齊大山鐵礦混合巖荷載作用下變形局部化規(guī)律

王 潤，曹 洋，呂 蒙，代俊杰，徐子洺，張 璐，陳肖肖

(1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司齊大山分公司，遼寧 鞍山 114000； 2.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司，遼寧 鞍山 114000； 3.遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

0 引 言

礦山巖體工程中，巖石的力學(xué)特性對于巖體工程的穩(wěn)定性有著重要影響[1-2]。巖石的失穩(wěn)破壞不是一蹴而就的，而是微小局部破壞不斷擴(kuò)展誘發(fā)的整體失穩(wěn)，巖石局部剪切破壞造成的結(jié)構(gòu)整體性失穩(wěn)是威脅工程安全的主要因素之一。因此采用數(shù)字散斑相關(guān)方法對齊大山鐵礦混合巖巖樣變形局部化形成過程展開分析，對齊大山鐵礦露天開采和邊坡災(zāi)害防治具有重要意義。

在巖石變形局部化研究方面，宋義敏等[3]以數(shù)字散斑相關(guān)方法為基礎(chǔ)，不同加載速率下紅砂巖變形局部化的演化特征展開研究，發(fā)現(xiàn)在變形局部化階段、能量積累階段和釋放階段，巖石試件的泊松比、最大變形能密度和釋放速率均隨加載速率的增大而增大；楊小彬等[4]對等幅加載作用下紅砂巖局部化帶位移煙花規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了當(dāng)應(yīng)力水平相同時，局部化帶位移隨循環(huán)次數(shù)增加存在緩慢演化和加速演化兩個階段，變形量值速率在低應(yīng)力時更加明顯；許江等[5]研究了不同圍壓下巖石破壞過程及應(yīng)變場演化，發(fā)現(xiàn)達(dá)到峰值強(qiáng)度前，巖石總應(yīng)變和應(yīng)變能隨巖石所受圍壓增大而增大。馬永尚等[6]采用三維數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(3D-DIC)，對單軸壓縮條件下花崗巖的破壞過程展開分析，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變場演化能較好地反映巖石裂紋擴(kuò)展及破壞機(jī)制；孫琦等[7]對凍融腐蝕前后大理巖的變形局部化展開研究，發(fā)現(xiàn)凍融和腐蝕共同作用使得大理巖巖樣損傷加劇，促進(jìn)了變形局部化帶的形成，大理巖內(nèi)部孔隙隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而增多；張向陽等[8]對單軸壓縮下橄欖巖、花崗巖和混合巖開展循環(huán)加卸載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)損傷耗能最多的是橄欖巖，混合巖的損傷耗能最小；趙強(qiáng)等[9]采用室內(nèi)試驗(yàn)測得HML露天礦邊坡巖體的部分力學(xué)參數(shù)，并采用折減，發(fā)現(xiàn)含裂隙巖石的峰值剪應(yīng)力隨法向應(yīng)力的增加而增大；梁國喜[10]基于雙參數(shù)拋物線型Mohr強(qiáng)度準(zhǔn)則并結(jié)合連續(xù)損傷理論，建立了高應(yīng)力區(qū)巖石的統(tǒng)計損傷模型，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗(yàn)證，證明了所建模型的可行性。

基于數(shù)字散斑相關(guān)方法開展室內(nèi)試驗(yàn)，對單軸壓縮條件下齊大山鐵礦混合巖組原始巖樣的變形演化展開研究，依據(jù)水平位移場變化和變形局部化帶形成過程，分析混合巖組內(nèi)部裂隙產(chǎn)生與擴(kuò)展、變形局部化帶的產(chǎn)生及試件的損傷與破壞過程。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣制備

試驗(yàn)所用巖樣尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，由齊大山礦邊坡混合巖巖塊經(jīng)切削、打磨而成，并保證巖樣表面平整度在±0.05 mm以內(nèi)，混合巖的基本物理參數(shù)見表1。為提高散斑巖樣的計算精度，避免散斑場空洞的形成，制備高質(zhì)量的散斑場，采用尺寸小、反差高的散斑圖，先將巖樣均勻噴涂白色斑點(diǎn)，之后隨機(jī)噴涂黑色斑點(diǎn)，并重復(fù)上述操作。

