膠結(jié)充填體循環(huán)沖擊多次循環(huán)應(yīng)力行為試驗研究

膠結(jié)充填體循環(huán)沖擊多次循環(huán)應(yīng)力行為試驗研究

填充開采法在預(yù)防地表坍塌和控制采區(qū)地壓方面具有無法替代的優(yōu)勢，是深部采礦綠色開采技術(shù)的主要方向。充填體作為地下采場的一部分,不僅承受著變化極為緩慢的準(zhǔn)靜態(tài)載荷,還承受著變化較快的動態(tài)載荷,如地震、沖擊、爆破等充填體作為一種彈脆性材料,其強(qiáng)度大小決定了采場的穩(wěn)定程度,此強(qiáng)度通常為充填體靜態(tài)加載狀態(tài)下的強(qiáng)度值,主要由充填骨料及配比決定本文采用分離式霍普金森桿系統(tǒng),研究了多次循環(huán)沖擊條件下充填體的應(yīng)力應(yīng)變特征、動載強(qiáng)度特征及變形破壞特征,以探索礦山充填材料在復(fù)雜動力環(huán)境中多次動載沖擊下的力學(xué)行為及特性,具有一定的探索及工程意義。1shpb復(fù)合材料分離式霍普金森桿系統(tǒng)(SplitHopkinsonPressureBar,SHPB)是測試巖石、混凝土等復(fù)合材料在高應(yīng)變率下力學(xué)響應(yīng)的有效試驗裝備假設(shè)入射波以波速C式中:E為壓桿的彈性模量,MPa;A,A2制作實驗產(chǎn)品和物理參數(shù)測試2.1試驗尺寸的選擇和制造按照國際巖石力學(xué)學(xué)會ISRM推薦的試驗方法和國內(nèi)試驗規(guī)程的建議圓柱型巖石試樣的直徑不小于50mm采用某金礦分級尾砂及4252.2測試的物理參數(shù)測試對充填體試件的物理性質(zhì)進(jìn)行測量分析,得到各組試件的基本物理參數(shù)均值如表1所列。3shpb動態(tài)載力學(xué)試驗3.1充填體試件失穩(wěn)試驗方案(1)SHPB單軸單次沖擊試驗:對各組的1～4號試件進(jìn)行一定沖擊速度范圍內(nèi)的單次沖擊試驗,以獲得充填體試件失穩(wěn)應(yīng)變率范圍;(2)SHPB單軸多次循環(huán)沖擊試驗:對各組的5號試件進(jìn)行特定沖擊速度下的多次沖擊試驗,直至試件發(fā)生破壞。記錄相應(yīng)的信號值及試件破壞形式,并根據(jù)前文公式計算應(yīng)變率、峰值應(yīng)力等。3.2微裂縫發(fā)生破壞時,形態(tài)改變一般認(rèn)為,應(yīng)變率低于10從試驗結(jié)果分析可知:1)類似于充填試件準(zhǔn)靜態(tài)條件下單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變特征2)部分充填體試件在到達(dá)峰值應(yīng)力后,沒有馬上發(fā)生破壞,未破壞部分的微裂縫被擠壓縮小密實后,又出現(xiàn)1～2個低應(yīng)力波峰后才完全破壞。3)當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、灰砂比一定時,充填體試件的動態(tài)峰值應(yīng)力隨平均應(yīng)變率的增大而增大,二者呈三次多項式函數(shù)分布(如圖4),充填體破碎失穩(wěn)的臨界應(yīng)變率在50s4)在沖擊動載作用下,膠結(jié)充填體沿試件徑向方向迅速發(fā)生崩裂并產(chǎn)生彈射散落現(xiàn)象,且隨著應(yīng)變率增大,試件破碎程度越高,大塊率也隨之減少,并伴有粉末出現(xiàn),如圖5所示。4在填補(bǔ)體環(huán)氧化破壞下，動載力學(xué)特征的分析中SHPB單軸單次沖擊試驗結(jié)果表明:SHPB單軸單次沖擊下,沖擊速度為3m?s4.1單次沖擊下應(yīng)力應(yīng)變曲線充填體試件SHPB單軸多次循環(huán)沖擊試驗所得應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖6所示。