硬起手腕严打无证开采

硬起手腕严打无证开采 第 31 卷第 6 期 岩土力学Vol.31 No. 6 Rock and Soil Mechanics 2010 年 6 月Jun. 2010 文章编号:1000,7598 (2010) 06,1776,05 硬石膏常规三轴压缩下强度和 变形特性的试验研究 郭印同,杨春和 (中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071) 摘 要:采用伺服刚性试验机对硬石膏进行了不同围压下的常规三轴试验，研究了硬石膏的强度和变形特性。结果表明，在低围压下硬石膏破坏方式为剪切破坏;在围压超过 10 MPa 时，硬石膏表现出明显的塑性流动特性。观察试验后试样发现， 在围压为 18 MPa 时，硬石膏已经没有明显的破坏面，而是表现出明显的膨胀现象。硬石膏的峰值强度与围压近似成正比例 关系。了峰值应变、弹性模量随围压的变化规律，其结果表明:随着围压的升高，硬石膏的的峰值应变与弹性模量均逐 渐增加。根据三轴试验结果绘制了摩尔包络线，采用回归分析得到了强度准则和抗剪强度参数 c、? 值，其研究结果可为地 下工程提供参考与借鉴。 关 键 词:硬石膏;三轴试验;强度特性;围压;应力-应变曲线 中图分类号:TU 452 文献标识码:A Experimental investigation on strength and deformation properties of anhydrite under conventional triaxial compression GUO Yin-tong，YANG Chun-he (State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering , Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China) Abstract: Experiments were carried out to study the strength and deformation properties of anhydrite under conventional triaxial compression by servo-controlling testing machine. The experimental results indicated that failure surface was shear failure under low confining pressure; when the confining pressure up to 10 MPa, anhydrite behaves obvious plastic flow characteristic; under confining pressure of 18 MPa, these was no obvious failure surface , that is shown volume expansion. It is approximately linear relationship between peak strength and confining pressure. The peak strain and elastic modulus varieties under different confining pressures were also analyzed. The results indicate that the peak strain and elastic modulus increase with confining pressure increase. Protracted Mohr circle envelope curve using triaxial compression results. Regression analysis strength criteria and shear strength parameters c、? , the presented results can be expected to provide useful references to the analysis of underground engineering. Key words: anhydrite; triaxial compression; strength properties; confining pressure; stress- strain curve ,[18] 了大量的三轴试验研究 ，得到了有益的结论。 1 引言随着国内基础建设的发展，对石膏这一化工产 品需求量日益增加，但地下开采过程中经常发生采 岩石强度和变形特性是理论计算和设计工作的空区顶板冒落事故，造成人员伤亡。另外，目前我 基础，是岩石力学与工程研究的重要课题之一。