胶结充填体波速-密度双参数强度预测模型研究

抗压强度是表征胶结充填体力学性质的重要指标,是确定采场充填方案的基本依据,快速、准确地确定胶结充填体抗压强度值,对于保障采场安全意义重大。分析了胶结充填体强度的影响因素,为克服单一预测指标的不准确性和预测指标过多的复杂性,选取了较易获取的胶结充填体初始超声波波速和密度两个参数,构建了波速-密度双参数预测指标T,运用预测指标构建了胶结充填体强度预测模型,并进行了验证。研究表明:①胶结充填体单轴抗压强度的影响因素有组成成分、结构尺寸以及养护环境,主要影响因素为组成成分;②将试验数据应用所构建的强度预测模型、典型强度预测模型分别进行了曲线拟合,对比分析得出所构建的强度预测模型拟合结果良好,相关系数均达到0.98以上,可以较好地预测胶结充填体强度。利用波速-密度双参数进行胶结充填体强度预测具有可行性,为准确预测胶结充填体强度提供了新的思路。

胶结充填体应变率与声发射特征响应规律

应变率是影响胶结充填体力学特性和声发射特征的重要因素.为研究胶结充填体应变率与声发射特征响应规律,文中进行了单轴压缩条件下胶结充填体的声发射试验,研究了应变率、声发射在加载过程中的时序特征,探讨了应变率与声发射时序特征之间的相关性,以及两者变化趋势之间的内在联系,进一步揭示了荷载作用下胶结充填体的裂纹演化规律.结果表明:胶结充填体应变率、振铃计数率在变形全过程均表现出“升→降→稳→升”的变化趋势和阶段性特征,两者相关性较高;胶结充填体内部破裂是由骨料之间的摩擦以及胶结材料的断裂演化造成,应变率对声发射特征在一定程度上起到了支配作用;基于应变率在塑性屈服和失稳破坏阶段表现出明显的突变性,可为胶结充填体破裂预测提供有效的前兆信息;结合声发射振铃计数率、平静期以及扩容现象可更加全面的反映胶结充填体破裂情况.研究结果可为胶结充填体力学特性研究奠定理论基础.

考虑应力水平和损伤的胶结充填体蠕变特性及本构模型

充填采矿法中胶结充填体处于长期荷载环境,其蠕变特性会对矿山安全开采产生重要影响。基于此,制作胶结充填体的标准圆柱体试样,采用WDW-100 kN型微机控制电子万能试验机加载系统和DS2系列全信息声发射监测系统,进行了单轴压缩、分级蠕变和声发射监测试验,获取了胶结充填体蠕变变形及振铃计数、能量和振幅等声发射特征参数。根据试验结果,探讨了不同应力水平下胶结充填体蠕变变形特征和声发射特征;对比单轴压缩试验,从宏细观角度揭示了胶结充填体蠕变破坏特征;考虑应力水平和损伤的影响,引入损伤变量、新的二次黏性元件和开关元件,构建了能表征不同应力水平下胶结充填体蠕变变形规律的改进Burgers模型,并通过试验结果进行验证。研究结果表明:①不同应力水平下,胶结充填体的蠕变3阶段变形特征差异显著,据此将荷载应力大小分为减速、等速和加速3类应力水平;②不同应力水平下,胶结充填体声发射特征与各阶段蠕变变形特征变化规律较一致:减速蠕变阶段内,声发射事件较活跃;稳定蠕变阶段内,声发射活动较少;加速蠕变阶段内,声发射事件最活跃;③对比单轴压缩破坏,胶结充填体蠕变破坏程度较为平缓,主裂纹沿扩展方向发生明显偏转,完整性较好,以结构性失稳破坏为主;④构建的改进Burgers蠕变模型能与各应力水平试验数据均有较高吻合度,较好的表征了不同应力水平下的胶结充填体蠕变变形规律。

胶结充填体超声波波速损伤演化试验

胶结充填体在荷载作用下的损伤演化规律对其稳定性控制具有重要意义。为了研究胶结充填体损伤演化规律,运用损伤力学理论,构建基于超声波波速的胶结充填体损伤演化方程;结合超声波监测试验,研究胶结充填体在荷载作用下损伤演化与超声波波速之间的关系;通过声发射试验,结合试验所得声发射能量以及振铃次数,验证胶结充填体在荷载作用下的损伤演化规律。研究表明:胶结充填体的超声波波速值曲线、损伤值曲线以及基于声发射的能量、振铃次数曲线均与应力—应变曲线变化规律吻合,基于超声波波速的胶结充填体损伤演化方程能较好地表征充填体损伤演化规律。研究结果可为胶结充填体矿柱的稳定性控制提供理论指导。

