混合花岗岩蠕变特性研究

ＩＳＳＮ１６７１—２９００ＣＮ４３一１３４７／ＴＤ

采矿技术第８卷第３期

ＭｉｒＩｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｑ盯，Ｖ０１．８，Ｎｏ．３

２００８年５月

Ｍａｖ．２００８

混合花岗岩蠕变特性研究

袁义，赵国彦，李夕兵，刘志祥

（中南大学资源与安全工程学院，

湖南长沙４１００８３）

摘要：岩石流变性是岩石重要力学特性之一。利用Ｉｎｓ缸Ｄｎ一１３４２伺服刚性材料试验机，采用单体分级加载对混合花岗岩进行了单轴压缩蠕变试验，获得了混合花岗岩的蠕变曲线，并对其力学规律进行了分析，在此基础上确定了混合花岗岩的长期强度。采用伯格斯模型描述了混合花岗岩的弹性性质，并确定相应的流变力学参数。

关键词：岩石力学；蠕变试验；理论模型；蠕变参数

岩石的流变特性，一般指外部条件作用下岩石

应力和应变随时间缓慢变化的过程与现象…。随

先按常规压缩试验所获得的瞬时破坏强度矿。＝

８８．２７９．３８

ＭＰａ，而混合花岗岩的长期强度处于７０．５６—ＭＰａ，其长期强度是瞬时强度的０．８—０．９倍。

着矿井开采深度的增加，在高应力、高温、高渗透压及较强时间效应作用下，深部围岩表现出软岩特

征旧’３Ｉ。本文通过对混合花岗岩岩石试样进行单轴

蠕变曲线的各个特征值见表１。

ｌＯ．８

压缩蠕变试验，确定了混合花岗岩的蠕变模型并得

出了其参数。

１

厂

７０・５６ＭＰａ

６１．７４＾狂’ａ

ｐ

ｉ

ｏ‘４

ｒ

混合花岗岩蠕变试验

茎０．２

０

１３．２３ＭＰａ

１．１试验试样和仪器

试样为江西永平铜矿混合花岗岩，试件尺寸５０

ｍｍ×１００

ｍｍ。试件端面平整度和侧面平整度控制

图ｌ岩石试样５∞一１单轴蠕变试验

在０．００３ｃｍ，加载前试件在自然干燥环境中置放３０

—４０

ｄ。试验环境温度２０±３℃。

测试仪器为Ｉｎｓ＿响ｎ一１３４２伺服刚性材料试验

机，其精度可以满足Ｏ．００１ｍｍ的观测数值。１．２试验方法

采用单体分级加载方式加载，速率取０．５

ｍｒｎ／

ｍｉｎ，当观测到的位移增量小于Ｏ．００１－衄以时，施

加下一级荷载。１．３试验结果

图ｌ和图２给出了２个试样分级加载单轴压缩

■变时问（ｍｍ）

蠕变试验的￡一ｔ曲线。试验发现，试件５００—１在

７０．５６

图２岩石试样５帅一２单轴蠕变试验

表ｌ蠕变曲线特征值

应力分级

盯．

矿ｌ一矿

ＭＰａ时出现加速蠕变至破坏，而试件５００一２

在７９．３８ＭＰａ时出现加速蠕变至破坏。试验结果的差别源于试样的差异。混合花岗岩的长期强度一般低于瞬时抗压强度。混合花岗岩属于坚硬岩石，在

旬

；

‘ｌ１２‘３

（ＭＰａ）

１３．２３

（ＭＰａ）

７４．９７

（咖）（—ｎ／ｈ）（Ｉｌｌｉｎ）（Ⅱｌｉｎ）（ｍｉｎ）

Ｏ．１１８７Ｏ．３３４２Ｏ．５０９０Ｏ．５５８２Ｏ．６０５

０．００１２Ｏ．００３４

４．５３．３Ｏ．２７Ｏ．２０Ｏ．０３

Ｏ．４６．９

０．５２．２

较低应力水平下，蠕变变形较小。在低于某一应力

水平时，经过短时间初期蠕变后，变形即趋于稳定。高于某一应力水平。试样出现加速蠕变至破坏。首

４４．１０３８“．１０

６６．１５７０．５６７９．

２２．０５１７．６４８．８２

Ｏ．∞５４

２．４５０．９９

万方数据　

袁叉，等：混合花岗岩蠕变特性研究

表１中占，为瞬时弹性应变，奎为稳态蠕变速率，ｔ。过渡蠕变阶段结束时间，ｔ２为稳定蠕变阶段结束时间，ｔ，为蠕变破坏时间。应力分级根据岩石的瞬间强度８８．２ＭＰａ确定。