在 国地下盐矿开采中也经常遇到盐岩与硬石膏互层的 地下采矿、边坡、地下能源储备等工程中，岩体均 地质条件，给水溶开采法的应用带来诸多问题，如 处于三向应力状态下，因而研究三向应力状态下岩 我国目前开展的江苏金坛和湖北云应能源储备库工 石的强度和变形特性，对于探明岩石的破坏机制、 [1]程中，均遇到了盐岩与硬石膏互层状况。硬石膏 变形破坏方式等均有重要的工程实践意义。前人针 [9]与其他岩石在力学性质上存在较大差别，主要体 对花岗岩、大理岩、砂岩、煤岩、盐岩等岩性进行 收稿日期:2009-09-23 基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)(No.2010CB226701);国家自然科学青年基金(No. 50904062)。 第一作者简介:郭印同，男，1981 年生，博士研究生，主要从事岩石力学及在石油工程中的应用研究。E-mail: guoyt0724@yahoo.com.cn 现在其强度介于硬岩和松软岩石之间，且风化速度操控。 快，遇水易发生潮解等方面。针对盐穴能源储备库 在单三轴试验过程中，采用位移控制方式，加 这一热点问题，在研究盐岩力学特性的同时也要关 载速率为 0.2 mm/min，直到试样破坏后卸压。 注与其互层的硬石膏，开展硬石膏的力学特性研究 2.3 试验 就显得尤为重要。 本次试验对加工的试样进行 5 级(2、6、本文对取自某石膏矿的硬石膏试样进行常规三 10、14、18 MPa)围压下的常规三轴压缩，每级围 轴压缩试验，研究硬石膏的强度和变形特性，为地 压采用 3 个试样进行压缩试验。在试验过程中，安 下岩土工程设计时岩石力学参数的选取提供参考依 装链式轴向与径向应变传感器，得到其应力-应变全据。 过程曲线，然后对所采集数据进行分析，选取每级 2 试验设备和试样加工 围压最接近平均值(以偏应力和弹性模量为准)的 试样数据，综合分析其在不同围压下的强度和变形2.1 试件加工 本次试验采用从某石膏矿取得的大 特性。 块岩样，按 照国际岩石力学学会(ISRM)的标准，加工成直径3 试验结果及分析 为 50 mm、长度为 100 mm 的标准圆柱试样，误差 为 ?0.5 mm ，为保证硬石膏的原性状，加工试样过 3.1 应力-应变全过程曲线 不同围压下硬石膏的应程中全部采用干法打磨。 力-应变关系曲线如图 2 2.2 试验设备 三轴压缩试验是在长春市新特技术 所示。从曲线中可以看出，在低围压(2、6 MPa) ,[26]有限公司与 下分为 4 个阶段，第 1 阶段为初始压密阶段， 中国科学院武汉岩土力学所岩石流变组共同研制的轴向应力增加很小，产生较大的轴向应变，而径向 XTR01 型微机控制电液伺服试验机上进行(如图 1 应变几乎没有增加，形成这一特性的主要原因在于 所示)。试样内部中的微裂隙在轴向压力的作用下发生闭 合，岩石中孔隙比减小;第 2 阶段为弹性变形阶段， 这一阶段的曲线基本上呈直线状态，在产生较小轴 向与径向应变下，轴向应力增加很快，应力-应变呈 线性关系，硬石膏处于压缩状态;第 3 阶段为塑性 变形阶段，当达到扩容点以后，曲线出现明显的轴 向应力增加缓慢，轴向应变和径向应变增加很快， 屈服阶段持续时间长，表现出明显的软岩流动的特 征;第 4 阶段为破坏阶段，当硬石膏达到峰值时进 入到破坏阶段，虽然此时已经超出了峰值强度，但 试样仍具有一定的承载能力，硬石膏试样达到峰值 强度后不像其他脆性岩石呈突然的崩裂，而是仍然 具有较大的承载能力。在围压达到 18 MPa 时，试 图 1 XTR01 型微机控制电液伺服试验机 样无破坏阶段，硬石膏表现明显的应变硬化特性， Fig.1 Electric-fluid serving compression machine XTR01 与盐岩有类似力学性质。 试验后照片如图 3 所示，在低围压(6 MPa) 高温高压三轴的主要技术参数如下: (1)轴压系统 最大轴向试验力为 2 000 kN， 时，试件有明显的剪切破裂面;在高围压(18 MPa) 最大工作油压为 28 MPa ，最大轴向变形量为 时，并没有观察到明显的破裂面，而是出现明显的5.0 mm，最大径向变形量为 2.5 mm，最大活塞位移 膨胀现象。分析原因认为:在低围压硬石膏达到屈 量为 100 mm，以上各示值的测量精度均小于 1%。 服应力时，由围压提供的摩擦力还不能抑制裂隙的 (2)侧压系统 最大侧向压力为 100 MPa，测 滑移，产生塑性变形，最终形成一组明显的破裂面。量精度小于 1%。 随着围压的增加，轴向应力在试样屈服过程中持续(3)微机系统 双位微机控制，控制界面直观， 增加，由围压和轴向应力共同提供正应力，使得裂 智能化程度高，设置灵活，操作简便，后期数据处 隙摩擦力承载能力超过材料的凝聚力，抑制裂隙的 理能力强。各项数据由微机自动采集，并可在电脑[10]滑移。其岩样内部材料强度高的也会逐步屈服， 屏幕上实时生成曲线(可自定义)，便于实时分析和 1778 岩土力学2010 年 继而产生新的裂隙，从而多个断面相继屈服，塑性的岩性互层，有利于地下工程结构的稳定。变形持续增加，使岩样在轴向压缩过程中出现屈服 平台。 