巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)的相似理論研究

1兩相似物系統(tǒng)的幾何相似本實(shí)驗(yàn)使用相似理論建立了物理模型。由于在對(duì)拉脫帶內(nèi)坍塌巖石塊壓力的研究中，為了忽視重量，可以忽略巖屑的重量。只考慮巖石的壓力。當(dāng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與自然系統(tǒng)具有類似的彈性結(jié)構(gòu)時(shí)，在幾何相似和負(fù)荷相似的情況下，兩種相似物體的電壓和變遷具有以下關(guān)系。f(σ,Ρ,Μ,Ε,μ,l)=0Cσ=Cp/C2ll2=CE;Cx=Cp/CECl=Cl;Ce=1式中,σ為應(yīng)力;Ρ為總載荷;Μ為總彎矩;Ε為彈性模量;μ為泊松比;l為特征尺寸;x為線位移;C為兩相似系統(tǒng)對(duì)應(yīng)物理量比值?？梢妼?duì)應(yīng)力、位移并無(wú)限制。故同樣適用于大變形非線性問(wèn)題,只要滿足幾何相似及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系相似則結(jié)論均適用。實(shí)驗(yàn)中采用的材料均為從煤礦井下所采得的新鮮、具有代表性的巖樣,故CE=1。綜上所述,該實(shí)驗(yàn)所模擬的系統(tǒng)中涉及物理量與實(shí)際采空區(qū)系統(tǒng)相似關(guān)系如表1所示。2實(shí)驗(yàn)加載及維持時(shí)間本次實(shí)驗(yàn)是選用有代表性的灰?guī)r和煤矸石(主要由粘土礦物組成)作為試樣,將其破碎為1cm～2cm粒徑左右的碎塊來(lái)模擬垮落帶內(nèi)破碎的巖石塊體。裝入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的裝載容器(活塞)在MTS電液伺服巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行逐級(jí)加載,具體加載方式、各級(jí)加載應(yīng)力及其維持時(shí)間如表2所示(注:每次加載歷時(shí)10s,并且該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)定為每隔50s自動(dòng)記錄一次時(shí)間、位移和軸向力的數(shù)值)?？紤]到地下水對(duì)軟巖力學(xué)性質(zhì)影響比較大,對(duì)硬巖的影響很小,故第三個(gè)試樣為用水飽和了的軟巖(煤矸石),且對(duì)加載的終止壓力、各級(jí)加載應(yīng)力及其維持時(shí)間也作了相應(yīng)的改變以達(dá)到最佳對(duì)比效果。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果和原因根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)作圖1、圖2、圖3,對(duì)其分析如下。3.1采空區(qū)地下水層巖石力學(xué)性質(zhì)特征如圖1所示,對(duì)硬巖和軟巖(干)采用了相同的加載方式并且應(yīng)力持續(xù)時(shí)間也一致。但從t=0s直至加載結(jié)束,硬巖的應(yīng)變量始終遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于軟巖(干)的,最終為0.2,約為軟巖應(yīng)變量0.39的1/2?？梢娺@兩種巖石的力學(xué)性質(zhì)相差很大,在相同的負(fù)載下,硬巖的變形量較軟巖小,致使采空區(qū)上方的地面沉陷量也較軟巖的小。軟巖(濕)各級(jí)加載應(yīng)力均為軟巖(干)相對(duì)應(yīng)力值的1/1000,前3小時(shí)加載時(shí)間也一致,但軟巖(濕)各階段的變形量均較軟巖(干)大,其應(yīng)變曲線始終位于軟巖(干)的上方,軟巖(濕)所受應(yīng)力僅為軟巖(干)的1/1000,而變形量卻較軟巖(干)大,可見水對(duì)軟巖力學(xué)性質(zhì)的影響是十分顯著的。3.2軟巖濕變形曲線在圖2中,可見硬巖的應(yīng)力—應(yīng)變曲線整體呈反S型,可分為三個(gè)階段,第一和第三階段曲線較平直,這符合致密巖體的變形曲線,變形模量較大,塑性變形量小。但該曲線中間部分的應(yīng)變突然增大(所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值為6MPa～8MPa左右)。