第2期 邓代强等：水泥尾砂充填体劈裂拉伸破坏的能量耗散特征 ·145。 能量耗散特征.为了研究充填体在拉伸应力状态下 劈拉实验与实际倒梯形充填体中的应力状态之 破坏的能量耗散性质，对特大型采场不同灰砂比的 间存在明显的对应关系.倒梯形上部一定位置存在 水泥尾砂充填体采用施工地质钻孔及现场开挖的方 一个拉应力平面或非平面，凸出部位有向下移动的 式进行原位取样，将充填体芯加工成圆柱体试件后 趋势，随着矿柱爆破开采超出能量耗散极限的拉伸 在中南大学现代分析测试中心25 tINSTRON电液 部位将随之垮落.本次充填体巴西圆盘劈裂法加载 伺服刚性控制材料试验机上进行拉伸破坏全过程测 示意见图1.根据弹性理论及相关文献[1015]，从 试. 图2看到，直径为d、厚度为H的圆盘上任一点 1实验设备及试件制作 (x,y)的应力状态为： -2 sin acosa sincs 2F (1) 11实验设备 πH 1 12 πdH INSTRON一1342型电液伺服控制试验机为动 2F cos'a cos3 2F (2) 静态试验机主要由高压动力源、刚性机架、全数字 πHI l2JπdH 智能控制系统(T8800控制塔)和微机组成.仪器 2F cos'asina cos'Bsin (3) 性能综合技术指标：作动器冲程为士50mm,拉压最 大静荷为士250kN,动荷为士12.5kN.全部实验过 式中，F为荷载 程由微机控制，并由微机保存实验数据 了了2 12试件制作 上压板 试样取自安庆铜矿高大采场大体积充填体内部 深处.由于现场钻探和开挖所取得的充填体芯直径 受测 钢制 大多为75mm左右或是不规则状，为加工成为实 试件 垫条 验所需的标准试件，使用自动钻石机在75mm的 充填体芯和不规则状的试样中钻取试件，钻出的试 下压板 了] 件在自动岩样切割机上切割、打磨，成品试件为 50mmX30mm的圆柱体.实验对14、16、18、 图1巴西圆盘劈裂法加载过程 110、115(依次为AL、BL、CL、DL、EL组)各灰砂 Fig I Split ting tensile loading process of a Brazilian disc 比充填体试件做劈拉测试，其中15试件抗拉强度 很小，测试过程难度较大 2劈裂抗拉原理与实验 2.1测试原理 巴西圆盘劈裂法测定充填体抗拉强度可有效避 免轴向抗拉法测定时存在的轴向对准和试件夹头难 以设计的困难，但试件劈拉结果受加载方式的影响 较大，加垫条与否、垫条尺寸、加载速度、测量位置、 图2圆盘上任一点(x,y以应力分布 控制方式及手段与测试数据关系密切.本文依据标 Fig 2 Stress dstribution of an arbitrary point on the disc 准叨进行实验，选用直径与试件直径之比为 0.08~0.1的刚性垫条，其长度大于试件厚度，测试 当点处于x轴，a=Bl1=2=x2+(d/22= 采用位移控制方式.实验步骤为：通过试件直径两 0.5d/cos&,y=0即在圆盘上任一点(x,0)的应 端沿轴线方向划两条相互平行的加载基线。将两根 力状态为： 刚性垫条沿加载基线固定在试件两端：把试件置于 =名流4n2oa-山， 试验机工作台中心使之均匀受荷，并使垫条与试件 在同一加载轴线上；以6 mm'min1的速度加载至试 5=2品4ma-,=0 (4) 件破坏，试件最终破坏应通过两垫条所决定的平面， 当点处于y轴，a=B=0,11十12=d,其中11= 否则应视为无效：最后记录破坏载荷、加载过程中出 0.5d士y,l2=05d干y,x=0,即在圆盘上任一点 现的现象和对破坏后的试件进行描述. (0,y)的应力状态为：能量耗散特征.为了研究充填体在拉伸应力状态下 破坏的能量耗散性质, 对特大型采场不同灰砂比的 水泥尾砂充填体采用施工地质钻孔及现场开挖的方 式进行原位取样, 将充填体芯加工成圆柱体试件后 在中南大学现代分析测试中心 25 t INSTRON 电液 伺服刚性控制材料试验机上进行拉伸破坏全过程测 试. 1 实验设备及试件制作 1.1 实验设备 INS TRON -1342 型电液伺服控制试验机为动 静态试验机, 主要由高压动力源、刚性机架、全数字 智能控制系统( FT8800 控制塔) 和微机组成.