CN113588371A - 不同纤维作用下纤维增强充填体的力学特性分析方法 - Google Patents

不同纤维作用下纤维增强充填体的力学特性分析方法 Download PDF

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Abstract

本公开了一种不同纤维作用下纤维增强充填体的力学特性分析方法，包括步骤一、制备充填体试样；二、对充填体试样进行养护；三、测量充填体试样的重量、长度、宽度和高度；四、对充填体试样进行单轴抗压强度测试；五、对充填体试样的抗压强度测试结果进行计算分析；六、建立纤维增强充填体的损伤本构模型。本发明通过制备不同纤维作用下的纤维增强充填体试样，并进行单轴抗压强度测试分析，建立纤维增强充填体的损伤本构模型，模型合理有效，能够有效适用于不同纤维增强充填体本构关系中，对矿山充填开采工程设计与分析具有很好的参考价值，能够为提高尾砂胶结充填体材料稳定性，保障矿山采空区充填效果奠定理论基础，效果显著，便与推广。

Description

不同纤维作用下纤维增强充填体的力学特性分析方法
技术领域
本发明属于矿山充填开采技术领域，具体涉及一种不同纤维作用下纤维增强充填体的力学特性分析方法。
背景技术
随着矿产资源不断地被开发利用，地下矿产资源储量日趋减少，埋藏深度浅、围岩稳固、品位高的矿产资源已被开采殆尽。随着采矿工作向深部开展，受高地应力的影响，围岩稳定性差，充填采矿法成为了保障井下安全开采的首选。因此，充填体的力学特性是工程技术人员非常关心的核心问题，其力学特性受多种因素影响，比如基质材料、灰砂配比、外加增强剂等。
外加增强剂是增强充填体稳定性的有利手段之一，其中纤维是一种非常有效的增强剂，纤维不仅能增强充填体的强度，而且还能让充填体在应力峰值后保持一定的抗压能力而不被破坏。
现有技术中，薛改利研究了掺纤维尾砂充填体的抗压力学特性，表明掺纤维充填体具有“裂而不碎”的特征，并从微观角度揭示了纤维增强作用机理；Xu等研究了温度对纤维增强尾砂胶结充填体抗压强度的影响，发现抗压强度随着纤维含量的增加而增加，但当掺入0.15％的纤维时，无论温度如何，抗压强度都会降低；Cao等用三种不同类型纤维对充填体的强度、韧性和微观结构特性进行了实验研究，结果表明不同纤维类型和不同纤维含量的加入使充填体的韧性发生显著变化，纤维含量影响充填体的强度性能；邓友生等研究了不同长度的聚丙烯腈纤维对膨胀土强度的影响规律，研究发现膨胀土的强度随着纤维长度的增加而增加。通过大量试验研究表明，纤维是可以增强充填体强度的，其中影响因素有纤维的类型、含量及纤维长度等。
但是，现有的损伤本构模型不能理想地描述纤维增强充填体的峰后应力变化特征，因而，也不能通过理论模型分析和评估不同纤维作用下纤维增强充填体的力学特性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种不同纤维作用下纤维增强充填体的力学特性分析方法，其方法步骤简单，设计合理，实现方便。通过制备不同纤维作用下的纤维增强充填体试样，并进行单轴抗压强度测试，对测试结果计算分析，建立纤维增强充填体的损伤本构模型，模型合理有效，能够有效适用于不同纤维增强充填体本构关系中，对矿山充填开采工程设计与分析具有很好的参考价值，能够为提高尾砂胶结充填体材料稳定性，保障矿山采空区充填效果奠定理论基础，效果显著，便与推广。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种不同纤维作用下纤维增强充填体的力学特性分析方法，包括以下步骤：
步骤一、制备充填体试样，所述充填体试样包括无纤维充填体试样、聚丙烯腈纤维增强充填体试样、玻璃纤维增强充填体试样、聚丙烯腈与玻璃混合纤维增强充填体试样；
步骤二、对所述充填体试样进行养护；
步骤三、测量所述充填体试样的重量、长度、宽度和高度；
步骤四、对所述充填体试样进行单轴抗压强度测试；
步骤五、对所述充填体试样的抗压强度测试结果进行计算分析；
步骤六、建立纤维增强充填体的损伤本构模型。
