TSL材料防护作用下砂岩动态抗拉性能的试验研究

王世鸣,熊咸瑞,王嘉琪,颜世军,吴秋红,翁 磊

(1．湖南科技大学 土木工程学院,湖南 湘潭 411201;2.湖南科技大学 南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室,湖南 湘潭 411201;3.武汉大学 土木建筑工程学院,武汉 430072)

随着经济的发展,人类地下空间的活动工程不断往深部发展。随着深度的增加,地应力有呈非线性增加趋势,岩体处于高初始应力的复杂条件中[1-3]。从大量工程实际和理论分析可知,岩体的开挖会破坏围岩的原始应力场,导致周边岩体应力状态发生改变,造成工程围岩力学发生岩爆、板裂、层裂等破坏[4-6]。支护可以有效改善围岩的应力状态,提高围岩的稳定性[7-9]。喷射混凝土支护以最快的速度施工,有效减少围岩的暴露时间,有利于迅速控制或稳定围岩因爆破引起的扰动,从而大大地提高了围岩的稳定性和自撑能力,成为地下开挖工程中常见的一种支护。但随着地下开挖速度的加快,采用普通干喷混凝土或砂浆封闭围岩的方法缺陷越来越明显：一是工人劳动强度大,喷射速度慢;二是喷射混凝土回弹率高,施工现场环境差;三是喷射混凝土支护巷道时受动压影响容易掉皮、脱落而影响安全。

对此,化学工程师们发明了一种新型的柔性支护材料TSL(thin spray-on liner)。不同TSL支护材料的主要区别在于它的化学成分的不同,现在大多数为聚氨酯、甲基丙烯酸酯和水泥基乳胶产品。TSL材料支护具有许多优点,如缩短固化时间、快速应用、高拉伸强度、高黏合性能。与喷射混凝土相比,具有高强度和高附着力,以及显著的穿透接缝的能力,加固围岩的稳定性,同时可以减少了材料搬运,且可以远程喷射,提高了操作人员的安全性,如图1所示。国内外不少研究者对TSL材料的力学特性,例如抗拉强度、黏结强度、抗剪强度、变形。能力以及蠕变特性等展开了大量的研究[10-15]。多数研究表明,喷射TSL厚度在2～5 mm时,就可以获得较好的支护效果。为了进一步研究TSL材料实际支护效果,Plessis等[16]研究了采场工作面上TSL的支护性能,研究表明,在考虑将 TSL 材料用作地下结构支撑元件之前,需要进行现场测试,特别是在需要早期强度的区域。然而目前多数研究主要局限于TSL在静载荷作用下的支护性能,虽然Mpunzi等和Archibald等[17]通过现场支护研究发现,与传统的动载区域支护方法相比,TSL材料支护具有明显的优势,适用于深部开采的支护。但是在动载荷下TSL对岩石支护效果研究很少涉及。对此,本文研究TSL对砂岩最重要的参数之一,静动态抗拉强度的影响。根据已有研究成果,本次试验考虑了3种TSL与岩石的接触面,并设计了1 mm,3 mm和5 mm 3组支护厚度。

图1 TSL现场施工

1 巴西劈裂试验

1.1 试样准备

本次研究采用的TSL由河南中煤矿业科技有限公司生产。当水粉比为1∶2,表面干燥时间小于40 min,TSL厚度小于10 mm时,两天即可完全固化,抗拉强度可达8 MPa。岩石为变质青砂岩,本次试验材料参数如表1所示。岩样直径为50 mm,高度为25 mm。TSL与岩石接触分别为光滑接触(A组)、倾角15°三角形接触(B组)和倾角30°三角形(C组)接触3种,TSL厚度分别设置了1 mm,3 mm和5 mm,如图2所示。试样制作主要按照以下步骤完成：准备岩样、装载模具、抹油、配制TSL、浇筑TSL、抹平,主要过程如图3所示;12 h后对另一面完成浇筑,过12 h后拆模,期间一直放在(20±1)℃的温度下的养护箱中养护,确保TSL养护时间达到48 h,之后取出用于试验。

图2 试样加工简图(mm)

1.2 测试方法

(a)

(a)

