动静荷载作用下硬岩峰后力学试验研究.pdf

第3 5 卷第6 期 2 0 1 5 年1 2 月 矿冶工程 M 田町州GA N DM 哐T A L L U R G l C A LE N G Ⅱ厄E R 矾G V 0 1 ．3 5 №6 D e c e m b e r2 0 1 5 动静荷载作用下硬岩峰后力学试验研究① 张婧1 ，王东2 ，刘长武3 1 ．西华大学能源与环境学院，四川成都6 1 0 0 3 9 ；2 ．四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院，四川成都6 1 0 0 4 l ；3 ．四川大学水力学与山区河 流开发保护国家重点实验室，四川成都6 1 0 0 6 5 摘要对3 种典型岩石分别进行了峰后循环加卸载试验和峰后振动试验，研究了围压对岩石变形和弹性模量的影响。结果表明 抗压强度随峰后循环加载静荷载次数增加而衰减，弹性模量在循环加载中也出现软化现象；峰后每个循环的卸载过程及加载初期 无明显声发射现象，在应力加载到新峰值的6 0 ％一9 0 ％时才开始出现声发射激增现象，使用“应变历史”作为凯瑟效应判断标准可 以较好地解释这一现象；在振动荷载作用下，围压的初步增加对粉砂岩和花岗岩的损伤闭合有积极作用，但进一步增加会抑制粉砂 岩损伤的继续闭合。 关键词岩石力学；硬岩；循环荷载；峰后 中图分类号T U 4 5 2文献标识码Ad o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 6 0 9 9 ．2 0 1 5 ．0 6 ．0 0 3 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 5 0 6 0 0 1 1 0 5 E x p e r i m e n t a lS t u d yo nP o s t - p e a kM e c h a l l i c a lP r o p e r t i e so fH a r dR o c k s u n d e rC o m b i n e dS t a t i ca n dD y n a I I l i cL o a d i n 2 Z H A N GJ i n 9 1 ，W A N GD o n 9 2 ，U UC h 粕g - w u 3 1 ．s c b o Z 矿肌哟，n 以跏i r o ，l 砒m ，胁∞‰妇巧毋，c k 倒Ⅱ6 1 0 0 3 9 ，| s 触“觚，强i m ；2 ．厶咯危埘8 y 纠8 n 耐醒 S M n 形 胍趣m 胁￡如妣，S 洗∞nc D 肼n u ，l 记m 如瑚脚口，z 靴m ，仇，增口“6 1 0 0 4 1 ，| s 洳№n ，∞i ∞；3 ．S 地抛研 如6 0 m ￡D 砂矿刀弦m M 2 协。施』l 如u n ≠口流R 如盯E n 百聊e 昭，S 记五阮n ‰眈巧妙，仇n ∥M6 1 0 0 6 5 ，S 斑 ∞凡，傩i 眦 A b s t r a c t E x p e I i m e n t a ls t u d i e sw e r ec o n d u c t e df o rt h r e et y p i c a lr o c k su n d e rc y c l e so fs t a t i ca n dd y n a m i cl o a d i n gt o i n V e s t i g a t et h ei m p a c to fc o n 6 n i n gp r e s s u r eo nr o c kd e f o 珊a t i o na n de l a s t i cm o d u l u s ．R e s u l t ss h o w e dt l l a t ，i n c r e a s i n g c y c l e so fs t a t i ca n dd y n a m i cl o a d i n gw o u l dr e d u c em ep o s t - p e a kc o m p r e s s i v es t r e s sa n dr e s u l ti nt l l es o f t e n i n go fe l a s t i c m o d u l u s ．