考虑间歇充填和浓度效应的充填体长期强度试验研究

为探究不同充填间隔时间(FTS)和料浆浓度对胶结充填体长期强度影响机制,配制70%、72%、75%三个浓度、充填间隔时间为12、24、36、48 h的两分层胶结充填体试件,开展单轴抗压强度(UCS)试验并探究其力学特性及其破坏形式。试验结果表明,（1）胶结充填体峰值抗压强度随充填间隔时间增大而呈递减趋势,充填间隔时间一定时胶结充填体抗压强度随料浆浓度增大而增大,且峰值抗压强度与充填间隔时间呈多项式函数规律;（2）胶结充填体试件加载过程中表现为压密阶段、线弹性阶段、裂纹扩展阶段和破坏发展4个阶段,随充填间隔时间延长,胶结充填体的破坏形式可能表现为张拉破坏–拉剪破坏过渡–拉剪混合破坏的损伤模式。研究结论能够为后期充填体强度设计和稳定性控制提供有益参考。     

深部采空区尾砂胶结充填体强度特性试验研究

采空区充填体可以改善围岩应力状态、限制围岩移动的规模,维护空区的稳定性和地表的生态环境。根据充填体作用的机理,利用正交试验研究影响尾砂充填体强度的因素,优选出符合工程需要的尾砂胶结充填体材料配比,分析了该配比下的充填体强度特性。结果表明,充填体可以有效地限制该矿区的地压活动,对于资源的二次利用和环境保护也有较大意义。     

连续级配废石胶结充填体强度及变形特性试验研究

采用MTS815岩石力学试验系统与自制的胶结充填体制作装置,对骨架颗粒满足Talbol级配理论的废石胶结充填体进行单轴抗压试验研究,分析了Talbol幂指数、初始孔隙度、胶结材料种类及含量对充填体强度及变形特性的影响规律。结果表明:充填体单轴抗压强度、弹性模量、变形模量均随Talbol指数n呈先增大、后减小的趋势;采用2次多项式拟合充填体单轴抗压强度与骨架颗粒Talbol指数的关系,得到了使充填体强度及变形特性达到最优的Talbol指数n=0.45。充填体单轴抗压强度基本上随其初始孔隙度的增大而减小,但当孔隙分布均匀性较差时,其试验结果具有一定差异。满足Talbol分布的充填体强度随其胶结材料胶结性能的提高而逐渐增大,其中水泥胶结充填体单轴抗压强度可以达到黏土胶结充填体的6倍以上。另外,胶结材料含量的提高同样可以增大充填体的强度,并能够相应地缩短其应力-应变曲线中的孔隙压密阶段。     

基于正交试验的不同胶结强度Bimrock岩体力学特性试验研究

Bimrock在不同胶结强度下的力学特性鲜有研究,而胶结强度对Bimrock力学特性和变形破坏特征有着重要影响。为探究不同胶结强度对Bimrock力学特性的影响规律,通过正交试验设计法,开展Bimrock基质配比试验,对不同配比基质试样的强度力学参数进行参数敏感性分析,基于正交试验结果,制作不同胶结强度的Bimrock试样,通过单轴压缩试验,分析不同胶结强度对Bimrock力学特性的影响。结果表明：Bimrock试样的单轴抗压强度和弹性模量与其胶结强度呈正相关,从弱胶结到强胶结,单轴抗压强度从11.02 MPa增加到34.21 MPa,弹性模量从2.11 GPa增加到5.57 GPa;随着胶结强度的增加,试样在变形至破坏的各阶段表面裂纹数量均减少;强胶结试样的压缩破坏模式表现为单条主裂纹的贯通破坏,破坏时间较短,脆性破坏明显;中等胶结试样发生整体与局部剪切破坏,表现为一条明显贯穿整个试样和一条仅贯穿试样下半部分的剪切破坏面;弱胶结试样发生横向拉张破坏,可见多条沿竖直方向的张拉裂纹,局部出现张剪破坏并存的破坏特征,从变形到破坏产生的裂纹较多且较为破碎,破坏时间相对较长。Bimrock岩体工程问题复杂而且较难处理,针对Bimrock力学特性与变形破坏特征的研究对工程建设以及地质灾害防治有重要意义。     

