CN110133104B - 一种充填体全龄期动态力学特性测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种充填体全龄期动态力学特性测试方法，步骤为：制作充填体试样；测试充填体试样的波阻抗，寻找与充填体波阻抗匹配的岩石制作长杆，作为SHPB试验系统的入射杆和透射杆，建立改进的摆锤冲击加载SHPB试验装置；利用摆锤冲击加载SHPB试验装置进行不含试样的冲击试验，结合一维黏弹性应力波分析程序，得到岩石长杆的黏性系数；利用摆锤冲击加载SHPB试验装置进行充填体冲击试验，测试充填体的动态抗压强度、动态应力应变曲线和强度的应变率效应。本发明是一种低波阻抗充填体或岩土材料的动态力学特性测试方法，通过改进的摆锤冲击加载SHPB试验装置用于研究充填体的动态力学特性，为矿山充填工艺改进提供理论基础。

Description

一种充填体全龄期动态力学特性测试方法

技术领域

本发明涉及一种充填体动态力学测试技术，具体为一种充填体全龄期动态力学特性测试方法。

背景技术

充填采矿技术能够显著控制矿山开采引发的环境问题，同时降低矿石开采过程的损失贫化，因此受到诸多矿山工程技术人员的青睐。原因在于充填采矿法能够实现通过将开采产生的尾矿和废石全部进行回填至采空区，确保废石不出坑，尾矿不在地表堆存，从而极大的降低了采空区暴露面积，减少了尾矿大面积的地表堆存引发的尾矿溃坝事故。目前，评价充填体强度特性的指标主要是静态单轴抗压强度，但充填体在地下采场还受到爆破、地震等动载的影响，尤其是在两步骤开采或者分层充填开采中，充填体的稳定性分析中不容忽视动力扰动的影响。例如，实现二步矿柱安全高效回采时，矿柱回采过程中伴随着频繁爆破扰动，若胶结充填体在动载下的强度不能达到要求，则会发生失稳垮塌破坏，进而导致二步矿柱的回收困难，造成损失贫化过大，延长矿山回采周期；若强度过高，则会造成胶凝材料的浪费，经济成本较高。因此根据静力学分析得到的力学稳定性准则和强度大小还是否适用于有动载影响的情况，需要进一步研究充填体的动态力学特性才能得知。国内外学者针对充填体的静力学特性进行了大量的试验研究，但少有学者针对充填体的动态力学特性进行全面、深入的研究，尤其是充填体在低强度下和龄期较早的情况下更少。

现有针对充填体展开冲击试验的霍普金森压杆(Split Hopkinson pressure bar简称SHPB)系统是采用金属杆来模拟岩体，传播爆破冲击波，但金属杆和充填体的波阻抗差别太大(通常相差一个数量级)，测得的透射波形幅值较低影响测试精度和动力学特性分析。因此，如何提供一种试验方法，能够测定充填体在全龄期下的动态力学特性及其动态强度变化情况，从而减少水泥用量达到降低充填成本的目的，实现针对采场特定环境进行精准充填成为待解决的技术难题。

发明内容

针对现有技术中充填体展开冲击试验时测得的透射波形幅值较低影响测试精度和动力学特性分析等不足，本发明要解决的问题是提供一种能够测定充填体在全龄期下的动态力学特性及其动态强度变化情况，从而减少水泥用量达到降低充填成本的充填体全龄期动态力学特性测试方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明一种充填体全龄期动态力学特性测试方法，包括以下步骤：

1)制作充填体试样；

2)测试充填体试样的波阻抗，寻找与充填体波阻抗匹配的岩石制作长杆，作为SHPB试验系统的入射杆和透射杆，建立改进的摆锤冲击加载SHPB试验装置；

3)利用摆锤冲击加载SHPB试验装置进行不含试样的冲击试验，结合一维黏弹性应力波分析程序，得到岩石长杆的黏性系数；

4)利用摆锤冲击加载SHPB试验装置进行充填体冲击试验，测试充填体的动态抗压强度、动态应力应变曲线和强度的应变率效应。

步骤1)中，制作充填体试样具体为：确定所需充填体材料的灰砂比以及浓度，将水泥、添加剂、尾砂倒入搅拌机，加水搅拌均匀制成所需要的膏体，注入有机玻璃模具并消除充填料浆内的多余气泡，然后放入标准养护箱进行养护，3天后进行试样脱膜，并用塑料袋将试样密封，再放入养护箱继续养护至所需试验的龄期。