2 试验结果分析

2.1 TSL对砂岩巴西劈裂抗拉强度的影响

静载劈裂试验在RMT-150液压伺服材料试验机开车,在位移加载模式下对JS系列试件进行静载劈裂试验,加载过程中的力-时间曲线如图6所示。与动载下加载曲线相比,静载下加载曲线峰前呈直线。图7为静载下TSL对砂岩抗拉强度的影响。从图7可以看出,在TSL材料支护作用下,试样的强度均得到了提高,且随厚度的增加而增加,随接触面的粗糙度度增加而增加。当施加TSL的厚度从1 mm增加到3 mm时,试样抗拉强度增加明显,而当施加TSL的厚度从3 mm增加到5 mm时,抗拉强度增加速率相对降低。这符合目前多数研究者推荐施加TSL厚度,2～5 mm,即当TSL厚度在该范围内时,静载下支护效果相差不会特别明显。

图6 静载下砂岩加载力-时间曲线

图7 静载下TSL对砂岩抗拉强度的影响

图8为动载下TSL对砂岩抗拉强度的影响。从图8可以看出,与砂岩相比,施加了TSL材料后,试样的动态强度明显提高,随着加载率的提高而提高,但是随着接触面类型和TSL厚度变化,其规律会发生变化。当接触面为光滑型,试样的动态抗拉强度随应变率的增加而增加,但是从图8(a)拟合公式可以看出,施加TSL后,动态强度略微有些提高,但是不明显,4条拟合曲线非常接近,这意味着动载荷下,当接触面为光滑型时,施加本次研究TSL的厚度对岩石动态抗拉强度提高不明显。当接触面为粗糙型时,施加TSL厚度对砂岩动态抗拉强度随加载率的变化影响不大(见图8(b)和图8(c)拟合曲线)。然而不同粗糙度下,施加不同TSL厚度对砂岩动态抗拉强度提高效果是不一样的。当粗糙型接触面为倾角15°三角形时,施加3 mm和5 mm TSL对砂岩动态抗拉强度提高作用接近,均高于TSL厚度为1 mm的试样,如图8(b)所示。当粗糙型接触面为倾角30°三角形时,施加1 mm和3 mm TSL对砂岩动态抗拉强度提高作用接近。但随着厚度的增加,动态抗拉强度随着加载率的提高呈下降趋势,从图8(c)可以看出。当加载率较低时,TSL厚度5 mm试样抗拉强度远大于其他两组,而随着加载率的提高,其抗拉强度提高速率下降,逐渐与其他两组接近。这表明,在动载下,TSL支护材料对岩石的动态抗拉强度提高明显,其提高程度取决于与TSL的厚度和接触面形式,但是当加载率超过一定值之后(B组为250 GPa/s左右,C组为285 GPa/s左右,见图8(b)和图8(c)),增加TSL厚度和接触面粗糙度对强度提高作用有所下降,这可能是因为TSL材料抗拉强度和黏结强度有限,随着加载率的提高,TSL厚度和接触面形式对动态抗拉强度影响不大,这一点可以从图8(d)得出。图9为DIF(dynamic increase factor)随加载率的变化图。从图9可以看出,施加TSL能明显提高砂岩的DIF,每一组砂岩的DIF随着加载率的提高而提高,但是随着TSL的厚度增加,DIF随加载率增加的速率开始降低,DA,DB和DC 3组试样均呈现类似的规律。这与图8中,动态抗拉强度随厚度的增加而增加存在一定差异。这可能是由于厚度的增加,在静载下更容易发挥材料的支护性能。而动载下,由于加载速率高,厚度增加对DIF影响提高作用降低。

(a)

图9 DIF随加载率的变化图

静载和动载下TSL对砂岩抗拉性能的研究表明,TSL在静载和动载下的力学性能表现存在一定的区别。在静载下,不同接触面和不同厚度TSL对砂岩静态抗拉强度和劈裂破坏均有明显的改善,随着厚度的增加和接触面粗糙度的增加,效果越好;而在动载下,当接触面为光滑面时,TSL对砂岩动态强度有一定的提高作用;而当接触面为不光滑时,TSL对砂岩的动态抗拉强度有明显的改善作用,随着接触面粗糙度的增加,厚度改变表现不再明显,当加载率超过一定值时,接触面粗糙度和TSL厚度的增加对砂岩动态强度不会显著提高。因此,当TSL材料主要用于受静载荷为主的工程时,效果明显,可以根据实际工程需要适当选取合适的厚度;而当TSL材料主要用于受动载荷为主的工程时,在设计支护时,需要综合考虑接触面的形式以及TSL的厚度。