N oo b V i o u sa c o u s t i ce m i s s i o nw a so b s e n ，e da tt h ei n i t i a ls t a g eo fl o a d i n gp r o c e s sa n dd u d n gt } l ec y c l i c u n l o a d i n gp r o c e s s ．H o w e v e r ，m o r ea n dm o r ea c o u s t i ce m i s s i o no c c u n ．e da st 1 1 el o a dw a su pt o6 0 ％～9 0 ％o ft h en e w p e a k ．“S t r a i nh i s t o r y ”a s 山es t a n d a r do fK a i s e rE ＆c tc o u l de x p l a i nt h i sp h e n o m e n o nv e r yw e U ．U n d e rd y n a m i cl o a d i n g c o n d i t i o n ，a ni n i t i a li n c r e a S ei nc o n 6 n i n gp r e s s u r ec o u l dp r o m o t et h ed 锄a g er e c o v e r yo fs i l t s t o n ea n dg r a n i t e ，b u ta f u I t h e ri n c r e m e n tw o u l dh i n d e rt h ed a m a g er e c o v e r yo fs i l t s t o n e ． 1 ‘I e yw o r ‘l s I ．o c km e c h a n i c s ；h a r dI _ o c k ；c y c l i cl o a d i n g ；p o s tp e a l 【 近年来，随着石油、天然气和水电等能源的快速增 长，煤炭在能源生产和消费结构中的比例有所下降，但 煤炭的主导地位并未发生根本性变化。煤炭行业仍然 是我国国民经济高速发展的重要基础J ，且开采工作 朝着深部不断发展，可以预计在未来2 0 年我国很多煤 矿开采将进入到l0 0 0 15 0 0m 的深度旧J 。地下开采 过程中，因充填和开采工作需要，液压支架在前进过程 中会对顶板产生多次荷载作用。顶板岩层在循环荷载 下如若出现破坏而坍塌，可能造成灾难性的工程灾害。 循环荷载作用下材料力学特性方面的研究，最初 多以金属材料为研究对象，近几十年才慢慢引入混凝 土、岩石等非金属材料。G 0 r d o n 和D a v i s 在1 9 6 8 年首 次报道了循环荷载作用下饱和岩石的滞后现象口1 ； S p e n c e r 在1 9 8 1 年设计了单轴加卸载的试验装置，并 发现在饱和岩石中存在应力松弛、衰减及模量弥散现 象1 ；A k a i “ 。在1 9 8 3 年提出岩石在循环荷载作用下的 ①收稿日期2 0 1 5 一0 6 一0 5 基金项目国家重点基础研究发展计划 9 7 3 计划 2 0 1 0 c B 2 2 6 8 0 2 ；四川大学水力学国重室开放基金 s K H L l 3 1 2 ；西华大学重点科研基 金项目 z 1 3 2 0 4 0 4 作者简介张婧 1 9 8 6 一 ，女，湖北人，讲师，博士，主要从事地质灾害、岩土工程和水力学及河流动力学方面研究。 万方数据 矿冶工程 第3 5 卷 破坏受岩石的静态压缩曲线控制。随后，峰前岩石在 动、静循环荷载作用下的力学特性研究取得了丰硕的 成果∞‘9o ，但欠缺对峰后岩石的研究，峰后裂隙岩石在 动静循环荷载作用下的力学特性变化机理尚不清楚。 然而，深部开采所遇到的围岩多数已进入峰后的塑性 破坏状态，强度和变形等特性都与峰前规律不同，呈现 出典型的非线性动力特征，因此迫切需要开展峰后岩 石力学特性的理论研究工作。文献[ 1 0 ] 认为，从变形 的角度去研究岩石的变形和破坏指标是可行和必要 的，因此本文研究了试验过程中岩石的变形发展规律， 从而揭示动静循环加载下岩石的损伤演化。 1 循环静荷载对峰后硬岩力学特陛影响 1 ．1 试验设备 试验在四川大学水电学院M r I ’S 8 1 5 型程控伺服混 凝土与岩石力学试验系统上进行。M T s 8 1 5 型程控伺 服混凝土与岩石力学试验系统为全数字计算机自动控 制系统，可同步采集包括时间、轴向荷载、试件轴向变 形、横向变形等数据。此外，配置的声发射监测系统可 对岩样破裂过程中的声波信号频率和能量进行实时监 测和定位。 