超细尾砂胶结充填体强度计算模型及应用

超细尾砂已成为充填材料的主要来源。为了便于充填料浆配合比设计与强度预测,基于超细料浆微观结构,提出用固体填充率表征充填料浆结构密实程度。选用某矿山超细尾砂进行了63组配合比强度试验。研究结果表明：固体填充率和水灰比与充填体无侧限强度分别呈指数函数和负幂函数关系。采用Pearson理论对试验样本进行相关性分析,结果表明：固体填充率与水灰比相互独立。在此基础上,建立了超细尾砂胶结充填体双变量强度计算模型,模型计算值与试验值的误差在7%以内。进行了超细尾砂胶结体强度随养护时间增长的试验,基于试验数据拟合规律,提出了强度龄期数学模型,建立了三变量强度计算公式。模型能准确预测矿山充填体强度,且能有效指导矿山充填料浆设计。     

水平分层胶结充填体损伤本构模型及强度准则

以矿山分层充填为背景,针对水平分层充填体,提出了初始分层损伤、荷载损伤与总损伤的概念;利用损伤力学理论,考虑分层效应,建立了充填体损伤演化及本构模型;基于全微分方法构建了考虑分层效应的充填体强度准则。开展了不同分层充填体力学特性试验。研究结果表明：所建立的分层充填体损伤本构模型及强度准则理论曲线与试验曲线高度吻合,验证了模型的正确性;初始分层损伤随分层数增多,呈现 的二次多项式递增,分层效应与荷载耦合作用劣化了充填体总损伤;充填体总损伤率呈先增大后减小趋势。在峰值之前,分层数越多,则总损伤率越大;而峰值之后,分层数越多,则总损伤率越小,且总损伤率最大值随分层数增多而增大。     

布筋尾砂胶结充填体顶板力学性状试验研究

胶结充填体顶板的稳定性是决定下向分层胶结充填回采断面尺寸的主要因素,结合武山铜矿工程实际,采用相似模拟与现场监测手段,研究了下向分层胶结充填法充填体顶板的破坏模式、变形特征、充填体内钢筋受力特征等。相似模拟试验结果表明,钢筋布置方式不影响顶板的最终破坏形式,竖直布置钢筋与水平布置钢筋相比,更有利于提高顶板整体稳定性。应变监测结果表明,充填体顶板应变状态十分复杂,与通常将下向胶结充填体顶板简化为梁的计算结果有较大不同,垂直方向上应变表现为拉伸应变,而沿分条和垂直分条方向应变均呈现拉、压交错变化。在竖直布置的8根钢筋上布置了24个钢筋测力计,得到了钢筋受力与开采时间的关系曲线,据此将钢筋受力划分为4个阶段,即起始受拉阶段、相对稳定阶段、拉压变化阶段、承载阶段,其中承载阶段钢筋首先承受最大压力,充填体暴露为顶板后,钢筋由受压状态变为受拉状态,并急剧上升到最大拉力,即表现出悬吊作用,并且,进路与分条连接处钢筋承受拉力最大。     

尾砂胶结充填体损伤模型及与岩体的匹配分析

分别对灰砂配比为1:4,1:8,1:10和1:12的4种尾砂胶结充填体进行了力学试验,得出了其应力-应变曲线。分析了不同配比充填体变形与破坏特征,用损伤力学建立了4种不同配比充填体损伤本构方程。经验算对比,所建立的损伤本构方程与试验结果吻合。尾砂胶结充填体损伤研究表明,不同配比的充填体表现出不同的损伤特性,充填体配比越低,达到峰值应力时的损伤值越小;峰值应力后,损伤增长越快,破坏过程越突然。根据岩体开挖释放能量与充填体蓄积应变能相近的原则,探讨了充填体与岩体的合理匹配。充填体与岩体的匹配系数与原岩应力、岩体弹性模量、充填体弹性模量及充填体损伤参数相关。为了便于工程实际应用,对充填体力学试验结果进行了回归分析,得出了充填体强度设计公式,并研究了深部矿床不同开采深度所要求的充填体强度。     

