循環(huán)沖擊下充填體的力學(xué)特性及損傷演化規(guī)律*

崔久云,張?jiān)迄i,2,孫文誠(chéng)

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,河北 唐山市 063210;2.河北省礦業(yè)開(kāi)發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 唐山市 063210;3.承德廣興礦業(yè)有限責(zé)任公司,河北 承德市 067103)

0 引言

在礦山二步回采過(guò)程中,巖石爆破應(yīng)力波傳播對(duì)充填體產(chǎn)生爆破擾動(dòng)影響。因此,研究充填體在循環(huán)沖擊作用下的力學(xué)性能及其損傷演化對(duì)于礦山的安全生產(chǎn)具有重要的意義。

到目前為止,許多學(xué)者對(duì)充填體靜力學(xué)特性進(jìn)行了大量研究。曹帥等[1]驗(yàn)證了充填次數(shù)對(duì)充填體強(qiáng)度的影響。宋衛(wèi)東等[2]分析了礦柱-充填體耦合體的承壓和破壞過(guò)程,證明了充填體對(duì)巖柱有支護(hù)作用。周平鋒等[3]探究養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)尾砂膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度及破壞特征的影響。王永巖等[4]分析出延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間有效減弱了分層結(jié)構(gòu)對(duì)充填體強(qiáng)度的弱化效應(yīng)。

充填體靜力學(xué)的研究為其動(dòng)力學(xué)研究奠定了基礎(chǔ),學(xué)者們對(duì)動(dòng)態(tài)荷載下充填體的力學(xué)特性等進(jìn)行了研究。侯永強(qiáng)等[5]通過(guò)對(duì)充填體進(jìn)行不同應(yīng)變率下的SHPB試驗(yàn),研究了充填體的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及能量演化過(guò)程。楊偉等[6]研究了動(dòng)載下高濃度全尾砂膠結(jié)充填體的力學(xué)性能,對(duì)試件的動(dòng)靜荷載下的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行比較。黃欣成等[7]對(duì)爆炸應(yīng)力波對(duì)不同配比濃度的全尾砂充填體的破壞進(jìn)行了分析。LIU B 等[8]采用SHPB 試驗(yàn)對(duì)充填體進(jìn)行沖擊試驗(yàn),采用高速攝像儀還原了試件沖擊破壞的整個(gè)過(guò)程,揭示了充填體試件的破壞機(jī)理。陶子豪[9]探究了動(dòng)載下不同強(qiáng)度的充填體動(dòng)力學(xué)特征。甘肅等[10]對(duì)充填體進(jìn)行爆破擾動(dòng)模擬試驗(yàn),研究了頻繁爆破擾動(dòng)對(duì)充填體早期力學(xué)性能的影響。劉冰[11]分析了巖石充填體耦合的動(dòng)力學(xué)響應(yīng),定性化描述動(dòng)荷載下充填體損傷程度。宮鳳強(qiáng)、李夕兵等[12-13]利用SHPB試驗(yàn)加模擬的方式對(duì)砂巖在一維動(dòng)靜組合下的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性及破壞狀態(tài)進(jìn)行了研究。李娜等[14]通過(guò)力學(xué)試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析了中深孔爆破動(dòng)力載荷作用對(duì)充填體安全穩(wěn)定性的影響。

本文利用分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)充填體試件進(jìn)行單次沖擊試驗(yàn),確定充填體發(fā)生破壞時(shí)的最大沖擊速度;對(duì)充填體試件進(jìn)行循環(huán)沖擊試驗(yàn),研究充填體在受到循環(huán)擾動(dòng)后的損傷變化。

