巖石受拉及拉剪流變特性試驗研究

巖石受拉及拉剪流變特性試驗研究

1拉拉剪應力作用下的流變性質巖石（體）的變形特性以及巖石（體）的長期變形影響是一個普遍關注的重要問題。巖石(體)的流變特性與其應力狀態(tài)密切相關。巖石(體)在壓或壓剪應力作用下的流變性質人們已進行了不少的嘗試,獲得了不少的研究成果。但是,對于巖石(體)在拉或拉剪應力作用下的流變性質,研究不多,報道很少。其主要原因是試件加荷困難,試件加工復雜等。然而,由于巖體工程中,巖體的應力狀態(tài)表現為拉剪的并不少見,并且,常常表現為巖體工程(邊坡、地下洞室)變形和穩(wěn)定的制約因素。例如,三峽工程永久船閘高邊坡巖體,當邊坡開挖形成后,由于卸荷而產生的二次應力場使巖體產生很大的拉應力區(qū),區(qū)內巖體在拉剪應力作用下將會使節(jié)理裂縫張開、擴展、斷裂,加上巖石自身的流變,從而使巖體具有十分明顯的流變性質,成為三峽工程永久船閘邊坡變形與穩(wěn)定的制約因素之一。因此,拉剪應力作用下巖石(體)流變性質的研究是極為重要的。2試驗加載與拉剪面巖石受拉及拉剪流變試驗是根據三峽工程永久船閘區(qū)巖體地質鉆探中所取得的巖芯來制作的。巖芯為微新花崗巖,直徑為54mm。試驗中,試件長度有200mm和150mm兩種。為模擬巖石、節(jié)理及節(jié)理巖體受拉剪應力作用的實際情況,試件有帶切口和不帶切口兩種。帶切口試件采用非對稱式切口。試件加荷為軸向直接拉伸方式。非對稱切口試件在中間巖橋斜面形成明顯的拉剪面(如圖1所示)。切口深度用Δ表示,相對高度用h表示。切口深度分別為0,10,15,20mm四種。切口相對高度分別為0,20,30,40,60mm。切口開口寬度4mm。軸向荷載比用α表示,α=P/P0(σ/σ0),其中P為試件拉伸荷載,KN;P0為試件拉伸破壞荷載;σ為試件拉伸應力;σ0為試件拉伸破壞應力。試驗中α取1.0,0.9,0.8,0.7,0.6,0.5,0.4,0.3,共8種。試件變形的測試是采用電阻應變片來進行的,布置如圖1所示,其中ε1為測得沿拉剪面方向的應變值,ε3為測得垂直于拉剪面上的應變值,ε2為測得與ε1夾角45°方向的應變值。經式(1)可得拉剪面上的正應變和剪應變。γ=2ε2-(ε1+ε3)ε=ε3}(1)γ=2ε2?(ε1+ε3)ε=ε3}(1)式中γ為拉剪面上剪應變;ε為拉剪面上拉應變。試件的加載實現方式有兩種:一是試件的兩端采用加工的夾具(套箍),通過夾具與試驗機連接;二是試件的端部采用高強301粘結膠與鋼板粘結,通過鋼板釘與試驗機連接。前者常用于200mm長的試件,后者用于150mm長的試件。這兩種粘結方式對試件端部應力有影響,但對較遠的試件中部影響則不大。3試驗結果及其分析3.1節(jié)理巖體中節(jié)理作用的影響巖石受拉流變試驗是在不帶切口試件上進行的,拉應力比為0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0等8種,上述8種應力比下的巖石試件的極限拉應變及持續(xù)時間(流變斷裂時間)如表1所示。不同應力比下流變關系曲線如圖2所示。從圖2和表1可以看出,當受拉荷載比α≥0.5時,巖石受拉流變發(fā)展比較迅速。荷載比越大,試件流變時間少,發(fā)展快,斷裂快。這表明,巖石在高應力下受拉流變發(fā)展較快,時間短,展現出脆性斷裂的特征。當α<0.5時,試件流變持續(xù)時間長,如當α=0.3時,試件流變變形達6個月以上,這說明巖石在低應力下時展現出較好的流變性質。因此,巖石受拉的流變特性與巖石所受的拉應力大小直接有關。巖石受拉流變破壞曲線如圖2中的虛線所示。當試件帶有切口(對稱切口)時,如Δ=15mm,受拉試件對切口十分敏感。