表1 混合巖組基本物理參數(shù)Tab.1 Basic physical parameters of mixed rock formations

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

切割和打磨所用機(jī)器由上海路達(dá)實(shí)驗(yàn)儀器生產(chǎn)，為DQ-1型巖石切片機(jī)和SHM-200型雙端面磨石機(jī)。采用TAW-2000電液伺服試驗(yàn)機(jī)開展單軸壓縮試驗(yàn)。

1.3 數(shù)字散斑采集系統(tǒng)

數(shù)字散斑相關(guān)方法的圖像采集系統(tǒng)主要由計算機(jī)、圖像采集卡、CCD攝像機(jī)3部分組成。

計算機(jī)：控制圖像的采集；

圖像采集卡：采集速率為7幀/s，將圖像信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；

CCD攝像機(jī)：分辨率為1630pixel×1224pixel，先將圖像處理轉(zhuǎn)化為CCD的電荷信號，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為完整的視頻信號，標(biāo)定后系統(tǒng)物面分辨率見公式1，數(shù)字散斑相關(guān)方法采集系統(tǒng)。

(1)

2 混合巖組變形局部化規(guī)律研究

2.1 水平位移場分析

采用數(shù)字散斑相關(guān)方法，選用a～f共6個加載點(diǎn)(荷載水平分別為5 %、40 %、60 %、70 %、90 %、100 %)開展實(shí)驗(yàn)，從6個荷載水平的加載時刻中各選用1張具有代表性的處理后的圖像展開分析，得到了單軸壓縮條件下混合巖原始巖樣水平位移場演化規(guī)律圖像，見圖1。

圖1 混合巖原始巖樣水平位移場(u)演化規(guī)律Fig.1 Evolution law of horizontal displacement field(U)of original migmatite samples

由圖1可見，單軸壓縮條件下，混合巖原始巖樣水平位移值及其差值(位移最大值與最小值之差)隨荷載的增大而呈現(xiàn)先緩慢增長、后增長加劇的趨勢，直至裂紋完全貫通于試件內(nèi)部[11]，并發(fā)生剪切破壞。加載初期(荷載水平為5 %)，由于處于壓密階段，混合巖原始巖樣各部位水平位移值差值較小，僅為0.0 003 mm；由圖1(b)～(e)可見，當(dāng)荷載水平從40 %增加至90 %時，水平位移值開始出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，試件左上部和中部區(qū)域水平位移值梯度變化十分明顯，表明這一部分已經(jīng)生成微小裂隙并逐漸擴(kuò)展成較大裂隙，進(jìn)而貫通試件內(nèi)部，右上部區(qū)域的水平位移梯度也開始產(chǎn)生為微裂隙，水平位移值隨荷載水平的增大不斷增大(負(fù)值取絕對值)，正的水平位移值由0.01 mm增至0.08 mm，負(fù)的水平位移值由0.004 mm增至0.12 mm；隨著荷載增至100 %，正的水平位移值趨于穩(wěn)定，在0.05 mm左右，負(fù)的位移值由0.16 mm增至0.20 mm，位移值整體上開始趨于穩(wěn)定，表明此時損傷程度幾近最大值；巖樣損傷隨著荷載增加不斷加劇，混合巖巖樣最終表現(xiàn)為由單軸抗壓狀態(tài)轉(zhuǎn)化為整體拉伸位移狀態(tài)[12]。

2.2 變形局部化剪切帶過程

試驗(yàn)采用數(shù)字散斑相關(guān)方法對加載過程中a～f共6個標(biāo)記點(diǎn)展開研究，根據(jù)巖樣最大剪應(yīng)變(rmax)所組成的散斑序列，分析混合巖原始巖樣局部化剪切帶(rmax)演化規(guī)律，見圖2。