金属矿山阶段嗣后充填胶结充填体矿柱力学模型分析

矿柱宽度和充填体自立高度是阶段嗣后充填顺利实施的重要影响因素。基于弹性力学平面应变基本假设,建立阶段嗣后胶结充填体矿柱力学模型并进行理论求解。以某铁矿为工程分析实例,采用控制变量法（CVM）研究矿柱不同宽度、高度条件下,水平应力和剪应力的变化规律。研究表明：矿房极限宽度和高度分别为19.8 m和103.2 m。胶结充填体矿柱水平应力随矿柱高度的增高而逐渐增大;剪应力在矿柱中心位置达到最大,且高度越大,剪应力值也越大。在胶结充填体矿柱与非胶结充填体接触侧剪应力趋于定值。矿柱宽度分别为15、18、20 m时,其剪应力分别为243.8、292.6、325.1 kPa。而产生剪应力的主要原因是非胶结充填体受水平应力作用在与胶结充填体矿柱接触面产生滑动摩擦力所致。     

基于P波模量的岩石单轴抗压强度预测

传统获取岩石单轴抗压强度参数需要钻进取样、加工制作等严格的试验步骤,需要建立一种参数易于获取且准确的岩石单轴抗压强度预测公式。基于岩石物理力学参数的内在联系,建立了岩石单轴抗压强度与岩石P波模量的关系式。根据英安斑岩和页岩两种岩石的干密度、P波速度及单轴抗压强度的测试数据,采用线性拟合的方法建立了岩石基于P波模量的单轴抗压强度预测公式,并采用统计检验的方法对上述预测公式与传统基于P波速度的预测公式进行了对比分析。结果表明,所建立的强度预测通式简单、精度高,模量容易获取,具有很强的实用性。     

污水浸泡对水泥土强度和电阻率特性影响的试验研究

为了揭示污水对水泥土的影响规律,并尝试采用电阻率法作为描述强度和污染特征的手段,把粉质黏土和两种水泥（普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥）制作的水泥土试块分别浸泡在3种液体（自来水、生活污水、造纸厂污水）中模拟环境侵蚀。首先对比分析了污水对土体液塑限的影响,其次研究了龄期、水泥类型、污水类型等对水泥土抗压强度和电阻率的影响,考察了电阻率和抗压强度的关系。结果表明：污染后土样的液限、塑限均增大,塑性指数减小;水泥土抗压强度和电阻率均随龄期增加而增长;污水均降低了水泥土的抗压强度和电阻率,但是矿渣硅酸盐水泥土的抗压强度和电阻率均高于普通硅酸盐水泥土,说明在污水环境中,矿渣水泥对水泥土有一定的抗劣化能力;在不同的龄期、水泥类型、污水类型下,水泥土电阻率均与抗压强度呈现出一致的变化规律,二者线性相关。     

注浆材料和预制裂纹缺陷角度对类岩石试件单轴抗压强度及破坏模式的影响

选用环氧树脂和纯水泥浆作为注浆材料,对含不同角度和不同注浆材料裂隙试样进行单轴压缩试验。试验结果表明,注浆材料和裂纹缺陷角度对类岩石试件单轴抗压强度及破坏模式具有重要影响;环氧树脂加固效果优于纯水泥浆,环氧树脂可以有效地消除预制裂纹尖端的应力集中;在裂纹缺陷角度很小( <30°)和角度很大( =90°)的情况下无论裂隙是注环氧树脂还是纯水泥浆,注浆效果都不明显,当 =60°时两种注浆材料的加固效果都很好。提出滑动裂纹模型,对注浆裂隙进行力学分析发现,含注浆裂隙试样的抗压强度随着注浆材料和完整材料胶结面摩擦系数和黏聚力的增大而增大,不同注浆材料和完整材料胶结面的摩擦系数和黏聚力不同,解释了为什么不同的注浆材料对注浆试样强度提升作用不同。研究成果为分析工程中注浆材料和裂纹缺陷角度对岩体强度的影响提供了一定的理论基础。     

