理论教育 岩体结构面力学特性的时间效应

岩体结构面力学特性的时间效应

时间:2023-08-22 理论教育 版权反馈
【摘要】:当法向应力较低时,对于白云岩结构面试样,随剪切速率的增加,其抗剪强度呈现先增大后不变的趋势,而当法向应力较高时,其抗剪强度随剪切速率的增加先不变后减小;对于花岗岩的中硬岩结构面试样,其抗剪强度与剪切速率相关性不大;而对于正长岩和砂岩的硬岩结构面试样,其抗剪强度随剪切速率的变化显著。因此,对于结构面的速率依存性,应该进行更加详细的研究,以揭示结构面速率依存性机理。

岩体结构面力学特性的时间效应

岩体都是在一定的加载速率下破坏的。地壳的隆起、褶皱的形成是典型的低加载速率下的岩体破坏;而地壳岩层由于地震而瞬间形成的裂隙、塌陷等则是典型的高加载速率下的岩体破坏。在大型地下岩体工程的开挖施工中,炸药爆炸破碎岩体的过程是一个瞬间完成的动力过程,爆炸冲击波应力高速作用于周围岩体,使岩体破裂脱落[42]。对于岩石试验,由于加载速率是一个变化的参数,针对不同工程问题应考虑的试验加载速率不同,而不同加载方式对岩石材料的力学性能有较大影响,因而有关岩石材料在不同应变速率作用下的力学效应分析一直被视为岩石流变特性研究领域中的一个本质和核心的研究内容[43]

对于完整岩石,岩石的强度随着加载速率的增大而增大已经成为研究者的共识,然而,对于结构面强度与加载速率之间的关系,研究者所持的观点却不尽相同[44,45]

目前已经公开发表的一部分试验结果表明,节理强度随剪切速率的增大而减小,如Jafari等(2003)[46]对人工锯齿形岩石节理试样进行了剪切速率为0.05~0.4mm/s的试验,试验结果表明,随着剪切速率的增加,试样的峰值抗剪强度减小;李海波等(2006)[47]水泥锯齿形节理试样进行剪切速率为0.02~0.8mm/s的试验,结果表明,岩石节理的峰值抗剪强度随剪切速率的增大而减小,其减小幅度随剪切速率的增大而减小,并提出了基于起伏角度和剪切速率的岩石节理峰值抗剪强度经验公式;Mirzaghorbanali(2014)[48]等对人工锯齿形节理试样进行剪切速率为0.5~20mm/s的定法向刚度试验,结果表明,随着剪切速率的增大,节理峰值抗剪强度降低。

另一部分试验结果则与上述试验结果不同,如周辉等(2015)[49]对具有不规则齿形的水泥砂浆试块进行了0.2kN/s、1kN/s及5kN/s等速率下的剪切试验,结果表明,不规则齿形的水泥砂浆试块强度随剪切速率的增加先增加后减小。Crawford和Curran(1981)[50]考虑了结构面微凸体接触时间、接触面积、接触行为、刚度、矿物组成和法向应力等因素的影响,试验结果表明,速率相关的抗剪强度变化幅度与结构面力学特性或矿物组成相关性不显著,但与结构面岩壁硬度有弱相关性。当法向应力较低时,对于白云岩结构面试样,随剪切速率的增加,其抗剪强度呈现先增大后不变的趋势,而当法向应力较高时,其抗剪强度随剪切速率的增加先不变后减小;对于花岗岩的中硬岩结构面试样,其抗剪强度与剪切速率相关性不大;而对于正长岩和砂岩的硬岩结构面试样,其抗剪强度随剪切速率的变化显著。Atapour和Moosavi(2014)[51]对平直型石膏结构面试样、平直型混凝土结构面试样和平直型石膏混凝土结构面试样进行了不同法向应力、不同剪切速率的直剪试验,试验结果发现:对于石膏结构面试样而言,峰值抗剪强度随剪切速率的增大而减小,且减小幅度随法向应力的增大而呈增大的趋势,总摩擦角随剪切速率的增大而减小,剪切刚度随法向应力的增大而增大,与剪切速率的负对数呈线性关系,随剪切速率的增大而显著减小,且减小幅度随剪切速率的增大而减小;对于混凝土结构面而言,峰值抗剪强度随剪切速率的增大而增大,且增大幅度随法向应力的增大而增大,总摩擦角随剪切速率的增大而增大,剪切刚度随法向应力的增大而增大,随剪切速率的增大而显著减小,且减小幅度随剪切速率的增大而减小。(www.daowen.com)

对于产生上述一些现象的机理和原因,郑博文等(2015)[52]通过对上述试验数据进行分析,研究成果表明,节理面的物性主要影响总摩擦角,随剪切速率的增加呈增大或减小的变化趋势,而节理面的微观几何形态主要影响总摩擦角随剪切速率的变化幅值。周辉等(2015)[53]运用声发射的手段对水泥砂浆结构面不同加载速率下的剪切试验过程进行监测,结果发现,随着剪切速率的增大,其声发射能量率、累积能量、撞击率和累积撞击数均依次减小,这说明剪切速率越小,结构面内部的裂纹有足够的时间扩展和发育,最终导致结构面强度降低。

上述成果表明,速率依存性作为结构面时间效应的一个重要因素,其基本特征以及对结构面强度或变形的基本规律还没有得到充分的研究,虽然成果比较多,但由于影响因素较多,对于一些现象的解释还不够充分。因此,对于结构面的速率依存性,应该进行更加详细的研究,以揭示结构面速率依存性机理。

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