复杂应力状态下孔隙水压力对采矿工程施工材料的影响

2021-08-01卢方舟

中国金属通报 2021年3期

彭亮，卢方舟，周威，盖元

（中国矿业大学，江苏徐州 221116）

采矿工程施工项目多采用混凝土结构，因这种材料具有特殊性，当处于复杂应力条件下，混凝土结构性能难以维持，可能会面临一定的结构破坏。现阶段随着各种采矿工程施工项目的增多，在一些混凝土结构施工作业中，常常会遇到孔隙水压力作用，这是影响混凝土施工作业的不利因素。施工材料的特性，使得骨料和砂浆界面之间分布有大量的微裂纹，当处于孔隙水压力施工条件下时，随着外界水压力作用的存在，孔隙水可以将这些微裂纹填充起来，使得混凝土结构性能有所改善。因此，复杂应力状态下的混凝土施工难度较大，工程人员需注意抗压强度的控制。

1 水环境下施工材料的破坏机理分析

根据施工作业的工程实践，当混凝土受到外部荷载的作用力下，当混凝土内部存在初始缺陷或者损伤且这些缺陷、损伤不断变化的过程中，施工材料的孔隙率也随着这些变化而呈现出动态性特征。从混凝土结构的影响因素来看，孔隙率是评价混凝土结构质量的一个关键指标，随着孔隙率的变化，混凝土材料的有效弹性模量、泊松比、剪切模量等都会出现明显的变化，因此，孔隙率对混凝土结构性能的影响是非常大且直接的[1]。当混凝土受到极大的外部荷载作用时，饱和混凝土孔隙率也会随着该作用力不断变化，根据工程经验，孔隙率对混凝土裂纹的影响最为直接，裂纹的长度是由这一指标来决定的。由于存在相互的作用机理，当混凝土存在孔隙水压力时，裂纹的有效剪应力和应力强度因子都大大减弱，再加上孔隙水压的劈裂作用，使得采矿工程施工材料的性能会受到影响。如果要更为清晰地掌握孔隙水压经由混凝土内部材料对混凝土结构所造成的影响，必须要详细探明孔隙水的类型、压力大小和作用方式。

2 饱和土体的孔隙水压力

为详细掌握复杂应力条件下孔隙水压力对混凝土抗压强度所造成的影响，需从饱和土体有效应力的原理出发来进行相应的分析。

2.1 饱和土体有效应力原理

相关学者在长期的混凝土作用机理研究中，提出了饱和土体的有效应力原理，该原理明确指出了松散颗粒土体与连续固体材料之间所存在的差异性，该研究是现代土力学变形和强度计算的基础理论，饱和土体有效应力原理如图1 所示。

图1 饱和土体有效应力原理

根据图1，从该图中选取截面积为A 的饱和土体截面作为研究主体，为使得研究结果尽可能与实际的混凝土作用机理保持一致，假设A 截面在选取的过程中，是沿着土颗粒间接触面所截取的，根据土体平衡条件的分析，存在以下关系：

在上式中，As代表的是截面上土颗粒间的接触面积，而σ 表示的是总应力值，σs 代表土颗粒间接触面上作用的法向应力，u为孔隙水压力。

如果在采矿工程实践的过程中现场的土体颗粒较为松散，那么基本上可以确定是无限接近于0 的，在这一假设前提下，有效应力原理存在以下关系：

上式中， 'σ 为有效应力，也就是土颗粒间接触应力在选取截面A 上的平均应力值。根据对这一公式的研究，可以得出：饱和土体所承受的总应力不仅包含了固相承担的部分，还包含了液相承担的部分。

2.2 饱和土体的有效应力原理

混凝土与松散的土体颗粒有所不同，主要体现为混凝土结构相对紧凑，为连续的固体材料，正是由于混凝土结构的这一特殊性，使得在混凝土结构内存在很多呈现随机分布状态的微裂纹和微孔洞，如果从宏观分析的角度，这些微裂纹和微孔洞在受力的初期阶段内，基本上呈现出一个均匀分布的状态，当处于饱和状态下时，这些裂纹与孔洞可以经由孔隙水来加以填充[2]。基于混凝土结构的特性，应力公式在建立的过程中，将圆柱形的理想饱和混凝土模型作为研究对象。

饱和混凝土中包含了无缺陷的混凝土基体和球形孔隙，如果在开展复杂应力研究的过程中，不考虑孔隙尺寸和形状对研究结果的影响，假定孔隙在基体中呈现出均匀分布的特征，且这些孔隙可以直接经孔隙水来加以填充。在饱和混凝土中截取一个水平截面积为A 的柱体结构，将该截面上的总应力作用设为σ，这种情况下，该应力作用中，一部分是由混凝土基体应力所承担的，而另一部分是由孔隙内饱和水产生的孔隙水压力所承担的[3]。沿着特定的位置来进行隔离体的选取，使得该隔离体的截面能够顺利穿过基体和孔隙，此时，在该截面上，混凝土基体间接触面上作用的法向压力用σs 表示，基体接触面积的和是As，孔隙对应的截面积用Av 表示，孔隙水压力为u，此时，存在以下的关系：