圖2 混合巖原始巖樣局部化剪切帶(rmax)演化規(guī)律Fig.2 Evolution law of local deformation shear zone(RMAX)of original migmatite samples

由圖2(a)可知，荷載水平為5 %時，巖樣處于壓密狀態(tài)，混合巖原始巖樣各部位變形都很小，數(shù)量級在10～4 mm；由圖2(a)和(b)可見，當(dāng)荷載水平為5 %～40 %時，混合巖原始巖樣處于彈性變形階段，巖樣內(nèi)應(yīng)變場呈均勻分布狀態(tài)，荷載水平增加至60 %時，巖樣內(nèi)部裂紋和裂隙開始逐漸擴(kuò)展，并出現(xiàn)變形局部化帶輪廓，變形量較大的區(qū)域主要集中在巖樣左側(cè)中上部位，少部分區(qū)域變形量最大值為0.04；荷載水平在70 %～90 %時，巖樣內(nèi)變形局部化帶開始從左上角貫通至試件中部，進(jìn)而貫通整個試件內(nèi)部，巖樣內(nèi)裂紋和裂隙擴(kuò)展加劇，并形成1條完整的變形局部化帶(變形局部化帶1)，此時變形局部化帶2的輪廓開始形成，隨著荷載的不斷增加，變形局部化帶變寬并趨于穩(wěn)定，變形量最大值由0.08增至0.25，荷載水平增至100 %時，變形量最大值增至0.4；微裂隙的引起的變形局部化帶發(fā)生位移使得試驗(yàn)承載力降低[13]。

總的來說，對混合巖原始巖樣局部化剪切帶(rmax)演化規(guī)律進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，單軸荷載作用下，混合巖巖樣的破壞大致分為壓密、彈性變形、變形局部化帶緩慢形成及加速形成并趨于穩(wěn)定4個階段，加載初期，裂紋和裂隙的生成不隨荷載的變化同步變化，存在“滯后”現(xiàn)象，試件內(nèi)部會沿變形局部化帶生成裂紋并不斷擴(kuò)展，生成較明顯的宏觀裂紋，從而導(dǎo)致巖石失穩(wěn)并發(fā)生剪切破壞，由混合巖原樣生成兩條變形局部化帶走向可以發(fā)現(xiàn)，與圓柱體巖石在單軸壓縮狀態(tài)下沿斜截面發(fā)生剪切破壞類似，在單軸壓縮條件下，立方體巖石發(fā)生剪切破壞方向與變形局部化帶裂紋擴(kuò)展方向相近(沿斜截面方向)。

3 結(jié) 語

對單軸壓縮條件下齊大山礦邊坡混合巖變形局部化規(guī)律進(jìn)行研究，采用數(shù)字散斑相關(guān)方法對巖樣水平位移場(u)演化規(guī)律和局部化剪切帶(rmax)演化規(guī)律展開分析，分析結(jié)果如下：

(1)混合巖巖樣的破壞大致分為壓密、彈性變形、變形局部化帶緩慢形成及加速形成并趨于穩(wěn)定四個階段。

(2)荷載水平為5 %時，巖樣處于壓密狀態(tài)，試件最大水平位移值僅為0.0 005 mm，混合巖原始巖樣各部位變形都很小，數(shù)量級在10～4 mm。

(3)荷載水平為40 %～90 %時，隨著荷載不斷增大，水平位移值梯度變化開始凸顯，微小裂隙逐漸擴(kuò)展成較大裂隙，并貫通試件內(nèi)部，使得巖樣損傷加劇，由單軸壓縮狀態(tài)向整體拉伸位移狀態(tài)轉(zhuǎn)化。

(4)荷載水平為40 %～70 %時，隨著荷載的不斷增加，巖樣內(nèi)裂紋和裂隙擴(kuò)展加劇并形成變形局部化帶，荷載水平在70 %～90 %時，局部化帶變寬并趨于穩(wěn)定，荷載水平增至100 %時，變形量最大值增至0.4。