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(yīng)力作用下的流變性質(zhì)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(guān)注的重要問題。巖石(體)的流變特性與其應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)。巖石(體)在壓或壓剪應(yīng)力作用下的流變性質(zhì)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(yīng)力作用下的流變性質(zhì),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(fù)雜等。然而,由于巖體工程中,巖體的應(yīng)力狀態(tài)表現(xiàn)為拉剪的并不少見,并且,常常表現(xiàn)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(dāng)邊坡開挖形成后,由于卸荷而產(chǎn)生的二次應(yīng)力場使巖體產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力區(qū),區(qū)內(nèi)巖體在拉剪應(yīng)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(zhì),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(yīng)力作用下巖石(體)流變性質(zhì)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(jù)三峽工程永久船閘區(qū)巖體地質(zhì)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(yīng)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(yīng)力;σ0為試件拉伸破壞應(yīng)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(yīng)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(yīng)變值,ε3為測得垂直于拉剪面上的應(yīng)變值,ε2為測得與ε1夾角45°方向的應(yīng)變值。經(jīng)式(1)可得拉剪面上的正應(yīng)變和剪應(yīng)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(yīng)變;ε為拉剪面上拉應(yīng)變。試件的加載實現(xiàn)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(jié)膠與鋼板粘結(jié),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(jié)方式對試件端部應(yīng)力有影響,但對較遠的試件中部影響則不大。3試驗結(jié)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(yīng)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(yīng)力比下的巖石試件的極限拉應(yīng)變及持續(xù)時間(流變斷裂時間)如表1所示。不同應(yīng)力比下流變關(guān)系曲線如圖2所示。從圖2和表1可以看出,當(dāng)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(yīng)力下受拉流變發(fā)展較快,時間短,展現(xiàn)出脆性斷裂的特征。當(dāng)α<0.5時,試件流變持續(xù)時間長,如當(dāng)α=0.3時,試件流變變形達6個月以上,這說明巖石在低應(yīng)力下時展現(xiàn)出較好的流變性質(zhì)。因此,巖石受拉的流變特性與巖石所受的拉應(yīng)力大小直接有關(guān)。巖石受拉流變破壞曲線如圖2中的虛線所示。當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(yīng)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(xiàn)出較大的脆性(應(yīng)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(zhì)的影響是很大的。因此,工程中應(yīng)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(yīng)力作用]當(dāng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力為拉剪聯(lián)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(yīng)力集中的影響,導(dǎo)致該面上應(yīng)力較大。據(jù)應(yīng)變測量,該面上的拉剪應(yīng)變均大于其它斜面的拉剪應(yīng)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(dāng)巖石在拉剪應(yīng)力作用下時,其流變特性與直接受拉應(yīng)力作用下的流變特性稍有不同。當(dāng)有剪應(yīng)力作用時,拉剪流變破壞早于同樣應(yīng)力水平下受拉流變破壞,如當(dāng)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(yīng)力作用下的巖石,當(dāng)剪應(yīng)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(yīng)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(yīng)值。不同剪應(yīng)力作用時,巖石在拉剪應(yīng)力作用下的受拉流變?nèi)绫?所示,即α=0.7,Δ=15mm,切口高度分別為0,20,30,40,60mm,剪應(yīng)力大約為0,1.0,2.0,3.0,4.0MPa。從表3可以清楚看出,剪應(yīng)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(lián)合強度曲線根據(jù)不同拉剪應(yīng)力作用下巖石的破壞試驗結(jié)果,拉剪聯(lián)合強度如圖6所示。圖中橫坐標(biāo)用σRtσRt表示,縱坐標(biāo)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(lián)合作用時的平均強度。圖6表明,當(dāng)有剪應(yīng)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(yīng)力的增大而不斷降低,在τ,σ平面內(nèi)呈一拋物線形。通過回歸分析,拉剪聯(lián)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(yīng)力狀態(tài)的拉應(yīng)力和剪應(yīng)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(dāng)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(yīng)力集中十分敏感。4巖石變質(zhì)參數(shù)的研究4.1時巖石流變拉斷如前所述,當(dāng)α≥0.5時,巖石受拉流變發(fā)展迅速,且表現(xiàn)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(jù)文中試驗結(jié)果,巖石流變破壞的下限可取α=0.5,當(dāng)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(dāng)有剪應(yīng)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(dāng)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(yīng)力作用時,根據(jù)剪應(yīng)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(yīng)力作用時,巖石的抗拉強度在正常的剪應(yīng)力范圍內(nèi)為瞬時值的13～18,因此,工程中,對于拉剪應(yīng)力狀態(tài)下的巖體,其抗拉強度的取值應(yīng)特別注意。4.2開爾文-伏爾特本構(gòu)方程當(dāng)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(dāng)一段時間,這種流變對巖石的受力性質(zhì)是有影響的。這種影響可通過流變模型的分析來估算。根據(jù)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(lián),總應(yīng)變?yōu)棣?ε1+ε2(6)其中ε1為瞬時彈性應(yīng)變,ε2為開爾文體應(yīng)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(yīng)力;E1為瞬時彈性模量;E2為流變模量;η為粘性系數(shù)。根據(jù)式(6)～(8),有ηE2˙ε+ε=ηE1E2˙σ+E1+E2E1E2σ(9)式(9)即為開爾文-伏爾特本構(gòu)方程。當(dāng)t=0時,σ=σ0=常數(shù),此時,ε|t=0=σ0E1,有ε(t)=[1E1+1E2(1-e-E2ηt)]σ0=σ0J(t)(10)當(dāng)t=0時,ε=ε0=常數(shù),此時,σ=σ0,有σ(t)=(E1E2E1+E2+E12E1+E2eE1+E2ηt)ε0=ε0E(t)(11)當(dāng)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(shù)。解上式得Cf=E1E2(17)[算例]設(shè)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(zhì)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(zhì)軟化可通過降低變形模量來實現(xiàn),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(lián)系。當(dāng)拉應(yīng)力較大時,即應(yīng)力比α≥0.5時,巖石流變發(fā)展較為迅速,流變展現(xiàn)時間短,呈脆性破壞,流變時間在2～15h之間。當(dāng)巖石受拉應(yīng)力較小時,即應(yīng)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(nèi)。(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(zhì)影響很大,換句話說,工程中應(yīng)盡量避免巖體受拉。(3)拉剪應(yīng)力作用下巖石的流變比單軸受拉流