仪器 性能综合技术指标:作动器冲程为 ±50 mm, 拉压最 大静荷为±250 kN, 动荷为 ±12.5 kN .全部实验过 程由微机控制, 并由微机保存实验数据 . 1.2 试件制作 试样取自安庆铜矿高大采场大体积充填体内部 深处 .由于现场钻探和开挖所取得的充填体芯直径 大多为 75 mm 左右或是不规则状, 为加工成为实 验所需的标准试件, 使用自动钻石机在 75 mm 的 充填体芯和不规则状的试样中钻取试件, 钻出的试 件在自动岩样切割机上切割、打磨, 成品试件为 50 mm ×30 mm 的圆柱体.实验对1∶4 、1∶6 、1∶8 、 1∶10 、1∶15(依次为 AL 、BL 、CL 、DL 、EL 组) 各灰砂 比充填体试件做劈拉测试, 其中 1∶15 试件抗拉强度 很小, 测试过程难度较大 . 2 劈裂抗拉原理与实验 2.1 测试原理 巴西圆盘劈裂法测定充填体抗拉强度可有效避 免轴向抗拉法测定时存在的轴向对准和试件夹头难 以设计的困难, 但试件劈拉结果受加载方式的影响 较大, 加垫条与否 、垫条尺寸、加载速度、测量位置 、 控制方式及手段与测试数据关系密切 .本文依据标 准[ 8-9] 进 行实验, 选用 直径与 试件直 径之比 为 0.08 ～ 0.1 的刚性垫条, 其长度大于试件厚度, 测试 采用位移控制方式.实验步骤为:通过试件直径两 端沿轴线方向划两条相互平行的加载基线, 将两根 刚性垫条沿加载基线固定在试件两端;把试件置于 试验机工作台中心使之均匀受荷, 并使垫条与试件 在同一加载轴线上 ;以6 mm·min -1的速度加载至试 件破坏, 试件最终破坏应通过两垫条所决定的平面, 否则应视为无效 ;最后记录破坏载荷、加载过程中出 现的现象和对破坏后的试件进行描述. 劈拉实验与实际倒梯形充填体中的应力状态之 间存在明显的对应关系 .倒梯形上部一定位置存在 一个拉应力平面或非平面, 凸出部位有向下移动的 趋势, 随着矿柱爆破开采, 超出能量耗散极限的拉伸 部位将随之垮落.本次充填体巴西圆盘劈裂法加载 示意见图 1 .根据弹性理论及相关文献[ 10-15] , 从 图2 看到, 直径为 d 、厚度为 H 的圆盘上任一点 μ( x , y )的应力状态为: σx = 2F πH sin 2αcosα l 1 + sin 2 βcosβ l 2 - 2F πdH ( 1) σy = 2F πH cos 3 α l 1 + cos 3 β l2 - 2F πdH ( 2) τxy = 2F πH cos 2αsin α l 1 + cos 2 βsinβ l 2 ( 3) 式中, F 为荷载 . 图1 巴西圆盘劈裂法加载过程 Fig.1 Splitting tensile loading process of a Brazilian disc 图 2 圆盘上任一点 μ( x, y) 应力分布 Fig.2 Stress distribution of an arbitrary point on the disc 当点处于 x 轴, α=β, l 1 =l2 = x 2+( d/2) 2 = 0.5d/ cosα, y =0, 即在圆盘上任一点 μ( x, 0)的应 力状态为: σx = 2F πdH ( 4sin 2αcos 2α-1) , σy = 2F πdH ( 4cos 4α-1) , τxy =0 ( 4) 当点处于 y 轴, α=β =0, l 1 +l 2 =d , 其中 l 1 = 0.5d ±y, l 2 =0.5d y , x =0, 即在圆盘上任一点 μ( 0, y) 的应力状态为 : 第 2 期 邓代强等:水泥尾砂充填体劈裂拉伸破坏的能量耗散特征 · 145 ·