1 試件制備及力學(xué)參數(shù)測(cè)定

1.1 充填體試件制備

試件所用材料包括尾砂、水泥、水,其中尾砂選自河北某礦,對(duì)該尾砂進(jìn)行激光粒度檢測(cè),其粒徑分布如圖1所示。尾砂的礦物成分組成見(jiàn)表1,該尾砂不含有害成分,不會(huì)對(duì)環(huán)境和充填體的性能產(chǎn)生不利影響。使用P·C 42.5硅酸鹽水泥做膠凝材料,所用水為實(shí)驗(yàn)室普通用水。以礦山實(shí)際生產(chǎn)為依據(jù),制備灰砂比1∶4,質(zhì)量濃度為72%的充填體試樣。將尾砂、水泥、水按照比例量取稱重,放入攪拌機(jī)內(nèi)充分?jǐn)嚢?將攪拌充分的料漿倒入直徑50 mm、高25 mm 的亞克力模具中,養(yǎng)護(hù)24 h后脫模,將試樣放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d,養(yǎng)護(hù)完成后將充填體試樣兩端打磨平整。

表1 尾砂礦物成分%

圖1 尾砂粒徑分布曲線

1.2 充填體的基本參數(shù)

選取9塊形態(tài)結(jié)構(gòu)完整的充填體試件,稱量試件質(zhì)量,計(jì)算試件密度。聲波速度可以表征巖石內(nèi)部原始裂隙及破碎程度,試驗(yàn)選用超聲測(cè)速儀測(cè)定充填體試件的聲波速度,得到充填體試件的平均波速為2696 m/s。將充填體基本物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行整理,見(jiàn)表2。

表2 巖體物理力學(xué)參數(shù)

2 SHPB試驗(yàn)開(kāi)展

試驗(yàn)所用儀器為華北理工大學(xué)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室分離式霍普金森壓桿系統(tǒng)。對(duì)充填體進(jìn)行單次單軸沖擊試驗(yàn),試驗(yàn)設(shè)置不同的沖擊速度代替礦山爆破產(chǎn)生的擾動(dòng),確定充填體發(fā)生破壞時(shí)的最大沖擊速度。對(duì)充填體試件進(jìn)行循環(huán)沖擊試驗(yàn),在每次沖擊后,利用超聲測(cè)速儀對(duì)充填體進(jìn)行波速測(cè)試,進(jìn)而研究充填體在受到多次擾動(dòng)后的損傷變化。

2.1 單次沖擊試驗(yàn)

本次試驗(yàn)設(shè)置了2～6 m/s的沖擊速度,得到充填體的失穩(wěn)范圍,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3、圖2。

表3 充填體試件循環(huán)沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖2 不同沖擊速度下試件應(yīng)力應(yīng)變曲線

根據(jù)試驗(yàn)分析可知,充填體的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨著平均應(yīng)變率的增大而增大,隨著平均應(yīng)變率的不斷增大,充填體峰值應(yīng)力呈減小趨勢(shì)。從圖2可以看出,充填體試件在達(dá)到峰值應(yīng)力后迅速卸載,應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈直線下降趨勢(shì),充填體表現(xiàn)出脆性材料的變形特征。

從圖3可以看出,當(dāng)平均應(yīng)變率小于46 s－1時(shí),試件受到?jīng)_擊荷載后,依舊保持完整形態(tài);當(dāng)平均應(yīng)變率增加至大約50 s－1時(shí),肉眼可觀察到充填體試件表面有細(xì)小裂紋出現(xiàn);隨著應(yīng)變率的進(jìn)一步增大,試件出現(xiàn)貫穿裂紋,其寬度也明顯增大,但試件整體結(jié)構(gòu)完整;當(dāng)平均應(yīng)變率增加至70 s－1左右時(shí),試件整體失穩(wěn)破碎。

圖3 充填體不同平均應(yīng)變率下單軸單次沖擊破壞形態(tài)

2.2 循環(huán)沖擊試驗(yàn)

從單次沖擊試驗(yàn)結(jié)果可以看出:在沖擊速度低于4 m/s的時(shí)候,充填體結(jié)構(gòu)保持宏觀穩(wěn)定,因此,為使充填體不會(huì)在一次沖擊作用下就發(fā)生失穩(wěn)破壞,進(jìn)而能夠研究在循環(huán)擾動(dòng)下充填體的力學(xué)特征及其損傷變化,本次循環(huán)沖擊試驗(yàn),選取沖擊速度為3～4 m/s。

