膠結充填體力學特性的加載速率效應試驗

李雅閣，金龍哲，譚　昊，王　浩

(1. 北京科技大學 土木與環境工程學院， 北京 100083； 2. 北京科技大學 礦山避險技術研究中心， 北京 100083)

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膠結充填體力學特性的加載速率效應試驗

李雅閣1，2，金龍哲1，2，譚昊1，王浩1

(1. 北京科技大學 土木與環境工程學院， 北京 100083； 2. 北京科技大學 礦山避險技術研究中心， 北京 100083)

為探究膠結充填體在不同加載速率狀態下的力學參數變化規律及其破壞模式，采用數顯式壓力機分別對2.0、4.0、6.0、8.0 mm/min這4種加載速率下的膠結充填體開展單軸壓縮試驗. 試驗結果表明：在2.0～8.0 mm/min加載速率范圍內，加載速率對于膠結充填體的抗壓強度值和割線模量均具有明顯的強化效應，且峰值抗壓強度值和割線模量隨加載速率增大而增大. 峰值抗壓強度與加載速率呈多項式函數規律，而割線模量與加載速率則呈指數函數分布規律. 且隨著加載速率增大，膠結充填體試件破壞形式表現為拉剪混合破壞向單一剪切破壞形式逐漸轉化. 研究結果揭示了膠結充填體的力學特性加載速率效應，為研究充填體破壞機制提供一定的參考依據.

膠結充填體；單軸抗壓強度；加載速率；割線模量；破壞模式

地下開采是我國礦山開采的主要手段之一，實現采空區充填不但能夠保護地表塌陷，而且能夠減少地表尾礦的堆存，對于環境保護具有重要意義. 充填料漿經地表一旦進入地下采空區后，其不僅受到地應力、溫度和滲流壓等多物理場綜合作用，同時受到爆破擾動作用影響. 國內外學者對不同受力狀態下的充填體開展了較多的研究工作，常用的研究手段有基礎實驗法、數值模擬法和理論預測法等[1-4]，而國內外針對尾砂膠結充填體在不同加載速率條件下的強度變化研究則相對較少. 加載速率作為動態力學研究的基本參量之一，其變化范圍往往較大. 國內外對于巖石或煤巖體在不同加載速率下的力學特性進行了較完善的研究工作[5-7],一般認為應變速率10-4s-1屬于低應變速率；大于10-2s-1屬于高應變速率，即動態加載[8]. 尹乾等[9]和許金余等[10]以高溫后的花崗巖和大理巖為研究對象，開展了不同加載速率下的巴西劈裂試驗，分析了溫度和加載速率對花崗巖的斷裂特性；徐小麗等[11]從能量角度研究了不同加載速率下花崗巖的破壞機制，認為加載速率對于巖石的力學性質及破壞方式具有重要的影響；李海濤等[12]對煤進行了不同加載速率單軸壓縮力學試驗，發現其強度隨加載速率增加表現出先升高后降低的現象，將轉折點對應的加載速率定義為臨界加載速率；金瀏等[13]探討了加載速率及其突變對混凝土壓縮破壞模型及宏觀力學性能，并結合數值模擬手段分析了細觀組分應變率效應的影響，國內學者對不同巖石試件也進行了相關研究[14-15]. 本文利用某礦山尾礦為原料，制作灰砂比為1/6，質量濃度為75%的膠結充填體試件，進行不同加載速率下的單軸壓縮試驗來研究其力學參數變化規律及其破壞模式.

1　試件制備與加載設備

1.1試驗材料和設備

試驗原料采用某礦山尾礦，42.5R硅酸鹽水泥作為膠骨料. 尾礦樣品經烘干處理后，采用LS-909激光粒度分析儀對其粒徑分布特性進行研究. 圖1所示為該礦山尾礦的粒徑分布曲線.

圖1　分級尾砂粒徑分布

通過試驗數據分析得到尾砂粒徑累積分布結果為d10=30.74 μm，d50=100.54 μm，d90=190.04 μm，dav=107.43 μm. 其中分級尾砂大于100.54 μm的顆粒約占50%，說明該分級尾砂屬于粗粒級尾砂.