上述的不同纤维作用下纤维增强充填体的力学特性分析方法，步骤一中所述制备充填体试样的具体过程包括：采用70.7mm×70.7mm×70.7mm的标准三联模制作充填体试样，所述充填体试样中的灰砂比为1:8；所述充填体试样的固体浓度为68％；所述聚丙烯腈纤维增强充填体试样中聚丙烯腈纤维占干尾砂和水泥总重量的0.5％；所述玻璃纤维增强充填体试样中玻璃纤维占干尾砂和水泥总重量的0.5％；所述聚丙烯腈与玻璃混合纤维增强充填体试样中聚丙烯腈纤维和玻璃纤维分别占干尾砂和水泥总重量的0.25％；所述聚丙烯腈纤维和玻璃纤维的长度均为12mm。
上述的不同纤维作用下纤维增强充填体的力学特性分析方法，步骤二中所述对充填体试样进行养护的具体过程包括：将制备好的充填体试样，在相对湿度75±5％、温度25±5℃自然环境下养护，养护时间为7天。
上述的不同纤维作用下纤维增强充填体的力学特性分析方法，步骤三中所述测量充填体试样的重量、长度、宽度和高度的具体过程包括：充填体试样养护后，以0.01g精度的电子秤称充填体试样的重量，以0.1mm精度的刻度尺测量充填体试样的长度、宽度和高度。
上述的不同纤维作用下纤维增强充填体的力学特性分析方法，步骤四中所述对充填体试样进行单轴抗压强度测试的具体过程包括：采用最大承载能力为50kN的MTS微机控制电子万能试验机，在加载速率为0.5mm/min的应变控制模式下对充填体试样进行测试，直至充填体试样出现宏观失稳破坏，所述无纤维充填体试样、聚丙烯腈纤维增强充填体试样、玻璃纤维增强充填体试样、聚丙烯腈与玻璃混合纤维增强充填体试样均进行5次测试。
上述的不同纤维作用下纤维增强充填体的力学特性分析方法，步骤五中所述对充填体试样的抗压强度测试结果进行计算分析的具体过程包括：所述5次测试的结果中，剔除试验强度最大和最小的试样数据，保留强度处于中间的3个测试数据，并对保留的3个测试数据求取平均值。
上述的不同纤维作用下纤维增强充填体的力学特性分析方法，步骤六中所述建立纤维增强充填体的损伤本构模型的具体过程包括：
步骤601、引入损伤修正系数α表征峰后强度特性，建立损伤本构方程为
σ＝Eε(1-αD)
其中，σ为应力，α为损伤修正系数，E为材料弹性模量，ε为应变，D为损伤变量；
步骤602、根据纤维增强充填体的微元破坏服从Weibull分布，得到微元的概率密度为
Figure BDA0003201321170000041
其中，m、F0均为Weibull分布的参数变量，F为微元强度分布变量；
步骤603、定义损伤变量D为已破坏微元面积数与总微元面积数之比，则
D＝SDn/Sn
其中，SDn为已破坏的微元面积数，Sn为总微元面积数；
步骤604、当荷载加载到强度F时，已破坏的微元面积数SDn(F)为
Figure BDA0003201321170000042
其中，Dn为已破坏微元数，P(Dn)为充填体已破坏微元数概率密度；
步骤605、根据步骤604结果简化损伤变量方程为
Figure BDA0003201321170000043
步骤606、将步骤605结果，代入损伤本构方程，得到
Figure BDA0003201321170000044
步骤607、根据纤维增强充填体应力-应变曲线的几何边界条件，得到
Figure BDA0003201321170000051
其中，εp为峰值应变；σp为峰值应力；
步骤608、令
Figure BDA0003201321170000052
得到
Figure BDA0003201321170000053
则纤维增强充填体的损伤本构模型为
Figure BDA0003201321170000054
Figure BDA0003201321170000055
