不同应力速率下充填体强度特性和破裂机理研究

甘德清，韩 亮，刘志义，赵海鑫，蔡晓盛

(1.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063009；2.河北省矿业开发与安全技术实验室，河北 唐山 063009)

不同应力速率下充填体强度特性和破裂机理研究

甘德清1,2，韩 亮1,2，刘志义1,2，赵海鑫1,2，蔡晓盛1,2

(1.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山063009；2.河北省矿业开发与安全技术实验室，河北 唐山063009)

充填体是维护采场安全稳定的关键因素，是由多种物质混合而成的非均质材料，力学特性复杂，加载条件改变会对其力学特性和损伤破裂机理有显著影响。通过进行不同应力速率下的充填体单轴抗压强度试验，并结合非接触式全场应变测量系统对试样破裂演化过程进行监测。结果表明：随着应力速率的增加，充填体的峰值强度不断增大，低浓度、低灰砂比试样的强度增幅更加明显；低应力速率下试样表面出现大量宏观裂纹，发生拉伸破坏，高应力速率下试块发生单斜面剪切破坏；低应力速率下试样内部的微裂隙和孔隙充分发育形成贯通面，进而弱化了充填体的强度，高应力速率下，试样内部微裂隙和孔隙的发育被限制，试样的整体承载结构对强度的影响占主要地位；应力加载下，试样在达到峰值强度瞬间发生破坏，积蓄的能量集中瞬间释放，破裂现象剧烈。

应力速率；充填体；峰值强度；破裂过程

资源开采深部化和地表尾废灾害化是矿业发展面临的两大难题，充填采矿法将地表尾废制备成高浓度胶结料浆充入地下采空区形成具有一定强度的充填体，既能提高资源回收率，控制地表塌陷，又能减少尾废排放，保护生态环境，在各大矿山广泛应用[1-2]。

已有研究表明，加载速率改变会对介质的力学特性产生显著影响，不同应力速率下，介质本身弹性能的储存特征会发生变化。学者对不同加载速率下材料的力学行为进行了多方面的研究，童敏明等[3]分析了不同应力速率下含水煤岩声发射频谱特性，发现声发射的频次和幅度在应力速率提高后有明显的增加。夏冬等[4]研究了不同应力速率下花岗岩的力学特性和声发射特性，发现岩石的破坏方式和剧烈程度会随着应力速率的变化而明显改变，声发射信号特征也有明显不同。尹小涛等[5]发现加载速率的改变会造成岩石材料破坏形态的改变，存在临界加载速率使岩石材料破坏过程由塑性向脆性转变，加载速率对能量转换也有影响。苏承东等[6]进行了不同加载速率下大理岩的单轴压缩试验，发现大理岩的峰值强度与加载速率正相关，破坏形态也随加载速率的增加发生改变。这些研究表明岩石类材料具有明显的速率效应，速率效应是指材料的力学性能参数和破裂形态随着加载速率的变化而发生明显改变。其他介质如混凝土、CA砂浆等材料的力学特性也有明显的速率效应。肖诗云等[7]对钢筋混凝土梁在不同加载速率下的力学性能进行了研究，发现钢筋混凝土梁的极限强度和极限位移随着加载速率的增加明显增大，耗能能力也显著提高；孔祥明等[8]研究了不同加载速率下水泥沥青砂浆的力学性能，发现随着加载速率的增大，两种典型水泥沥青砂浆的峰值应力和弹性模量均呈现增大趋势；汪劲丰等[9]通过对不同加载速率下CA砂浆的抗压性能进行试验，发现CA砂浆的抗压强度随加载速率的增加而明显增大，破坏模式随着加载速率的增加发生明显变化。

充填体是控制地压，维护采场稳定的关键，由于受开采扰动和爆破振动等影响，处于复杂的应力环境中，力学行为复杂。目前对充填体力学特性的研究主要集中在充填体强度的影响因素如尾砂种类、胶凝材料、灰砂比、料浆浓度、养护龄期等，关于应力速率对充填体力学特性影响的研究仍然较少，本文通过进行不同应力速率下充填体单轴抗压强度试验，探讨应力速率对充填体强度特性和破裂演化过程的影响。

1 试验设计

1.1 试验原料

试验骨料为冀东地区某铁矿山的尾砂，矿物主要成分为石英、云母，是一种良好的惰性材料，尾砂粒级组成分布曲线见图1，平均粒径0.169 mm，不均匀系数9.28，曲率系数1.52，尾砂级配良好；胶凝材料选用冀东水泥厂生产的32.5矿渣硅酸盐水泥；制浆用水为实验室自来水。

