岩块受单轴压缩的破坏变形特征分析

2000年第4期 江 苏 煤 炭 9

岩块受单轴压缩的破坏变形特征分析

余 华, 徐思鹏

(中国矿业大学, 江苏徐州221008)

[摘 要] 分析了两种岩块的单轴压缩实验破坏变形特性, 并在此基础上, 提出了用

孔隙率变化来反映岩块的扩容情况, 并讨论了孔隙率变化与应力之间的

关系。

[关键词] 岩块; 单轴压缩; 孔隙率变化

[中图分类号]TD31 [文献标识码]A [文章编号]1003-6083(2000) 04-0009-030 引 言

在采矿工程中, 岩体的破坏及其体积变化广泛的存在。本文通过对两种岩块的单轴压缩试验, 对两者的部分破坏变形特征进行观测、分析和比较, 在此基础上, 笔者提出用孔隙率变化与应力之间的关系来反映岩块的体积变化。1 材料及实验方法

1. 1 原料及其岩性描述

试验用岩块取自兖州地区侏罗纪红层, 最大残留厚度795m 。岩石颗粒磨圆度及分选性较差, 沉积回旋明显。

(1) 红砂岩, 主要由0. 08mm~0. 1mm 的颗粒组成。颗粒含量50%~70%, 75%的孔隙度小于5. 8%, 孔隙度较高, 平均为28. 29%。

(2) 灰砂岩, 孔隙度平均为32. 6%, 颗粒径和红砂岩相近。1. 2 试块的取样与制取

试样采用岩块制样, 在取样与制样过程中不允许出现人为裂纹, 在制备试样过程中冷却液必须用洁净水, 不允许使用油液, 对遇水崩解的红砂岩体用干法制备, 试样数量中红砂岩, 灰砂岩每组5块, 同时要求在制备过程中, 要满足一定的精度要求。1. 3 实验方法及实验设备

采用千分表及中国矿大力学实验室的普

通液压式压力机, 将制好的试样放置于压力机承压板的中心处, 使试样与上下板吻合接触, 然后在试块四面分别放置一只千分表, 使其探头指向试块并与之吻合接触, 同时在铅垂方向也放置一只千分表, 随后对试块加少许预压力, 最后按预定的荷载加载, 并记下各应力级别下的千分表读数的变化。2 数据分析和结果2. 1 试块破坏现象及方式

试块受压时, 可观测到千分表的读数随压力的增大而稳定地增大, 当压力增大到一定值后, 发现压力机刻度指针摇摆不定, 压力有加不上去的现象, 同时, 千分表的读数在显著地变化, 随后, 由于压力的继续增大, 可以观察到试块裂隙继续扩张, 最后, 试块发生突然性的破坏, 试块抖动强烈, 岩屑飞溅, 稍带响声, 压力值迅速下降, 通过绘制压力与应变关系曲线图可以发现其符合岩石力学理论。在开始阶段, 压力与应变呈现线性关系, 当压力达一定值时, 出现压力值不变, 但应变却变化显著, 由于压力值达到岩块的屈服强度后, 岩样出现塑性流动, 随后, 压力越过了其屈服极限, 随着压力上升, 岩样处于应变强化阶段, 岩样即将破坏。

2. 2 两组试块弹性模量及抗压强度的比较

将4只水平方向放置的千分表读数经过取平均作为水平方向的应变 2; 垂向千分表的读数加以处理作为 1; 将压力加以处理得

10 余 华等 岩块受单轴压缩的破坏变形特征分析 2000年第4期 应力 , 作出 ~ 1关系曲线; 得出两组试块的弹性模量与抗压强度如表1。

表1 试块弹性模量与抗压强度比较

名称

红砂岩弹性模量/GPa

试块1试块2试块3试块4试块5平均

1. 6280. 9720. 661. 440. 5631. 053

红砂岩抗压强度/MPa20. 9113. 24115. 33220. 23811. 1516. 174

灰砂岩弹性模量/GPa6. 995. 686. 375. 576. 826. 29

灰砂岩抗压强度/MPa66. 264. 4855. 7555. 067362. 932

岩石的弹性与塑性阶段之间并不是严格区分的, 弹性阶段体积缩小, 原有的孔隙闭合, 体积应变为负值, 即 v =0, 而后超过原体积, v

=(+) 。相对于原体积而言, 将体积应变由减小到增大转折点, 即 v 为最小值的点作为裂隙的开始。相对于 ~ v 曲线而言, 只是将 轴向负方向一个 ( v ) min 长度单位, 当 较小时孔隙率变化 为零, 从而得出 与 的关系曲线。