應力加載試驗采用SANS數顯式固定位移壓力機，該試驗機通過對試件施加固定位移進行加載，并能夠實時記錄軸向載荷與軸向變形曲線，并通過導出excel文件輸出試驗數據.

1.2試驗方案與假設

設計采用灰砂比為1/6，質量濃度為75%的充填體料漿制作試件，養護齡期為60 d. 養護溫度為(20±5)℃，相對濕度為95%±5%. 利用砂紙對充填體試件的兩端進行小心打磨，使得試件上下面平整度控制在0.02 mm以內，得到充填體試件如圖2所示. 本試驗將加載速率作為主要研究對象，按照2.0、4.0、6.0、8.0 mm/min 4種加載速率開展分級尾砂膠結充填體試件的單軸壓縮試驗，得到其應力-應變全過程曲線. 并分析不同加載速率下，充填體試件破裂形態及裂紋發展規律.

圖2　尾砂膠結充填體試件

2　試驗結果分析

2.1加載速率與峰值抗壓強度定量關系分析

根據設計方案，本試驗的膠結充填體試件共計36個，按照加載速率由低到高的順序開展單軸壓縮試驗. 不同加載速率下的膠結充填體峰值強度結果見表1. 加載速率為2.0、4.0、6.0、8.0 mm/min時，對應峰值抗壓強度分別為2.98、3.01、3.06、3.12 MPa.

表1不同加載速率下的充填體強度值

Tab.1Cemented filling body strength value under different loading rates

試件編號加載速率/(mm·min-1)峰值強度/MPa2-12.02.562-22.03.212-32.02.662-42.03.022-52.03.262-62.03.174-14.03.284-24.03.004-34.02.834-44.0—4-54.03.034-64.02.916-16.02.776-26.03.266-36.02.706-46.0—6-56.0—6-66.03.498-18.0—8-28.02.548-38.02.358-48.03.258-58.03.558-68.03.91

需要說明的是，試件6-4由于加載初始設置量程較小，當軸向應力超過6 kN后，加載設備自動停止. 因此，數據異常需要剔除；試件8-1與其余5組試驗結果相差較大，故作剔除處理.

根據表1統計結果，在2.0～8.0 mm/min加載速率時，隨著加載速率增大，膠結充填體試件的峰值抗壓強度增加. 說明加載速率對于充填體試件的峰值抗壓強度具有明顯的強化效應. 同時當加載速率從2.0 mm/min增到4.0 mm/min時，平均峰值抗壓強度從2.98 MPa增長到3.01 MPa. 而當加載速率達到6.0 mm/min時，對應強度為3.06 MPa. 而從6.0 mm/min增大到8.0 mm/min后，平均峰值強度從3.06 MPa增大到3.12 MPa，增幅僅為3.8%. 采用線性、指數、對數和多項式4種方式對峰值抗壓強度與加載速率進行擬合，計算結果如圖3所示，其中σp為峰值抗壓強度值，MPa；v為加載速率，mm/min.

(a) 線性擬合

(c) 指數擬合

(b) 多項式擬合

(d) 對數擬合

分析圖3擬合結果，線性、指數和對數擬合復相關系數最大為98.13%，最小為88.71%，擬合程度均較高. 而多項式擬合方式的復相關系數最高，達到99.96%. 說明σp=0.002v2+0.005v+2.963的多項式擬合方式能夠更好地反映充填體峰值抗壓強度與加載速率之間定量關系.

2.2加載速率與割線模量定量表征

借鑒巖石力學中反映巖石平均剛度的割線模量對不同加載速率下的膠結充填體長期強度進行研究. 這里選取50%的峰值抗壓強度點與坐標原點連線的斜率作為割線模量值，即

(1)

式中:Es50為割線模量，GPa； σp50為單軸抗壓強度的50%應力值，MPa；εp50為試件對應的軸向應變值.