表 1 硬石膏三轴压缩试验结果 Table 1 Test results of anhydrite under triaxial compression 18 MPa 试样编号泊松比围压/MPa 偏应力/MPa 弹性模量/GPa 70 # 60 2 38.93 15.35 0.185 114 MPa # 50 26 42.41 16.67 0.108 # 40 310 48.67 18.08 0.119 10 MPa # σ30 414 56.67 20.86 0.129 -1 6 MPa # 18 63.39 21.36 0.182 520 2 MPa )/MPaσ (3 10 0 摩尔-库仑强度准则认为，岩石的破坏主要是剪 0 0.5 1.0 1.5 切破坏。岩石的强度，即抗摩擦强度等于岩石本身 ε /% 抗剪切摩擦的凝聚力和剪切面上法向力产生的摩擦 图2 硬石膏常规三轴压缩应力-应变曲线 力。该准则在实际工程中广泛应用， 硬石膏的强度Stress-strain curves of anhydrite under conventional Fig.2 准则表达式为 triaxial compression τ = c + σ (1) tan ? 式中:τ 、σ 分别为剪切破坏面上的剪应力和正 应 力; c 、? 分别为岩石的凝聚力和内摩擦角。 库仑准则可以通过摩尔极限应力圆直观图解表[11]示，具体推导过程限于篇幅未能列出。在常规三 剪切破坏面轴压缩条件下，可以经过推导得到下式: (2) σ= Aσ+ 18 MPa 1 3 6 MPa B 1 + sin ? 2c cos? A ? 1 ? ? 式中:A = , B = , ? = arcsin 。 ? ? 1 ? sin ?1 ? sin ?A + 1 ? ? 图 3 硬石膏典型三轴试验后照片 Fig.3 Typical samples of anhydrite under 由试验参数 A 和 B 值，可确定凝聚力和内摩擦 triaxial compression 角。根据最小二乘法，本次试验数据拟合曲线如图 4 所示，得到 A 和 B 值分别为 2.579 5、34.219，相 3.2 硬石膏强度特性 2 关系数 R= 0.993 9。 从图 2 和表 1 可以看出，硬石膏在不同围压下 的强度特性表现为:随着围压的增加，岩石的屈服 100 应力(应力-应变曲线上屈服点处的应力)与偏应力 80 (σ? σ) 均逐渐增大。围压从 2 MPa 增加到 18 1 3 60 MPa 时，偏应力从 38.93 MPa 增加到 63.39 MPa。 1 40 y = 2.579 5x + 34.219 随着 围压逐渐增大，试样的变形出现屈服平台， σ/MPa 2 R= 0.993 9 20 呈现塑 性流动，即岩石峰后表现为理想塑性，此时，对应 0 10 0 5 15 20 [8]的围压称为转化围压。本次试验中，对应围压值 σ 3 为 10 MPa。当围压低于转化围压时，岩石应力-应 /MPa 变曲线上有一峰值点(峰值强度);当围压继续增大 图 4 岩样峰值强度与围压的关系而高于转化围压时，岩石应力-应变曲线上不再出现 Fig.4 Peak strength-confining pressure curves 峰值点，而呈单调增加趋势，岩石表现为应变硬化 of rock specimens 特性，这一特性与本课题组进行的大量盐岩试验力 学特性相似。在盐穴能源储备库工程中，对于盐岩 由式(2)计算得到硬石膏的凝聚力和内摩擦角 与硬石膏互层的复杂地质情况，两种力学性质相似 分别为:10.65 MPa、26.18?。摩尔圆包络线如图5 所示。 3.4 峰值应变与围压的关系 60 τ =1.53σ +10.65 在常规三轴压缩条件下，岩石的变形特性将受 45 到围压的影响。围压可以限制岩石裂纹的产生和扩 30 展，阻止岩石矿物颗粒间的相对滑移，从而提高岩 /MPa E/GPa τ 石延性变形能力。具体表现为低围压下的脆性向高15 围压下的塑性转换的规律，随围压的增加，塑性应 0 变在总应变量中所占的比例也逐渐增加，因而围压 0 15 30 45 90 105 60 75 与峰值应变之间必然存在某种相关关系。 σ/MPa 这里定义试样达到峰值强度时对应的轴向应变 图5 摩尔圆包络线 和径向应变为峰值轴向应变和径向应变。从图 7 可 Fig.5 Envelopes of Mohr-Coulomb circle 以看出，围压与峰值应变两者显著成线性关系(除 #去 4试样数据，试验后发现少量进油)，轴向峰值 3.3 弹性模量与围压关系 应变与围压拟合关系式为:y = 0.053x + 0.319 6;径 向峰值应变与围压拟合关系式则为 y = -0.044 2x - 三轴压缩试验围压对弹性模量的影响，不同岩 2 ,[1214]0.171 2，相关系数 R分别为 0.988 9、0.879 7。此 石所得到的试验结果明显不同。所谓弹性模 处得到围压与峰值应变间的对应关系，对研究两种 量，即应力-应变曲线中呈直线阶段的应力与应变之 或多种岩性互层条件下，分析其不同围压下的变形比值(或者是该曲线在直线段的斜率)。