铀尾砂胶结充填体三轴压缩试验及非线性强度准则研究

充填采矿法是矿山开采的重要施工方法,探究尾砂胶结充填体回填采空区后的强度特性具有重要的理论研究和工程实际意义。以铀尾砂胶结充填体为研究对象,研究砂灰比和围压对胶结充填体力学性能的影响。随后基于三种强度理论,以试验数据为基准,对不同砂灰比铀尾砂胶结充填体强度进行预测。研究结果表明砂灰比对尾砂胶结充填体的力学特性有较大的影响;（1）砂灰比为4,围压小于4MPa时,铀尾砂胶结充填体的应力-应变曲线呈应变软化型,砂灰比大于4.铀尾砂胶结充填体的应力-应变曲线呈应变硬化型（2）粘聚力和内摩擦角随着砂灰比的增大而减小,并逐渐趋于平稳。并呈指数下降趋势,（3）Rocker准则公式简单,能精准的预测不同砂灰比条件下铀尾砂胶结充填体的强度。并提出考虑砂灰比的铀尾砂胶结充填体的Rocker强度准则,并验证其具有良好的预测效果,上述研究将为矿山充填开采提供有益的参考。     

不同配比及浓度条件下钽铌矿尾砂胶结充填体力学性能研究

为得到某钽铌矿尾砂胶结充填体不同配比和不同浓度下的力学特性参数,实现矿山安全、经济的生产目标,对灰砂比分别为1∶4、1∶6、1∶8和1∶10,料浆浓度分别为68%、72%和76%的充填体试样开展系列试验研究.通过单轴压缩试验,得到了不同配比、不同浓度料浆条件下的充填体单轴抗压强度与弹性模量和泊松比之间的关系曲线;通过不同剪切角度下的剪切试验,绘制了不同浓度料浆条件下充填体正应力、剪应力和不同灰砂比之间的关系图,计算出了充填体内聚力C值和内摩擦角φ值;通过巴西劈裂试验,得到了充填体的抗拉强度与不同配比和不同浓度料浆的对应变化关系.研究结果可为该矿山采取充填法采矿方案的设计及优化提供科学依据,也可为同类矿山充填材料配比和料浆浓度设计提供参考.     

不同加载速率下胶结充填体损伤特性与 能量耗散特征分析

针对矿体回采所导致的充填体破坏可近似看作不同加载速率下的加载过程,在实验室开展了5种加载速率下的胶结充填体单轴压缩试验,在得到充填体应力-应变曲线的基础上,根据能量耗散原理及损伤力学,计算了不同加载速率下的充填体能耗值并构建了相应的损伤演化方程,研究了不同加载速率下胶结充填体的能量耗散与轴向压缩时间、应变间的内在关系,探讨了胶结充填体受压破坏的能量损伤演化过程.研究结果表明,不同于高强度的岩石,胶结充填体存在临界加载速率现象,当加载速率超过临界值后,充填体强度随加载速率增加而降低;充填体的峰前能耗量、峰后能耗量、单位体积应变能及总能耗量与加载速率呈二次函数曲线关系;充填体的总能耗量随轴向压缩时间、轴向应变的增大呈现Logistic函数形式增长规律,但加载速率的不同使得能耗值增长速率及充填体达到相同轴向变形所需能耗量存在明显差异;不同加载速率下充填体的压缩破坏均属同一类损伤过程,充填体受压破坏的能量损伤演化过程可划分为初始损伤、损伤稳定发展、损伤加速及损伤破坏4个阶段.     

尾砂胶结充填体变形及强度试验研究

对几种水泥尾砂配比的全尾砂胶结充填体进行了无侧限条件下的变形试验，并首次对其抗拉强度和抗挠强度进行了对比试验，发现尾砂胶结充填体在无侧限条件下无明显压密过程，具有较大的侧向膨胀能力，其抗挠强度远比抗拉强度大等特征，进一步证明了这种充填体具有较强的塑性．     

