岩石受拉及拉剪流变特性试验研究

岩石受拉及拉剪流变特性试验研究

1拉拉剪应力作用下的流变性质岩石（体）的变形特性以及岩石（体）的长期变形影响是一个普遍关注的重要问题。岩石(体)的流变特性与其应力状态密切相关。岩石(体)在压或压剪应力作用下的流变性质人们已进行了不少的尝试,获得了不少的研究成果。但是,对于岩石(体)在拉或拉剪应力作用下的流变性质,研究不多,报道很少。其主要原因是试件加荷困难,试件加工复杂等。然而,由于岩体工程中,岩体的应力状态表现为拉剪的并不少见,并且,常常表现为岩体工程(边坡、地下洞室)变形和稳定的制约因素。例如,三峡工程永久船闸高边坡岩体,当边坡开挖形成后,由于卸荷而产生的二次应力场使岩体产生很大的拉应力区,区内岩体在拉剪应力作用下将会使节理裂缝张开、扩展、断裂,加上岩石自身的流变,从而使岩体具有十分明显的流变性质,成为三峡工程永久船闸边坡变形与稳定的制约因素之一。因此,拉剪应力作用下岩石(体)流变性质的研究是极为重要的。2试验加载与拉剪面岩石受拉及拉剪流变试验是根据三峡工程永久船闸区岩体地质钻探中所取得的岩芯来制作的。岩芯为微新花岗岩,直径为54mm。试验中,试件长度有200mm和150mm两种。为模拟岩石、节理及节理岩体受拉剪应力作用的实际情况,试件有带切口和不带切口两种。带切口试件采用非对称式切口。试件加荷为轴向直接拉伸方式。非对称切口试件在中间岩桥斜面形成明显的拉剪面(如图1所示)。切口深度用Δ表示,相对高度用h表示。切口深度分别为0,10,15,20mm四种。切口相对高度分别为0,20,30,40,60mm。切口开口宽度4mm。轴向荷载比用α表示,α=P/P0(σ/σ0),其中P为试件拉伸荷载,KN;P0为试件拉伸破坏荷载;σ为试件拉伸应力;σ0为试件拉伸破坏应力。试验中α取1.0,0.9,0.8,0.7,0.6,0.5,0.4,0.3,共8种。试件变形的测试是采用电阻应变片来进行的,布置如图1所示,其中ε1为测得沿拉剪面方向的应变值,ε3为测得垂直于拉剪面上的应变值,ε2为测得与ε1夹角45°方向的应变值。经式(1)可得拉剪面上的正应变和剪应变。γ=2ε2-(ε1+ε3)ε=ε3}(1)γ=2ε2−(ε1+ε3)ε=ε3}(1)式中γ为拉剪面上剪应变;ε为拉剪面上拉应变。试件的加载实现方式有两种:一是试件的两端采用加工的夹具(套箍),通过夹具与试验机连接;二是试件的端部采用高强301粘结胶与钢板粘结,通过钢板钉与试验机连接。前者常用于200mm长的试件,后者用于150mm长的试件。这两种粘结方式对试件端部应力有影响,但对较远的试件中部影响则不大。3试验结果及其分析3.1节理岩体中节理作用的影响岩石受拉流变试验是在不带切口试件上进行的,拉应力比为0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0等8种,上述8种应力比下的岩石试件的极限拉应变及持续时间(流变断裂时间)如表1所示。不同应力比下流变关系曲线如图2所示。从图2和表1可以看出,当受拉荷载比α≥0.5时,岩石受拉流变发展比较迅速。荷载比越大,试件流变时间少,发展快,断裂快。这表明,岩石在高应力下受拉流变发展较快,时间短,展现出脆性断裂的特征。当α<0.5时,试件流变持续时间长,如当α=0.3时,试件流变变形达6个月以上,这说明岩石在低应力下时展现出较好的流变性质。因此,岩石受拉的流变特性与岩石所受的拉应力大小直接有关。岩石受拉流变破坏曲线如图2中的虚线所示。当试件带有切口(对称切口)时,如Δ=15mm,受拉试件对切口十分敏感。当α=1.0,0.9,0.7,0.5时,试件破坏时的流变时间和极限流变变形如表2所示。