當α=1.0,0.9,0.7,0.5時,試件破壞時的流變時間和極限流變變形如表2所示。從表2可以看出(比較表1),切口的存在對巖石流變的影響是十分敏感的,尤其是對流變的時間影響很大,如當α=0.7時,切口巖石試件的極限流變值和流變時間分別為65με和3.5h,同樣的應力水平下,不帶切口巖石試件的極限流變值和流變時間分別為78με和4.5h。這表明有切口存在的受拉巖石中,其表現出較大的脆性(應力集中影響),斷裂時間短。由此可見,節(jié)理巖體中節(jié)理的存在對巖體受拉流變性質的影響是很大的。因此,工程中應盡量避免節(jié)理巖體的受拉。3.2不帶切口的巖橋觀察[拉剪應力作用]當試件采用非對稱切口時(如圖3所示),切口試件在中間巖橋斜面形成明顯的拉剪面(m-n面)。拉剪面的應力計算如下,如軸向載荷為P,其在拉剪面的平行分力P2=Psinθ,垂直分力P1=Pcosθ,在拉剪面的平均應力計算如下:σ=ΡcosθAτ=ΡsinθA}(2)σ=PcosθAτ=PsinθA}(2)其中A為拉剪面面積,由下式計算A=2rb[(b-δ)√2bδ-δ2+b2arcsin(1-δb)](3)A=2rb[(b?δ)2bδ?δ2???????√+b2arcsin(1?δb)](3)其中b,δ計算如下:b=2rcosθδ=Δcosθθ=arctanh2r-2Δ}(4)b=2rcosθδ=Δcosθθ=arctanh2r?2Δ?????????(4)對于非對稱切口的試件,由于試件軸向拉伸,那么與水平夾角為β的任意截面的應力為拉剪聯合作用,稱為拉剪面。對于帶有切口的非對稱試件,在切口端面連線面上(此時,β=θ,如圖3m-n面),切口的存在嚴重削弱受力面,并且應力集中的影響,導致該面上應力較大。據應變測量,該面上的拉剪應變均大于其它斜面的拉剪應變,且試件破壞發(fā)生于該面(如圖4所示)。因此,該面(切口端部連線的巖橋斜面)為明顯的拉剪破壞面。通過對該面的破壞特性分析可知,當巖石在拉剪應力作用下時,其流變特性與直接受拉應力作用下的流變特性稍有不同。當有剪應力作用時,拉剪流變破壞早于同樣應力水平下受拉流變破壞,如當α=0.7,Δ=15mm時,不帶切口受拉流變試件的破壞時間為4.5h,有對稱切口受拉流變試件的破壞時間為3.5h,而拉剪流變試件的破壞時間為3h(如圖5所示)。這主要是非對稱切口在巖橋面形成拉剪面,且為破壞面。對于拉剪應力作用下的巖石,當剪應力存在時,巖石的受拉破壞強度低于直接拉伸巖石的強度。表明巖石在拉剪應力作用下時,其強度和流變變形值及流變時間均低于直接拉伸的巖石的相應值。不同剪應力作用時,巖石在拉剪應力作用下的受拉流變如表3所示,即α=0.7,Δ=15mm,切口高度分別為0,20,30,40,60mm,剪應力大約為0,1.0,2.0,3.0,4.0MPa。從表3可以清楚看出,剪應力的存在大大降低了受拉剪作用巖石的受拉流變特性,加速了巖石的破壞。3.3拉剪聯合強度曲線根據不同拉剪應力作用下巖石的破壞試驗結果,拉剪聯合強度如圖6所示。圖中橫坐標用σRtσRt表示,縱坐標用ττ0表示,其中Rt,τ0分別為單獨作用時的強度,σ,τ為拉剪聯合作用時的平均強度。圖6表明,當有剪應力作用時,巖石的拉剪強度要低于巖石的抗拉強度,并隨著剪應力的增大而不斷降低,在τ,σ平面內呈一拋物線形。通過回歸分析,拉剪聯合強度曲線可用下式表示:σ=Rtτ20(τ-τ0)2(5)式中σ,τ分別為拉剪應力狀態(tài)的拉應力和剪應力;Rt為巖石單軸抗拉強度;τ0為巖石純剪強度。3.4切口對巖石強度的影響通過試驗,不帶切口試件巖石的單軸抗拉強度平均值為6.5MPa,即Rt0=6.5MPa。當試件帶有切口(對稱切口)時,巖石的抗拉強度隨切口深度急劇下降,如表4所示。由此可見,切口的存在大大降低了巖石的抗拉強度。也就是說,巖石抗拉強度對切口前緣應力集中十分敏感。