1 ．2 试验方案 前期研究结果表明0 | ，本溪灰岩在刚进入峰后阶 段时进行重复加载，新的峰值应力会比卸载点的应力 平均低2 8 ％左右；在残余强度阶段进行重复3 次加载， 残余强度的降低幅度仅在l ％一1 0 ％之间 围压越高越 不明显 。为了更好地揭示峰后阶段岩石在重复加卸 载作用下的力学响应，再次对两块粗砂岩分别进行了 如下单轴压缩试验①第一块进行单轴全过程压缩， 直至破坏；②第二块轴向应力加载至峰值，卸载到0 ； 再次加载到新的峰值，卸载到0 ；依次循环，直至该岩 样完全破坏。整个过程进行声发射定位监测。 1 ．3 试验结果 单轴试验过程如图1 所示。可以看出峰后阶段 重复加卸载的应力应变曲线仍然受到静态全程曲线的 控制，在变形量达到破坏极限时岩石破坏；每一次加卸 载循环都会使岩石的环向变形增加，从而产生更多张 拉损伤，引起岩石强度的降低，直至最后破坏。 图2 为岩石强度和弹性模量与加载次数之间的关 系4 次加载得到粗砂岩的峰值强度分别为6 6 ．3 5 ，6 5 ．7 ， 6 l 和5 3 ．5M P a ，可以看出经历了3 次峰后重复加载， 粗砂岩的抗压强度下降了1 2 ．8 5M P a ，降为最大峰值 强度的8 l ％左右；粗砂岩的弹性模量随重复加载次数 增加而降低，经过4 次重复加卸载后该砂岩的弹性模 量下降了1 4 ％左右，呈现出软化现象。 图l 单轴压缩过程 图2 强度和弹性模量随加载次数变化曲线 图3 ～4 为整个重复加载过程的声发射监测结果， 在初始压缩阶段声发射现象并不明显，在应力达到峰 值强度7 0 ％左右开始增强，峰值附近声发射现象急剧 增强；应力卸载到0 的过程中声发射现象几乎停止，重 新加载的初期仍然无声发射现象，在应力加载到新峰 值的6 0 ％～9 0 ％时开始出现明显的声发射现象，一方 面说明应力历史会对岩石的声发射现象产生影响，另 一方面也说明峰后阶段的K a i s e r 效应与峰前有所区 别，在峰后不适合选择应力作为标准来判断，通过观察 和分析试验数据，发现峰后重复加载到环向应变值达 到或超过卸载点的值时，其声发射现象开始激增或显 著增加。由于单轴压缩下，环向变形往往控制着岩石 的损伤，因此广义的凯瑟效应应在岩石的损伤超过历 史最大值时，开始出现明显的声发射现象。 万方数据 第6 期张婧等动静荷载作用下硬岩峰后力学试验研究 a b 国国回国固国 回圆圆国国圉雷圉窝窝窝甯圉豳窝圉窝露 帖帖肌肛肛 o 肛o 肛肛 3 0 f ；} 5 0 ％砷％7 0 ％舳％9 0 ％峰值二次3 0 ％二次砷％二次9 0 ％新峰值三次3 0 ％三次6 0 ％三次9 0 ％新峰值四次3 0 ％四次6 0 ％破坏 图3粗砂岩单轴压缩及重复加载全过程A E 空间定位的迁移和演化 a 分段表示； b 累计表示 6 0 5 0 芒4 0 窆 ≮3 0 2 0 1 0 0 ， ， 静 籁 去 衾 蜷 时问／s 图4 重复加载过程A E 振铃计数 率 随时间演化图 a 分段表示法； b 累积表示法 2 振动荷载对峰后硬岩力学特性影响 2 ．1 试验步骤 选取3 种典型岩石粉砂岩 沉积岩 、大理岩 变质岩 和花岗岩 岩浆岩 进行岩石峰后阶段的振 动循环加卸载试验。试验基本加载过程为 1 以0 ．1M P a ／s 的速率给岩样施加静水压力，直 至达到设定围压盯，。 2 保持围压不变，轴向继续以6 0k N ／I I l i n 的速率 加载，即增大g 口为轴向应力与围压差值 ，在岩样开始 出现屈服后改为环向变形控制，速率为O ．0 2 肼n ／I l l i n ；在 岩石达到峰值应力后，进行轴向卸载，直至g 降低到0 。 3 轴向施加一定的正弦波振动荷载 砂岩设为 。一0 ．6 9 。，q 。为初次加载峰值盯。对应的g 值，大理岩和 花岗岩的振动荷载为0 ～0 ．8 9 c ，振动2 0 次；振动完毕 后再将q 卸载到0 。 4 进行轴向全程加载。轴向以6 0k N ／l I l i n 的速 率加载，在岩样开始出现屈服后改为环向变形控制，速 率为0 ．0 2I I l I n ／m i n ；在岩石过了峰值后，加快加载速 率，加载速率设置为O ．0 4m r n ／m i n ，直至进入残余强度 阶段，然后卸载口到0 。 5 轴向施加一定的正弦波振动荷载 砂岩设为 。一0 ．6 q 。，吼为初次加载残余强度 r 。对应的q 值，大理 岩和花岗岩的振动荷载为0 ～0 ．8 q 。 ，振动2 0 次；振动 完毕后再将q 卸载到0 。 6 最后再进行一次加载，直至达到新的残余强度。 