单轴压缩条件下岩体内部蠕变特性试验研究_胡江春.pdf

第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 近年来随着我国对地下空间的利用，工程地质环境愈发复杂多变，其中岩体蠕变变形成为阻碍地 下工程发展中不可忽视的问题[1-3]。对于岩体蠕变变 形的研究中， 孙钧院士[4]曾指出， 当岩土介质受力后 单轴压缩条件下岩体内部蠕变特性试验研究 胡江春 １， 崔 力 １， 孙光林１， 郭福伟１， 王红芳２ （１．中原工学院 建筑工程学院， 河南 郑州 ４５０００７； ２．中原工学院 材料与化工学院， 郑州 河南 ４５０００７） 摘要基于岩体相似匹配特性， 采用铁晶砂胶结岩土相似材料制作正方体似砂岩试块， 试验前 把改进的三维直角式接触应变花预埋进试块内部， 接着在岩石蠕变仪上进行岩体相似模拟试块 的蠕变试验。通过分析试块内部应变的测量结果， 得出岩体内部某点蠕变变形的三维应变状态 矩阵， 通过假定试块中心点 Ｏ 为空间直角坐标系原点 （０， ０， ０ ） ， α 角为射线 ＯＡ 在 xＯy 平面上投 影与 x 轴的夹角， β 角为射线 ＯＡ 在 yＯz 平面上投影与 z 轴的夹角， 用点 Ｏ （０， ０， ０） 、 α 角、 β 角便 可以确定射线 ＯＡ 的三维空间位置。接着利用三维应变矩阵反算任意时刻 ＯＡ 方向应变值达到 最大时所对应的 α、 β 角度就可以表征岩体内部的蠕变特征。计算结果表明 α、 β 角度值和最大 应变值在低荷载阶段均呈稳定发展； 在高荷载阶段， 当隐性裂纹产生时， α、 β 角度值和最大应变 值在同一时刻发生突变且角度值和应变值的突变方向相反。 关键词岩体蠕变； 相似模拟； 应变花； 三维应变矩阵； 单轴压缩 中图分类号TD315文献标志码A文章编号１００３－４９６Ｘ（２０２０）０５－0066-06 Creep Characteristics of Rock Mass Interior Under Uniaxial Compression HU Jiangchun1, CUI Li1, SUN Guanglin1, GUO Fuwei1, WANG Hongfang2 （1.School of Civil 2.School of Materials similar simulation; strain rosette; three-dimensional strain state matrix; uniaxal compression DOI10.13347/ki.mkaq.2020.05.013 胡江春， 崔力， 孙光林， 等．单轴压缩条件下岩体内部蠕变特性试验研究 ［Ｊ］ ．煤矿安全， ２０２０， ５１ （５ ） 66-71. HU Jiangchun, CUI Li, SUN Guanglin, et al. Creep Characteristics of Rock Mass Interior Under Uniaxial Compression［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （5） 66-71.移动扫码阅读 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （51574296） 66 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 图3预埋三维直角式接触应变花空间位置示意图 Fig.3The space position of embedded three dimensional right angle contact strain rosette 图1三维直角式接触应变花示意图 Fig.1Three-dimensional direct angle contact strain rosette 图2三维直角式接触应变花制作过程 Fig.2The process of strain rosette making 的应力水平值达到或超过该岩土材料的流变下限， 将产生随时间增长发展的流变变形，深井巷道围岩 流变是造成采矿事故的主要原因之一。近年来， 辛亚 军[5]等学者利用室内试验确定了锚固岩体的蠕变控 制方程，并对其基本流变参数进行了反演计算。肖 伟晶等[6]通过对灰岩分级加载蠕变试验， 研究了蠕 变应变增量的变化趋势。丁秀丽[7]通过对溪洛渡水 电站坝址区岩体蠕变及数值模拟试验，得出岩体流 变的影响因素为结构面的产状。袁海平、 杨松林[8-9] 针对节理岩体的蠕变特性进行了蠕变试验及数值计 算， 王同旭等[10]通过理论计算和数值模拟对岩体蠕 变模型参数进行了反演与实际应用预测。