4巖石變質參數的研究4.1時巖石流變拉斷如前所述,當α≥0.5時,巖石受拉流變發(fā)展迅速,且表現為試件的拉斷。在這種情況下,巖石的強度可用等效的辦法來處理,即用等效抗拉強度來考慮。根據文中試驗結果,巖石流變破壞的下限可取α=0.5,當α≥0.5時,巖石流變拉斷,此時,取Rtc=0.5Rt,Rtc為巖石的流變斷裂抗拉強度,或等效抗拉強度。各種切口深度(對稱切口)條件下巖石流變等效抗拉強度見表4。當有剪應力作用時,巖石抗拉強度尚須用式(5)進行修正,具體方法如下:如果巖石抗拉強度為Rt=3.6MPa,當考慮流變影響時,Rtc=1.8MPa,為抗拉強度的12。若進一步考慮有剪應力作用時,根據剪應力作用的大小,巖石的抗拉強度Rstc(Rstc為拉剪流變抗拉強度)計算如表5所示。從表5可見,進一步考慮剪應力作用時,巖石的抗拉強度在正常的剪應力范圍內為瞬時值的13～18,因此,工程中,對于拉剪應力狀態(tài)下的巖體,其抗拉強度的取值應特別注意。4.2開爾文-伏爾特本構方程當α<0.5時,巖石的受拉流變持續(xù)時間較長,也就是說,巖石在受拉狀態(tài)下的流變需要相當一段時間,這種流變對巖石的受力性質是有影響的。這種影響可通過流變模型的分析來估算。根據巖石流變特性,巖石的受拉流變可用開爾文-伏爾特模型來描述,如圖7所示。開爾文-伏爾特模型由彈性元件和開爾文模型相串聯,總應變?yōu)棣?ε1+ε2(6)其中ε1為瞬時彈性應變,ε2為開爾文體應變,它們分別由式(7)、(8)計算。ε1=σE1(7)ε2=σE2-ηE2˙ε2(8)式中σ為拉應力;E1為瞬時彈性模量;E2為流變模量;η為粘性系數。根據式(6)～(8),有ηE2˙ε+ε=ηE1E2˙σ+E1+E2E1E2σ(9)式(9)即為開爾文-伏爾特本構方程。當t=0時,σ=σ0=常數,此時,ε|t=0=σ0E1,有ε(t)=[1E1+1E2(1-e-E2ηt)]σ0=σ0J(t)(10)當t=0時,ε=ε0=常數,此時,σ=σ0,有σ(t)=(E1E2E1+E2+E12E1+E2eE1+E2ηt)ε0=ε0E(t)(11)當t=∞時,由式(10)可得ε(∞)=σ0E1+E2E1E2(12)由此可知,開爾文-伏爾特模型的流變范圍為σ0E1≤ε≤E1+E2E1E2σ0(13)由式(12)可知,σ0ε(∞)=E1E2E1+E2,令E′=E1E2E1+E2,有σ0=E′ε(∞)(14)式中E′為最終等效變形模量。一般地,流變影響變形模量估計式為E′=E11+Cf(15)比較式(14)和(15),有E11+Cf=σ0ε(∞)=E1E2E1+E2(16)式中Cf為流變系數。解上式得Cf=E1E2(17)[算例]設巖石的σ0=1.0MPa,E1=60GPa,ε(∞)=50με。由式(12)計算E2=30GPa,由式(17)計算Cf=2,再由式(15)計算E′=20GPa,即為巖石流變的最終等效模量。巖石流變造成巖石性質劣化,這種劣化造成變形模量降低,也就是說,巖石流變造成巖石性質軟化可通過降低變形模量來實現,即稱為等效變形模量E′,算例中等效變形模量為彈性模量的三分之一。5受拉拉巖石(1)巖石的受拉流變與受力大小有直接的聯系。當拉應力較大時,即應力比α≥0.5時,巖石流變發(fā)展較為迅速,流變展現時間短,呈脆性破壞,流變時間在2～15h之間。當巖石受拉應力較小時,即應力比α<0.5,巖石流變發(fā)展時間較長,如α=0.3時,流變達6個月以上尚有發(fā)展,但在穩(wěn)定流變范圍內。(2)巖石的受拉強度和受拉流變對切口十分敏感,切口的存在降低了巖石的受拉強度和受拉流變,因此,巖體中節(jié)理的存在對巖體的受拉性質影響很大,換句話說,工程中應盡量避免巖體受拉。(3)拉剪應力作用下巖石的流變比單軸受拉流