磷块岩在动静加载作用下的破坏特性研究

张和培 吝曼卿 李先福 柯晓苏 张 潘

（1.武汉工程大学资源与安全工程学院,湖北 武汉 430073;2.磷资源开发利用教育部工程研究中心,湖北 武汉 430205）

伴随着磷矿产资源的不断开采和消耗,磷矿正逐步转入深部开采阶段。在深部磷矿开采过程中,磷块岩不仅受到周围岩体传递而来的围岩压力作用,还受到附近开挖扰动作用,探究磷块岩在动静作用下的破坏特性,对井下工程设计与安全开采具有重要意义。

关于岩体在动静加载下的力学特性试验,吕晓聪等[1]利用SHPB系统对砂岩进行循环冲击试验,研究了围压对岩石损伤度的影响。周宗红等[2]对白云岩进行三维加载试验,分析了围压对白云岩强度、变形模量等的影响。试验表明:当白云岩围压不变时,白云岩的抗压强度随着轴压的增大而逐渐增大,达到一定程度后又逐渐减小;且变形模量则随着轴压的增大而逐渐减小。薛东杰等[3]研究煤岩在不同加载速率下采动力学响应及破坏机制,获得了不同加载模式下煤样的力学特征参量和变形破坏特性。辛亚军等[4]对红砂岩进行了不同加载速率下的蠕变特性研究,发现在相同应力加载条件下,加载速率越大,瞬时应变变化越小,衰减蠕变应变增量越大,等速蠕变应变增量越小。唐建新等[5]研究了破碎岩石在不同加载速率条件下的承压变形,发现破碎岩样在不同加载速度下达到峰值压力的时间与加载速率呈现负相关关系。王文等[6-8]对含水煤样展开了动静组合加载试验,发现动静组合加载下的煤样强度比其静载强度高。K.Liu等[9-10]利用世界首台基于真三轴静载的霍普金森压杆系统研究砂岩的动态力学与破坏特征,并分析了砂岩在多轴静—动组合加载下的变形、强度与破坏特征。李夕兵等[11-16]对岩石动静组合加载力学特性试验进行了相关研究,探究了不同动静组合应力状态下岩体的动态力学性能、损坏形式及能量传递规律,为岩体的动态破坏机理呈现提供了有意义的指导。杨福见[17]利用静动—静组合加载对花岗岩进行了动静组合加载试验,发现经过动载扰动后的花岗岩单轴抗压强度小于未扰动时的强度。宫凤强等[12,18]对不同预静载下的红砂岩试样进行了动力扰动试验,发现了深部围岩在预静载和动力扰动组合作用下更容易发生破坏,预静载水平主导着围岩的拉伸破坏强度,且动力扰动对强度的弱化有促进作用。

由上研究可知,近年来研究花岗岩、砂岩、煤炭等在不同加载速率、不同围压或静载条件下的岩体试验,对于将围压、速率以及加载方式结合分析的试验相对较少。本文以磷块岩为研究对象,通过3组常规三轴静态加载试验和9组动静组合作用下的三轴加载试验,针对磷块岩在不同预加载、不同围压下的动静加载试验,探究磷块岩在不同加载环境下的强度规律。

1 试验方法

1.1 试件制备

试验所用磷块岩取自湖北宜昌某磷矿开采现场,将磷块岩岩样加工成φ50 mm×100 mm的圆柱体并进行编号。加工完成后的岩样有12个,分为4组:常规静载组（1#、2#、3#）、动载围压 2 MPa 组（4#、5#、6#）、动载围压3 MPa 组（7#、8#、9#）、动载围压 4 MPa（10#、11#、12#）组。 部分试件如图1所示。

图1 试件图片Fig.1 Pictures of the test piece

1.2 试验设备

加载装置选取美国GCTS公司的RXT-1000高温高压岩石三轴试验仪,该装置由压力室,围压控制器、试验台、控制分析设备组成,如图2所示。

图2 RXT-1000高温高压岩石三轴试验仪Fig.2 RXT-1000 high temperature and high pressure rock triaxial tester

1.3 试验方案

为分析不同加载环境对磷块岩损伤破坏的影响,试验选取加载速率为1 mm/min,通过试验测得试样常规静载破坏峰值应力均值。再设置试件轴向初始预静载力为常规破坏峰值应力值的70%,80%和90%,进行9组静载+动力扰动组合试验,循环荷载扰动采用正弦波加载,磷块岩试件的受力如图3所示。