根据平衡条件的分析，得出以下结论：

混凝土材料与松散颗粒土体存在着明显的差异性，在采矿工程施工作业开展的过程中，混凝土基体接触面是主体的受力部位，那么，也就有：如果在研究分析的过程中不考虑混凝土微结构的细节性问题，将混凝土的有效应力用基体承受应力在截面上的平均应力来代替。

3 真实水环境下孔隙水压力的影响

根据相应的研究，有关学者经由研究发现，在真实的水环境状态下，混凝土的孔隙水压力包含了贯通孔隙水压力和封闭孔隙水压力。如果在混凝土施工作业开展的过程中，加载速度比较慢，此时，可以认定混凝土中的裂纹呈现出静态扩展的状态，如果在研究分析时不考虑流体在介质内的扩散因素，此时，基本上可以认定贯通孔隙水压力和静水围压是相等的[4]。真实的水环境状态下，对混凝土结构施加一定的荷载，此时，混凝土中的微裂纹是呈缓慢扩展的状态的，外界的水会经由表面裂纹逐步渗透到混凝土的内部结构中，随着微裂纹的扩展，裂纹会导致混凝土结构的破坏。

4 试验验证与分析

针对不同水灰比下的混凝土试块，来分别探析在干燥和饱和状态下时，当对混凝土试块开展压缩加载试验的过程中，在围压、孔隙率不同的条件下，孔隙水压力对混凝土抗压强度的直接影响。在研究模型中，假定理性混凝土材料基体的单轴抗压强度是已知的，根据对混凝土材料各个力学参数的分析，就可以分别来确定干燥混凝土、饱和混凝土材料的体积模量、孔隙水压力系数等基本的试验参数。

假设在试验开展的过程中，相关人员的试验是从初始静水压力的状态下进行的，在加载试验具体的实施中，所经历的加载路径为应力空间中的压缩子午面，而该压缩子午线采用的是William Warnke 五参数模型中的抛物线，根据有关研究，将干燥混凝土单轴抗压强度和应力人为定义出来，根据混凝土的制备过程，混凝土的水灰比与孔隙率之间存在着紧密的联系，二者呈现正相关，在水灰比越大的情况下，混凝土的孔隙率也比较大[5]。经由试验结果，可以指导，当水灰比或者孔隙率逐步增大的过程中，干燥混凝土的单轴抗压强度指标是随之逐步减小的。

不同的围压条件下，饱和混凝土抗压强度也会发生明显的变化，其具体变化趋势如图2 所示，为了进行试验结果的准确把握，将试验和预测结果开展归一化处理，从最终的处理结果可以看出，试验数据呈现出相对分散的分布特征，根据这一试验结果的分析，也就准确、直观地反映了孔隙水压力对饱和混凝土抗压强度的直接影响。当相对围压条件已知且固定的情况下，如果饱和混凝土的水灰比或者孔隙率逐步增大，这一条件下所对应的饱和混凝土抗压强度降低率也显著增大[6]。但是，如果在试验开展的过程中，如果饱和混凝土的水灰比或者孔隙率是已知且固定的，当围压逐步变化的过程中，饱和混凝土抗压强度降低率也会发生明显的变化，围压如果呈现增大趋势，饱和混凝土抗压强度降低率将反向变化，呈减小趋势。

图2 不同围压下饱和土体抗压强度降低率关系曲线

对理想采矿工程使用材料而言，其基体真实应力是与总应力相等的，这一条件下，所对应的加载路径会与子午线产生交点，该交点所对应的就是强度达到极限状态下所呈现的应力分布形态。在材料加载试验开展的过程中，如果针对的是含有孔隙缺陷的混凝土试块，当处于干燥条件下时，混凝土中的孔隙是直接经由空气来填充的，在相同的总应力加载路径工况条件下，混凝土基体的真实应力路径会呈现出一定的偏移，处于子午面向右侧平行偏移的状态，这也真实应力路径的变化恰好反映了在达到了特定的强度状态以后，对应的名义抗压强度有所减小。而在干燥状态下，由于存在孔隙水压力的作用，当处于相同的总应力加载路径工况条件下时，与干燥状态相比较，基体真实应力路径在子午面内向左侧偏移，且路径斜率远远高于干燥状态下的路径斜率，此时，达到强度状态下的对应名义抗压强度要远远低于干燥状态下的名义抗压强度。