2.2.1 循環(huán)沖擊荷載下充填體的應(yīng)力-應(yīng)變

圖4為循環(huán)沖擊荷載下試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,從圖4可以看出:隨著沖擊次數(shù)的增加,充填體的強(qiáng)度整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì);第1次沖擊充填體彈性模量小于第2、第3、第4次沖擊后的彈性模量;隨著沖擊次數(shù)的增加,曲線斜率不再發(fā)生變化,彈性模量保持不變。

圖4 循環(huán)沖擊荷載下試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

第1次沖擊,試件變形主要為彈性變形階段,曲線走勢(shì)與單次單軸沖擊充填體的曲線基本相同,變形過(guò)程一樣。循環(huán)沖擊后的充填體曲線形狀與第1次沖擊后的曲線有明顯的差異,說(shuō)明充填體變形過(guò)程與第1次沖擊的變形過(guò)程不同。分析可知,循環(huán)沖擊作用下的充填體變形破壞過(guò)程主要經(jīng)歷了壓密階段、彈性變形階段、屈服階段、裂紋貫通和破壞階段。

2.2.2 充填體峰值應(yīng)力和損傷變量的變化規(guī)律

對(duì)材料在荷載影響下的內(nèi)部損傷演化過(guò)程進(jìn)行分析,可以利用超聲波速法來(lái)反映循環(huán)沖擊過(guò)程中試件內(nèi)部的損傷變化。聲波速度常用來(lái)判斷巖石內(nèi)部原始裂隙及其損傷發(fā)展情況,波速與損傷變量的關(guān)系為[15]:

式中,D為損傷變量;V0、Vn分別為材料初始狀態(tài)的波速、循環(huán)沖擊n次后的波速。

在循環(huán)沖擊過(guò)程中利用超聲測(cè)速儀對(duì)每次沖擊后的充填體試件進(jìn)行聲波測(cè)試,利用式(1)計(jì)算得到損傷變量,定義未沖擊前的試件損傷變量為0。循環(huán)沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3,將表3數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,可獲得動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力和損傷變量與沖擊次數(shù)的關(guān)系曲線,如圖5所示。

圖5 充填體SHPB 沖擊次數(shù)與動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力和損傷變量的關(guān)系

由圖5可知,隨著沖擊次數(shù)的增加,充填體動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力逐漸減小,損傷變量整體呈增大趨勢(shì)。充填體的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力由7.04 MPa 下降到2.96 MPa,各次沖擊后的損傷變量分別為0.29,0.52,0.49。分析可知,隨著沖擊次數(shù)的增加,試件內(nèi)部裂紋不斷發(fā)育擴(kuò)展,波速降低,損傷逐漸增大。第4次沖擊后充填體主體結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重,無(wú)法使用超聲測(cè)速儀測(cè)定聲波速度,故無(wú)法用波速來(lái)定義損傷。

2.2.3 循環(huán)沖擊充填體試件破壞特征

圖6為循環(huán)沖擊充填體的破壞過(guò)程,第1次沖擊后,充填體整體結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化,表面未產(chǎn)生裂紋;第2次沖擊后,充填體主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,表面產(chǎn)生肉眼可見(jiàn)的裂紋且邊緣部分發(fā)生破碎;第3次沖擊后,試件邊緣破碎增加,表面裂紋增多;第4次沖擊后,試件主體結(jié)構(gòu)失穩(wěn),失去承載能力。

圖6 充填體SHPB單軸循環(huán)沖擊試件破壞過(guò)程

3 結(jié)論

(1)單次沖擊作用下,當(dāng)沖擊速度低于4 m/s時(shí),充填體整體結(jié)構(gòu)完整,因此,為使充填體不會(huì)在一次沖擊作用下發(fā)生失穩(wěn)破壞,循環(huán)沖擊試驗(yàn)選取沖擊速度范圍為3～4 m/s。

(2)循環(huán)沖擊過(guò)程中,充填體試件彈性模量基本不變。第2、第3、第4次沖擊充填體變形破壞過(guò)程基本保持一致,試件變形主要經(jīng)歷了壓密階段、彈性變形階段、屈服階段、裂紋貫通和破壞階段。

(3)循環(huán)沖擊過(guò)程中,隨著沖擊次數(shù)的增加,充填體的強(qiáng)度隨之減小,損傷整體呈增大趨勢(shì)。