从表2可以看出(比较表1),切口的存在对岩石流变的影响是十分敏感的,尤其是对流变的时间影响很大,如当α=0.7时,切口岩石试件的极限流变值和流变时间分别为65με和3.5h,同样的应力水平下,不带切口岩石试件的极限流变值和流变时间分别为78με和4.5h。这表明有切口存在的受拉岩石中,其表现出较大的脆性(应力集中影响),断裂时间短。由此可见,节理岩体中节理的存在对岩体受拉流变性质的影响是很大的。因此,工程中应尽量避免节理岩体的受拉。3.2不带切口的岩桥观察[拉剪应力作用]当试件采用非对称切口时(如图3所示),切口试件在中间岩桥斜面形成明显的拉剪面(m-n面)。拉剪面的应力计算如下,如轴向载荷为P,其在拉剪面的平行分力P2=Psinθ,垂直分力P1=Pcosθ,在拉剪面的平均应力计算如下:σ=ΡcosθAτ=ΡsinθA}(2)σ=PcosθAτ=PsinθA}(2)其中A为拉剪面面积,由下式计算A=2rb[(b-δ)√2bδ-δ2+b2arcsin(1-δb)](3)A=2rb[(b−δ)2bδ−δ2−−−−−−−√+b2arcsin(1−δb)](3)其中b,δ计算如下:b=2rcosθδ=Δcosθθ=arctanh2r-2Δ}(4)b=2rcosθδ=Δcosθθ=arctanh2r−2Δ⎫⎭⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪(4)对于非对称切口的试件,由于试件轴向拉伸,那么与水平夹角为β的任意截面的应力为拉剪联合作用,称为拉剪面。对于带有切口的非对称试件,在切口端面连线面上(此时,β=θ,如图3m-n面),切口的存在严重削弱受力面,并且应力集中的影响,导致该面上应力较大。据应变测量,该面上的拉剪应变均大于其它斜面的拉剪应变,且试件破坏发生于该面(如图4所示)。因此,该面(切口端部连线的岩桥斜面)为明显的拉剪破坏面。通过对该面的破坏特性分析可知,当岩石在拉剪应力作用下时,其流变特性与直接受拉应力作用下的流变特性稍有不同。当有剪应力作用时,拉剪流变破坏早于同样应力水平下受拉流变破坏,如当α=0.7,Δ=15mm时,不带切口受拉流变试件的破坏时间为4.5h,有对称切口受拉流变试件的破坏时间为3.5h,而拉剪流变试件的破坏时间为3h(如图5所示)。这主要是非对称切口在岩桥面形成拉剪面,且为破坏面。对于拉剪应力作用下的岩石,当剪应力存在时,岩石的受拉破坏强度低于直接拉伸岩石的强度。表明岩石在拉剪应力作用下时,其强度和流变变形值及流变时间均低于直接拉伸的岩石的相应值。不同剪应力作用时,岩石在拉剪应力作用下的受拉流变如表3所示,即α=0.7,Δ=15mm,切口高度分别为0,20,30,40,60mm,剪应力大约为0,1.0,2.0,3.0,4.0MPa。从表3可以清楚看出,剪应力的存在大大降低了受拉剪作用岩石的受拉流变特性,加速了岩石的破坏。3.3拉剪联合强度曲线根据不同拉剪应力作用下岩石的破坏试验结果,拉剪联合强度如图6所示。图中横坐标用σRtσRt表示,纵坐标用ττ0表示,其中Rt,τ0分别为单独作用时的强度,σ,τ为拉剪联合作用时的平均强度。图6表明,当有剪应力作用时,岩石的拉剪强度要低于岩石的抗拉强度,并随着剪应力的增大而不断降低,在τ,σ平面内呈一抛物线形。通过回归分析,拉剪联合强度曲线可用下式表示:σ=Rtτ20(τ-τ0)2(5)式中σ,τ分别为拉剪应力状态的拉应力和剪应力;Rt为岩石单轴抗拉强度;τ0为岩石纯剪强度。3.4切口对岩石强度的影响通过试验,不带切口试件岩石的单轴抗拉强度平均值为6.5MPa,即Rt0=6.5MPa。当试件带有切口(对称切口)时,岩石的抗拉强度随切口深度急剧下降,如表4所示。由此可见,切口的存在大大降低了岩石的抗拉强度。