两种岩石单轴压缩作用下的蠕变特性试验研究
林卫星1，2 周爱民1，2宋嘉栋1，2欧任泽1，2 柳小胜1，2
（1.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙 410012；2.国家金属采矿工程技术研究中心，湖南长沙 410012；）
摘要：选取李楼矿区的石英镜铁矿石和灰沙比为1:6的充填体为研究对象，采用恒定荷载加载方式分别对两类岩石进行了蠕变试验。分析试验结果，硬岩和软岩均有一定的流变性，但其分别具有不同的蠕变特性。在此基础上，分别选用西原模型和伯格斯模型来研究铁矿石和充填体的流变变形特性；利用阻尼最小二乘法对模型参数进行拟合，得出了相应的模型理论蠕变曲线。结果显示：模型的理论蠕变曲线能够很好的吻合试验曲线，可以很好地模拟铁矿石和充填体的蠕变变形特性。
关键词：两种岩石；恒定加载；变形特性；蠕变模型
Creep properties experiments of two kinds of rock
under uniaxial compression
Lin Weixing1,2;Zhou Aimin1,2;Song Jiadong1,2;Ou Renze1,2;Liu Xiaosheng1,2
(1 Changsha Institute of Mining Research Co., Ltd, Hunan Changsha 410012;2National Engineering Technology Research Center of Metal Mining, Hunan Changsha 410012)
Abstract:The creep experiments were conducted by applying constant loading methods for two kinds of rock which were the iron ore quartz lens and the backfill with cement-sand ratio of 1:6 collected in lilou mining area.According to the test results,hard rock and soft rock have certain rheological properties but different.On this basis,got the corresponding theoretical creep curves of models by studying the deformation characteristics of iron ore and backfill with Nishihara model and Burgers model,using damped least squares method fit parameters of the models.The results show:theoretical creep curves of models have a good fit with test curves,simulated well creep deformation characteristics of iron ore and backfill.
Keyword:two kinds of rock;constant loading;deformation characteristics;Creep model
1 引言岩石流变是岩土工程围岩变形失稳的重要原因之一，岩体工程稳态破坏之前，通常是长期受到恒载作用，这就是明显的蠕变失稳对岩体的破坏岩石工程失稳前[1]。所有的岩石都具有时效特征和流变特性，从前人的研究结论可以得出[2~4]，几乎所有岩石都具有流变属性，即使像大理岩和花岗岩这类的硬岩也存在流变属性。研究岩石的非线性流变特性，应该着手于岩石基本的流变试验，深入分析试验结果数据，抽出其中的非线性体，最终得到作用应力及其时间与非线性体之间的规律[5~7]。国内外学者对岩石流变特性进行了大量的研究[8~17]，得出了一系列研究结论。本文分别对铁矿石和充填体进行了蠕变试验，分析了硬岩和软岩不同的蠕变特性，在分析试验结果的基础上，建立相应的蠕变模型，通过模型参数辨识求出对应的蠕变参数。试验结果对于岩体工程的时效性预测和合理的采场暴露时间确定等工程实际具有指导意义。
2 试验设备及方法
2.1 试验岩样及设备
本次研究选择李楼矿区的石英镜铁矿石和灰砂比为1∶6的充填体作为试验对象。试样完整性好，岩质均匀，无明显节理裂纹。芯样加工成标准试样，规格为φ50×100mm，石英镜铁矿石和灰砂比为1∶6的充填体各有5个试样。蠕变试验之前，已对相同试样进行过常规的单轴压缩试验和基本计算：铁矿石单轴压缩强度为163.59MPa，轴向极限应变为0.52%，平均密度为3.445g/cm3；充填体单轴压缩强度为3.34MPa，轴向极限应变为0.58%，平均密度为1.765g/cm3。
本次蠕变试验的试样有两种，单轴抗压强度相差较大，对于试验仪器提出了较高的要求，两种试样的测试工作难以在同一台仪器上完成。因此，对于单轴抗压强度很高的铁矿石，使用Instron 1346伺服刚性材料试验机进行测试，其最大轴压为2000kN，加载速率取0.75 MPa/s。轴向位移由标距为5mm的位移引伸记记录；对于单轴抗压强度极低的充填体试样，使用Instron 1342伺服刚性材料试验机进行测试，其最大轴压250kN，加载速率为0.015 MPa/s。轴向位移由LVDT位移传感器记录。本次蠕变试验是通过试验机中的荷载控制模式实施的，伺服系统所跟踪与反馈的为荷载信息。
2.2 试验方案
考虑到岩石试样的完整性和均匀性良好，并且瞬时单轴压缩极限强度测试中试验结果离散性较小，以及存在软岩的硬化作用，本次蠕变试验采用恒定荷载方式。施加恒定荷载，在长时间作用下，其长期强度与瞬时强度相比很小，岩石会在较低强度下发生破坏，大量的试验结果显示，一般岩石的长期强度仅为瞬时强度的0.4～0.8[5]；软的和中等坚硬的岩石，该比值为0.4～0.6；坚硬岩石为0.7～0.8[1,5]。恒定荷载均分为5个应力水平。对于铁矿石试件，5级应力分别为：50%R、60%R、70%R、 80%R和90%R。对于充填体试件，5级应力分别为：30%R、40%R、50%R、60%R和70%R。试验时间在1~10d之间。
3 试验结果与分析
3.1 矿石试验结果
试件Y2-6、Y2-7和Y2-8分别在应力水平为50% R、60%R和70%R的恒定荷载作用下，历时192小时未出现破坏；试件Y2-9在应力水平为80%R的恒定荷载作用下，历时175小时出现破坏；试件Y2-10在应力水平为90%R的恒定荷载作用下，历时44小时出现破坏。各试件的蠕变情况见表3-1。试件Y2-6和Y2-9的轴向应变与时间关系的试验曲线如图3-1和图3-2所示。