图3 试件受力示意Fig.3 Schematic diagram of the force on the specimen

（1）常规三轴静载试验分2个阶段进行:第一阶段,将围压从 0 MPa分别加载至2 MPa、3 MPa、4 MPa;第二阶段,轴向载荷控制在同一速率,位移速率为1 mm/min,保持围压不变,直至试件破坏。以此来模拟磷矿在地下开挖前的原始应力状态。

（2）三轴动静组合试验主要分为3个阶段,以轴向力作为主要控制参数。第一阶段,将围压以匀速率从0 MPa分别加载至2 MPa、3 MPa、4 MPa;第二阶段,在围压不变的情况下,轴向荷载以相同的速率从0 kN加载到预定的荷载值,加载速率为1 kN/s;第三阶段,保持原始围压不变,以预定的轴向载荷为出发点,反复施加1 Hz正弦波的轴向周期性载荷,直至试件破坏。以此来模拟磷矿井下开挖扰动、放炮震动或顶板来压等动态载荷。

此外,图4给出了磷块岩在同一围压不同预静载水平和同一预静载水平不同围压下的加载路径示意图。

图4 试验加载路径示意Fig.4 Schematic diagram of the test loading path

2 试验结果分析

2.1 岩样破坏模式分析

在常规的室内三轴静态加载试验中,岩体的破坏形式基本为剪切破坏,如图5（a）所示。在动静组合加载试验中,当预静载为70%时,岩体达到破坏需要的动态加载更为密集,岩样上下两端分裂成块体,中间部位完全破碎呈细碎的颗粒状,如图5（b）所示。当预静载为80%时,岩样最终分裂成数块粒径不同的磷块,而其余部分在动态荷载的反复作用下被研磨成碎屑,如图5（c）所示。当预静载达到90%时,轻微的动态加载就能使得岩体变形破坏。岩样虽然整体发生剥落变形,但大致沿着轴向加载方向的裂隙张拉破坏,碎屑的颗粒较大且完整,岩样整体保持原有的轮廓形状,如图5（d）所示。

图5 不同预静载下岩样的破坏形态Fig.5 Damage patterns of rock samples under different pre-static loadsds

由此可以看出,磷块岩在经过动载扰动后,与常规三轴荷载试验相比,岩样的裂隙发育更加密集,破坏状态更加破碎松散,说明岩样在围压和动载的共同作用下,磷块岩体中产生了大量的竖向裂缝,并在随后的加载过程中不断扩展和交错,使其力学性能严重劣化。结合常规三轴荷载试验中岩样的破坏特征可以看出,虽然常规静态加载试验中试样的应力水平较高,但破坏模式只是典型的剪切破坏,而在动静组合共同加载下,试件的破坏形态则更为严重,除了明显的剪切破坏,变形破坏后岩体在动载作用下甚至被碾为碎屑。这说明岩体内部储存大量的弹性应变能仅是岩体发生损伤变形的条件之一,而在外界因素的动态扰动下,岩体会发生更为严重的损伤变形,甚至粉碎破坏。

2.2 磷块岩常规静载三轴试验结果

分别对1#岩样进行了围压为2 MPa条件下的三轴试验,对2#岩样进行了围压为3 MPa条件下的三轴试验,对3#岩样进行了围压为4 MPa条件下的三轴试验。

此次常规静载三轴试验结果如表1所示。

表1 常规静载三轴试验结果Table 1 Conventional static load triaxial test results

2.3 动静组合三轴试验结果

为分析研究动静组合加载下磷块岩的损伤破坏特性,通过磷块岩样在2 MPa、3 MPa、4 MPa围压下的常规静载三轴抗压强度,进而分别设置预静载水平为常规静载三轴抗压强度的70%、80%、90%,进行9组“预静载+动力扰动”系列试验:动力扰动采用正弦波加载,在扰动围压一定的情况下（围压分别为2 MPa、3 MPa、4 MPa）分别进行不同预静载（70%、80%、90%）岩样的动静组合三轴加载测试试验。动静组合作用下的三轴荷载试验数据如表2所示。

表2 动静组合三轴破坏试验结果Table 2 Dynamic and static combination of three-axis damage test results