一种考虑变形参数和强度参数协调折减的强度折减法研究

对于一种确定的岩体材料而言,岩体的变形参数与强度参数存在一种必然的内在联系。从材料性质来看,强度折减法的本质就是在当前边坡构型和岩体重度条件下,寻找另一种合适的岩体材料使边坡恰好达到临界状态。显然,若只对黏聚力和内摩擦角进行折减而其他参数保持不变,折减后的材料参数则可能违背岩体强度与变形参数之间存在的必然联系,即新找到的岩体材料客观上不存在。因此,在对黏聚力和内摩擦角进行折减时,有必要对岩体的其他力学参数进行调整。基于以上认识,提出了一种考虑变形与强度参数协调折减的强度折减法,探讨了变形参数（弹性模量和泊松比）、抗拉强度对安全系数、塑性区的影响,结果表明,同时考虑变形参数与强度参数协调折减的方案所得的安全系数最小,与极限平衡法的计算结果最为接近,且该方案所得的剪切塑性区主要集中在临空面附近,边坡模型中下部的剪切塑性区范围较小,同时,在边坡顶部区域出现张拉屈服区,此种塑性区分布范围最接近边坡实际破坏状态。     

风积沙质胶结充填材料性能对水固比响应分析

煤炭胶结充填开采技术是一项基于生态、地质和资源安全的新型开采技术,质量分数是控制胶结充填材料性能的重要因素。为了掌握风积沙质胶结充填材料对质量分数的响应,试验研究了质量分数对材料多项性能的影响规律。结果表明：抗压强度、坍落度、泌水率、分层度对质量分数的响应较为显著,凝结时间相对较弱。随着质量分数升高,抗压强度增长较快,坍落度、泌水率、分层度明显降低,凝结时间缓慢降低。同时质量分数与材料输送的屈服应力、黏度系数、沿程阻力等具体指标直接相关,但对各指标影响规律存在较大差异。分析认为,质量分数对材料性能和指标的控制是基于水分在材料输送和硬化过程中的化学和物理作用,水分在材料中既是化学反应的参与项,也是物理性能的控制项,对于每一种胶结充填材料均存在合理的质量分数区间。     

针贯入仪在软岩强度测试中的应用

软岩强度较低,结构松散,难以加工成标准试件测其单轴抗压强度,为解决这一工程实践难题,引入了日本的一种通过测试软岩针贯入指标间接推算其抗压强度的试验仪器——针贯入仪。首先简要地介绍了针贯入试验的仪器装置、操作过程、注意事项以及数据处理方法,然后运用该仪器在现场和室内分别对不同软岩进行强度测试。统计分析测试结果表明,测试数据离散性大小与岩性均一程度、结构面分布情况密切相关。最后,选取了一组软岩岩样进行针贯入和点荷载对比试验,计算得出两种试验结果相差不大。因此,采用针贯入仪测试软岩强度是合理可行的,可在软岩工程中推广使用。     

考虑岩土体流变特性的强度折减法研究

用强度折减法分析边坡稳定性时,不需要事先假定滑面的位置和形状,具有较强的适用性。但在岩土体的力学性质方面仅考虑其弹塑性,而忽略了岩土体的流变性。流变是岩土材料的基本力学特性,很多边坡产生大变形乃至失稳都与岩土体流变具有一定关系。采用强度折减原理,分析了岩土体流变特性对边坡变形及稳定的影响。研究表明,岩土材料的流变特性使强度折减时每点的变形值增大,对边坡稳定具有不利影响。