也就是说,岩石抗拉强度对切口前缘应力集中十分敏感。4岩石变质参数的研究4.1时岩石流变拉断如前所述,当α≥0.5时,岩石受拉流变发展迅速,且表现为试件的拉断。在这种情况下,岩石的强度可用等效的办法来处理,即用等效抗拉强度来考虑。根据文中试验结果,岩石流变破坏的下限可取α=0.5,当α≥0.5时,岩石流变拉断,此时,取Rtc=0.5Rt,Rtc为岩石的流变断裂抗拉强度,或等效抗拉强度。各种切口深度(对称切口)条件下岩石流变等效抗拉强度见表4。当有剪应力作用时,岩石抗拉强度尚须用式(5)进行修正,具体方法如下:如果岩石抗拉强度为Rt=3.6MPa,当考虑流变影响时,Rtc=1.8MPa,为抗拉强度的12。若进一步考虑有剪应力作用时,根据剪应力作用的大小,岩石的抗拉强度Rstc(Rstc为拉剪流变抗拉强度)计算如表5所示。从表5可见,进一步考虑剪应力作用时,岩石的抗拉强度在正常的剪应力范围内为瞬时值的13∼18,因此,工程中,对于拉剪应力状态下的岩体,其抗拉强度的取值应特别注意。4.2开尔文-伏尔特本构方程当α<0.5时,岩石的受拉流变持续时间较长,也就是说,岩石在受拉状态下的流变需要相当一段时间,这种流变对岩石的受力性质是有影响的。这种影响可通过流变模型的分析来估算。根据岩石流变特性,岩石的受拉流变可用开尔文-伏尔特模型来描述,如图7所示。开尔文-伏尔特模型由弹性元件和开尔文模型相串联,总应变为ε=ε1+ε2(6)其中ε1为瞬时弹性应变,ε2为开尔文体应变,它们分别由式(7)、(8)计算。ε1=σE1(7)ε2=σE2-ηE2˙ε2(8)式中σ为拉应力;E1为瞬时弹性模量;E2为流变模量;η为粘性系数。根据式(6)～(8),有ηE2˙ε+ε=ηE1E2˙σ+E1+E2E1E2σ(9)式(9)即为开尔文-伏尔特本构方程。当t=0时,σ=σ0=常数,此时,ε|t=0=σ0E1,有ε(t)=[1E1+1E2(1-e-E2ηt)]σ0=σ0J(t)(10)当t=0时,ε=ε0=常数,此时,σ=σ0,有σ(t)=(E1E2E1+E2+E12E1+E2eE1+E2ηt)ε0=ε0E(t)(11)当t=∞时,由式(10)可得ε(∞)=σ0E1+E2E1E2(12)由此可知,开尔文-伏尔特模型的流变范围为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′为最终等效变形模量。一般地,流变影响变形模量估计式为E′=E11+Cf(15)比较式(14)和(15),有E11+Cf=σ0ε(∞)=E1E2E1+E2(16)式中Cf为流变系数。解上式得Cf=E1E2(17)[算例]设岩石的σ0=1.0MPa,E1=60GPa,ε(∞)=50με。由式(12)计算E2=30GPa,由式(17)计算Cf=2,再由式(15)计算E′=20GPa,即为岩石流变的最终等效模量。岩石流变造成岩石性质劣化,这种劣化造成变形模量降低,也就是说,岩石流变造成岩石性质软化可通过降低变形模量来实现,即称为等效变形模量E′,算例中等效变形模量为弹性模量的三分之一。5受拉拉岩石(1)岩石的受拉流变与受力大小有直接的联系。当拉应力较大时,即应力比α≥0.5时,岩石流变发展较为迅速,流变展现时间短,呈脆性破坏,流变时间在2～15h之间。当岩石受拉应力较小时,即应力比α<0.5,岩石流变发展时间较长,如α=0.3时,流变达6个月以上尚有发展,但在稳定流变范围内。(2)岩石的受拉强度和受拉流变对切口十分敏感,切口的存在降低了岩石的受拉强度和受拉流变,因此,岩体中节理的存在对岩体的受拉性质影响很大,换句话说,工程中应尽量避免岩体受拉。(3)拉剪应力作用下岩石的流变比单轴受拉流