单轴压缩胶结充填体声发射参数时空演化规律及破裂预测

为了研究胶结充填体在荷载作用下的时空演化规律,利用WAW?300微机电液伺服万能试验系统与DS2系列全信息声发射监测系统,监测了胶结充填体试样在单轴压缩过程中的应力、应变变化规律和声发射活动,根据振铃计数率、能率的阶段性特征,将加载过程声发射参数变化规律分为3个阶段:上升期、平静期和活跃期,进而研究声发射参数时空演化规律;并利用振铃计数率、能率参数,结合尖点突变理论,进行胶结充填体破裂预测。研究表明:(1)单轴压缩条件下,胶结充填体属于延性破坏,裂纹贯穿属于剪切贯穿;(2)通过声发射参数演化规律及定位演化特征,分析得出胶结充填体在加载中是由局部破坏向整体失稳演化;(3)运用尖点突变理论进行胶结充填体破裂预测,并构建了破裂预测模型,预测结果与试验结果一致。研究结果可为人工矿柱稳定性监测和破裂预测提供依据。

考虑空隙非线性变形的胶结充填体损伤软化本构模型研究

充填采矿法在两步骤回采方式中广泛应用,胶结充填体作为人工矿柱,其稳定性至关重要;而胶结充填体力学特性及本构模型是进行稳定性分析与评价的重要内容,因此,亟需开展胶结充填体力学特性及本构模型研究。通过对不同灰砂比的胶结充填体进行单轴压缩试验,试验结果表明:在初始压密阶段因空隙存在而表现出非线性变形特征;在塑性屈服阶段及破坏后阶段刚度和强度均表现出软化特性;破坏后阶段存在较强的承载特性。针对试验结果,采用宏观和细观相结合的方法,将胶结充填体抽象成空隙和细观单元2部分,并引入胶结充填体有效损伤因子,结合统计损伤理论,分别构建空隙本构方程和细观单元损伤软化本构方程,进而得到胶结充填体损伤软化本构模型。最后将本研究理论模型曲线与试验曲线、现有理论基于试验数据和其他学者试验数据得到的曲线进行对比分析,分析结果表明本研究得到的理论曲线与试验曲线有较高的匹配度,各阶段曲线拟合相关系数都达到95%以上,更好地表征了胶结充填体空隙非线性变形特征及软化特性。研究结果可为胶结充填体稳定性分析提供理论依据。

全尾砂胶结充填体分层特性试验研究

在分段或阶段嗣后充填采空区中全尾砂胶结充填体的分层现象较为常见。基于此,以程潮铁矿所取尾砂及相关基础资料为试验基础,采用一次充填分别制作灰砂比为1:4、1:6、1:8、1:10的全尾砂胶结充填体试样,进行单轴压缩胶结充填体超声波波速监测试验,获取胶结充填体试样破坏荷载及超声波波速,探讨不同灰砂比的充填体试样超声波波速分层变化特征,结合颗粒粒级特征,揭示全尾砂胶结充填体分层机理。试验结果表明:(1)通过对不同灰砂比、不同分层测点进行对比分析,得出超声波波速变化规律为:①v(上)>v(中)>v(下),②v(1:4)>v(1:6)>v(1:8),v(1:10);(2)结合颗粒粒级特征,表明全尾砂胶结充填体的分层变化特性是由于充填体试样内部颗粒间的排列方式及紧密程度之间的特征而导致;(3)全尾砂胶结充填体分层现象对充填体的强度影响较大,颗粒密实程度越好、颗粒排列越均匀,越能更好地对其强度进行表征。研究结果可为程潮铁矿极其类似矿山的充填生产实践提供有效指导意见。

基于监测数据的铁路高边坡力学参数反演及长期稳定性预测

随着西部山区铁路的建设,越来越多的铁路高边坡治理难题随之出现。以某铁路高边坡工程为依托,结合现场工程实地监测数据,采用不同参数组合与数值模拟计算模型相结合的研究方法,进行铁路高边坡岩土体力学参数反演分析及后期铁路高边坡稳定性预测。以现场实际布设测斜管所测高边坡地表及深部多点水平位移值为评价指标,对岩土体参数进行组合计算;绘制不同参数组合及实际监测所得水平位移随深度变化曲线,定义曲线拟合度并得出与位移监测曲线最拟合参数组,以此来确定最优参数取值。通过优选所得参数对铁路高边坡−双排抗滑桩−隧道体系进行不利工况正演计算,针对后期可能发生破坏变形区域进行分析,并对铁路高边坡进行长期稳定性预测。研究结果表明:边坡土体最大位移位于前排抗滑桩桩后、右线隧道衬砌上方区域,位移以水平向为主,最大位移值为528.367 mm;边坡下滑力主要由前排抗滑桩承担,两排抗滑桩桩身均未出现应力激增与突变,说明铁路高边坡在后期可能出现不利工况下没有沿滑面整体滑动趋势,铁路高边坡体系整体稳定性良好。

高低应力水平下胶结充填体蠕变特征及分数阶本构模型

胶结充填体在采场中会经历不同应力水平的长期荷载作用,其不同应力水平下的蠕变特征直接影响矿山的安全生产.基于此,本研究制备了不同灰砂质量比的胶结充填体试样,进行了单轴压缩与分级蠕变试验,获取了不同应力水平下胶结充填体蠕变变形规律,探讨了胶结充填体在低应力水平与高应力水平下的蠕变特征,构建了胶结充填体分数阶蠕变本构模型,并进行了验证.研究结果表明:胶结充填体的蠕变特征是其在蠕变过程中内部应力的不断调整、硬化与损伤共同作用所产生的结果;低应力水平下,胶结充填体蠕变全过程中硬化作用占据主导,其中减速蠕变阶段硬化特征最为显著;高应力水平下,胶结充填体蠕变全过程中损伤作用占据主导,其中加速蠕变阶段损伤特征最为显著;同一应力水平下,灰砂质量比越低的胶结充填体蠕变全过程中硬化-损伤作用越明显,即抵抗变形能力的提升与损伤累积的速度越明显;构建的胶结充填体分数阶蠕变本构模型与各试验数据均有较高吻合度,且较好地表征了胶结充填体在不同应力水平下的蠕变特征.研究成果可为提高胶结充填体稳定性和矿山安全生产提供理论依据.