根据表１，采用非线性回归的方法得到特征值之间的关系：

盯＝７９．２４ｅ砘珊１

（１）ｔ＝１．４３≯０１６

（２）

由式（１）知，ｔ趋于０，盯趋于７９．２４，Ｉｌ趋于∞，矿趋于０。当应力高达某一值时，过渡蠕变阶段时间很短，试样很快进入加速蠕变阶段而发生破坏；当应力较低时，试样的过渡蠕变阶段时间很长，可认为试样蠕变不明显。式（２）知，当稳态蠕变速率趋于零时，试样的破坏时间ｔ３趋于∞，试样不发生破坏，

在此情况下的应力可认为是试样长期强度；当稳态

蠕变速率无限增大时，则ｔ３趋于零，说明试样发生瞬时破坏，其对应的应力是试样的瞬时强度。

２蠕变理论模型

通过观察单轴压缩蠕变试验曲线，采用伯格斯模型（见图３）来拟合蠕变曲线。

图３伯格斯体模型

由于伯格斯模型是由开尔文模型和马克思威尔模型串联而成的，因此，在受到剪应力作用时，伯格斯体产生的应变应该是二者分别产生应变之和，即：

７＝７ｌ＋７２

（３）

式中ｙ。，７：分别为开尔文模型和马克思威尔模型的剪应变。

盯１．如＝２白１．如

（４）

式中：矿１．如——偏应力；

占１．如——偏应变。

平均应力矿。和平均应变占。的关系是：

式中：卜体积模量

盯。＝３如。

对于单轴压缩实验，侧向压力盯：＝口，＝０，应变

大小为：

占ｌ

占。＝扣。＋暴。２苑盯ｌ＋酽ｌ

（６）

万　

方数据该式表示用材料常数Ｇ和Ｋ描述的各向同性

材料，在轴向应力增量盯。作用下相应的应变。

对于Ｍ洲ｅＵ模型，在蠕变试验的情况下，矿。在

ｔ＝０时突然施加，并随后保持常量，其应变为：

嘣拈彖＋最＋景ｔ

（７）

对于Ｋｅｌｖｉｎ模型，在蠕变试验的情况下，矿。在

ｔ＝Ｏ时突然施加，并随后保持常量，其应变为：

“归彖＋烈－一（－黜（８）

则整个蠕变模型在矿。作用的轴向应变占。（ｔ）为：

“ｔ，＝募＋最【・一ｅｘｐ（一鲁ｔ）】＋最＋最ｃ９，

３

蠕变参数确定

假设图１和图２所不的蠕变曲线满足公式（６），则当ｆ＝０时，曲线在纵轴上的截距为瞬时弹性应变吼，即：

铲【去＋去ｈ

（・ｏ）

当ｆ足够大时，该蠕变曲线近似为直线，此直线在纵

轴上的截距为占。，即：．

铲【去＋去＋去】盯。占。２【泵＋甄＋甄Ｊ盯・

（１１）

该直线的斜率后。为：

¨最

（１２）

由于荷载往往不能瞬时施加，因此，在实际应用时还需用下述方法求得瞬时弹性应变占。，令：

ｍ）２丢ｅｘｐ【－釉

（１３）

则Ｚ（￡）为蠕变试验曲线与直线延长线之间的垂直距

离。该直线延长线是第二期蠕变曲线的渐近线。对

式（１３）两边取自然对数，得：

“幽暑一鲁ｔ

（１４）

式（１４）表明，ｈｌＺ与ｔ的关系为一直线。该直线在纵

轴上的截距为占，，斜率为ｌ｜｝，，即：

旷ｈｌ（蠡）

（１５）岛：一生

（１６）

可ｌ

由式（７）可得：

最＝驴（去＋壶）矿ｔ

ｃ，７，

采矿技术

４结论

通过本次试验研究，得到以下认识：混合花岗岩

单轴蠕变试验表明，混合花岗岩属于坚硬岩石，但在持续高应力作用下仍出现较强的时间效应，产生较

大的蠕变变形，长期强度与瞬时强度之比为Ｏ．８—０．９左右。

参考文献：

［１］沈振中，徐志英．三峡大坝地基花岗岩蠕变试验研究［Ｊ］．河

海大学学报，１９９７，（３）：１—６．

伯格斯模型可以较好地拟合大理岩的单轴压缩蠕变曲线，其参数值见表２。

表２伯格斯蠕变模型的参数

叮Ｇ２Ｋ岩石载荷ＧｌｑｌＴ１２

试样级别（ＭＰａ）（ＧＰａ）（ＧＰａ）（ＧＰａ・Ｂ）（ＧＰａ．ｓ）（ＧＰａ）

［２】李化敏，李振华，苏承东．大理岩蠕变特性试验研究［Ｊ］。岩石