就模量的概 念而言，岩石的模量还有初始模量、切线模量、割 线模量等。德国 Kaman 在 1911 年最早做出的经典 规律，为分界面处的连续变形问题提供有益的帮助。的大理岩单轴和三轴试验结果表明，大理岩的弹性 模量并不随围压变化而变化，与单轴压缩试验的弹 1.5 轴向峰值应变 性模量相同。也有研究表明，沉积岩石的弹性模量 1.0 y = 0.053x + 0.319 6 均随围压增大而增大，并呈非线性关系。本次试验 0.5 2 R= 0.988 9 0.0 中，硬石膏的弹性模量随围压的变化与岩石内部的 0 5 10 15 20 τ /MPa σ /MPa-0.5 3 缺陷和致密程度密切相关，围压增大有助于硬石膏 径向峰值应变-1.0 y = -0.044 2x - 0.171 2 内部裂隙、孔隙等缺陷压密闭合，增大了硬石膏的 -1.5 2 R = 0.879 7 刚度，其弹性模量也相应增大。 图 7 峰值应变与围压的关系 从图 6 中可以看出，在本次试验围压范围内， Fig.7 Relationship between peak strain and 随着围压的增加，弹性模量近似呈线性增加。但从 confining pressure 图中也可以发现，增加趋势是由低围压到高围压逐 渐降低，在围压 14、18 MPa 时，弹性模量的增加 4 结论 明显变缓，存在一个围压的临界值。当超过这一围 本文着重研究了硬石膏在常规三轴压缩过程中压后，弹性模量随围压不再变化，为一定值。限于 的强度和变形特性，为石膏矿开采与地下能源储备 本次试验设置围压较低，未能确定出该临界点，在 工程建设提供了技术参数，主要取得了以下几个结 后续工作中将继续深入研究。 论: (1)低围压下，硬石膏表现出应变软化;高围 压下，硬石膏表现出明显的应变硬化特性，与盐岩 25 有类似的力学性质。 20 (2)在低围压时，由围压提供的摩擦力不能抑 15 y = 0.405 3x + 14.412 10 2 R= 0.966 4 制裂隙的滑移，三轴破坏形式为明显的剪切破坏面;5 0 在高围压时，由围压和轴向应力共同提供正应力，0 5 15 20 10 使得裂隙摩擦力承载能力超过材料的凝聚力，抑制 σ/MPa 3 裂隙的滑移，同时产生多组新的裂隙，试样没有明 图 6 弹性模量与围压关系曲线 显的破坏面，表现为侧向膨胀。 Fig.6 Relationship between modulus of elasticity (3)硬石膏的峰值强度σ与围压 σ 之间存1 3 and confining pressure 在 1780 岩土力学2010 年 compression of coal[J]. Rock and Soil Mechanics, 2006, 线性关系，根据本次试验数据拟合得到:y =2.579 5x 2 27(10): 1763,1766. + 34.319，相关系数 R为 0.993 9，在高围压是否符 杨圣奇, 苏承东, 徐卫亚. 大理岩常规三轴压缩下强度 [7] 合这一规律有待进一步研究。 和变形特性的试验研究[J]. 岩土力学, 2005, 26(3): 475 (4)根据三轴试验数据结果，采用最小二乘法， ,478. 通过回归分析得到了硬石膏的凝聚力和内摩擦角分 YANG Sheng-qi, SU Cheng-dong, XU Wei-ya. 别为 10.65 MPa、26.18?。Experimental investigation on strength and deformation properties of marble under conventional triaxial 参 考 文 献 compression[J]. Rock and Soil Mechanics, 2005, 26(3): 杨春和, 李银平, 屈丹安, 等. 层状盐岩力学特性研究 [1] 475,478. 进展[J]. 力学进展, 2008, 38(4): 484,494. 刘新荣, 余海龙, 姜德义, 等. 岩盐顶板复合岩石力学 YANG Chun-he, LI Yin-ping, QU Dan-an, et al. [8] 性质试验研究[J]. 重庆建筑大学学报, 2004, 26(3): 32 ,36. Advances in researches of the mechanical behaviors of bedded salt rocks[J]. Advances in Mechanics, 2008, LIU Xin-rong, YU Hai-long, JIANG De-yi, et al. Experimental study of compound rock’s behavior at rock 38(4): 484,494. 刘江, 杨春和, 吴文, 等. 盐岩短期强度和变形特性的 salt’s over-layer[J]. 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