通过这些 研究成果，可以发现目前研究主要是通过测量岩体 外部变形、数值模拟和理论推导进行研究分析， 对 于岩体蠕变内部应变特性研究较少，然而岩体蠕变 是在外荷载作用下一个由内部产生微裂缝并逐步扩 展， 演变为外表面的开裂并最终破坏的过程。因此， 如何准确测量和表征岩体内部应变随时间变化的大 小和趋势是目前岩体蠕变研究亟待解决的问题。 通过岩体相似匹配特性，制作岩体相似模拟试 块，利用改进的三维直角式接触应变花，预先埋置 在岩体相似模拟试块内，利用应变花的实测数据计 算得到三维应变矩阵，经过换算得出任意时刻试块 内部应变最大时的空间位置，并由此归纳出岩体内 部蠕变发展呈现的空间状态，研究结果为岩体蠕变 分析及控制提供了参考依据。 1试验方案 1.1试验材料 试验采用铁晶砂胶结岩土相似材料来制作岩体 相似模拟试块， 模拟红砂岩， 试块尺寸为 150 mm 150 mm150 mm， 材料主要由铁精粉、 重晶石粉和 石英砂按 1∶0.67∶0.19 的质量比组成。 试验采用改进的三维直角式接触应变花，相比 于李顺群[11]三维应变花， 采用预制三维直角式接触 应变花代替钢筋骨架，消除钢筋和相似材料间由于 线膨胀系数不同引起的误差。三维直角式接触应变 花示意图如图 1， OABC-DEFG 为虚构的正六面体， 直角式三维应变花取其中 O-ACG 直角式四面体。 在相互垂直的 3 条棱 OA、 OC 和 OG 处布置 3 个应 变片 a、 b、 c； 在面 ACG 上， 布置 3 个首首相连互成 120的应变片 d、 e、 f。 1.2试块制作 本次试验试块制作分 2 个阶段完成， 第 1 阶段， 三维直角式接触应变花制作按相似材料配比制成 制成 40 mm40 mm160 mm 的试块， 待试块干后用 工具切成直角四面体后， 按照图 1 方式粘贴应变片， 制作三维直角式接触应变花的过程如图 2；第 2 阶 段， 预埋三维直角式接触应变花， 依照相同相似材料 的配比制作 150 mm150 mm150 mm， 将第 1 阶段 做好的三维直角式接触应变花预埋进试块中心位 置，预埋三维直角式接触应变花空间位置示意图如 图 3。 1.3加载方案 试验设备为 YR-2000 岩石蠕变仪， 试验分为 2 个部分， 第 1 部分对试块进行单轴压缩试验， 测定其 试块极限抗压强度 σc15.2 MPa； 第 2 部分对试块进 67 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 图9应变片f应变时间曲线 Fig.9The strain time curves of strain f 图5应变片b应变时间曲线 Fig.5The strain time curves of strain b 图6应变片c应变时间曲线 Fig.6The strain time curves of strain c 行蠕变试验，试验过程中采用阶梯式分级加载方 式， 加载速率为 10 N/s， 每级荷载恒定时间 12 h。根 据测定的单轴抗压强度 σc第 1 级加载强度为 （10 ～20） σc， 此后每级荷载提高 （10～15） σc。 试验过 程中， 控制室温恒定在 25 ℃左右， 温差不超过2 ℃。 2蠕变试验过程及结果 2.1试验数据 本次试验， 试块分别进行 3、 5、 7、 10、 11 kN 分级 加载， 每级加载维持 12 h 左右， 共历时 61 h， 试验过 程中用 DH3816N 静态电阻应变仪进行全程数据采 集，采样频率 10 s/次， 6 个应变片随时间变化的曲 线如图 4～图 9。 从图 4～图 9 中可以看出， 无论哪一个方向应变 片，在试样受载为 3 kN 和 5 kN 的情况下，应变片 应变值恒为正， 即在较低荷载水平下， 测点呈现受 拉状态； 在试样受载为 7 kN 以上时， 各应变片应变 值恒为负，即在较高荷载水平下，测点呈现受压状 态，以上较高与较低应力是指单轴抗压强度的相对 值， 且在荷载施加的瞬间， 测点的拉压状态便确定。 图4应变片a应变时间曲线 Fig.4The strain time curves of strain a 图7应变片d应变时间曲线 Fig.7The strain time curves of strain d 图8应变片e应变时间曲线 Fig.8The strain time curves of strain e 68 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 分析原因为瞬时荷载的大小能改变试样的某种力学 参数，可能是黏聚力的变化或者内部隐性裂纹产 生，这种变化往往是突变，力学参数的改变使试样 内部应力状态相应发生改变，而具体的力学参数以 及力学参数与荷载的具体关系有待进一步研究。 