可知:1)應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率:試件破壞之前,各次沖擊的曲線初始階段基本重合,這說明其初始彈性模量相近;隨著沖擊次數(shù)的增加,所對應(yīng)的曲線在上升階段斜率緩慢增大,彈性模量逐漸變大。2)應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀:循環(huán)沖擊下,各試件各次沖擊的應(yīng)力應(yīng)變曲線形狀基本一致;這說明,不致使試件發(fā)生較大破壞的單次沖擊沒有改變試件再次施加沖擊時的應(yīng)力應(yīng)變過程及特性。3)應(yīng)力-應(yīng)變過程:類似于單次沖擊條件下的變形過程,多次循環(huán)沖擊下,充填體試件變形主要經(jīng)過了裂隙閉合、彈性變形、非彈性變形、裂紋貫通及破壞等幾個階段;如圖6(d),以75-28-5號試件的第Ⅱ次沖擊時應(yīng)力-應(yīng)變過程為例,單軸循環(huán)沖擊下,試件的變形經(jīng)過了以下階段:(1)彈性變形(OA):曲線近似為直線,基本呈正比關(guān)系,符合虎克定律;內(nèi)部原始孔隙周圍出現(xiàn)應(yīng)力集中,但尚未達(dá)到使得內(nèi)部微裂隙擴(kuò)展并破裂的量值。(2)非彈性變形(AB):試件開始出現(xiàn)非彈性變形,曲線開始上凸;微觀上內(nèi)缺陷端部的應(yīng)力場值達(dá)到并超過其極限值,在B點達(dá)到第1次應(yīng)力波峰。(3)微裂紋貫通、擴(kuò)展(BC):微裂紋出現(xiàn)擴(kuò)展、分叉、繞行和溝通現(xiàn)象,并出現(xiàn)破裂及原始損傷,充填體隨后進(jìn)入第1次應(yīng)力波峰后的弱化階段;(4)裂隙閉合及壓實(CD):內(nèi)部裂隙及孔隙在壓力作用下出現(xiàn)閉合,曲線表現(xiàn)為下凹形,產(chǎn)生非線性變形。(5)彈性變形(DE):曲線近似為直線;裂紋及原始損傷周圍出現(xiàn)應(yīng)力集中,但尚未達(dá)到使其進(jìn)一步擴(kuò)展及破裂的量值。(6)非彈性變形(EF):試件再次出現(xiàn)非彈性變形,曲線開始上凸;裂紋及原始損傷的應(yīng)力場值達(dá)到并超過了其極限值,在F點達(dá)到峰值應(yīng)力,但仍未達(dá)到致使試件完全破壞的應(yīng)力值。(7)裂紋擴(kuò)展、破裂階段(FG):裂紋出現(xiàn)進(jìn)一步擴(kuò)展,逐漸形成主導(dǎo)裂紋,破裂過程沿主導(dǎo)裂紋發(fā)展,試件出現(xiàn)較大裂隙或部分破壞;充填體進(jìn)入峰值應(yīng)力后的弱化階段。(8)未破壞部分微裂縫壓實階段(GH):試件未破壞部分的微裂縫進(jìn)一步被擠壓縮小密實,應(yīng)力隨著裂隙的壓實而逐漸上升,出現(xiàn)又1個低應(yīng)力峰值;此過程反復(fù)發(fā)生1～2次,直到?jīng)_擊結(jié)束。相較于單次沖擊下的應(yīng)力應(yīng)變曲線,充填體試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線在到達(dá)峰值應(yīng)力前,出現(xiàn)了更為明顯的低應(yīng)力波峰。這說明在不致使發(fā)生較大宏觀破壞的沖擊速度下進(jìn)行多次循環(huán)沖擊,更有利于充填體內(nèi)部微裂隙及孔隙在到達(dá)峰值應(yīng)力前進(jìn)行充分的壓實及閉合,這對提高充填體最終破壞時的動載強(qiáng)度及穩(wěn)定性具有重要的工程意義。4.2充填材料動態(tài)峰值應(yīng)力分析充填體試件SHPB單軸循環(huán)沖擊下動態(tài)峰值應(yīng)力值如表3所列,沖擊次數(shù)與動態(tài)峰值應(yīng)力的關(guān)系如圖7所示。分析可知:1)試件被破壞之前,隨著沖擊載荷循環(huán)作用次數(shù)的增加,試件的峰值應(yīng)力呈上升趨勢。