力学与工程学报，２００４，２３（２２）：３７４５—３７４９．

［３］刘沐宇，徐长佑．硬石膏的流变特性及其长期强度的确定

［Ｊ］．中国矿』Ｅ，２０００．９：５３—５５．

（收稿日期：２０ｃｒ７—１２一０５）

作者简介：袁义，硕士研究生，研究方向为岩土工程力学。

（上接第９页）但通过一系列得力科技措施，经过２４ｄ的不懈努力，攻克了大倾角、大断层带来的一系列难题，工作面的断层落差由原来的８ｍ减小到３ｍ，吃土长度也越来越短，煤壁、顶板也趋于稳定，顺利地完成了初采任务，并平稳地过渡到了正规循环作业阶段。进入正规循环以后，适时调整战略部署，采用先进的技术，以狠抓工作面安全质量标准为重点，在强化工程技术人员业务保安作用，进一步完善机电设备管理的同时，实施科学、安全、稳步推进的正规循环作业法，不但使安全生产得到了进一步巩固，原煤日产量也由原来的几百吨上升到最高日产６９００ｔ，提高了企业经济效益。

作者简介：金志剐，高级工程师，大雁矿业集团露天矿项目部总工程师，Ｅｍａｉｌ：ｄⅡｌｌｌｍｊｚｇ＠１６３・ｃ。ｍ。

岩，使支架处于戗底状态。根据采煤工作面实际情

况，采取了留底挑顶措施，使工作面与断层交叉处的矸石量减少到最低，保证随着工作推进而进入正常。

（７）采用了综采工作面ＫＢＪ一６０Ⅲ一ｌ型矿用数字矿压观测系统，实现对工作面生产的科学化、标准化管理。经过现场观测，发现煤壁的顶板压力较

高，煤壁片帮较严重。但支架的初撑力普编较低，不

利于支架性能的发挥及安全保证与管理。其次观测

中发现部分工作面支架支柱漏液，安全阀不开启等，

因此，有必要加强支架的检修和管理工作，发现隐患立即排除。

３

结论

虽然大倾角、大断层综放工作面开采是第一次，Ｉ上接第１２页）

３

素，边坡排水措施是必不可少的。

（２）南帮西端局部岩体稳定性差，应进行加固。南帮西端、北帮西端整体是稳定的，但在开采过程中仍应采取控制爆破维护，以边坡的稳定性。

参考文献：

［１］蔡美峰．岩石力学与工程［Ｍ］．北京：科学出版社，２００２．［２］刘宝琛．矿山岩体力学概论［Ｍ］．长沙：湖南科技出版社。

１９８２．

结论

本论文通过两种极限平衡分析法对某铁矿的边坡稳定性进行了分析和研究，得出以下结论并提出相应建议。

（１）采场范围内，西帮北端边坡稳定性差。该滑坡体在无地下水的情况下是稳定的，当边坡岩体处于饱水２５％时处于极限平衡状态，当饱水度达５０％时边坡不稳定。因而需要加固处理。建议滑坡

（收稿日期：２００７一１０—２１）

作者简介：赵祥（１９８ｌ一），男，河北邢台人，硕士研究生，研究方向为露天采矿工程，Ｅｍａｉｌ：ｚｈ∞ｘｉ锄ｇｌｇ＠１２６．ｃｏｍ。

体采取锚杆或锚索加固，由于岩体破碎，表层需要进

行挂网喷浆处理。地下水是滑坡产生的主要影响因

万方数据　

混合花岗岩蠕变特性研究

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：

袁义， 赵国彦， 李夕兵， 刘志祥

中南大学资源与安全工程学院,湖南,长沙,410083采矿技术

MINING TECHNOLOGY2008，8(3)0次

参考文献(3条)

1. 沈振中. 徐志英 三峡大坝地基花岗岩蠕变试验研究[期刊论文]-河海大学学报 1997(2)2. 李化敏. 李振华. 苏承东 大理岩蠕变特性试验研究[期刊论文]-岩石力学与工程学报 2004(22)3. 刘沐宇. 徐长佑 硬石膏的流变特性及其长期强度的确定[期刊论文]-中国矿业 2000(2)

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