胶结充填体损伤演化尺寸效应研究

尺寸效应是影响胶结充填体抗压强度、变形破坏及损伤演化的一个重要因素。基于此,采用WAW–300微机电液伺服万能试验机、声发射和超声波监测系统,选取尺寸为50,70和100 mm的方形试样进行单轴压缩试验,通过分析声发射参数与超声波波速变化规律,探讨不同尺寸胶结充填体损伤演化规律。研究结果表明:(1)随着尺寸的增加,胶结充填体抗压强度表现出先增后减趋势,破坏形式由劈裂破坏为主向剪切破坏为主转化;(2)声发射参数与超声波波速变化规律表现出明显的阶段性与波动性特征:随尺寸的增加,声发射振铃累计计数曲线在平静期内趋于平缓,但在活跃期内上升幅度更高,超声波波速在平静期与活跃期内下降幅度均增加;(3)胶结充填体损伤演化过程中的耗散能量是影响其抗压强度的内在因素,峰后破坏过程中的损伤程度是影响其破坏形式的主要原因。研究成果可为不同尺寸胶结充填体破裂预测提供指导。

单轴压缩胶结充填体裂纹扩展及汇集模式

采用WAW-300型伺服万能试验机及裂纹观测系统,对灰砂质量比为1∶4的胶结充填体进行了单轴压缩试验,获取了单轴压缩下胶结充填体裂纹演化全过程,探讨了胶结充填体裂纹扩展及汇集模式,结合灰砂质量比为1∶6的胶结充填体单轴压缩试验和颗粒流数值模型从宏细观角度进行了验证.结果表明:胶结充填体裂纹扩展模式以单一裂纹单向扩展与单一裂纹双向扩展为主;其汇集模式分为单一裂纹向轻度破损区汇集、单一裂纹向重度破损区汇集、两条短裂纹沿起裂区汇集和两条短裂纹沿轻度破损区汇集;胶结充填体试样各表面贯穿裂纹之间具有对称性和邻近性.

成兰铁路高陡边坡稳定性分析及加固措施

在我国铁路建设过程中,线路不可避免地布置在高陡边坡坡脚,因此开展高陡边坡稳定性分析及加固措施研究显得十分重要。通过工程实例,利用有限元强度折减法计算了边坡安全系数,运用不平衡推力法获取边坡的滑坡推力,提出了双排抗滑桩支护的加固方案;通过数值模拟与现场监测综合分析双排抗滑桩的加固效果,并结合降雨和地震工况,开展了不同工况下双排抗滑桩桩后土体变形以及桩前土压力分布规律研究。研究结果表明:1)双排抗滑桩对高陡边坡有较好的加固效果;2)2种不利工况下,边坡位移变化规律基本一致,后排抗滑桩桩后位移更大,前排抗滑桩桩前土压力在滑面位置处发生突增;3)双排抗滑桩能有效防治边坡塑性变形,对双排抗滑桩桩间土塑性变形防治尤为明显。研究结果可为双排抗滑桩在高陡边坡加固中提供指导。

胶结充填体蠕变硬化-损伤特征及非线性本构模型

胶结充填体蠕变特征直接影响矿山安全生产。基于此,制备不同灰砂质量比的胶结充填体试样,结合超声波监测技术开展了单轴压缩和分级蠕变试验,获取了不同应力水平下胶结充填体蠕变变形、超声波波速与损伤演化规律,探讨了胶结充填体蠕变硬化和损伤特征,引入硬化与损伤函数,构建了考虑硬化-损伤特征的胶结充填体非线性蠕变本构模型,并进行了验证。研究结果表明:1)胶结充填体蠕变过程是其内部应力不断调整、硬化和损伤不断发展并共同作用的结果;2)同一应力水平下,减速蠕变阶段,胶结充填体硬化作用占主导;稳定蠕变阶段,胶结充填体硬化作用与损伤作用相互抵消;加速蠕变阶段,胶结充填体损伤作用占主导;3)不同应力水平下,胶结充填体硬化与损伤特征存在差异性:减速和等速应力水平,胶结充填体硬化特征显著;加速应力水平,胶结充填体损伤特征显著;4)构建的胶结充填体非线性蠕变本构模型与各试验数据均有较高吻合度,较好地表征了胶结充填体蠕变硬化和损伤特征。研究成果可为胶结充填体稳定性和矿山安全生产提供理论依据。