新型巖石相似材料物理力學(xué)參數(shù)影響因素的試驗(yàn)研究

林海飛，翟雨龍，李樹剛，趙鵬翔，李 莉

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.教育部 西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

新型巖石相似材料物理力學(xué)參數(shù)影響因素的試驗(yàn)研究

林海飛1,2，翟雨龍1,2，李樹剛1,2，趙鵬翔1,2，李 莉1,2

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.教育部 西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

運(yùn)用巖石力學(xué)、單因素分析法等理論與方法，通過制作以砂子、石蠟、油等原料的相似材料試件，開展了不同沖擊次數(shù)、骨料粒徑、油含量試件力學(xué)性質(zhì)測試試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在石蠟砂子質(zhì)量之比、油含量等因素一定時(shí)，沖擊次數(shù)為7次、5次、3次，其峰值分別為0.180,0.142，0.123 MPa，沖擊次數(shù)多的試件抗壓強(qiáng)度高于沖擊次數(shù)少的。骨料粒徑為：0.2～0.3，0.3～0.45，0.45～0.9 mm，其峰值分別為0.079，0.114，0.145 MPa，骨料粒徑大的試件的抗壓強(qiáng)度總是高于骨料粒徑小的。油含量為0，10，20 mL，其峰值分別為0.197，0.124，0.108 MPa，油含量大的試件抗壓強(qiáng)度低于油含量少的。試件的抗壓強(qiáng)度隨著沖擊次數(shù)的不斷增大，均隨之增大；隨著骨料粒徑不斷增大，均隨之增大；隨著油含量的不斷增加，均隨之減小。這些研究成果對相似材料模擬試驗(yàn)具有一定意義。

相似模擬；抗壓強(qiáng)度；影響因素；骨料粒徑；沖擊次數(shù)；油含量

0 引 言

相似材料模型能夠真實(shí)反映地質(zhì)構(gòu)造和地質(zhì)力學(xué)特征，但對于固流耦合、固氣耦合問題，相似模擬非常復(fù)雜，模擬材料必須同時(shí)滿足固體變性和滲透性2個(gè)相似條件[1]。左保成[2]等分析了養(yǎng)護(hù)方式、砂膠比及膠結(jié)材料的配比、時(shí)間等因素對試塊的影響。候忠杰、張杰[3]以砂子作為骨料，石蠟作為膠結(jié)劑進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究得出了與實(shí)際相似的“固-液”耦合相似材料的配比。李樹忱[4]等以滑石粉、機(jī)油等為相似材料，研制出了能滿足隧道涌水模擬試驗(yàn)的相似材料并分析了材料組份及裝模溫度對相似材料性能的影響。綜合分析發(fā)現(xiàn)[5]，在分析影響新型巖石相似材料力學(xué)特性因素時(shí)，均對沖擊次數(shù)、骨料粒徑、油含量這些重要影響因素研究的不夠充分[6-8]。因此開展試驗(yàn)分析，研究沖擊次數(shù)、骨料粒徑、油含量對相似材料力學(xué)參數(shù)的影響，也為固氣耦合試驗(yàn)打下基礎(chǔ)。

1 相似料選擇及試驗(yàn)方法與力學(xué)參數(shù)測定

1.1 相似材料的選擇

在物理相似模擬試驗(yàn)中，選擇合適的模型材料是定量模擬的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。根據(jù)前人大量的試件制作經(jīng)驗(yàn)，煤巖性相似材料的選擇應(yīng)滿足材料的某些特性與煤巖體類似；模擬過程中相似材料的力學(xué)性能比較穩(wěn)定；改變材料配比可使材料的力學(xué)特性變動范圍幅度較大；原材料來源廣泛，成本低廉，凝固時(shí)間短，便于模型的制作；模型材料的物理力學(xué)性能穩(wěn)定，尤其不因溫度、濕度和時(shí)間等改變而產(chǎn)生明顯變化[9-10]。本次試驗(yàn)所制作的相似材料試件由散粒物質(zhì)制作而成，選用了不同粒徑的砂子，通過給石蠟中加入油，來控制材料的強(qiáng)度。為了控制相似材料試件的強(qiáng)度和塑性破壞，選用了低溶度優(yōu)質(zhì)石蠟，石蠟加熱后，變成液態(tài)，在與沙子充分混合后，短時(shí)間內(nèi)石蠟的溫度降低，填充了沙粒之間的空隙，適合于室內(nèi)相似材料模擬[11-13]。