本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明方法步骤简单，设计合理，实现方便。通过制备不同纤维作用下的纤维增强充填体试样，并进行单轴抗压强度测试，对测试结果计算分析，建立纤维增强充填体的损伤本构模型，模型合理有效，能够有效适用于不同纤维增强充填体本构关系中，对矿山充填开采工程设计与分析具有很好的参考价值，能够为提高尾砂胶结充填体材料稳定性，保障矿山采空区充填效果奠定理论基础，效果显著，便与推广。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明不同的损伤参数修正下的纤维增强充填体损伤本构模型曲线图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的不同纤维作用下纤维增强充填体的力学特性分析方法，包括以下步骤：
步骤一、制备充填体试样，所述充填体试样包括无纤维充填体试样、聚丙烯腈纤维增强充填体试样、玻璃纤维增强充填体试样、聚丙烯腈与玻璃混合纤维增强充填体试样；
步骤二、对所述充填体试样进行养护；
步骤三、测量所述充填体试样的重量、长度、宽度和高度；
步骤四、对所述充填体试样进行单轴抗压强度测试；
步骤五、对所述充填体试样的抗压强度测试结果进行计算分析；
步骤六、建立纤维增强充填体的损伤本构模型。
本实施例中，步骤一中所述制备充填体试样的具体过程包括：采用70.7mm×70.7mm×70.7mm的标准三联模制作充填体试样，所述充填体试样中的灰砂比为1:8；所述充填体试样的固体浓度为68％；所述聚丙烯腈纤维增强充填体试样中聚丙烯腈纤维占干尾砂和水泥总重量的0.5％；所述玻璃纤维增强充填体试样中玻璃纤维占干尾砂和水泥总重量的0.5％；所述聚丙烯腈与玻璃混合纤维增强充填体试样中聚丙烯腈纤维和玻璃纤维分别占干尾砂和水泥总重量的0.25％；所述聚丙烯腈纤维和玻璃纤维的长度均为12mm。
本实施例中，步骤二中所述对充填体试样进行养护的具体过程包括：将制备好的充填体试样，在相对湿度75±5％、温度25±5℃自然环境下养护，养护时间为7天。
本实施例中，步骤三中所述测量充填体试样的重量、长度、宽度和高度的具体过程包括：充填体试样养护后，以0.01g精度的电子秤称充填体试样的重量，以0.1mm精度的刻度尺测量充填体试样的长度、宽度和高度。
本实施例中，步骤四中所述对充填体试样进行单轴抗压强度测试的具体过程包括：采用最大承载能力为50kN的MTS微机控制电子万能试验机，在加载速率为0.5mm/min的应变控制模式下对充填体试样进行测试，直至充填体试样出现宏观失稳破坏，所述无纤维充填体试样、聚丙烯腈纤维增强充填体试样、玻璃纤维增强充填体试样、聚丙烯腈与玻璃混合纤维增强充填体试样均进行5次测试。
本实施例中，步骤五中所述对充填体试样的抗压强度测试结果进行计算分析的具体过程包括：所述5次测试的结果中，剔除试验强度最大和最小的试样数据，保留强度处于中间的3个测试数据，并对保留的3个测试数据求取平均值。
具体实施时，无纤维充填体试样、聚丙烯腈纤维(JBX)增强充填体试样、玻璃纤维(BL)增强充填体试样、聚丙烯腈与玻璃混合纤维(HJB)增强充填体试样(HJB)的抗压强度计算结果如表1所示。
表1不同纤维类型充填体试样抗压强度计算结果
Figure BDA0003201321170000071
从表1可以看出，以无纤维充填体试样为参照对象，聚丙烯腈纤维(JBX)增强充填体试样的抗压强度提高了0.6MPa，提高率为91.9％；玻璃纤维(BL)增强充填体试样的抗压强度提高了0.652MPa，提高率为99.8％；聚丙烯腈与玻璃混合纤维(HJB)增强充填体试样的抗压强度提高了0.622MPa，提高率为95.3％，以上试样抗压强度由高到低排序为
Figure BDA0003201321170000072
在灰砂比为1：8试样中，可见纤维增强充填体比无纤维充填体的抗压强度都有较大的提升，聚丙烯腈与玻璃混合纤维(HJB)增强充填体试样的抗压强度和聚丙烯腈纤维(JBX)增强充填体试样的抗压强度基本差别不大，玻璃纤维(BL)增强充填体试样的抗压强度是最大的。
本实施例中，步骤六中所述建立纤维增强充填体的损伤本构模型的具体过程包括：
步骤601、引入损伤修正系数α表征峰后强度特性，建立损伤本构方程为
σ＝Eε(1-αD)
其中，σ为应力，α为损伤修正系数，E为材料弹性模量，ε为应变，D为损伤变量；
步骤602、根据纤维增强充填体的微元破坏服从Weibul l分布，得到微元的概率密度为