单轴压缩下不同养护龄期尾砂胶结充填体损伤特性及能量耗散分析

为了研究养护龄期对尾砂胶结充填体损伤特性及能量耗散的影响,在RMT-150C岩石力学试验系统上对不同养护龄期下尾砂胶结充填体进行单轴压缩试验。研究结果表明:养护龄期的延长能够有效阻碍试件裂纹的萌生与扩展,抑制试件内部能量的扩散,使线弹性变形阶段能够延伸到更高的水平,从而提高了充填体抗压强度;充填体的峰前能耗量、峰后能耗量、单位体积应变能及总能耗量与养护龄期呈指数函数曲线关系;充填体峰前和峰后的能量耗散速率与养护龄期具有良好的指数正相关性,充填体的峰后能量耗散速率显著大于峰前能量耗散速率,说明峰前损伤较慢,而峰后则快速损伤破裂,耗散能曲线突然变陡意味着充填体开始破坏;在养护早期,充填体的峰前能耗量和总能耗量随轴向应变增大其增幅较低,总能耗与轴向应变呈指数函数曲线关系;充填体的峰值应力损伤与养护龄期具有良好的指数正相关性;单轴加载下充填体受压破坏的能量损伤演化机制可划分为初始损伤、损伤稳定发展、损伤加速及损伤破坏4个阶段。     

微观尺度下含硫尾砂胶结充填体侵蚀机理

全尾砂作为采空区充填最常用的充填骨料之一,以其形成的胶结充填体必然含有一定量的硫化物或硫元素。针对硫元素对胶结充填体强度的影响问题,基于水泥水化单元模型及水泥的微观水化反应机理,建立了二维的含硫尾砂侵蚀水化单元模型。在此基础上,通过分析石膏与钙矾石在侵蚀过程中的作用,研究了硫酸根离子对水泥水化单元的侵蚀机理,以及硫酸根离子对水化单元微观结构变化的影响。同时,将含硫尾砂的侵蚀过程与水化单元微观结构的变化进行匹配和阶段划分,更加准确地分析了含硫尾砂胶结充填体侵蚀过程随时间发展变化规律。研究分析表明,模型预测结果与现有理论分析吻合,本文所建立的模型可以合理地解释含硫尾砂胶结充填体微观侵蚀过程的时变发展规律。     

尾砂级配的混沌优化

采用分形理论研究分级尾砂的级配.计算国内外大量矿山尾砂材料的分形参数,研究尾砂的分形级配与其胶结强度的关系.采用神经网络建立尾砂胶结强度与水泥质量分数、料浆浓度、尾砂颗粒分维数、孔隙分雏数及分维数相关率的知识库模型.研究结果表明,尾砂胶结强度与其分形级配相关;随着尾砂颗粒间孔隙分雏数减小,充填体强度增高;尾砂分雏数相关率越大,充填体强度越大.用所建立的神经网络知识库模型,利用Logistic迭代方程的混沌遍历特性,采用混沌优化方法研究使充填体达到最佳强度的选矿尾砂最优分级.根据采场脱水工艺,应用该方法,获得安庆铜矿选矿尾砂的最佳级配参数.工程应用结果显示,该方法年增加尾砂用量2.87万t,胶结充填体强度提高8%,为矿山年节约充填成本55.8万元.     

全尾砂充填材料组份含量优化的试验研究

对砂胶比 30∶1(固体浓度 82 % )的全尾砂膏体充填材料的无测限单轴抗压强度 (特别是细粒级尾砂含量和石灰含量的优化 )进行了试验研究 结果表明 :充填体中细粒级尾砂含量越大 ,需要更多的石灰才能达到 3d和 7d目标强度 ;石灰含量从 1.0 %增加到 7.0 % ,细粒级尾砂含量从 2 5%增加到 50 % ,充填体 2 8d目标强度都容易达到 表 1,图 1,参 3     

块石含量对充填体力学特性与韧性影响试验研究

在块石胶结充填中作为骨料的块石是充填体各项力学性能的关键影响因素。在RMT-150C试验系统上进行不同块石含量充填体无侧限单轴压缩试验,得到其应力-应变、荷载-位移曲线,结果表明块石的加入对充填体结构稳定性、峰值强度、残余强度都有较大影响。采用美国材料与试验协会韧度指数法分析,得到了不同块石含量下充填体韧度指数,发现块石含量增加对充填体韧性影响的一般规律:充填体韧度指数随块石含量增加呈先增后减的趋势,在含量趋近40%时韧度达到最大。     