結合膠結充填體的應力-應變關系曲線進行割線模量值求解，最終得到的計算結果見表2所示. 加載速率為2.0、4.0、6.0、8.0 mm/min時，割線模量平均值分別為1.239、1.509、1.931、2.323 GPa.

為探究膠結充填體割線模量與加載速率的定量關系，對表2計算結果進行線性、指數和對數擬合，將計算結果的復相關系數R2作為評判依據. 圖4為3種擬合方式的擬合曲線.

分析圖4中3種不同的擬合方式發現，線性、指數和對數擬合的復相關系數分別為0.988 1、0.991 9、0.944 4，均表現出較高的擬合特性. 但指數擬合程度最高，說明指數擬合能夠更好地表征加載速率與膠結充填體割線模量的定量關系. 同時發現，隨著加載速率增大，割線模量隨之增大. 說明加載速率對于膠結充填體的平均剛度也具有強化效應.

表2膠結充填體割線模量計算結果

Tab.2The calculation of secant modulus value of cemented filling body

試件編號加載速率/(mm·min-1)割線模量/GPa2-12.00.9452-22.01.0832-32.01.4342-42.01.0452-52.0—2-62.01.6864-14.01.7394-24.00.9374-34.01.0614-44.0—4-54.02.1614-64.01.6456-16.01.5376-26.01.6486-36.02.1756-46.0—6-56.0—6-66.02.3628-18.0—8-28.02.2288-38.0—8-48.02.2748-58.02.0538-68.02.736

(a)線性擬合

(b) 指數擬合

(c) 對數擬合

3　膠結充填體破壞模式分析

4種加載速率下的充填體破壞試件和破壞形式素描圖見圖5所示.

圖5　不同加載速率下充填體試件破壞素描

Fig.5Photograph and failure sketch of specimens in different loading rates

4　結　論

1)加載速率對于膠結充填體的抗壓強度值和割線模量值均具有明顯的強化效應，且充填體峰值抗壓強度隨著加載速率的增大而增大；隨著加載速率增大，割線模量隨之增大. 峰值抗壓強度與加載速率呈多項式函數規律，而割線模量與加載速率則呈指數函數分布規律.

2)分析充填體試件的破壞形式發現，隨著加載速率增大，試件破壞形式逐漸表現為拉剪混合破壞向單一剪切破壞形式的轉化. 且加載速率越快，充填體在達到破壞所作用的時間越短.

3)該試驗得到的結果僅對灰砂比1/6，質量濃度為75%的膠結充填體進行試驗得到的，是否適用于其他充填材料，需要開展進一步的研究工作.

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(編輯魏希柱)

Experiment of loading rate effect on mechanical characteristics of cemented filling body

LI Yage1,2, JIN Longzhe1,2，TAN Hao1, WANG Hao1

(1.School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;2.Mine Emergency Technology Research Center, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

In order to investigate the mechanical parameters and failure modes of cemented filling body under different loading rates, four loading rates between 2.0 mm/min and 8.0 mm/min were utilized to develop uniaxial compressive test. The research shows that: the loading rate has an obvious strengthening effect on the peak strength and secant modulus value of the cemented filling body samples. As the loading rate increases, the peak strength and secant modulus also rise. In addition, the peak strength corresponds to the loading rates, fitting a polynomial function. And the secant modulus and loading rate meet the exponential function. Along with the increasing loading rates, the cemented filling body samples show a gradual transformation from mixed failure to the single shear failure mode. The test characteristics of the loading rate effect on the mechanical properties of cemented filling body are revealed, which provides a theoretical basis for the study of failure mechanism of filling body.

cemented filling body; uniaxial compressive strength (UCS); loading rate; secant modulus； failure modes

10.11918/j.issn.0367-6234.2016.09.009

2015-12-14

國家自然科學基金(51574017)

李雅閣(1983—)，男，高級工程師，博士研究生；

金龍哲(1962—)，男，教授，博士生導師

金龍哲， lzjin@ustb.edu.cn

TD853

A

0367-6234(2016)09-0049-05