我国每年因煤炭开采破坏地下水约80亿t,而利用率仅25%左右[1]。作为我国煤炭资源战略重心的中西部地区,如何做好水资源保护与循环利用是我国煤炭开发长期面临的重大难题[2-3]。针对此问题,我国学者率先提出了“保水开采”[4-6]和“地下水库储水”[7]学术思想。而浅埋煤层大采高且顶板冒落只有“两带”的神东地区主要采用“地下水库储水”技术,即利用煤矿开采之后形成的采空区作为储水载体,同时将采空区边界安全煤柱用人工坝体连接起来形成水库坝体,并建设矿井水入库设施和取水设施,充分利用采空区岩石对矿井水的自然净化,达到了对矿井水资源形成有效保护以及合理循环利用[8-10]。
目前,煤矿地下水库主要应用在我国神东矿区,其人工坝体设计厚度在1 m左右,设计材料以钢筋混凝土为主。根据现场调研及已有文献资料可知,人工坝体强度为C30,坝体结构俯视图如图1所示[7]。地下水库人工坝体其结构特殊、受力复杂,不仅承受库水压力和吸水-失水的水浸作用,而且受采动和矿震的循环加载作用。顾大钊等[11]以大柳塔煤矿2号地下水库为例,利用相似模拟和数值计算手段对比分析了地面水库和煤矿地下水库坝体抗震安全性之间的差异,并验证了煤矿地下水库抗震安全性,提出了煤矿地下水库坝体安全系数概念。姚强岭等[12-15]针对地下水对隔水煤岩柱和矿井地下水库边界的反复浸水损伤过程,开发了无损浸水实验装置,研究了反复浸水作用下煤岩样力学性质损伤规律和声发射特征,为地下水库煤柱坝体及隔水煤岩柱留设宽度的确定提供了参考。张国恩[16]建立了煤矿地下水库人工坝体安全分析数学模型,进行了定性和定量分析,并通过乌兰木伦矿地下水库人工坝体得到了有效验证。
图1 坝体结构俯视
Fig.1 Top view of dam structure
混凝土回弹和超声波检测已广泛应用于混凝土的质量控制和检测中,并逐渐形成一套完善的超声、回弹测强体系[17-19]。同时,声发射作为岩石破坏过程中的一种伴生现象,蕴含着岩石内部破坏过程的许多信息,逐渐成为岩石力学特性和损伤演化规律研究的重要技术方法[20-21]。
本文根据地下水库人工坝体服务期间含水状态和受力变化过程,将其简化为3个阶段:① 抽蓄水初始阶段;② 矿震及采动影响中期阶段;③ 继续储蓄水阶段。并相应设计了超声-回弹综合测强、循环加载、单轴压缩声发射3个试验,对神东矿区地下水库人工坝体试样强度变化进行了研究,从而掌握其损伤演化特征,为后续地下水库人工坝体设计及安全稳定性分析提供相关技术参考。
1 试验设计
为研究地下水库人工坝体在服务期间内强度变化及不同时期内的损伤演化特征,实验室制备了C30标准混凝土坝体试样(150 mm×150 mm×150 mm),设计了相关试验研究内容,实验流程如图2所示。
图2 试验流程
Fig.2 Experiment process
具体步骤如下:
(1)坝体试样饱水、风干试验。确定试样饱水时间为90 h、风干时间为72 h,并对试样进行0,1,2,3,4,5次浸水循环,定义每饱水-风干一次即为一次浸水循环[12,22]。
(2)将坝体试样进行分组,对不同浸水次数试样进行超声波、回弹值测试(I组);同时,利用液压伺服万能试验机实测Ⅱ组试样单轴抗压强度,具体分组情况见表1。拟合得到超声-回弹综合测强公式,并利用该公式预测坝体试样强度并与实测值进行对比,以验证预测公式的可靠性。
(3)另取试样重复步骤(1)和(2)中超声波、回弹值的测试,预测不同浸水循环次数人工坝体试样单轴抗压强度,并取单轴抗压强度的50%和25%作为循环加载的上、下限进行单轴压缩循环加载试验,采用应力控制的等幅值循环载荷;加载速率为0.5 MPa/s;循环20次,并预测循环加载后坝体试样强度变化。
表1 混凝土试样分组
Table 1 Groups of concrete samples
(4)对循环加载坝体试样浸水后进行单轴压缩声发射试验。
2 超声-回弹综合测强分析
2.1 超声-回弹综合法综合测强公式研究
坝体试样浸水循环后,选用TIME1120型超声波探伤仪和指针直读式中型回弹仪,测试坝体试样的超声波速和回弹值,如图3所示,并利用C64.106液压伺服万能试验机实测Ⅱ组(对照组)坝体试样单轴抗压强度。
图3 超声-回弹测试
Fig.3 Ultrasonic-rebound test
依据《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》(CECS02:2005)[23]中推荐的式(1)作为超声-回弹综合测强曲线的回归函数计算:
fcu=aRbvc
(1)
式中,a为常系数;b,c为回归系数;fcu为坝体试样实测抗压强度值,MPa;R为回弹值,MPa;v为超声波值,km/s。
采用Matlab软件进行编程,得出包括混凝土试样实测强度-回弹值/超声波值幂函数拟合曲面如图4所示。回归方程、标准差σ见式(2):
fcu=0.435R1.112 7v0.309 2σ=3.33
(2)
图4 综合测强幂函数曲面
Fig.4 Power function curve of compressive strength test
2.2 超声-回弹综合法综合测强公式探讨
将实测的超声波值和回弹值代入式(2),可得Ⅱ组坝体试样单轴抗压强度预测值,见表2。
表2 不同浸水次数Ⅱ组坝体试样单轴抗压强度
Table 2 Uniaxial compressive strength of II dam sampleswith different water intrusion times
由表2可知:通过综合测强公式计算出来的人工坝体试样的抗压强度预测值普遍大于实测抗压强度,但实测值与预测值间变化幅度较小,误差在-1～2 MPa之间;误差百分比在-2%～4%,小于规范要求的14%[23]。因此,拟合所得超声-回弹综合测强公式可适合用于人工坝体试样强度预测。
2.3 试样超声-回弹特征及强度分析
根据I组坝体试样超声波速和回弹值测试结果,并利用式(2)预测试样单轴抗压强度,可以得到A-Ⅰ,B-Ⅰ,C-Ⅰ,D-Ⅰ,E-Ⅰ,F-Ⅰ坝体试样超声波速、回弹值在浸水前、后的变化规律,及其随着浸水次数增加波速增长和回弹值下降比例关系,见表3和图5。
表3 I组坝体试样单轴抗压强度预测值
Table 3 Uniaxial Compressive strength prediction of I dam samples
注:① 考虑到回弹试实验对坝体试样强度的影响,每组坝体试样仅作1次回弹实验;② A-I,B-I,C-I,D-I,E-I,F-I坝体试样浸水前超声波速和回弹值基本一致,故其之间进行浸水后的对比研究是可行的。
由图5可知:随着浸水循环次数的增加人工坝体超声波波速增长比例变化幅度由3.54%增加到9.86%,而回弹值随着浸水次数的增加而降低。除第一次浸水循环外,波速增长比例、回弹值下降比例均大致呈线性规律变化。由此可知,浸水循环次数的增加促进了混凝土内部裂隙的进一步发育和含水率不断升高,从而引起人工强坝体试样超声波波速的变化;同时,含水率的增加会对混凝土试样造成一定的损伤弱化,所以其回弹值呈现出逐渐下降的规律。
图5 浸水前、后超声波、回弹值变化曲线
Fig.5 Changing curve of ultrasonic and rebound value before and after water intrusion
图6 浸水循环作用下试样强度变化曲线
Fig.6 Compressive strength curve categorized by immersed frequencies
根据表3,可得到浸水循环次数与抗压强度预测值关系如图6所示。从图6可知,随着浸水循环次数的增加,人工坝体试样的强度呈下降趋势。其中在经过1次浸水循环后,坝体试样的强度急剧下降;在第2,3,4,5次浸水循环后,坝体试样强度下降速率大致呈线性。浸水次数与坝体试样强度拟合函数为
(3)
其中,y为坝体试样强度,MPa;x为浸水循环次数。由式(3)可知,吸水-失水对坝体试样的强度影响较大,在设计人工坝体时需考虑地下水库储抽水过程中水的影响作用,增加一定的安全系数,以确保地下水水库的长期安全运行。
3 损伤演化特征
3.1 循环加载应力-应变曲线
为了研究水、采动及矿震等循环作用下对混凝土坝体的影响,对B-Ⅰ，C-Ⅰ，D-Ⅰ，E-Ⅰ，F-Ⅰ五组坝体试样进行了循环加载试验,研究不同浸水次数坝体试样在循环加载条件下强度变化规律,试验结果如图7所示。
图7 5组坝体试样循环加载应力-应变曲线
Fig.7 Stress-strain curves under cyclic loading for five group samples
由图7可知:5组坝体试样的循环加载上、下限应力值之间的差异不大,但应变却随着浸水次数的增加而呈递增趋势。说明随着浸水次数的增加,水对坝体试样的弱化越明显,试样的刚度逐渐减小。
