岩体结构面力学特性的时间效应及其动态演化

从上述分析可知，影响结构面剪切过程中结构面速率依存性的主要因素为结构面中裂隙扩展或者由裂隙扩展造成的塑性变形，这部分变形主要存在于结构面“突起物”中，而剪切过程中粗糙度或粗糙度发挥的作用是不断减小的。

理论教育 2023-08-22

岩体结构面流变本构模型-时间效应

流变本构模型是研究流变特性的重要手段之一，是流变力学理论研究的重要组成部分，也是当前岩石力学研究的难点和热点之一。基于上述理论，目前很多学者对岩石的流变本构模型进行了研究，并得到了丰富的成果。然而，目前的资料中，针对结构面剪切流变本构模型的研究还相对较少。

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岩体结构面时间效应及长期强度评估

图6.2松弛法求解长期强度根据上述求解方法，利用分级加载应力松弛试验的结果，极限松弛曲线不具有明显的峰值，前期表现为近似线性关系，后期则表现为非线性屈服特征，并且后期应力-变形曲线趋向于水平，这里将峰值变形对应的极限松弛曲线的应力值作为极限松弛曲线的峰值强度，如图6.2中虚线所示，此时的强度基本上处于曲线的水平段，该强度可作为长期强度。

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岩体结构面力学特性的时间效应：基于蠕变法确定长期强度

表6.5拐点求解结果图6.7斜率差值随搜索拐点应力值变化的曲线根据以上方法，表6.6中列出了通过分级加载蠕变试验以及等速率曲线拐点法求得的长期强度，长期强度值基本上符合过渡蠕变法所求得的长期强度范围。表6.6长期强度求解成果

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岩体结构面力学特性的时间效应：前期塑性变形与蠕变相关

蠕变阶段中的虚线表示，此阶段如果持续更长时间，蠕变量会继续增加。为了继续深入探讨前期塑性变形与蠕变的关系，绘制ΔD与蠕变量的关系，如图4.22所示。因此，蠕变变形与前期塑性变形之间具有此消彼长的密切联系。

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岩体结构面力学特性的时间效应成果

而当JRC较小时，结构面主要克服其静摩擦力，变形则是由于表面摩擦力及水平荷载引起的上下剪切块的变形。在此阶段，结构面“突起物”中裂隙开始迅速扩展、累积，塑性变形迅速增大，剪切变形曲线已经不再是近似的直线线形，而是上凸的形态，并且这种非线性形态随剪切的进行迅速加剧，这一阶段称为屈服阶段。图2.18完整试块剪切变形曲线及剪切刚度变化规律

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岩体结构面力学特性的时间效应：对起裂应力的探讨

根据第2章的研究成果，可利用求解剪切刚度最大值所对应的应力值的方法来确定起裂应力，表3.11所列为不同剪切速率条件下起裂应力的求解结果，相同JRC、不同剪切速率条件下的起裂应力值变化不大，但是由于剪切速率本身对剪切变形曲线的影响程度较小，因而不易判断起裂应力与剪切速率的关系。此外，起裂应力之前也会波动，这是由于结构面的不均匀性引起局部破坏造成的。图3.15变速率剪切试验中的初裂应力

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岩体结构面力学特性与长期强度、JRC及法向应力的相关性

以蠕变等速率曲线拐点法的求解结果为例，研究长期强度与JRC的关系。表6.9所示为不同粗糙度结构面长期强度与瞬时强度的关系。如图6.10所示，JRC较小时，长期强度与瞬时强度的比值均在80%左右，而当JRC＝7，19时，长期强度与瞬时强度的比值随法向应力的增大而减小，并且这种趋势随着JRC的增大越来越明显，其比值可降低至70%左右；同一法向应力下，随着JRC的增大，长期强度与瞬时强度的比值逐渐减小。

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岩体结构面力学特性的时间效应及剪切应力松弛模型

本节从松弛速率的特征出发，建立应力松弛速率与时间的经验关系，进而推导应力松弛本构模型，模型中的两个参数可直接反映上述两个方面的特征。无论是拟合还是参数反算的应力松弛速率曲线，都与试验数据接近，表现出了良好的拟合效果。mr越大，松弛速率的量级就越大，但不影响应力松弛曲线的基本形态。图5.13应力松弛经验模型参数敏感性分析

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岩体结构面时间效应解释

根据极限变形规律，极限变形曲线与应力-变形曲线交点所对应的应力值即为长期强度，那么不同应力-变形曲线的形态决定了交点的位置，进一步决定了长期强度与峰值强度之间的关系。因此，根据瞬时应力-变形曲线形态及极限轨迹可以定性分析长期强度随JRC的变化规律。图6.13不同JRC结构面剪切曲线与极限变形曲线

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岩体结构面力学特性的时间效应，变速率剪切试验成果

本章将交替变换速率试验方法引入结构面加载速率依存性剪切试验的研究中，对结构面按照上述方法开展试验，应用该试验结果评价结构面的剪切速率依存性。与不同加载速率条件下的结构面剪切试验选择法向应力的原则相同，变速率剪切试验法向应力分别采用单轴抗压强度的10%，20%，30%，分别为2.17MPa，4.35MPa和6.52MPa。所有试样在一次变速率剪切试验后，对其进行复位，重新施加法向应力，按照第一次变速率剪切试验的方法进行第二次变速率剪切试验。

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岩体结构面力学特性时间效应验证

当法向应力为2.17MPa时，峰前没有明显的开裂现象，随着变形的增加，试验由阶段Ⅰ逐渐进入阶段Ⅱ，该过程相对于法向应力为6.52MPa时，经历的时间相对较长，并且凹凸的现象越来越明显，在接近峰值时，应力突然下降，并表现出了脆性断裂的性质，裂隙面基本贯通，试验随即进入阶段Ⅲ，这再次说明裂隙起裂以及结构面剪切过程中的变形形式是影响变速率剪切试验曲线形态的主要因素。图3.13天然绿片岩试样第二次变速率试验结果

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岩体结构面时间效应研究：结论

本书通过对人工结构面开展瞬时剪切试验、不同剪切速率下结构面剪切试验、变速率剪切试验、分级加载剪切蠕变试验及剪切应力松弛试验、加卸载后剪切蠕变和剪切应力松弛试验以及等应力循环剪切应力松弛试验，对不同粗糙度结构面时间效应的速率依存性、蠕变、应力松弛和长期强度等四个方面的特征以及关联性进行了分析，并研究了JRC对结构面时间效应的影响。

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岩体结构面力学特性时间效应及机理

结合不同JRC和不同法向应力下的结构面剪切速率依存性试验可知，JRC或法向应力越大，剪切过程中剪齿效应越明显，结构面的剪切速率依存性越明显，剪切过程中剪断结构面之间的“突起物”越多。图3.16不同剪切速率条件下结构面剪切过程中声发射参数变化规律［53］

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岩体结构面力学特性的长期强度效应

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。

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岩体结构面力学特性的时间效应分级加载

根据田光辉等［144］的研究成果，分级加载剪切应力松弛曲线不受前一级的影响，因而不需要对其进行叠加。图5.7为分级加载剪切应力松弛曲线和应力松弛速率随时间的变化特征曲线。图5.7分级加载剪切应力松弛曲线（τ-t）及应力松弛速率曲线当应力松弛到一定程度后，由于松弛速率比较小，导致应力变化程度较小，松弛速率的变化幅度比较小，曲线在有限时间内表现出了近似的线性特征，该阶段为松弛第二阶段。

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