灰砂比以及浓度为：固体浓度75-85％，胶结剂含量3-7％，细颗粒粒径20m以下的全尾砂需达到15％以上，其中，固体浓度及胶结剂含量通过以下公式确定：

步骤2)中建立改进的摆锤冲击加载SHPB试验装置为：

利用声波声速测试仪测试充填体和岩石的声波声速，结合充填体和岩石的密度分别计算充填体和岩石的波阻抗，选择和充填体波阻抗相匹配的岩石制作岩石长杆作为入射杆和透射杆。

步骤3)中，岩石长杆的黏性系数通过以下步骤得到：

利用改进的摆锤冲击加载SHPB试验装置进行不含试样的冲击试验，测试入射杆和透射杆上的应力波形，结合一维黏弹性应力波分析程序，把入射杆上测得波形作为输入波形，透射杆上波形作为输出波形，通过试错的方法测得岩石长杆的黏性系数。

步骤4)中，测试充填体的动态抗压强度、动态应力应变曲线和强度的应变率效应具体为：

利用改进的摆锤冲击加载SHPB试验装置进行充填体冲击试验，测试入射杆和透射杆上的应力波，结合一维黏弹性应力波分析程序，计算充填体和入射杆、透射杆接触面上的应力和质点速度，验证充填体两端的应力是否平衡，进而校验充填体中的应力均匀性，最后得到岩石的动态应力-应变曲线、动态抗压强度和强度的应变率效应。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明提供了一种低波阻抗充填体或岩土材料的动态力学特性测试方法，通过改进的摆锤冲击加载SHPB试验装置用于研究充填体的动态力学特性，为矿山充填工艺改进提供理论基础。

2.本发明测试方法能够获得充填体在全龄期过程中，动态加载下的变形特性、强度特性、应变率效应及其应力传播过程中的能量变化。

附图说明

图1为本发明摆锤冲击加载SHPB试验装置示意图。

其中，1为缓冲挡板，2为透射杆，3为电阻应变片，4为试样，5为入射杆，6为校准支座，7为导向板，8为摆锤，9为锤头，10为地基基础，11为前置信号放大器，12为DL750示波记录仪，13为交换机，14为计算机。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。

本发明一种充填体全龄期动态力学特性测试方法，包括以下步骤：

1)制作充填体试样；

2)测试充填体试样的波阻抗，寻找与充填体波阻抗匹配的岩石制作长杆，作为SHPB试验系统的入射杆和透射杆，建立改进的摆锤冲击加载SHPB试验装置；

3)利用摆锤冲击加载SHPB试验装置进行不含试样的冲击试验，结合一维黏弹性应力波分析程序，得到岩石长杆的黏性系数；

4)利用摆锤冲击加载SHPB试验装置进行充填体冲击试验，测试充填体的动态抗压强度、动态应力应变曲线和强度的应变率效应。

步骤1)中，制作充填体试样具体为：确定所需充填体(膏体)材料的灰砂比以及浓度，将水泥、添加剂、尾砂倒入搅拌机，加水搅拌均匀制成所需要的膏体，注入有机玻璃模具并消除充填料浆内的多余气泡，然后放入标准养护箱进行养护，3天后进行试样脱膜，并用塑料袋将试样密封，再放入养护箱继续养护至所需试验的龄期。

灰砂比以及浓度为：固体浓度75-85％，胶结剂(水泥)含量3-7％(计算公式见式(1))，细颗粒粒径20m以下的全尾砂需达到15％以上(通过马尔文Mastersizer 2000激光粒度仪确定)，其中，固体浓度及胶结剂(水泥)含量通过以下公式确定：