Figure BDA0003201321170000081
其中，m、F0均为Weibul l分布的参数变量，F为微元强度分布变量；
步骤603、定义损伤变量D为已破坏微元面积数与总微元面积数之比，则
D＝SDn/Sn
其中，SDn为已破坏的微元面积数，Sn为总微元面积数；
步骤604、当荷载加载到强度F时，已破坏的微元面积数SDn(F)为
Figure BDA0003201321170000082
其中，Dn为已破坏微元数，P(Dn)为充填体已破坏微元数概率密度；
步骤605、根据步骤604结果简化损伤变量方程为
Figure BDA0003201321170000083
步骤606、将步骤605结果，代入损伤本构方程，得到
Figure BDA0003201321170000091
步骤607、根据纤维增强充填体应力-应变曲线的几何边界条件，得到
Figure BDA0003201321170000092
其中，εp为峰值应变；σp为峰值应力；
步骤608、令
Figure BDA0003201321170000093
得到
Figure BDA0003201321170000094
则纤维增强充填体的损伤本构模型为
Figure BDA0003201321170000095
Figure BDA0003201321170000096
为了验证本发明的合理性，对纤维增强充填体的损伤本构模型进行验证分析，根据应力-应变曲线可得纤维增强充填体的峰值应变和峰值应力，并计算各个曲线的弹性模量，再引入损伤修正系数α，即可求得纤维增强充填体的模型应力-应变曲线和损伤本构方程。纤维增强充填体损伤本构模型参数如表2所示，纤维增强充填体损伤本构方程如表3所示。
表2纤维增强充填体损伤本构模型参数
Figure BDA0003201321170000097
Figure BDA0003201321170000101
表3纤维增强充填体损伤本构方程
Figure BDA0003201321170000102
采用六种不同的损伤参数α对损伤变量进行修正，得到不同的纤维增强充填体损伤本构模型曲线，如图2所示。
从图2可以看出，各修正系数的模型曲线具有相似性，修正损伤系数α主要表征充填体峰后的残余强度特性。从整体上看理论曲线与试验曲线基本吻合，JBX增强充填体试样、BL增强充填体试样和HJB增强充填体试样理论曲线和实验曲线在峰值前基本吻合，在峰后稍有差异，尤其是BL增强充填体试样较大。无纤维试样在弹性阶段稍微有差异，但在峰值处和峰后吻合度较好。在峰值处，α＝1的理论曲线与试验曲线基本吻合，且随着α从1减小到0.86，理论曲线应力也依次减小，但在峰后，理论曲线的变化与峰值处呈完全相反的趋势，残余承载力随着α的减小而增大，且α越小，残余承载力越大，表现在曲线残余阶段变形末尾“尾巴”翘得高。各理论曲线在弹性阶段完全吻合，几乎无差别，在峰值处相差也不是很大，而在峰后，随着应变的增加，各理论曲线变化越来越大，说明修正损伤系数α主要影响充填体峰后强度阶段，对峰值前几乎无影响。
对于不同纤维增强的充填体试件中，图2(a)中的修正损伤系数α＝0.95、图2(b)中α＝0.88、图2(c)中α＝0.93和图2(d)中α＝0.86，在m值相同的条件下，由理论推导的损伤本构模型和实验绘制的应力-应变曲线吻合度较高。表明本文引入修正损伤系数α建立的修正的充填体损伤本构模型适用于不同纤维增强充填体本构关系中，此模型对工程设计与分析具有很好的参考价值。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种不同纤维作用下纤维增强充填体的力学特性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、制备充填体试样，所述充填体试样包括无纤维充填体试样、聚丙烯腈纤维增强充填体试样、玻璃纤维增强充填体试样、聚丙烯腈与玻璃混合纤维增强充填体试样；
步骤二、对所述充填体试样进行养护；
步骤三、测量所述充填体试样的重量、长度、宽度和高度；
步骤四、对所述充填体试样进行单轴抗压强度测试；
