理论教育 岩体结构面力学特性的长期强度效应

岩体结构面力学特性的长期强度效应

时间:2023-08-22 理论教育 版权反馈
【摘要】:迄今为止,推算岩石长期强度的方法主要有两类:一类称为直接法,即对于每个试件,通过一次性加载蠕变破坏试验,测试岩石至破坏所经历的时间,通过建立应力与破坏时间之间的拟合函数关系,推测岩石长期强度。目前对长期强度取值的研究已得到了经验范围值,但是数值范围很大,并不能准确地确定长期强度值。

岩体结构面力学特性的长期强度效应

在实际工程中,大多数的岩体失稳是在工程开挖之后或工程完成之后发生的,对于岩体的强度而言,实质上并没有表现为瞬时强度的特征,而是表现出与时间因素有关的强度特性。因此,长期强度的特性在工程上具有重要的应用价值。迄今为止,推算岩石长期强度的方法主要有两类:一类称为直接法,即对于每个试件,通过一次性加载蠕变破坏试验,测试岩石至破坏所经历的时间,通过建立应力与破坏时间之间的拟合函数关系,推测岩石长期强度。显然该方法需要大量的岩石试件,每次长期强度破坏试验所花费时间很难预先确定,费时费力,因此,一般很少在实际工程中采用。另一类称为间接法,即通过分级加载蠕变破坏试验或应力松弛试验来推算岩石的长期强度。总的来说,这类方法的蠕变试验时间可控,是目前推算长期强度的主要方法。在国外,Schmidtke和Lajtai(1985)[102]通过岩石静态疲劳试验得出引起花岗岩试件逐步破坏的最小荷载是单轴抗压强度的60%;Szczepanik等(2003)[103]得出花岗岩在长期加载下,荷载为常规单轴压缩试验峰值强度的70%~80%时,试样开始出现扩容现象,并以此荷载作为该试样的长期强度。

在国内,刘晶辉等(1996)[104]根据软弱夹层的流变试验,提出了三种确定岩石长期强度的方法:等时曲线法、流动曲线法以及根据第6天和第7天的应变速率和剪应力曲线法;李晓等(1998)[105]的研究结果表明,破裂岩石的确存在长期强度,其值可由一系列破裂岩石蠕变试验确定;崔希海等(2006)[106]根据红砂岩单轴压缩蠕变试验研究,考虑岩石蠕变的“岩石长期强度”应根据岩石进入横向稳定蠕变的阈值应力来确定,这样确定的岩石长期强度值要比根据岩石进入轴向稳定蠕变的阈值应力确定的岩石长期强度值小19%~35%;刘传孝等(2010)[107]对深部坚硬的细砂岩进行了长期强度的研究,发现深部坚硬的细砂岩,时间对其长期强度的影响较弱,长期强度是其瞬时强度的94.39%;崔旋等(2011)[108]研究了黏塑性应变率与加载应力水平之间的线性函数关系,从理论上说明只要能获得各分级加载应力水平对应的黏塑性应变率,便可推测岩石的长期强度,然后利用低应力水平下的蠕变试验结果,拟合出岩石的黏弹性模型,并以该黏弹性模型推算较高应力水平条件下岩石的黏弹性应变增量,从而实现从总应变增量中分离出黏塑性应变增量,进一步计算黏塑性应变率,用于推断岩石的长期强度;张强勇等(2011)[81]根据四川大岗山水电站坝基辉绿岩的三轴流变试验结果,分别用等时应力-应变曲线簇法、非稳定蠕变判别法、流变体积应变法和加卸载流变残余应变法进行了硬脆性辉绿岩流变长期强度的分析,通过对破裂辉绿岩的电镜扫描观察,发现辉绿岩的长期宏观强度主要取决于岩体内部矿物颗粒镶嵌组合的牢固程度及矿物之间的胶结程度;沈明荣等(2003,2011)[109,110]分别对完整红砂岩以及人工结构面进行了蠕变试验,利用过渡蠕变法、等时曲线法探讨了这些方法确定岩石长期强度在理论上的正确性和试验方法的可操作性,同时提出了蠕变曲线第一拐点法确定长期强度。(www.daowen.com)

通过以上论述可以发现,对于长期强度的研究,相较于蠕变和松弛更少。目前对长期强度取值的研究已得到了经验范围值,但是数值范围很大,并不能准确地确定长期强度值。就求解方法而言,等时曲线法以及过渡蠕变法是目前应用最为广泛的长期强度确定方法,等时曲线法通过研究等时曲线拐点连线的特征,确定长期强度,但是研究发现等时曲线拐点连线的特征具有多样性,因此利用该方法得到准确的长期强度值是十分困难的,并且等时曲线及其拐点连线的力学意义并不明确;过渡蠕变法则是通过稳态蠕变速率的突变来确定长期强度,该方法的准确性依赖于分级加载蠕变试验每级应力增量的大小。因此,这两种方法都不能准确地确定长期强度[111,112]。由于求解长期强度方法的限制,目前对结构面长期强度的研究较少,不同结构面形态对长期强度的影响规律更鲜有研究。

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