這主要是因?yàn)樵搸r石樣品是模擬垮落帶內(nèi)的破碎塊體受壓而非完整巖樣,破碎的巖樣內(nèi)部有很大的空隙、裂隙等結(jié)構(gòu)面,而結(jié)構(gòu)面在法向應(yīng)力作用下,開始變形較快,變形量也較大,隨后逐漸變慢,變形量也趨于常量,結(jié)構(gòu)面趨于閉合進(jìn)而再次體現(xiàn)出致密巖體的變形規(guī)律。而在軟巖(干、濕)的變形曲線上沒(méi)有明顯的這種現(xiàn)象,主要與軟巖的性質(zhì)軟弱、發(fā)生塑性變形充填孔隙有關(guān)。軟巖變形曲線屬于上凹型曲線,開始變形較快,曲線幾乎水平,這是因?yàn)樵诤奢d作用初期,其內(nèi)部孔隙逐漸被壓實(shí)、閉合,使應(yīng)變曲線傾斜較緩。在應(yīng)變量為0.1時(shí),兩條曲線分開,軟巖(濕)仍以很大變形量上升,軟巖(干)的應(yīng)變率減少,這主要是軟巖受到水的軟化溶解作用,并且改變了巖體的受力狀態(tài)而引起的。然后如圖1中分析一致,軟巖(濕)的應(yīng)變量始終大于軟巖(干)的數(shù)值。隨著荷載的增加,曲線斜率也增大了,塑性變形趨于穩(wěn)定,曲線呈直線上升。3.3采空區(qū)地表下沉速度演變特征結(jié)果圖3中以△ε/△t(應(yīng)變率)作為縱坐標(biāo),以時(shí)間為橫坐標(biāo),顯示出三個(gè)試樣的應(yīng)變率隨時(shí)間(壓力)的變化關(guān)系。圖中6個(gè)峰值點(diǎn)反應(yīng)了6次瞬時(shí)(10s)加壓的過(guò)程,每個(gè)峰值右側(cè)的一段則為在此壓力下試樣發(fā)生蠕變的反映。對(duì)每個(gè)恒壓階段試樣蠕變的應(yīng)變率曲線觀測(cè)可發(fā)現(xiàn)以下兩種情況。①在第一個(gè)恒壓階段,軟巖(濕)應(yīng)變率最大,反應(yīng)其變形最快,軟巖(干)次之,而硬巖則幾乎為零。在第二個(gè)恒壓階段,軟巖(濕)的應(yīng)變率達(dá)到最大值,軟巖(干)和硬巖的也相應(yīng)增大。在第三個(gè)階段,軟巖(干)、軟巖(濕)的值大小相當(dāng),軟巖(濕)應(yīng)變有衰減趨勢(shì)并一直持續(xù)到最后。而軟巖(干)在第四個(gè)階段達(dá)到應(yīng)變率最大值,然后衰減,硬巖則在第五階段達(dá)到其最大值,這恰好與對(duì)圖2中所分析的硬巖發(fā)生其最大變形速率時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力大小是一致的。在第六個(gè)階段中恒壓歷時(shí)60min時(shí),其應(yīng)變率值最終均降為0,說(shuō)明已趨于穩(wěn)定,即使是軟巖(濕)的60min～120min范圍內(nèi)也全為0。②橫向?qū)Ρ瓤砂l(fā)現(xiàn),硬巖是最后達(dá)到其最大應(yīng)變率值的,軟巖(干)次之,而軟巖(濕)則是最先達(dá)到的,三條曲線均隨時(shí)間先增大至最大值再減小為零。這與采空區(qū)地表下沉速度的變化趨勢(shì)是一致的,這可以說(shuō)明巖性及其水理性質(zhì)對(duì)采空區(qū)的穩(wěn)定性有直接的控制作用。軟巖(濕)在很小的應(yīng)力作用下達(dá)到其最大變形量的時(shí)間最短,說(shuō)明其變形開始階段和活躍階段時(shí)間很短,很容易壓實(shí),地表殘余變形量較小,穩(wěn)定較快。而硬巖很晚才達(dá)到其最大值,使地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間很長(zhǎng),殘余變形量大,造成采空區(qū)穩(wěn)定較慢。3.4巖石軟化的機(jī)理由以上分析可知,水對(duì)巖石的變形影響很大,使巖石的變形速率加快,變形量加大,從而影響巖體穩(wěn)定。主要表現(xiàn)為:①改變巖石的性質(zhì),使巖石軟化溶解,強(qiáng)度降低,特別是軟弱夾層及裂隙充填物的風(fēng)化、軟化溶解等,這是因?yàn)檐泿r顆粒之間的膠結(jié)程度較差,缺乏牢固的連結(jié),遇水易發(fā)生崩解、膨脹和泥化等;②改變巖體的受力狀態(tài),如巖體結(jié)構(gòu)面中水壓力的變化對(duì)巖體產(chǎn)生的滲透壓力作用等。4地表凹陷變形穩(wěn)定所需時(shí)間的計(jì)算覆巖的力學(xué)性質(zhì)和