2 ．2 试验方案 岩石的三轴压缩及峰后阶段振动试验中，保持振 动上限应力和振幅不变，选取围压盯，作为试验研究的 控制参数。选取5 块粉砂岩、5 块大理岩和2 块花岗 岩标准岩样进行试验。其中，粉砂岩和大理岩的试验 围压设定为2 ．5 ，5 ，1 0 ，2 0 和4 0M P a ，花岗岩的试验围 压为2 ．5 和2 0M P a 。 2 ．3 不同围压对岩石变形影响 图5 ～7 分别为3 种岩石在不同围压作用下，峰后 不同阶段 刚过峰值和残余强度阶段 施加1H z 、振幅 为0 0 ．6 9 。 大理岩和花岗岩的振幅为0 0 ．8 9 。，g 。为 该围压下岩石峰值应力所对应的主应力差 的振动荷 载时轴向应变和环向应变的变化过程。可以看出，岩 石的围压越高，3 种岩石在残余强度阶段振动时对应 的轴向应变和环向应变值均增大。这说明，围压的增 加可以加大岩石由峰值到残余强度阶段的允许变形 量，即在高围压下，岩石要经历更长的变形增长过程才 万方数据 1 4 矿冶工程第3 5 卷 能导致最终的完全破坏，这也是高围压下岩石较少发 生脆性破坏、多呈现延迟性破坏的原因。 根据图5 7 中的振动数据，将不同围压下3 种岩 石的轴向应变、环向应变、体积应变和剪切应变的变化 情况统于表1 ，可以总结出如下规律 图5 粉砂岩应变变化规律 a 峰值后振动； b 残余强度阶段振动 0 ．0 2 5 0 ．0 2 0 髫o ．0 1 5 囊o ．0 l o 0 ．0 0 5 0 ．0 0 0 - 0 ．0 0 5 髫舢l o 霉- o ．0 1 5 成- 0 ．0 2 0 ．0 ．0 2 5 图6 大理岩应变变化规律 a 峰值后振动； b 残余强度阶段振动 图7 花岗岩应变变化规律 a 峰值后振动； b 残余强度阶段振动 1 3 种岩石内部损伤的环向应变、体积应变和剪 切应变在峰值后的振动过程中均出现收缩现象，说明 振动过程中出现了损伤的闭合或者恢复。通过数据整 理分析发现，在不同岩石残余强度阶段振动过程环向 应变、体积应变、剪切应变等的变化规律均与该岩石峰 后振动的变化规律类似。 2 对于粉砂岩，相较于低围压条件，在较高的围 压下 2 0 和4 0M P a 振动过程对损伤的闭合程度有所 减小。 3 对于大理岩，围压的增加对大理岩振动过程中 损伤的闭合程度无明显影响。 4 对于花岗岩，随着围压增加，振动过程中花岗 岩的损伤闭合程度有上升趋势。 5 高围压振动过程中，振动荷载波峰和波谷对应 的变形差值要高于低围压的情况，说明在深埋岩石力 学工程中，硐室开挖卸荷将引起更大的变形，这也是深 埋矿井中往往更易出现大变形现象的原因。 综上所述，在振动过程中3 种岩石的轴向应变没 有发生明显变化，但最能反映岩石损伤程度的环向应 变、体积应变和剪切应变均呈现减小 或恢复 趋势， 其中环向应变和体积应变减小趋势较为显著，剪切应 变减小趋势较弱。这说明，不超过一定强度的振动荷 载会使岩石的张拉损伤和张剪损伤闭合和减少，但对 剪切损伤的作用较小。围压的增加，会降低振动过程 万方数据 第6 期张婧等动静荷载作用下硬岩峰后力学试验研究 中粉砂岩损伤的闭合程度，但对花岗岩损伤的闭合有 利，围压对振动过程中大理岩损伤的变化程度无明显 影响。同时围压的增加，会使卸载或加载过程中产生更 大的变形，从而导致深埋工程中的大变形现象。此外， 从3 种岩石对比来看，振动荷载作用下粉砂岩和花岗岩 的损伤闭合程度较大，大理岩的损伤闭合程度较小。 表1不同围压下3 种岩石峰后应变变化情况统计表 2 ．4 不同围压对弹性模量的影响 在不同围压条件下，3 种岩石的弹性模量在峰值 后阶段和残余强度阶段的变化情况统计于表2 中。在 围压2 ．5M P a 时，残余强度阶段的第二次振动中大理 岩岩样出现了突然破坏，因此没有获得此围压下的数 据。分析表2 数据可以发现 表2 不同围压下3 种岩石弹性模量变化百分比统计表 单位％ 围压 坚鱼墨堕垦壁金塑壅堕壁 ／M P a 粉砂岩大理岩花岗岩粉砂岩大理岩花岗岩 2 ．5 5 _ 8 8十1 ．5 3 1 ．5 6 1 0 ．9 3 2 ．6 7 5 3 ．3 9 4 ．2 6 0 ．1 l 7 ．5 5 1 0 2 ．1 2 4 ，5 3 2 ．3 7 5 ．8 3 2 0 O ．7 7 3 ．5 l 4 ．0 4 0 ．7 2 1 ．7 6一O ．1 9 4 0 1 ．6 4 ．2 l 1 ．3 9 4 ．4 2 1 在峰值后的振动过程中，3 种岩石的弹性模量 均有所增加，岩石也变得更加硬脆。从有效弹性模量 的角度也可以证明在这个过程中是存在损伤闭合现象 的。