知,當裂紋沿加載線貫通后,劈裂試驗已經(jīng)完成,因此,分析劈裂破壞過程只選取到裂紋形成前后時間,需要指出的是,DIC應變場中每張圖片中的顏色只針對本張圖片不同位置應變的對比,即前后張圖片顏色深淺并沒有任何關系。圖5(b)為砂巖試樣D0-3的應力-時間曲線圖,由圖5(b)可以看出,試樣在87 μs時達到應力峰值后應力值迅速減小,此時試樣應該已經(jīng)發(fā)生破壞。圖12為砂巖動態(tài)劈裂過程及應變場變化圖。從砂巖動態(tài)破壞過程可以看出,隨著加載時間的增加,試樣在時間116 μs左右出現(xiàn)宏觀水平裂紋;而從DIC應變場變化過程來看,由于動載荷加載速度快,在出現(xiàn)裂紋前,試樣應變場與巴西劈裂彈性應力場分布情況不一致。當加載至87 μs時,垂直加載線方向已經(jīng)出現(xiàn)了較大的應變,最大應變值為0.23%,當加載時間至116 μs時,最大應變值為1.16%,形成水平裂紋,與實際較為相符。由于本次高速攝影儀以清晰度為主,因此記錄頻率相對較低,無法準確記錄到試樣起裂那一刻,但是從上述分析可知,試樣起裂應該是發(fā)生在87～116 μs,和加載曲線相符。這表明通過DIC測的應變能較好體現(xiàn)劈裂過程試樣的應變變化規(guī)律。為此,選取了每組試樣加載率相近的試樣進行處理,獲得沖擊過程中試樣的應變場變化圖,圖13為DA組試樣沖擊破壞過程的應變場變化過程。從圖13可以看出,加了TSL的試樣,動載下起裂過程與砂巖相似,但是裂紋出現(xiàn)時間存在一定差異。從圖13可以看出,除了DA1組和DA3組,在TSL的作用下,垂直試樣加載線方向的應變增加相對緩慢,裂紋形成時間大約推遲了29 μs,相當于應力波在試樣中來回傳播一次,這表明,TSL材料能提高砂巖的抗拉強度,改善抗拉變形性能。DB組和DC組試樣沖擊過程應變場變化規(guī)律整體上與DA5組試樣相近,并沒有顯示試樣起裂時間延遲的現(xiàn)象。為了更加直觀體現(xiàn)出TSL對砂巖變形的影響,通過GOM軟件計算出試樣最大應變值隨加載時間的變化。圖13為通過DIC技術測得試樣劈裂過程試樣最大應變值隨時間的變化。從圖13可以看出,在116 μs時,試樣D0-3,DA1-2和DA3-5的最大應變已經(jīng)超過1%,試樣已經(jīng)完成劈裂,而其他試樣在116 μs時,在TSL的作用下,試樣的最大應變只有0.5%,仍未形成宏觀裂紋。這表明,在TSL材料支護后,砂巖抵抗拉伸變形的能力獲得了提高,且隨著厚度和接觸面粗糙度的增加而增加。為了進一步觀察沖擊荷載下試樣表面的變形特征,在垂直加載線方向上布置3個虛擬引伸計來測量劈裂過程試樣的位移,每個引伸計長20 mm,引伸計之間的距離為1/4D,即12.5 mm。通過測得的數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)3個引伸計測得位移隨時間的變化規(guī)律幾乎一致,其中引伸計1獲得數(shù)據(jù)均略微大于引伸計2和引伸計3的數(shù)值,這應該是因為試樣從中心起裂,所以引伸計1相比引伸計2和引伸計3略微提前發(fā)生位移,這也證明了,本次試驗中試樣劈裂沿中心起裂破壞。為了更加客觀表征試樣劈裂過程位移的變化,取三者測量的平均值,觀察其隨時間的變化,結果如圖15所示。從圖15可以看出,除了DA1和DA3兩組之外,其他組在TSL作用下,位移增長相對較慢,且在120 μs處均小于0.1 mm,這與之前應變場和最大應變規(guī)律相近。因此,通過上述分析發(fā)現(xiàn)無論是靜載還是動載,TSL對砂巖的抗拉破壞性能均有較好的提高作用。其中,動載下的提高作用受接觸面的形式和TSL厚度影響較大,接觸面越粗糙,厚度越大,支護效果越明顯。

(a) 0

(a) 0

圖14 劈裂過程試樣最大應變值隨時間的變化

圖15 劈裂過程試樣拉伸位移隨時間的變化

2.3 TSL作用機制

TSL材料具有良好的黏結能力,使得TSL與巖石緊密結合,形成一個整體,且該材料抗拉性能和抗壓性能相近,變形能力好,從而能改善砂巖的抗拉性能。隨著巖石表面粗糙度增加,TSL材料與巖石接觸面增加,從而提高巖石的抗拉性能,這與傳統(tǒng)支護材料類似。然而相比其他材料,TSL良好的變形性能和黏結能力,使得TSL材料能夠容易進入到巖石的表面上的裂縫和縫隙中,這一點圖11中可以觀察到,無論光滑型還是粗糙型接觸面,TSL材料均與接觸面完好接觸,從而進一步改善巖石的抗拉性能。在靜載下,加載速率相對較低,TSL材料對不同接觸面形式均有明顯的提高作用;隨著加載率的提高,光滑接觸面不能較好的發(fā)揮TSL的黏結能力,對砂巖動態(tài)強度提高不明顯,需要較大的厚度才能發(fā)揮作用;隨著接觸面粗糙度的增加,TSL的黏結能力得以施展,從而改善砂巖動態(tài)抗拉性能。需要指出的是,TSL是一種被動支護,隨著外力的增加,才會開始發(fā)揮支護作用,當加載率過高時,試樣受力瞬時增大,TSL材料將不能很好的發(fā)揮支護作用。在本次研究加載率范圍內,TSL材料能較好的發(fā)揮支護效果。

3 結 論

(1) 靜載下,TSL對砂巖抗拉強度具有明顯的提升作用,且隨著接觸面粗糙度的增加,提高效果越明顯;但當厚度超過3 mm后,隨著厚度的增加,支護效果不再顯著提升。

(2) 動載下,TSL對砂巖抗拉強度提高受接觸面粗糙度、TSL厚度以及加載率三者共同影響。當加載率較低時,動態(tài)抗拉強度隨著接觸面粗糙度的增加而增加,隨著TSL厚度的增加而增加,當加載率較大時,增加接觸面粗糙度和TSL厚度對砂巖動態(tài)抗拉強度提升效果不明顯。

(3) 無論靜載、動載,破壞模式均為沿加載線劈裂破壞。靜載下,隨著TSL厚度和接觸面粗糙度的增加,應力集中得到較好的改善,次生裂紋較少,劈裂面由平整型轉為粗糙型;動載下,接觸面為光滑型時,TSL厚度達到5 mm才能較好的改善砂巖的抗拉變形性能,而接觸面為粗糙型時,TSL對砂巖抗拉性能改善明顯,能延緩砂巖的起裂時間。

本次研究只考慮了3種接觸面,且相對規(guī)則,與實際存在一定的差異,在今后的研究中將考慮更多接觸面的形式,使得研究更加貼合實際。