2.2 TSL对岩石巴西劈裂破坏的影响

图10为静载下砂岩的巴西劈裂破坏图。从图10可以看出,试样在静载作用下,沿加载线方向劈裂成两半,在与加载端接触的部位存在次生裂纹,为典型的巴西劈裂破坏。图11为砂岩在TSL作用下的巴西劈裂破坏图。从图11可以看出,所有试样破坏后,TSL与岩石仍然紧密结合,没有发生分离现象。随着TSL施加厚度的增加,劈裂线两端的次生裂纹逐渐消失,破裂面(直线段)由相对较为平整的平面逐渐变成凹凸不平的平面。这表明,随着TSL厚度的增加,由于TSL良好的黏结性和抗拉性能,使得TSL与岩石成为一个整体,改善了岩石的受力特征,减少了岩石次生裂纹的出现;同时由于TSL存在一定的不均匀性,使得劈裂面不是理想的平整面。这些现象都说明了TSL对静载下抗拉性能有这明显的改善作用,即使是破坏后,支护材料仍然与剩余岩石紧密结合,在工程实际中支护效果显著。

(a) JA-1

试验中采用SA5高速摄影仪记录试样破坏过程,分辨率为448×424,采样频率为35 000 fps/s,间隔拍摄时间大约为29 μs。冲击前,对试样进行散斑处理,冲击完成后,采用GOM软件获得试样劈裂过程的应变场变化图。根据巴西劈裂试验原理可知,当裂纹沿加载线贯通后,劈裂试验已经完成,因此,分析劈裂破坏过程只选取到裂纹形成前后时间,需要指出的是,DIC应变场中每张图片中的颜色只针对本张图片不同位置应变的对比,即前后张图片颜色深浅并没有任何关系。图5(b)为砂岩试样D0-3的应力-时间曲线图,由图5(b)可以看出,试样在87 μs时达到应力峰值后应力值迅速减小,此时试样应该已经发生破坏。图12为砂岩动态劈裂过程及应变场变化图。从砂岩动态破坏过程可以看出,随着加载时间的增加,试样在时间116 μs左右出现宏观水平裂纹;而从DIC应变场变化过程来看,由于动载荷加载速度快,在出现裂纹前,试样应变场与巴西劈裂弹性应力场分布情况不一致。当加载至87 μs时,垂直加载线方向已经出现了较大的应变,最大应变值为0.23%,当加载时间至116 μs时,最大应变值为1.16%,形成水平裂纹,与实际较为相符。由于本次高速摄影仪以清晰度为主,因此记录频率相对较低,无法准确记录到试样起裂那一刻,但是从上述分析可知,试样起裂应该是发生在87～116 μs,和加载曲线相符。这表明通过DIC测的应变能较好体现劈裂过程试样的应变变化规律。为此,选取了每组试样加载率相近的试样进行处理,获得冲击过程中试样的应变场变化图,图13为DA组试样冲击破坏过程的应变场变化过程。从图13可以看出,加了TSL的试样,动载下起裂过程与砂岩相似,但是裂纹出现时间存在一定差异。从图13可以看出,除了DA1组和DA3组,在TSL的作用下,垂直试样加载线方向的应变增加相对缓慢,裂纹形成时间大约推迟了29 μs,相当于应力波在试样中来回传播一次,这表明,TSL材料能提高砂岩的抗拉强度,改善抗拉变形性能。DB组和DC组试样冲击过程应变场变化规律整体上与DA5组试样相近,并没有显示试样起裂时间延迟的现象。为了更加直观体现出TSL对砂岩变形的影响,通过GOM软件计算出试样最大应变值随加载时间的变化。图13为通过DIC技术测得试样劈裂过程试样最大应变值随时间的变化。从图13可以看出,在116 μs时,试样D0-3,DA1-2和DA3-5的最大应变已经超过1%,试样已经完成劈裂,而其他试样在116 μs时,在TSL的作用下,试样的最大应变只有0.5%,仍未形成宏观裂纹。这表明,在TSL材料支护后,砂岩抵抗拉伸变形的能力获得了提高,且随着厚度和接触面粗糙度的增加而增加。为了进一步观察冲击荷载下试样表面的变形特征,在垂直加载线方向上布置3个虚拟引伸计来测量劈裂过程试样的位移,每个引伸计长20 mm,引伸计之间的距离为1/4D,即12.5 mm。通过测得的数据,发现3个引伸计测得位移随时间的变化规律几乎一致,其中引伸计1获得数据均略微大于引伸计2和引伸计3的数值,这应该是因为试样从中心起裂,所以引伸计1相比引伸计2和引伸计3略微提前发生位移,这也证明了,本次试验中试样劈裂沿中心起裂破坏。为了更加客观表征试样劈裂过程位移的变化,取三者测量的平均值,观察其随时间的变化,结果如图15所示。从图15可以看出,除了DA1和DA3两组之外,其他组在TSL作用下,位移增长相对较慢,且在120 μs处均小于0.1 mm,这与之前应变场和最大应变规律相近。因此,通过上述分析发现无论是静载还是动载,TSL对砂岩的抗拉破坏性能均有较好的提高作用。其中,动载下的提高作用受接触面的形式和TSL厚度影响较大,接触面越粗糙,厚度越大,支护效果越明显。