1.2 相似材料試驗(yàn)方案及方法

根據(jù)單因素分析法，本次試驗(yàn)中的變量N包括：沖擊次數(shù)、骨料粒徑、油含量、膠砂比等。

試驗(yàn)采用雙開模具制作圓柱體試件，尺寸為φ50 mm×100 mm，徑、高比為1∶2，可以滿足煤巖石試件的壓縮試驗(yàn)要求。本次試驗(yàn)測量的指標(biāo)是抗壓強(qiáng)度，每3個(gè)試件為一組。試驗(yàn)利用YYW型無側(cè)限壓力儀對不同配比的各組試件進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。相似材料試件成型中，順時(shí)沖擊力與沖擊次數(shù)決定了試件的物理力學(xué)參數(shù)。在控制定量沖擊的條件下，進(jìn)行沖擊次數(shù)為3次、5次、7次(在重錘為5 kg，壓件筒高度為1.5 m的條件下，自由落錘單次的沖擊力為274 N)；骨料粒徑為0.2～0.3，0.3～0.45，0.45～0.9 mm；骨膠比分別為50∶1，60∶1，70∶1，80∶1，90∶1；油含量分別為0，5，10，15，20 mL的相似材料影響因素試驗(yàn)。

表1 單因素方案表

1.3 相似材料物理力學(xué)參數(shù)的測定

試驗(yàn)利用YYW-2型手動無側(cè)限壓力儀對相似材料試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，得到其全應(yīng)力-應(yīng)變曲線。其彈性段的斜率即為相似材料試件的彈性模量E，其部分值見表2.

通過對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)相似材料的抗壓強(qiáng)度分布在0.019～0.197 MPa，彈性模量分布在2.375～27.125 MPa，泊松比分布在0.05～0.21.試驗(yàn)結(jié)果表明相似材料基本可以模擬相應(yīng)巖體材料模型力學(xué)特性[14-15]。

表2 部分試件物理力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果

2 沖擊次數(shù)對相似材料力學(xué)參數(shù)的影響

2.1 不同沖擊次數(shù)下相似材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比分析

以沖擊次數(shù)為例分析試件的應(yīng)力-應(yīng)變特性。由于試驗(yàn)試件抗壓強(qiáng)度相對較低，存在人為誤差，因此制作的試件在19 ℃下經(jīng)過48 h風(fēng)干后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試。每組試件為3個(gè)，取其平均值繪制試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖1所示。

圖1 不同沖擊次數(shù)試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Stress-strain curve of different impact times for specimen

對不同沖擊次數(shù)試件進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測試，從圖1所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，從峰值來看，不同沖擊次數(shù)試件抗壓強(qiáng)度由大到小依次為：7次、5次、3次，其峰值范圍分別為0.197，0.142，0.123 MPa.加載過程中，試件整體曲線較為穩(wěn)定，沖擊7次試件的軸向應(yīng)變在1.37%前軸向應(yīng)力為上升的，軸向應(yīng)變?yōu)樵?.37%～1.52%后出現(xiàn)明顯的應(yīng)力跌落，說明試件內(nèi)部材料瞬間破裂后形成主裂隙擴(kuò)展。沖擊5次試件的軸向應(yīng)變在1.2%時(shí)達(dá)到峰值，峰后出現(xiàn)一小段較明顯的穩(wěn)壓區(qū)，說明試件出現(xiàn)局部破壞后，但暫未影響破裂后應(yīng)力的變化，但由于材料處于低強(qiáng)度，在持續(xù)穩(wěn)壓過后，應(yīng)力出現(xiàn)較快下降。沖擊3次試件的軸向應(yīng)變在1.15%時(shí)達(dá)到峰值，峰后曲線卸壓同樣較快，應(yīng)力達(dá)到峰值后，曲線開始下降。測試試件均以近似直線的趨勢下降，呈現(xiàn)明顯脆性。

2.2 沖擊次數(shù)對不同配比相似材料力學(xué)參數(shù)的影響

在經(jīng)過19 ℃下經(jīng)過48 h風(fēng)干后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，此時(shí)試件已完全干燥，且強(qiáng)度已趨于穩(wěn)定。相似材料試件力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 試件物理力學(xué)參數(shù)隨沖擊次數(shù)變化曲線Fig.2 Curve of physical and mechanical parameter of the specimen with impact numbers

對圖2(a)數(shù)據(jù)采用線性回歸的方法進(jìn)行擬合，所得關(guān)系式見表3，擬合度處于[0.977 8，0.988 5]范圍內(nèi)，表中σc,x分別代表抗壓強(qiáng)度與沖擊次數(shù)的含量。

根據(jù)上述擬合結(jié)果可以看出，抗壓強(qiáng)度與油量在石蠟砂子質(zhì)量之比位于[0.012 5，0.02]范圍之內(nèi)，滿足以下關(guān)系式。

σc=Alnx+B.