步骤2)中建立改进的摆锤冲击加载SHPB试验装置为：

利用声波声速测试仪测试充填体和岩石的声波声速，结合充填体和岩石的密度分别计算充填体和岩石的波阻抗，选择和充填体波阻抗相匹配的岩石制作直径为50mm长度为1m的岩石长杆作为入射杆5和透射杆2。

步骤3)中，岩石长杆的黏性系数通过以下步骤得到：

利用改进的摆锤冲击加载SHPB试验装置进行不含试样的冲击试验，测试入射杆和透射杆上的应力波形，结合一维黏弹性应力波分析软件(见已发表在《岩石力学与岩石工程》第51卷1347页到1359页的论文《关于粘弹性波在岩杆中传播粘性系数的确定》，发表时间：2018年1月18日，作者：牛雷雷，朱万成)，把入射杆上测得波形作为输入波形，透射杆上波形作为输出波形，通过试错的方法测得岩石长杆的黏性系数。

步骤4)中，测试充填体的动态抗压强度、动态应力应变曲线和强度的应变率效应具体为：

利用改进的摆锤冲击加载SHPB试验装置进行充填体冲击试验，测试入射杆和透射杆上的应力波，结合一维黏弹性应力波分析程序，计算充填体和入射杆、透射杆接触面上的应力和质点速度，验证充填体两端的应力是否平衡，进而校验充填体中的应力均匀性，最后得到岩石的动态应力-应变曲线、动态抗压强度和强度的应变率效应。

为了使得本发明的目的及优点更加清楚，下面结合实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用以限定本发明。

本发明总体实施过程如下：

根据现场需要确定充填体(膏体)材料的灰砂比以及浓度，固体浓度75-85％，胶结剂(水泥)含量3-7％，全尾砂细颗粒粒径20μm以下应达到15％以上(通过马尔文Mastersizer 2000激光粒度仪确定)；

将水泥、添加剂、尾砂倒入搅拌机，充分混合后添加一定比例的水，通过搅拌机搅拌10-15min，使得浆体混合均匀，制成所需要的膏体，然后注入50*25mm的有机玻璃模具，并放置在混凝土振动机上振动以消除充填料浆内的多余气泡。

将未脱模的试样4放入标准养护箱进行养护，根据研究条件的不同，可选择将试样进行塑料膜密封养护和不密封养护。3天后，进行试样脱膜，并用塑料密封袋将试样密封，再将其放入养护箱继续养护至所需试验的龄期(3天、7天、14天、28天、56天)。

利用声波声速测试仪测试充填体和岩石的声波声速，结合充填体和岩石的密度分别计算充填体和岩石的波阻抗，选择和充填体波阻抗相匹配的岩石。

制作直径为50mm长度为1m的岩石长杆作为入射杆和透射杆，利用摆锤8作为加载装置，建立改进的摆锤冲击加载SHPB试验装置，如图1所示；

将350欧的电阻应变片3粘贴至岩杆上，具体位置为距离加载端250mm、750mm、1250mm、1750mm处，在杆的每一位置粘贴2对应变片，实现全桥式连接和消除偏心加载的影响。

将电阻应变片3连接好的引出线与桥盒进行连接，连接时用欧姆表检查引出线端部电阻为350欧时为正确连接。同时将地线也连接在桥盒上，保证试验过程中无其它信号的干扰。

用水平仪进行杆件对中的校准，校准支座6的平衡校准，保证冲击端的锤头9、入射杆5和透射杆2在一条水平线上。将充填体试样4放在带有支座的SHPB系统的中间位置，调节校准支座6，使冲击入射杆5、透射杆2保持在一条直线上。

将应变片的引出线连接至前置信号放大器11，进而将前置信号放大器11连接示波器(本实施例采用DL750示波记录仪12)，用网线将示波器与计算机14进行连接，查看示波器信号是否有明显的噪点，若没有则可正常工作。