红砂岩试块1在10MPa 以后孔隙率开始有明显增加, 到15MPa 时孔隙率达3个单位左右, 此时, 若卸压或不再加载, 则孔隙率不再增加, 是可以控制的, 到25MPa 时, 孔隙率显剧地变大, 扩容现象明显, 达10个单位以上。其应力变化曲线见图1。

从表1可看出, 灰砂岩的弹性模量与单轴抗压强度均比红砂岩的大得多, 试验时发现, 两种试样在破坏时均有响声, 但灰砂岩比红砂岩的动力现象要明显, 这是由于灰砂岩的弹性模量比较大, 受压过程中, 灰砂岩积蓄了较多的弹性势能, 故而当弹性势能超过其极值时, 灰砂岩动力现象较为明显。在采矿工程中, 由于煤的弹性模量和其它力学指标与其附近的岩石相比要小得多, 故在冲击地压的作用下, 煤首先被破坏, 给巷道的维护造成困难; 而岩石的抗破坏的力学指标要大, 只有当地应力到某一极限值时, 岩石就会突然失稳受破坏, 故岩石力学指标的测定是冲击地压预测预报的基础。2. 3 扩容分析[1]

由岩石力学的知识可求得体积应变 v , 通过绘制 ~ v 曲线发现这与一般理论相一致。由于岩石在弹塑性段, 总的体积膨胀, 尤其在峰后区试块体积急剧膨胀, 体积应变比峰前区大几个数量级。这种扩容现象主要是由于裂隙产生、贯通、滑移、错动、甚至于张开造成的。且岩样在弹性阶段体积的压密与弹性后期裂隙的发育所造成的体积变化与破坏时扩容相比很小, 故本文并不考虑 试块基质受压的弹塑性变形; 试块在开始受压阶段裂隙闭合所造成的体积影响。只考虑在弹塑性阶段以后由于裂隙因素对扩容的贡献, 并试图探求出应力与裂隙率 之间的产系。

图1 红砂岩试块1应力与孔隙率

红砂岩试块2在应力达15MPa 时孔隙率只有1. 5个单位, 且在25MPa 时(破坏阶段) , 孔隙率也只有9个单位, 其应力变化曲线见图2。

图2 试块2应力与孔隙率

灰砂岩试块1在40MPa 时, 其孔隙率没有什么变化, 在60MPa 时, 其值也只是在1个单位左右, 但当应力值达到其单轴抗压强度时, 孔隙率的值迅速增加, 不可控制, 此时可

2000年第4期 江 苏 煤 炭 11 以看出其裂隙扩展迅速, 突然一声巨响, 岩屑飞溅, 试样破坏, 其应力变化曲线见图3

。

荷载继续增加时, 孔隙率变化增加迅速, 当荷载达到峰值时, 试块瞬间发生突变性的破坏, 岩样抖动剧烈, 孔隙率变化与应力之间的关

系为d /d ! ∀。3 结 语

(1) 给定试验条件下, 岩块的破坏并不是单纯的张拉破坏或剪切破坏, 而是两种方式

图3 灰砂岩试块1应力与孔隙率

同时存在, 外在的表现以一种方式为主。(2) 红砂岩的弹性模量与抗压强度均比灰砂岩的小, 在试验过程当中, 灰砂岩积蓄了较多的能量, 其破坏时的表现较红砂岩强烈。

(3) 岩块的孔隙率变化随应力的增大而呈超线性变化。

(4) 红砂岩扩容现象较灰砂岩明显, 且同一种试样, 其强度, 弹性模量, 孔隙率变化也不尽相同。

[参 考 文 献]

[1] 李世平, 岩石力学简明教程[M ].北京:煤炭工

业出版社, 1996.

灰砂岩试块2, 在应力达70MPa 时, 其值只是在4个单位左右。结合图3、图4, 两者的扩容现象也不一样。同时在试验中发现, 同一种岩样扩容的差异存在可重复性, 其应力变化曲线见图4

。

图4 试块2应力与孔隙率

图1、图2与图3、图4说明, 岩石孔隙率变化是随应力的变化而加速变化, 在弹塑性阶段以后, 微裂隙萌生并开始发展, 此时, 裂隙随应力的增加而增加, 是可以控制的。当

[作者简介]

余华(1976-) , 男, 河南信阳人, 现为中国矿业大学能源科学与工程学院硕士研究生, 主要从事矿井瓦斯治理与矿山压力与控制。

Experimental Analysis about Breakage and Deformation Properties of Rock Specimen under Single Axis Compression

YU Hua, X U Sipeng

(China University of Mining and Technology)

Abstract:The paper analyses mechanical properties of two different rock specimen under sin

gle axis compression. On the basis of analysis, the author points out that the rate of

breakage can reflect the variety of the volume of rock, and discusses the relation between stress and the rate of breakage.

Key words:rock specimen; single axis compression; variety of breakage