1.2 试验方案

为探讨不同应力速率下充填体强度特性和损伤破裂过程，采用微机控制液压伺服压力机结合全场应变测量系统对充填体进行单轴抗压强度试验。VIC-3D技术可监测整个加载过程中充填体表面裂纹的产生，演化。由于充填体本身强度较小，共设计3种加载速率，分别为0.1 kN/s、0.2 kN/s 、0.3 kN/s，同时为避免试验结果的偶然性，改变充填体的浓度和灰砂比，制作不同的充填体试块。加载过程中压力机和全场应变系统需同时开始试验，确保能监测到充填体损伤破裂的全过程。每种速率下最少重复进行3次试验，取3次试验的平均值作为试验结果。

图1 尾砂粒级组成分布曲线

1.3 试验过程

首先参照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T70—2009)制作不同浓度、灰砂比的充填体试块，采用长×宽×高为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的标准三联试模，使用JJ-15型行星式水泥胶砂搅拌机对料浆进行搅拌，将试块放入标准养护箱内进行养护。根据VIC-3D测量原理，试验开始前需要对试块表面进行处理，人工喷漆制作无规则散斑，如图2所示。试样有散斑的一侧对准全场应变测量系统，压力机设定好加载速率，在加载开始的同时，全场应变测量系统开始拍摄散斑图。试验结束后，对采集到的数据和散斑图进行保存分析。

图2 待测试样表面

2 试验结果和分析

2.1 充填体强度特性分析

不同应力速率下充填体试样的单轴抗压强度结果见表1。

从表1中可以看出，充填体试样的单轴抗压强度随着应力速率的增加而不断增大，灰砂比1∶4、浓度70%的试样在低应力速率下的强度为4.826 MPa，随着应力速率增加到0.3 kN/s，峰值强度增大到了7.591 MPa，增加幅度达57%；当提高料浆浓度后，强度增幅为14%。灰砂比1∶8、浓度70%的试样的强度增幅为54%；当料浆浓度变为75%后，试样的强度增幅为28%。不同状态的充填体试样在不同应力速率下都表现出基本相同的强度特性，这充分证明这一现象并非偶然现象，表明充填体在不同应力速率下的强度特性是有规律的。较低浓度试样的强度增幅都超过了50%，所表现出的强度特性更加明显，当浓度提高到75%以后，较小灰砂比试样的强度增幅是大灰砂比试样的2倍。充填体之所以表现出明显的速率效应，是由于充填体是一种人工制作的含有骨料、胶凝材料、水、外加剂等多种物质的非均质材料，内部含有多种孔隙和裂隙，较低的应力速率加载下，在试样达到峰值强度之前，内部的孔隙和裂隙得到了充分的发育，这些裂隙扩展演化形成贯通面，当试样快达到峰值强度时，在贯通面周围发生大的损伤破裂，导致充填体试块破坏失稳；在高应力速率加载下，明显缩短了试样达到峰值强度的时间，内部的裂隙和孔隙没有足够的时间发育，裂隙没有完全发育形成贯通面，对试样整体强度的弱化十分有限，当试样快达到峰值强度时，某些部位发生大面积垮塌，导致试块破坏失稳。低浓度、低灰砂比的充填体试块在制作过程中就易形成大量的孔隙和裂隙，试样质量较差，这也是导致低浓度、低灰砂比试样强度速率效应的直接原因。

表1 不同应力速率下充填体试块单轴抗压强度

2.2 充填体破裂演化分析

采用VIC—3D分析软件对试验过程中采集到的散斑图进行分析，重现了试验加载中试样表面裂纹的产生、扩展全过程，充填体试样破坏过程中位移场的演化较好的反应了试块内部孔隙和裂隙扩展演化成宏观破坏的规律。图3和图4显示了不同应力速率下充填体试样损伤破裂演化全过程。

图3显示了低应力速率下试样破裂演化全过程，整个加载过程持续200多秒。在180 s左右，试块表面右下角开始出现明显的裂纹，在这之前试块表面没有明显裂纹出现，低应力速率下，试块内部的孔隙和裂隙有足够的时间发育，在试块内部形成了大量的贯通面，之后进入裂纹加速扩展阶段，最终演化成宏观裂纹，如图3(d)所示，试样在达到峰值强度后，表面有大量的宏观破坏带。从试样表面的观测点可以看出，试块左侧发生负方向的位移，右侧发生正方向的位移，认为充填体试块发生了明显的拉伸破坏。

图4显示了高应力速率下试样破裂演化全过程，整个加载时间仅为低速率下的1/3，破坏过程迅速，可以看出在试块达到应力峰值前并没有宏观裂纹产生，在达到应力峰值的瞬间发生破坏，突变过程持续不到1 s，并且破裂现象剧烈，试样表面出现一条宏观裂纹，试块左上角发生大面积垮塌，整体承载结构发生破坏。高应力速率下，试样破裂演化时间大幅度减少，限制了试样内部微裂隙和孔隙的发育，不能形成贯通面，高应力速率下的试样破坏也并没有像图3(d)那样产生大量宏观裂隙。从图4(d)中可以看出，裂纹左上角部分发生负方向位移，其他部分发生正方向位移，试样发生明显的单斜面剪切破坏，认为是破坏面上的剪应力超过极限引起的。