基于全尾砂充填体非线性本构模型的深井充填强度指标

目前矿山深井充填体强度指标是类比浅部充填经验来确定的,为改变这种不合理局面,根据某深井开采矿山全尾砂充填体单轴压缩实验的应力-应变关系曲线,建立了全尾砂充填体峰值应力前的非线性本构模型.结合全尾砂充填体与深部围岩耦合作用下能量损耗相近的原则,得出了全尾砂充填体抗压强度设计公式.实例研究结果表明:建立的全尾砂充填体峰值应力前的非线性本构模型与实验结果吻合;深部开采全尾砂充填体强度指标与围岩原岩应力、弹性模量以及充填体本身的力学性能有关,采用非线性本构模型确定的全尾砂充填体强度指标比采用线性本构模型确定的强度指标更精确.     

单轴压缩下岩石损伤统计本构模型与试验研究

基于岩石应变强度理论和岩石强度的随机统计分布假设,采用损伤力学理论,建立了能够反映残余强度的单轴压缩下岩石损伤统计本构模型．利用伺服试验机对大理岩进行了单轴压缩试验．基于试验结果确定出损伤统计本构模型参数,理论结果和试验结果吻合较好．     

混凝土随机损伤本构关系--单轴受压分析

在混凝土受拉随机损伤本构关系研究基础上 ,进一步研究了混凝土单轴受压随机损伤本构关系 .通过考虑混凝土内部各组项的影响 ,建立了混凝土单轴受压损伤机理模型 .通过引入混凝土细观单元受拉破坏应变分布随机场 ,根据混凝土破坏过程的能量守恒原理 ,导出了混凝土受压破坏的随机损伤本构方程 .将导出的理论结果与试验研究进行了对比 ,效果良好 .     

基于声波波速测试充填体质量试验研究

通过试验分析了充填体抗压强度与声波波速之间的对应关系,在此基础上,应用线性回归数学知识建立了以充填体纵波波速为输入变量,以充填体单轴抗压强度为输出变量的数学模型,利用该模型预测充填体的抗压强度,为充填体综合质量评价提供最有力的研究依据。     

初始温度条件下全尾胶结膏体损伤本构模型

膏体充填料到达采场初始温度不同是矿山存在的普遍现象,不同初始温度条件下膏体力学特性及应力-应变关系直接影响到矿山采充周期及相邻采场开采时贫化指标.通过对初始温度为2、20、35和50℃的硬化膏体进行单轴抗压强度试验,获得不同初始温度下充填体应力-应变演化曲线.根据理论推导和试验结果,建立了不同初始温度下膏体损伤本构模型,通过本构模型参数回归,提出膏体温度-时间耦合损伤本构模型.最后,采用Comsol数值模拟软件,将温度-时间耦合损伤本构模型嵌入solid mechanics模块,对单轴抗压试验进行数值模拟,模拟应力-应变曲线与试验结果较为吻合,验证了所提出本构模型的可靠性.     

混凝土受压性能的非均质细观数值模拟

将混凝土看作是由骨料、砂浆及它们之间的界面组成的三相复合材料,在细观层次上建立了非均质混凝土棱柱体试件的随机骨料模型,分别赋予细观单元弹脆性损伤本构关系或弹塑性本构关系,研究了采用不同本构关系的混凝土棱柱体试件在单轴压缩荷载作用下的细观损伤演化过程,获得了相应的混凝土单轴受压宏观应力-应变曲线,并将计算结果与试验结果做了比较.结果表明:混凝土试件的破坏是由于细观损伤的积累导致的;非均质模型计算所得的宏观应力-应变曲线上升段与试验结果吻合相对较好,弹塑性本构模型计算所得的曲线下降段比弹脆性模型更接近于试验曲线.     