采用超声-回弹综合测强法测试循环加载后人工坝体试样单轴抗压强度,见表4。五组坝体试样在循环荷载作用的影响下,其强度随着浸水循环次数的增加而增大,下降比例最大为16.73%。
表4 损伤坝体试样强度变化统计
Table 4 Uniaxial Compressive strength change ofdamaged samples
3.2 水作用下循环加载试样损伤研究
声发射参数能够反映混凝土材料破坏过程中内部损伤变化情况[24-25]。对3.1节中循环加载后的坝体试样饱水,再对其进行单轴压缩声发射试验研究,如图8所示。
图8 单轴压缩声发射系统示意
Fig.8 Schematic diagram of AE Uniaxial compression test
1—声发射信号监测系统;2—声发射探头;3—前置放大器;4—放大器
得到各组循环加载后人工坝体试样单轴抗压强度变化和应力-应变关系曲线,见表5和图9。
由表5和图9可知:循环加载人工坝体试样饱水后,其全应力-应变曲线呈现如下特征:试样峰值应力和应变均呈减小;压密阶段和弹性阶段范围减小,而峰后应变软化阶段范围增加,试样整体呈塑性变形特征;单轴抗压强度随其浸水次数的增加而下降,最大下降幅度达45%。
表5 饱水后损伤坝体试样单轴抗压强度
Table 5 Uniaxial compressive strength of damaged samples after saturated water
图9 5组试样应力-应变曲线
Fig.9 Stress-stain curves of five group samples
3.3 基于声发射振铃计数的损伤演化方程
利用损伤变量D和微元损伤率来度量混凝土材料的内部损伤程度,微元损伤率φ(ε)与损伤变量D之间的关系表达式见式(4):
(4)
假设混凝土试样微元强度服从Weibull分布,其概率分布密度函数可表示为
(5)
式中,ε为混凝土试样单轴压缩的应变;m为形状参数;α为尺度参数。
将式(4)代入式(5)并进行积分可得
(6)
人工坝体试样单轴压缩声发射振铃计数与其内部损伤缺陷变化规律之间存在一定关联性[15],据此可建立微元计数率与AE振铃计数之间的关系式:
Nε=Nm
φ(x)dx
(7)
式中,Nε表示混凝土试样单轴压缩应变为ε时的AE振铃计数;Nm表示混凝土试样单轴压缩破坏时的AE振铃计数。
将式(6)代入式(7)并进行积分可得
(8)
联立式(6)和式(8),可以得出混凝土试样损伤变量D与AE振铃计数关系表达式:
(9)
因此,将AE振铃计数数据代入上式(9),即可得出5组坝体试样的损伤曲线,如图10和11所示。
图10 坝体试样应力-应变、应变-损伤曲线
Fig.10 Stress-strain and strain-damage curves of five group samples
图11 坝体试样应力-损伤曲线
Fig.11 Stress-damage curves of samples
由图10，11可知:5组坝体试样的应力-损伤曲线变化规律及变化趋势基本一致;压密、弹性阶段,混凝土试样内部损伤量较低;塑性屈服阶段,试样内部裂纹不断延伸扩张并产生新裂纹,试样表面出现大量裂纹并产生一定的剥落,试样的损伤量迅速增加,损伤量变化较大,约占总损伤量的80%;峰后应变软化阶段,试样表面裂纹相互贯通,扩展至整个试样表面,骨料大面积松散、剥落、分离,试样破坏,应力迅速降低,损伤量达到1。
4 结 论
(1)本文所得超声-回弹综合测强公式可以对水作用下混凝土坝体试样进行强度预测;随着浸水次数的增加坝体试样回弹值和超声波速分别呈现出下降和上升趋势,表明不同浸水次数作用下坝体试样内部裂隙不断延伸和发育。
(2)循环荷载作用影响下混凝土试样内部造成一定的累积疲劳损伤,坝体试样的整体强度较循环加载之前有所下降,但下降幅度缓慢,强度下降最大为16.73%;而后对试样继续进行饱水,其强度则迅速下降,最大下降幅度达45%。由此可知,循环加载、浸水共同作用对地下水库人工坝体单轴抗压强度影响显著。
(3)水作用下坝体试样在破坏过程中主要表现为塑性特性,在压密和弹性阶段的混凝土试样损伤变化率较大,但损伤量较小;屈服阶段,应力变化率较缓,损伤量变化较大,占总损伤量的80%;应变软化阶段,应力损伤量变化率再次增大,应力迅速降低,损伤量达到1。
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