围压的增加，会降低粉砂岩弹性模量的上升幅度， 却会增加花岗岩弹性模量的上升幅度，对大理岩弹性 模量的上升幅度无明显影响。 2 在残余强度阶段的振动过程中，除花岗岩外， 粉砂岩和大理岩的弹性模量都呈现增大趋势。 3 结论 1 岩石峰后循环静荷载条件下，抗压强度随峰后 循环加载次数的增加而衰减，弹性模量在循环加载中 也出现软化现象；峰后每个循环的卸载过程及加载初 期无明显声发射现象，在应力加载到新峰值的6 0 ％一 9 0 ％时才开始出现声发射激增现象，使用“应变历史” 作为凯瑟效应判断标准可以较好地解释这一现象。 2 岩石峰后循环动荷载条件下，围压越高，单次 循环中应变波峰与波谷差值越大，会降低振动过程中 粉砂岩损伤闭合程度和弹性模量上升程度，但加大花 岗岩损伤闭合程度及弹性模量的上升程度，对大理岩 无明显影响。 3 本文仅从围压参数对岩石峰后动荷载的力学 特性进行了初步探索，其他参数如振幅、上限应力和振 动次数等，都有可能对岩石峰后力学特性产生影响。 因此，后续研究工作中应考虑以上因素，深入开展试验 研究和理论分析，进一步丰富岩石峰后动荷载的研究 成果。 参考文献 [ 1 ]连璞，刘建敏，唐相东．中国能源中的煤炭工业[ J ] ．中国能源， 2 0 0 3 ，9 5 1 5 一1 7 ． [ 2 ] 何满潮，谢和平，彭苏萍，等．深部开采岩石力学研究[ J ] ．岩石力 学与工程学报，2 0 0 5 ，2 4 1 6 2 8 0 4 2 8 1 2 ． [ 3 ] h d ∞RB ，D a v i sLA ．V e l o c 畸a I l da t t e n u a t i o no f 幽s m i cw a v e si n i m p e d ＆d ye l a s t i cm c k [ J ] ．G e o p h y sR e s ，1 9 6 7 ，7 3 3 9 1 7 3 9 3 5 ． [ 4 ]s p e n c e rJw ．s t r e s s r e l a u t i o na t1 0 wf 两u e n c i e si nn u i d 驰t u m t e d r o c k s A L 嗽l u a t i o na n dm o d l 王l u sD i s p e r s i o n [ J ] ．JG e o p h y sR e s ，1 9 8 1 ， 8 6 B 3 1 8 0 3 一1 8 1 2 ． [ 5 ] K o i c h iA k a i ．P l a t el o a d j n gt e s t i n go nm u l l i p a l y e ds e d i m e n t a r ym c k s [ c ] ∥T h e5 t I IN a ￡i o n a lR o c kM e c h 锄i c sc o r 如r e n c e ．A u s t r a l i a ，1 9 8 3 ． [ 6 ] L 肿p o l dM u u e 卜s a l z b u r g ，x j u r u nG e ．s t u d i e so nt h eM e c h 肌i c a lB e h a v i o r D d f o 咖t i o nB e h a v i o r o fJ o i n t e dR o c kM a 弱I u l d e rC y c l i c I J o a d [ c ] ∥T h e5 t } II f I tc o n 孕e s so nR o c kM e c h 蛐i c s ，A u s t r a l i a ， 1 9 8 3 ． [ 7 ]葛修润，卢应发．循环载荷作用下岩石疲劳破坏和不可逆应变问 题的探讨[ J ] ．岩土工程学报，1 9 9 2 ，1 1 4 3 5 6 6 0 ． [ 8 ] 林大能，陈寿如．循环冲击荷载作用下岩石损伤规律的试验研究 [ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 5 ，2 2 2 4 4 0 9 4 4 0 9 8 ． [ 9 ] 席道瑛，薛彦伟，宛新林．循环载荷下饱和砂岩的疲劳损伤[ J ] ． 物探化探计算技术，2 0 0 4 ，2 6 3 1 9 3 一1 9 8 ． [ 1 0 ]王东，刘长武．基于两种破坏类型的本溪灰岩本构关系研究 [ J ] ．四川大学学报，2 0 1 3 ，4 5 2 6 2 6 7 ． 万方数据