2)動態(tài)峰值應(yīng)力受到試件養(yǎng)護(hù)天數(shù)與質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響:總體看來質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,動態(tài)峰值應(yīng)力越大;養(yǎng)護(hù)天數(shù)越多,動態(tài)峰值應(yīng)力越大;但70-90-5號試件出現(xiàn)了第Ⅱ,Ⅲ次沖擊時,動態(tài)峰值應(yīng)力較小的情況,結(jié)合圖8(c)分析,這可能是該試件在制作過程中攪拌不均勻或攪拌程度不夠,膠結(jié)劑與充填骨料未能充分結(jié)合,導(dǎo)致其最終強(qiáng)度較低。3)各組5號試件第Ⅲ或第Ⅳ次沖擊發(fā)生破壞時的動態(tài)峰值應(yīng)力均高于同組1號試件在相近沖擊速度及應(yīng)變率下的動態(tài)峰值應(yīng)力,接近于同組3號或4號試件在高速(沖擊速度≥6m?s4.3循環(huán)沖擊下含裂紋耦合作用以質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%的各組試件為例,破壞過程如圖8所示,分析如下:1)充填體試件一般在第Ⅲ或第Ⅳ次沖擊時發(fā)生了破壞,宏觀破壞過程基本為:邊緣破裂-產(chǎn)生裂紋或裂隙-裂紋裂隙擴(kuò)展-試件破裂。2)從微觀裂紋擴(kuò)展角度來分析,第Ⅰ次沖擊后,充填體內(nèi)部的原始細(xì)觀裂紋及孔隙發(fā)生閉合,產(chǎn)生少量新的裂紋;但是由于沖擊時的應(yīng)變率較低,未導(dǎo)致充填體的破壞;繼續(xù)施加沖擊載荷,由于內(nèi)部原始細(xì)觀裂紋閉合,增加了充填體內(nèi)部組構(gòu)傳遞載荷的能力和效率,導(dǎo)致變形增加,但是增加程度不明顯;再次施加沖擊時,已有的裂紋擴(kuò)展,并產(chǎn)生更多新的裂隙,從而導(dǎo)試件最終的破壞。3)多次循環(huán)沖擊下,試件的最終破壞為較為完整的碎塊,破壞形式為壓裂破壞;不難發(fā)現(xiàn),相近動態(tài)峰值應(yīng)力下,其破碎程度較單次沖擊時低;如75-90-4號試件單次沖擊時的動態(tài)峰值應(yīng)力為16.89MPa,接近于75-90-5號試件第Ⅲ次沖擊時的動態(tài)峰值應(yīng)力16.99MPa,但其破碎程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于5號試件的破碎程度,幾乎為粉碎性破壞。4)如果充填體在受到單次沖擊后未導(dǎo)致較大宏觀損傷,或者在試件周邊產(chǎn)生微小損傷,則其后續(xù)穩(wěn)定性將更強(qiáng)。由此推論,實際采場中充填體在1次震動影響下能保證較完整的形態(tài),則其后續(xù)再次承受不超過此次震動規(guī)模的沖擊時,也能保證較高的穩(wěn)定性。5循環(huán)沖擊下試件力學(xué)性能1)類似于充填體試件準(zhǔn)靜態(tài)及單次沖擊條件下的變形過程,多次循環(huán)沖擊下,充填體試件變形主要經(jīng)過了裂隙閉合、彈性變形、非彈性變形、裂紋貫通及破壞等幾個階段,且在到達(dá)動態(tài)峰值應(yīng)力前后分別出現(xiàn)了1～2個低應(yīng)力波峰。2)相較于單次沖擊下的應(yīng)力應(yīng)變曲線,充填體試件多次循環(huán)沖擊下的應(yīng)力應(yīng)變曲線在到達(dá)峰值應(yīng)力前,出現(xiàn)了更為明顯的低應(yīng)力波峰;這表明在不致使發(fā)生較大宏觀破壞的沖擊速度下進(jìn)行多次循環(huán)沖擊,更有利于充填體內(nèi)部微裂隙及孔隙在到達(dá)峰值應(yīng)力前進(jìn)行充分的壓實及閉合。3)試件被破壞之前,隨著沖擊載荷循環(huán)作用次數(shù)的增加,試件的動載強(qiáng)度呈上升趨