步骤五、对所述充填体试样的抗压强度测试结果进行计算分析；
步骤六、建立纤维增强充填体的损伤本构模型。
2.按照权利要求1所述的不同纤维作用下纤维增强充填体的力学特性分析方法，其特征在于，步骤一中所述制备充填体试样的具体过程包括：采用70.7mm×70.7mm×70.7mm的标准三联模制作充填体试样，所述充填体试样中的灰砂比为1:8；所述充填体试样的固体浓度为68％；所述聚丙烯腈纤维增强充填体试样中聚丙烯腈纤维占干尾砂和水泥总重量的0.5％；所述玻璃纤维增强充填体试样中玻璃纤维占干尾砂和水泥总重量的0.5％；所述聚丙烯腈与玻璃混合纤维增强充填体试样中聚丙烯腈纤维和玻璃纤维分别占干尾砂和水泥总重量的0.25％；所述聚丙烯腈纤维和玻璃纤维的长度均为12mm。
3.按照权利要求1所述的不同纤维作用下纤维增强充填体的力学特性分析方法，其特征在于，步骤二中所述对充填体试样进行养护的具体过程包括：将制备好的充填体试样，在相对湿度75±5％、温度25±5℃自然环境下养护，养护时间为7天。
4.按照权利要求1所述的不同纤维作用下纤维增强充填体的力学特性分析方法，其特征在于，步骤三中所述测量充填体试样的重量、长度、宽度和高度的具体过程包括：充填体试样养护后，以0.01g精度的电子秤称充填体试样的重量，以0.1mm精度的刻度尺测量充填体试样的长度、宽度和高度。
5.按照权利要求1所述的不同纤维作用下纤维增强充填体的力学特性分析方法，其特征在于，步骤四中所述对充填体试样进行单轴抗压强度测试的具体过程包括：采用最大承载能力为50kN的MTS微机控制电子万能试验机，在加载速率为0.5mm/min的应变控制模式下对充填体试样进行测试，直至充填体试样出现宏观失稳破坏，所述无纤维充填体试样、聚丙烯腈纤维增强充填体试样、玻璃纤维增强充填体试样、聚丙烯腈与玻璃混合纤维增强充填体试样均进行5次测试。
6.按照权利要求5所述的不同纤维作用下纤维增强充填体的力学特性分析方法，其特征在于，步骤五中所述对充填体试样的抗压强度测试结果进行计算分析的具体过程包括：所述5次测试的结果中，剔除试验强度最大和最小的试样数据，保留强度处于中间的3个测试数据，并对保留的3个测试数据求取平均值。
7.按照权利要求1所述的不同纤维作用下纤维增强充填体的力学特性分析方法，其特征在于，步骤六中所述建立纤维增强充填体的损伤本构模型的具体过程包括：
步骤601、引入损伤修正系数α表征峰后强度特性，建立损伤本构方程为σ＝Eε(1-αD)
其中，σ为应力，α为损伤修正系数，E为材料弹性模量，ε为应变，D为损伤变量；
步骤602、根据纤维增强充填体的微元破坏服从Weibull分布，得到微元的概率密度为
Figure FDA0003201321160000021
其中，m、F0均为Weibull分布的参数变量，F为微元强度分布变量；
步骤603、定义损伤变量D为已破坏微元面积数与总微元面积数之比，则
D＝SDn/Sn
其中，SDn为已破坏的微元面积数，Sn为总微元面积数；
步骤604、当荷载加载到强度F时，已破坏的微元面积数SDn(F)为
Figure FDA0003201321160000031
其中，Dn为已破坏微元数，P(Dn)为充填体已破坏微元数概率密度；
步骤605、根据步骤604结果简化损伤变量方程为
Figure FDA0003201321160000032
步骤606、将步骤605结果，代入损伤本构方程，得到
Figure FDA0003201321160000033
步骤607、根据纤维增强充填体应力-应变曲线的几何边界条件，得到
Figure FDA0003201321160000034
其中，εp为峰值应变；σp为峰值应力；
步骤608、令
Figure FDA0003201321160000035
得到
Figure FDA0003201321160000036
则纤维增强充填体的损伤本构模型为
Figure FDA0003201321160000041
Figure FDA0003201321160000042
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