芒硝力学特性及其本构模型

为了解芒硝的力学特性,在MTS815岩石伺服试验机上对其进行了力学试验,包括单轴压缩试验和等围压三轴压缩试验,并对其强度和变形特征进行了分析。分析表明,芒硝在单轴压缩下表现应变软化特性,且强度很低,属于软岩的范畴;当围压在5 MPa以上时,芒硝表现明显的应变硬化特征。根据芒硝变形特性,提出了以岩石塑性应变作为微元统计分布变量,同时引入一个能够反映岩石破坏部分承载力的比例系数,建立了能够反映岩石应变硬化特征的损伤统计本构模型,并用试验资料对其进行了验证。结果表明,该模型能够较好地反映芒硝岩样的破坏全过程,且在单轴压缩下,芒硝微元破坏部分承受的力很小,可以忽略;而在高围压作用下,微元破坏部分承受的力比较大,不能忽略。     

单轴压缩下石灰岩损伤统计本构模型与试验研究

基于岩石应变强度理论和岩石强度的Weibull分布假设,引出能合理描述岩石微元强度的参量,采用损伤力学理论,建立了能够反映残余强度的单轴压缩下岩石损伤统计本构理论模型．并利用伺服控制试验系统(RMT-150B)对石灰岩进行了单轴压缩试验,得到合理的石灰岩损伤统计本构关系,并验证了理论模型。     

ABAQUS混凝土损伤塑性模型的静力性能分析

为评估ABAQUS有限元软件中混凝土损伤塑性模型分析混凝土材料和构件静力性能的能力,用该模型对混凝土材料单轴、双轴应力状态下力学性能以及构件的抗弯、抗剪性能进行模拟,并与试验结果进行对比分析.结果表明,混凝土损伤塑性模型可以较为精确地模拟单轴受压、单轴受拉、双轴受压以及双轴受拉状态下混凝土材料的力学性能,能较好地反映双轴应力状态下的材料破坏包络线,也能较好地预测钢筋混凝土构件的抗弯和抗剪性能及其破坏特征,但不能很好地描述双轴拉压应力状态下混凝土材料的力学性能,也不能反映材料的体积应变发展变化规律.     

硫酸盐、干湿循环和冻融循环耦合作用下混凝土单轴受压模拟

基于硫酸盐腐蚀混凝土单轴受压试验结果,通过对《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)中无腐蚀混凝土单轴压应力-应变关系中的混凝土损伤演化参数进行修正,建立了硫酸盐、干湿循环和冻融循环耦合作用下混凝土单轴受压本构模型。采用修正后的本构模型,以及ABAQUS软件自带的损伤塑性模型,考虑损伤因子的影响,较好地模拟了硫酸盐、干湿循环和冻融循环耦合作用下混凝土的单轴受压行为。有限元模拟结果表明：随着硫酸盐干湿循环次数和冻融循环次数的增大,混凝土最大受压损伤因子逐渐增大,损伤范围也逐渐扩大;最大主拉应力逐渐减小,中部压应力逐渐增大,等效塑性应变逐渐增大,混凝土破坏更严重;破坏均属于最大拉应变强度破坏。所提有限元模型可动态反映参数变化过程中混凝土的应力发展与损伤状态,可应用于硫酸盐、干湿循环和冻融循环耦合作用下混凝土单轴受压的模拟。     

不同厚度充填体-围岩组合体力学性质及损伤本构

为探究充填体厚度变化对充填体-围岩组合体力学性能的影响规律,开展了5种不同厚度充填体-围岩组合体试件单轴压缩试验,结合数字散斑技术对试件破坏模式的变化进行分析,建立考虑峰后应变软化阶段的分段式损伤本构模型对全过程应力—应变关系进行描述。分析结果表明,充填体厚度变化对组合试件力学性能与破坏模式影响显著。随着充填体厚度由0 mm增加至100 mm,试件峰值强度由94.6 MPa呈指数关系下降至10.1 MPa、峰值应变由0.30下降至0.06,弹性模量呈先下降后上升变化趋势;利用数字散斑技术分析发现,随着充填体厚度增加,破坏模式逐渐由脆性剪切破坏过渡为拉剪复合破坏,最终发展为由充填体内部发生 X 型剪切破坏而引起的拉伸劈裂破坏;通过改变分段式损伤本构模型的分布参数与修正系数,可较好的表征不同充填体厚度试件的全过程应力—应变曲线,利用文献[26]数据进行验证,发现模型适用性较好;充填体厚度越大,由充填体存在而引起的试样初始损伤越大,达到峰值应变时,损伤变量 D未达到1,试件延性破坏特征越明显,破坏后残余强度越高。