利用改进的摆锤冲击加载SHPB试验装置进行不含试样的冲击试验，测试入射杆5和透射杆2上的应力波形，结合一维黏弹性应力波分析程序，把入射杆5上测得波形作为输入波形，透射杆2上波形作为输出波形，通过试错的方法测得岩石长杆的黏性系数。

将预先准备好某一养护龄期的充填体试样4从养护箱中取出，端部用砂纸进行打磨，保证端部平整，用游标卡尺记录试样4的厚度，用声波声速测试仪测试试样4的波速，挑选出性质相同的试样。

为了保证试样4与入射杆5和透射杆2之间能全耦合接触，在入射杆5和透射杆2之间的端部涂抹一定厚度的凡士林，将备好的充填试样4夹在中间，对准。

将摆锤8摆到某一高度冲击试样，摆锤8的摆角大小对应在入射杆5端部产生不同大小和能量的纵向应力波，将摆锤8搬动放置在一定的高度，瞬间释放后在示波器上记录数据，完成一次冲击试验。

记录冲击后产生的波形数据

根据测得入射杆5和透射杆2上的应力波，结合一维黏弹性应力波分析程序，计算充填体试样4和入射杆5、透射杆2接触面上的应力和质点速度，验证充填体两端的应力是否平衡，进而校验充填体试样4中的应力均匀性，最后得到岩石的动态应力-应变曲线、动态抗压强度和强度的应变率效应。

Claims (3)

1.一种充填体全龄期动态力学特性测试方法，其特征在于包括以下步骤：

1)制作充填体试样；

2)测试充填体试样的波阻抗，寻找与充填体波阻抗匹配的岩石制作长杆，作为SHPB试验系统的入射杆和透射杆，建立改进的摆锤冲击加载SHPB试验装置；

3)利用摆锤冲击加载SHPB试验装置进行不含试样的冲击试验，结合一维黏弹性应力波分析程序，得到岩石长杆的黏性系数；

4)利用摆锤冲击加载SHPB试验装置进行充填体冲击试验，测试充填体的动态抗压强度、动态应力应变曲线和强度的应变率效应；

步骤2)中建立改进的摆锤冲击加载SHPB试验装置为：

利用声波声速测试仪测试充填体和岩石的声波声速，结合充填体和岩石的密度分别计算充填体和岩石的波阻抗，选择和充填体波阻抗相匹配的岩石制作岩石长杆作为入射杆和透射杆；

步骤3)中，岩石长杆的黏性系数通过以下步骤得到：

利用改进的摆锤冲击加载SHPB试验装置进行不含试样的冲击试验，测试入射杆和透射杆上的应力波形，结合一维黏弹性应力波分析程序，把入射杆上测得波形作为输入波形，透射杆上波形作为输出波形，通过试错的方法测得岩石长杆的黏性系数；

步骤4)中，测试充填体的动态抗压强度、动态应力应变曲线和强度的应变率效应具体为：

利用改进的摆锤冲击加载SHPB试验装置进行充填体冲击试验，测试入射杆和透射杆上的应力波，结合一维黏弹性应力波分析程序，计算充填体和入射杆、透射杆接触面上的应力和质点速度，验证充填体两端的应力是否平衡，进而校验充填体中的应力均匀性，最后得到岩石的动态应力-应变曲线、动态抗压强度和强度的应变率效应。

2.根据权利要求1所述的充填体全龄期动态力学特性测试方法，其特征在于步骤1)中，制作充填体试样具体为：确定所需充填体材料的灰砂比以及浓度，将水泥、添加剂、尾砂倒入搅拌机，加水搅拌均匀制成所需要的膏体，注入有机玻璃模具并消除充填料浆内的多余气泡，然后放入标准养护箱进行养护，3天后进行试样脱膜，并用塑料袋将试样密封，再放入养护箱继续养护至所需试验的龄期。

3.根据权利要求2所述的充填体全龄期动态力学特性测试方法，其特征在于灰砂比以及浓度为：固体浓度75-85％，胶结剂含量3-7％，细颗粒粒径20m以下的全尾砂需达到15％以上，其中，固体浓度及胶结剂含量通过以下公式确定：

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