由表2可知,在围压2 MPa 的条件下,4#、5#、6#磷块岩样的三轴抗压强度约为131 MPa,小于常规静载三轴围压2 MPa下的138.21 MPa;围压3 MPa的条件下 7#、8#、9#磷块岩样的三轴抗压强度约为149 MPa,小于常规静载三轴围压3 MPa下的161.38 MPa;围压 4 MPa 的条件下的 7#、8#、9#磷块岩样的三轴抗压强度约为176 MPa,小于常规静载三轴围压4 MPa下的188.84 MPa。由此可见,在相同的围压下,动静组合下的磷块岩三轴抗压强度降低,随着其所受围压的增加,较常规静态加载试验分别降低5.2%、7.7%、6.8%,说明所受围压越大,相同动力扰动下的磷块岩的三轴抗压强度越低。

9组动静组合加载试验的应力—应变曲线如图6～图8所示。图中滞回圈的加入是为了防止随着周期加载过程,导致曲线过于密集,因此软件中只设置了超过0.012 5 mm的轴向位移增量。

图6 磷块岩在动静组合作用下应力—应变曲线（σ3=2 MPa）Fig.6 Stress-strain curve of phosphorite under combined dynamic and static action （σ3=2 MPa）

岩石受加载过程中,加载和卸载的两条应力—应变曲线不是重合的,而是呈现出一个滞回圈[19],同样闭环的滞回圈曲线证明了岩石记忆的动静态力学响应,其一般随着岩石疲劳残余应变增大的方向移动。由图6可知,当围压为2 MPa时,随着预静载水平从70%提高到90%,岩样的三轴抗压强度分别为132.25 MPa、129.48 MPa、130.85 MPa,较常规静载下的138.21 MPa有所降低,且基本保持在稳定的区间大小。当预静载程度较小时,应力—应变曲线上滞回圈面积较大,随着预静载程度的增大,滞回圈的面积逐渐减小,轴向变形逐渐增大。由图7和图8可知,当围压为3 MPa和4 MPa时,随着预静载水平的提高,岩样的三轴抗压强度同样低于常规静载水平,滞回圈面积逐渐减小,轴向变形逐渐增大,表现形式与围压为2 MPa时的规律一致。由此说明,当围压相同时,应力—应变曲线上滞回圈的面积随着预静载水平的增大而明显减小。结合前文岩样破坏模式分析,岩样的损伤程度受预静载程度的影响较大,岩样在经过动载扰动以后强度降低,且预静载程度越高,强度劣化越明显,岩样经受扰动的次数也就越少,小幅度的动载就能使岩样发生变形破坏,且变形的程度更明显。

图7 磷块岩在动静组合作用下应力—应变曲线（σ3=3 MPa）Fig.7 Stress-strain curve of phosphorite under combined dynamic and static action （σ3=3 MPa）

图8 磷块岩在动静组合作用下应力—应变曲线（σ3=4 MPa）Fig.8 Stress-strain curve of phosphorite under combined dynamic and static action （σ3=4 MPa）

由图6～图8可知,当预静载水平为70%时,随着围压从2MPa上升到4 MPa,岩样的三轴抗压强度分别为132.25MPa、151.82 MPa、176.78MPa,逐渐高于常规静载下的磷块岩抗压强度,轴向变形也逐渐增大;当预静载水平为80%和90%时,随着围压的升高,岩样表现形式与静载水平为70%时的规律一致。由此可见,当预静载水平相同时,围压越大,岩样破坏时的轴向压力越大,此时磷块岩受动载扰动程度逐渐降低。

3 结 论

通过对磷块岩进行不同动静组合加载下的损伤破坏试验。研究结论如下:

（1）相比常规三轴静荷载试验,经过动载扰动后的磷块岩的三轴抗压强度明显降低,裂隙发育更为密集,且损伤破坏形态明显。

（2）在相同初始围压下,随着磷块岩所受的预静载力的越高,循环动载使得磷块岩的峰值强度逐渐降低,且磷块岩在加载状态下产生的变形破坏程度越明显。

（3）在相同预静载水平动静组合加载下,由于弹性阶段磷块岩内部裂隙被压密,随着磷块岩所受围压越高,岩样发生破坏时的轴向压力和轴向变形也越大,即在预静载水平相同时,磷块岩的三轴抗压强度随着围压的增大而增大。