(1)

式中σc為試件抗壓強(qiáng)度；x為石蠟與砂子之比；A，B為擬合常數(shù)，由使用材料自身性質(zhì)及制作工藝決定，其中系數(shù)B隨含油量的增加呈現(xiàn)減小的變化規(guī)律，而A，B的范圍分別為[0.015 4，0.052 3]，[0.007 8，0.126 1].

經(jīng)過圖表分析并結(jié)合公式(1)后，可知在室溫風(fēng)干后，試件由于沖擊增加了材料壓實(shí)度，沖擊次數(shù)越多，材料壓實(shí)度就越高。同時(shí)砂比重的增加導(dǎo)致砂膠比減小，試件密實(shí)程度增大，抗壓強(qiáng)度隨之增大。試件的抗壓強(qiáng)度及彈性模量隨著沖擊次數(shù)的不斷增多，均表現(xiàn)為上升趨勢。

表3 不同沖擊次數(shù)試件抗壓強(qiáng)度的的擬合關(guān)系式

3 骨料粒徑對相似材料力學(xué)參數(shù)的影響

3.1 不同骨料粒徑下相似材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比分析

通過設(shè)計(jì)單因素方案進(jìn)行試驗(yàn)，開展骨料粒徑對試件物理力學(xué)參數(shù)影響的試驗(yàn)研究。通過試驗(yàn)得到數(shù)據(jù)繪制試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，如圖3所示。

從圖3中可以看出，試件抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值并持續(xù)一小段后，試件開始形成宏觀裂隙，均出現(xiàn)明顯跌落。從峰值來看，不同骨料粒徑試件抗壓強(qiáng)度由大到小依次為：0.2～0.3,0.3～0.45，0.45～0.9 mm，其峰值分別為0.079，0.114，0.145 MPa.加載過程中，試件整體曲線較為穩(wěn)定，軸向應(yīng)變在1.25%前軸向應(yīng)力表現(xiàn)為上升，峰后出現(xiàn)一小段較明顯的穩(wěn)壓區(qū)，說明試件出現(xiàn)局部破壞后，但暫未影響破裂后應(yīng)力的變化，但由于材料處于低強(qiáng)度，在持續(xù)穩(wěn)壓過后，應(yīng)力出現(xiàn)較快下降。

3.2 骨料粒徑對不同配比試件力學(xué)參數(shù)的影響

當(dāng)膠砂比固定時(shí)，不同骨料粒徑相似材料試件力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 試件物理力學(xué)參數(shù)隨膠骨料粒徑變化曲線Fig.4 Curve of physical and mechanical parameter of the specimen with aggregate size

從圖4可知，在室溫風(fēng)干后，骨料粒徑大的試件，抗壓強(qiáng)度與彈性模量也大。分析其原因，當(dāng)骨料用量相同時(shí)，隨著骨料粒徑的增大，骨料中所存在的小顆粒砂子含量比重在減少，骨料總比面積減小，且砂子之間的接觸面增大，摩擦力相對增大。試件的抗壓強(qiáng)度隨著骨料粒徑的不斷減小，均表現(xiàn)為下降趨勢。

4 油含量對相似材料力學(xué)參數(shù)的影響

4.1 不同骨料粒徑下相似材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線

當(dāng)沖擊次數(shù)、試驗(yàn)條件、養(yǎng)護(hù)條件等相同時(shí)，試驗(yàn)僅改變油含量，分析其對試件抗壓強(qiáng)度值的影響。從相似材料大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出不同油量下相似材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律，如圖5所示。

圖5 不同含油量試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curve of different oil content specimen