从图 4～图 9 应变曲线的发展趋势可以看出， 无 论在哪种荷载水平下，试样蠕变曲线均没有呈现明 显的蠕变三阶段，说明一般情况下，蠕变三阶段难 以完全体现，主要是因为岩体内部材料参数在长期 荷载作用下往往发生的是突变而不是连续变化， 且 发生加速蠕变的应力阈值会因为材料内部的缺陷的 不同而不同，难以准确获取，以往研究表明该应力 阈值是 1 个荷载区间，这恰恰反映了岩体内部初始 缺陷对加速蠕变的发生有重要影响。同时，不同荷 载水平下蠕变曲线的发展趋势也不同，表现为低应 力状态下蠕变曲线较为平缓，蠕变稳定发展，不发 生加速蠕变， 在高应力状态下， 蠕变曲线有所起伏， 伴随着隐性裂纹起裂和扩展，蠕变进入加速发展阶 段， 直至试样破坏。 2.2三维应变结果 由应变仪监测得到的试块内部中心位置的应变 状态， 则根据李顺群[11]推导的三维应变花计算公式 可以得到该位置三维任意方向的应变状态。应变片 轴线在三维空间中的方向余弦如图 10， 考虑三维空 间直线 OA，则该直线在 x、 y、 z 方向余弦分别为 l、 m、 n。 由一般应变状态到不同方向线应变映射关系为 ε1 ε2 ε3 ε4 ε5 ε6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 l 2 1 m 2 1 n 2 1 l1m1m1n1n１l1 l 2 2 m 2 2 n 2 2 l2m2m2n2n2l2 l 2 3 m 2 3 n 2 3 l3m3m3n3n3l3 l 2 4 m 2 4 n 2 4 l4m4m4n4n4l4 l 2 5 m 2 5 n 2 ５ l5m5m5n5n5l5 l 2 6 m 2 6 n 2 6 l6m6m6n6n6l6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 εx εy εz εxy εyz εzx 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 66 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 66 6 （1） 简写为 ［εｉ］ ＝Ｔ ［εｊ］（2 ） 式中 j （ｘ， ｙ， ｚ， ｘｙ， ｙｚ， ｚｘ） ； εi （ε１， ε２， ε３， ε４， ε５， ε6） 。 且有 Ｔ＝ l 2 1 m 2 1 n 2 1 l1m1m1n1n１l1 l 2 2 m 2 2 n 2 2 l2m2m2n2n2l2 l 2 3 m 2 3 n 2 3 l3m3m3n3n3l3 l 2 4 m 2 4 n 2 4 l4m4m4n4n4l4 l 2 5 m 2 5 n 2 5 l5m5m5n5n5l5 l 2 6 m 2 6 n 2 6 l6m6m6n6n6l6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 （3 ） 根据式 （3） ， 可以得到 ［εj］ ＝Ｔ－１［εi］（4） 对于图 1 的直角式三维应变花，各应变片的方 向余弦见表 1。 Ｔ＝ 100000 010000 001000 2/3 2/30 -2/300 02/3 2/30 -2/30 2/302/300 -2/ 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 3 （5 ） Ｔ-1＝ 100000 010000 001000 -1-10 -1.501 5 00 0110 -1.501 5 0 10100 -1.501 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 65 （6 ） 综上所述，由直角式三维应变花测试结果获得 的三维应变状态由式 （4） 表示。根据应变仪监测得 图10应变片轴线在三维空间中的方向余弦 Fig.10Direction cosine of three dimensional strain rosette 应变片lmn a100 b010 c001 d-0.8160.8160 e00.816-0.816 f0.8160-0.816 表1直角式三维应变花各应变片的方向余弦 Table 1The direction cosine of each strain gauge of three dimensional strain rosette 69 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 图16试块破坏实物图 Fig.16Physical map of test block destroy 图137 kN加载时OA最大时α、β角度值 Fig.13OA maximum α and β angle values at 7 kN 到的结果， 分别由式 （4） 换算得到 εx、 εy、 εz、 εxy、 εyz、 εzx 6 个线应变的值，经过计算求得每个时刻 OA 方向 应变达到最大时所对应 α、 β 的角度值, 绘制的不同 荷载阶段 α、 β 的角度值以及应变最大值随时间的 变化曲线如图 11～图 15。 