通过对比图3和图4中的观测点可以看出，高应力速率下充填体试块最终由宏观裂纹分为明显的两部分，这是由于充填体的整体承载结构受到破坏，低应力速率下充填体试块的破坏现象更加复杂，因为大量的微裂隙和孔隙充分发育后演化成贯通面，导致试样破坏是表面有大量宏观裂纹。破坏现象的区别验证了充填体强度特性的率效应。

图3 低应力速率下充填体试块破裂演化过程

图4 高应力速率下充填体试块破裂演化过程

3 结 论

1) 充填体有明显的速率效应，充填体的单轴抗压强度随着应力速率的增加而不断增大，低浓度、低灰砂比的充填体的强度增幅更加明显，因为低浓度、低灰砂比的试样内部的微裂隙和孔隙相对较高，在低应力速率下充分发育演化成贯通面，大幅度弱化了充填体试块强度。

2) 不同应力速率下充填体试样表面裂纹的产生、扩展及演化过程也明显不一样，低应力速率下试块表面的破坏形式更倾向于拉伸破坏，高应力速率下发生明显的单斜面剪切破坏；同时，应力速率加载下，试块在达到峰值强度的瞬间，应力集中瞬间释放，破裂失稳现象剧烈。

[1] WANG Xinmin,ZHAO Bin,ZHANG Qinli,et al.Cemented backfilling technology with unclassified tailings based on vertical sand silo[J].Journal of Central South University of Technology,2008,15(6):801-807.

[2] 于润沧.我国胶结充填工艺发展的技术创新[J].中国矿山工程,2010,39(5):1-3.

[3] 童敏明,胡俊立,唐守锋,等.不同应力速率下含水煤岩声发射信号特性[J].采矿与安全工程学报,2009,26(1):97-100.

[4] 夏冬,常宏.应力速率对岩石声发射特征影响的试验研究[J].矿业研究与开发,2015,35(3):52-56.

[5] 尹小涛,葛修润,李春光,等.加载速率对岩石材料力学行为的影响[J].岩石力学与工程学报,2010,29(S1):2610-2615.

[6] 苏承东,李怀珍,张盛,等.应变速率对大理岩力学特性影响的试验研究[J].岩石力学与工程学报,2013,32(5):943-950.

[7] 肖诗云,曹闻博,潘浩浩.不同加载速率下钢筋混凝土梁力学性能试验研究[J].建筑结构学报,2012,33(12):142-146.

[8] 孔祥明,刘永亮,阎培渝.加载速率对水泥沥青砂浆力学性能的影响[J].建筑材料学报,2010,13(2):187-192.

[9] 汪劲丰,陈一日,吴熙,等.不同加载速率下CA砂浆的抗压性能试验[J].材料科学与工程学报,2015,33(4):479-483.

Studyonstrengthcharacteristicsandfracturemechanismoffillingbodyunderdifferentstressrates

GAN Deqing1,2,HAN Liang1,2,LIU Zhiyi1,2,ZHAO Haixin1,2,CAI Xiaosheng1,2

(1.School of Mining Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan 063009,China;2.Mining Development and Safety Technology Key Lab of Hebei Province,Tangshan 063009,China)

Filling body is a key factor to maintain the safety and stability of stope,which is composed of heterogeneous materials mixed with many kinds of materials.The mechanical properties are complex and the change of loading condition have a significant effect on the mechanical properties and damage mechanism.The uniaxial compressive strength test of the filling under different stress rates is carried out,and the evolution process of the specimen is monitored by the non-contact full strain measurement system.The result shows:With the increase of the stress rate,the peak intensity of the filling body is increasing,and the strength of the low concentration and low gray sand is more obvious than that of the sample.Under low stress rate,a large number of macroscopic cracks appear on the surface of the specimen and tensile failure occurs.The single cant shear failure occurs under the high stress rate.The microfractures and pores in the specimen under low stress rate are fully developed to form a through surface,which weakens the strength of the filling.The microfracture and pore development of the specimen under high stress rate are limited,and the effect of the overall bearing structure on the strength of the specimen is dominant.Under stress loading,the specimen is destroyed at the moment of peak intensity,and the accumulation of energy concentrated instantaneous release,rupture phenomenon violent.

stress rate;filling body;peak strength;rupture process

TD853.3

A

1004-4051(2017)10-0123-04

2017-07-06责任编辑宋菲

华北理工大学研究生创新项目资助(编号：CXZZSS2017070;2017S02)；河北省自然科学基金项目资助(编号：E2016209220)

甘德清(1962-)，男，河北抚宁人，教授，博士，博士生导师，主要从事采矿工艺与理论方面的教学与研究工作，E-mail：gdqheut@163.com。

韩亮(1992-)，男，河北邯郸人，硕士研究生，主要从事充填采矿与岩石力学方面的研究，E-mail：hanliang0116@163.com。