通過圖5可以發(fā)現(xiàn)，隨著相似材料油量的不斷增加，其抗壓強(qiáng)度峰值不斷減小。當(dāng)試件含油量為0 mL時(shí)，其抗壓強(qiáng)度峰值為0.18 MPa，在達(dá)到峰值并持續(xù)一段時(shí)間后便急速下降。在含油量為15 mL后，應(yīng)力上升曲線較為緩慢，最大為0.078 MPa，同樣在持續(xù)一段時(shí)候后迅速下滑。

4.2 油含量對相似材料抗壓強(qiáng)度的影響

當(dāng)膠砂比固定時(shí)，不同含油量相似材料試件強(qiáng)度隨沖擊次數(shù)與骨料粒徑的變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 不同含油量試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curve of different oil content

從圖6可以看出，當(dāng)沖擊次數(shù)與骨料粒徑一定時(shí)，隨著相似材料中含油量的增加，試件的抗壓強(qiáng)度在油量處于0～10 mL階段時(shí)呈現(xiàn)迅速下降的變化趨勢，而在10～20 mL階段則保持平穩(wěn)的下降趨勢。這種先迅速下降再保持平穩(wěn)下降的變化趨勢說明試件在沖擊次數(shù)與骨料粒徑一定的條件下，含油量對相似材料的抗壓強(qiáng)度影響不穩(wěn)定，但在整個(gè)測試過程中變化相對平穩(wěn)，因此為模擬不同物理力學(xué)參數(shù)的巖石提供條件。通過調(diào)節(jié)油含量可以改變試件抗壓強(qiáng)度，油含量越高，試件抗壓強(qiáng)度就越低。

5 結(jié) 論

1)通過分析試驗(yàn)結(jié)果及全應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比，發(fā)現(xiàn)相似材料的抗壓強(qiáng)度分布在0.019～0.197 MPa，彈性模量分布在2.375～27.125 MPa，泊松比分布在0.05～0.21試驗(yàn)結(jié)果基本可以滿足新型巖石相似材料材料模型力學(xué)特性；

2)通過單因素分析法，當(dāng)沖擊次數(shù)為5次、7次時(shí)，相似材料其峰值相對于3次分別增加了28%，37%.當(dāng)骨料粒徑為0.3～0.45，0.45～0.9 mm時(shí)，峰值相對于0.2～0.3 mm分別增加了21%，45%.當(dāng)油含量為10，20 mL時(shí)，峰值相對于0 mL分別減少了37%，60%；

3)試件抗壓強(qiáng)度及彈性模量隨著膠砂比中砂含量的不斷增加，呈現(xiàn)出增大的變化趨勢；試件抗壓強(qiáng)度及彈性模量隨油量不斷增加，均呈現(xiàn)出減小的變化趨勢。

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Experimental study on influential factors of physical and mechanics parameters of similar material for new type rock

LIN Hai-fei1,2，ZHAI Yu-long1,2，LI Shu-gang1,2，ZHAO Peng-xiang1,2，LI Li1,2

(1.CollegeofEnergyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China； 2.KeyLaboratoryofWesternMineExplorationandHazardPrevention，MinistryofEducation，Xi’an710054，China)

Using rock mechanics and single factor analysis，we carry out experiment on mechanical property of specimen for different grain diameter，impact number and oil content by making similar material that is made up of sand，paraffin and oil.The test results show that the impact times are 7,5，3 times，its peak are 0.180，0.142，0.123 MPa and the compressive strength of specimen with more impact number is higher than the less one.The aggregate particle size are 0.2～0.3，0.3～0.45，0.45～0.9 mm，its peak are 0.145，0.114，0.079 MPa，and the compressive strength of specimen with larger aggregate size is higher than the smaller one.The oil content are 0，10，20 mL，its peak are 0.197，0.124，0.108 MPa and the compressive strength of specimen with more impact number is lower than the lower one.The compressive strength of specimen will increase with the impact numbers increase.The compressive strength of specimen will increase with the aggregate size increase.The compressive strength of specimen will decrease with the oil content increase.The results of study have great significance for similar material test of solid-gas coupling.

similar material；compressive strength；influence factors；aggregate size；impact number；oil content

2015-02-20 責(zé)任編輯：劉 潔

國家自然科學(xué)基金科學(xué)儀器基礎(chǔ)研究?？?51327007)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51174157，51304156)；青年科學(xué)基金(51104118)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014KJXX69)

林海飛(1979-)，男，山西大同人，博士，副教授，E-mail:3918864@qq.com

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0403

1672-9315(2015)04-0409-06

TD 325

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