蠕变为应力不变,变形随时间增加的现象,而松弛则与之相反,定义为变形不变,应力随时间减小的性质。在实际工程中,如地下洞室开挖过程中,围岩中应力和变形均随开挖的进行而不断变化,大部分情况下,围岩处于变形比较明显的蠕变状态,洞室会随时间出现比较明显的蠕变变形,当围岩衬砌刚度较大,围岩变形受到限制时,围岩中的应力会随着时间的推移而逐渐释放,出现应力松弛现象,而这种应力的调整,可能会导致岩石内部的损伤,并形成连续的破坏带[87]。因此,岩体抗松弛性能对工程的长期稳定和安全同样具有重要的影响。然而,由于试验设备及基础理论的不足,结构面的应力松弛特性还未得到足够的重视,并且多针对完整岩石,对结构面松弛的研究并不多见。
根据Peng和Podnieks(1972)[88]对凝灰岩进行的应力松弛试验,测试结果显示,当初始松弛应力低于屈服应力时,没有观察到明显的松弛现象发生,而当初始松弛应力大于屈服应力时,则出现应力松弛现象,并且随着初始松弛应力的增大而增大;随后Peng(1973)[89]又对Arkose砂岩、Tennessee大理石和Berea砂岩进行了松弛试验,试验结果表明,对于上述岩石,当初始松弛应力大于起裂强度时,便会出现松弛现象,而当初始松弛应力大于屈服应力时,则松弛量急剧增加,并且得到结论,应力松弛试验过程中,轴向变形保持不变,试样上不会施加外部能量,应力松弛会使试样内部的断裂增长趋于稳定,而承载能力下降是为了防止发生轴向位移;Lodus(1986)[90]对盐岩也开展了类似的单轴应力松弛试验,试验结果证实了上述推测,并且得到初始松弛应力越大,其松弛量也越大的结论,另外表示,地下洞室松弛速率可以由控制开挖速率实现。
对于上述应力松弛特征和机理,许多研究者也对其进行了证实和进一步研究。陈宗基等(1989)[91]对花岗岩进行了两个松弛试验研究,从所得的应力-应变曲线确定出了松弛在扩容开始时的临界值,并分析了与时间有关的扩容过程,并指出它与裂纹的增长、接合和产生而导致的结构变化有关;李永盛(1995)[63]等采用伺服刚性机对粉砂岩、大理岩、红砂岩和泥岩进行了单轴压缩条件下的松弛试验,指出岩石的松弛曲线形态可以分为连续型和阶梯型两种,连续型和一般的连续介质比较接近,阶梯型与试件中裂隙的发展有密切关系,认为松弛试验中岩石破裂后具有的抗力为岩石材料的残余强度;唐礼忠等(2003)[92,93]进行了岩石在峰值荷载条件下的松弛试验及达到峰值荷载前的加卸载试验,试验结果表明,岩石在峰值荷载变形条件下的应力松弛曲线呈阶梯式下降,表明应力松弛是间断的和阵发式的,其原因是岩石内部破裂面相互滑动、裂纹扩展和新裂隙产生的综合作用,上述试验表明试样的应力松弛特性与裂隙的产生和发展有着比较密切的联系;李铀等(2006)[94]对广东某地的红砂岩开展二向受力状态下的松弛试验,结果表明,当围压相同、时间相同时,应力越高,则松弛量也越大;于怀昌等(2012)[95]在相同围压下,对饱和粉砂质泥岩分别进行了常规三轴压缩试验、三轴压缩蠕变试验以及三轴压缩应力松弛试验,基于试验结果,比较三种力学试验得出的岩石试样轴向强度大小以及轴向峰值应变大小,并从岩石破裂机制方面解释岩石强度以及变形差异产生的原因。田洪铭等(2013,2015)[96,97]采用TLW-2000三轴流变仪对泥质红砂岩开展了三轴松弛试验研究,结果表明,岩石的应力松弛可以分为衰减松弛和稳定松弛两个阶段,在松弛过程中,随着松弛损伤的发展,导致松弛具有明显的非线性特征。Paraskevopoulou(2017)[98]等在试验的基础上将应力松弛分为三个阶段,并结合前人的研究成果证实了裂隙发展是造成应力松弛的主要原因。(www.daowen.com)
相对于完整岩石的松弛特性研究,对于结构面的松弛特性研究比较少。Ahmad Fahimifar(2005)[99]对人工砂岩齿形结构面进行了松弛试验,试验结果表明,包含锯齿的结构面应力松弛特性要比平整或分离结构面的松弛特性明显得多;刘昂等(2014)[100]选取Barton标准剖面线中的4号、6号、10号作为人工模拟结构面的表面形态,并用水泥砂浆浇筑成试样,在岩石双轴流变仪上进行试验值大于长期强度的循环加载剪切应力松弛试验;田光辉等(2016)[101]对锯齿形人工结构面的松弛特性进行了研究,结构面剪切应力松弛曲线可以分为瞬时、减速和稳态3个阶段,并且松弛应力随着初始松弛应力的增加先增大后减小。
通过以上论述可知,对于完整岩石的松弛现象,研究成果相对较多,其特征较为清晰并且多将松弛现象的机理归结于裂隙的发生与扩展。而对于结构面的松弛,目前研究资料非常少,因而需要进一步揭示结构面松弛特征和机理。
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