(a) 0

(a) 0

图14 劈裂过程试样最大应变值随时间的变化

图15 劈裂过程试样拉伸位移随时间的变化

2.3 TSL作用机制

TSL材料具有良好的黏结能力,使得TSL与岩石紧密结合,形成一个整体,且该材料抗拉性能和抗压性能相近,变形能力好,从而能改善砂岩的抗拉性能。随着岩石表面粗糙度增加,TSL材料与岩石接触面增加,从而提高岩石的抗拉性能,这与传统支护材料类似。然而相比其他材料,TSL良好的变形性能和黏结能力,使得TSL材料能够容易进入到岩石的表面上的裂缝和缝隙中,这一点图11中可以观察到,无论光滑型还是粗糙型接触面,TSL材料均与接触面完好接触,从而进一步改善岩石的抗拉性能。在静载下,加载速率相对较低,TSL材料对不同接触面形式均有明显的提高作用;随着加载率的提高,光滑接触面不能较好的发挥TSL的黏结能力,对砂岩动态强度提高不明显,需要较大的厚度才能发挥作用;随着接触面粗糙度的增加,TSL的黏结能力得以施展,从而改善砂岩动态抗拉性能。需要指出的是,TSL是一种被动支护,随着外力的增加,才会开始发挥支护作用,当加载率过高时,试样受力瞬时增大,TSL材料将不能很好的发挥支护作用。在本次研究加载率范围内,TSL材料能较好的发挥支护效果。

3 结 论

(1) 静载下,TSL对砂岩抗拉强度具有明显的提升作用,且随着接触面粗糙度的增加,提高效果越明显;但当厚度超过3 mm后,随着厚度的增加,支护效果不再显著提升。

(2) 动载下,TSL对砂岩抗拉强度提高受接触面粗糙度、TSL厚度以及加载率三者共同影响。当加载率较低时,动态抗拉强度随着接触面粗糙度的增加而增加,随着TSL厚度的增加而增加,当加载率较大时,增加接触面粗糙度和TSL厚度对砂岩动态抗拉强度提升效果不明显。

(3) 无论静载、动载,破坏模式均为沿加载线劈裂破坏。静载下,随着TSL厚度和接触面粗糙度的增加,应力集中得到较好的改善,次生裂纹较少,劈裂面由平整型转为粗糙型;动载下,接触面为光滑型时,TSL厚度达到5 mm才能较好的改善砂岩的抗拉变形性能,而接触面为粗糙型时,TSL对砂岩抗拉性能改善明显,能延缓砂岩的起裂时间。

本次研究只考虑了3种接触面,且相对规则,与实际存在一定的差异,在今后的研究中将考虑更多接触面的形式,使得研究更加贴合实际。