通过上述计算结果可以看出，在低荷载阶段， α、 β 角度值和应变最大值发展较为平缓， 略有波动， 整体均呈增加趋势，且 β 角度值增加较为明显。在 高荷载阶段， α、 β 角度值和应变最大值呈现明显的 跳跃性，且变化范围较大，产生这一现象的主要原 因是荷载的增加导致岩体内部产生隐性裂纹，而裂 纹的产生和扩展改变了岩体内部的应力分布，从而 使 α、 β 角度值和应变最大值发生突变。另外， 三者 也存在一定的相关性，表现为在未出现隐性裂纹 的低荷载阶段，三者随时间的变化不大，在出现隐 性裂纹的高荷载阶段，当最大应变值发生突变衰减 时， α、 β 角度值会突变增长， 即 α、 β 角度值与最大应 变值突变方向相反，同时 ２ 个角度值突变方向保持 一致， 但无论有无隐性裂纹的产生， β 角度值的变化 范围要大于 α 角度值的变化范围。试块破坏实物图 如图 16。 图113 kN加载时OA最大时α、β角度值 Fig.11OA maximum α and β angle valueｓ at 3 kN 图149 kN加载时OA最大时α、β角度值 Fig.14OA maximum α and β angle valueｓ at 9 kN 图1511 kN加载时OA最大时α、β角度值 Fig.15OA maximum α and β angle valueｓ at 11 kN 图125 kN加载时OA最大时α、β角度值 Fig.12OA maximum α and β angle valueｓ at 5 kN 70 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 实际岩石工程中，一方面可以通过钻孔埋置应 变花并通过计算获取最大应变值及其方向的变化； 另一方面，在埋置应变花较困难的情况下，可以通 过室内试验，来推算实际岩体中内部最大应变值及 其方向的变化，以便在特定时间进行有针对地加 固， 防止蠕变灾害。 3结论 1 ） 岩石内部蠕变往往难以经历蠕变三阶段， 表 现为低荷载阶段以初始蠕变和稳定蠕变为主，高荷 载阶段以初始蠕变和加速蠕变为主。 2） 通过对预埋三维应变花测试数据的计算归 纳， 初步判断试样发生蠕变过程中， 中心点出 OA 应 变达到最大时 α、 β 的值， 并由此确定其所对应的空 间位置。 3） 隐性裂纹的产生和扩展使最大应变值突减， 使 α、 β 的值突增， 基于此， 可以有效计算、 推测实际 岩体内部蠕变最大应变值在特定时间的大小和方 向， 以便进行有效加固， 防止蠕变灾害。 参考文献 ［1］ 张鹏， 刘振耀．基于事故树分析法的寿王坟铜矿预防 冒顶事故分析 ［Ｊ］ ．黄金， ２０１６， ３７ （９） ４３－４５． ［２］ 罗文．大柳塔煤矿 ５２３０４ 综采面收尾段压架冒顶事故 处理对策 ［Ｊ］ ．陕西煤炭， ２０１４， ３３ （１） ５２－５５． ［３］ 李志强．煤矿巷道复合顶板冒顶事故机理分析与防护 ［Ｊ］ ．煤炭与化工， ２０１７， ４０ （１０） ６４－６６． ［４］ 孙钧．岩石流变力学及其工程应用研究的若干进展 ［Ｊ］ ． 岩土力学与工程学报， ２００７， ２６ （６） １０８１－１１０６． ［５］ 辛亚军， 勾攀峰．锚固岩体蠕变特性的物理模拟实验 研究 ［Ｊ］ ．岩土力学与工程学报， ２０１４， ３３ （增 ２） ３６１3. ［６］ 肖伟晶， 李永欣， 李士超， 等．深部灰岩分级加载蠕变 试验及蠕变应变增量分析 ［Ｊ］ ．矿业研究与开发， ２０１７， ３７ （１２） １４－１７． ［７］ 丁秀丽， 刘建， 白世伟， 等．岩体蠕变结构效应数值模 拟研究 ［Ｊ］ ．岩石力学与工程学报， ２００６， ２５ （增２ ） ３６４2. ［８］ 袁海平， 李肖锋， 张建．节理岩体蠕变特性试验 ［Ｊ］ ．江 西理工大学学报， ２００９， ３０ （１） １－３． ［９］ 杨松林， 张建民， 黄启平．节理岩体蠕变特性研究 ［Ｊ］ ． 岩土力学， ２００４， ２５ （８） １２２５－１２２８． ［1０］ 王同旭， 马秋峰， 曲孔典， 等．裂隙岩体蠕变断裂损伤 本构模型的开发与应用 ［Ｊ］ ．煤矿安全， 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