分级加载条件下结构面的流变特性
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分级加载条件下结构面的流变特性
王旭
(鞍山市千山区宁远镇人民政府，辽宁鞍山114015)
喃要]岩体结构面的蠕变特}生研究对解决岩石力学实际问题具有很重要的意义。通过规则齿型结构面在剪切应力条件下的双轴蠕雯试验，研究了不同爬坡角的结构面在不同法向应力时酌蠕变特性，并根据蠕变试验结果，得到结构面剪切蠕变随法向应力、剪应力、爬坡角的变化规律和时翅}生。
[关键词】结构面；蠕变特性；力学粹}生：扩客特性
1引言
结构面的流变特性是岩体力学特性的重要研究方向之一。模型试验与数值计算是研究岩体结构面流变特性的两种主要手段，利用有限元计算程序对结构面的试验状态进行模拟，与模型试验进行对比分析，相互验证，便于直观的发现岩体结构面中的应力变化趋势，总结其破坏规律，探讨了岩体结构面的强度特性。本文通过规则齿型结构面在剪切应力条件下的双轴蠕变试验，研究了不同爬坡角的结构面在不同法向应力时的蠕变特性，并根据蠕变试验结果，得到结构面剪切蠕变、法向蠕变随法向应力、剪应力、爬坡角的变化规律和时效性。
2流变理论研究现状
21蠕变全过程曲线分析及结论
从流变学的观点看，节理面剪切蠕变的发展过程也可大致划分为三个阶段，即：第1阶段蠕变速率逐渐减缓；第¨阶段蠕变速率保持为常数值不变；第Ⅲ阶段蠕变速率急剧增大，直至试样节理面呈明显滑移破坏。岩体节理面有别于一般的连续介质，在蠕变属性方面主要表现为以下两个方面：1)节理面剪切变形过程中，上述蠕变速率的变化有不同的表现形式。当应力较低时，蠕变经历第1、¨阶段后，变形转而趋于稳定，可得到固定的渐近值；应力水平很高时，蠕变从短暂的第1阶段很快地直接过渡到第Ⅲ阶段，试样未经过常应变速率的第¨阶段即在短时间内滑动破坏。2)卸载后节理已发展的剪切变形基本上并不随时问而减小，即没有明显的滞后恢复。由于孀变发展的同时，节理界面产生相对位移和错位，因此，在卸载后除极少量的瞬时回弹外，已经产生的剪切变形均呈塑性状态。比较节理面的法向压缩和切向剪切蠕变曲线，可以明显得看出节理变形的各向异性性态。造成这一现象的原因在于，节理面的法向压缩变形主要是由软弱夹层压缩以及节理面咬合和压碾等作用形成的，而切向剪切变形则由节理介面之间的相互错位所致。因而，沿节理面切向和法向的变形机理存在着本质上的差异。
当作用于材料的应力变化时，材料显示“瞬间”发生的弹性与塑性两类应变，紧接着发生与时间有关的蠕变。
22陈氏加裁法
由陈宗基教授提出并由他的学生所发展的“陈氏加载法”在国内外的岩土流变学研究中得到越来越广泛的应用。陈氏加载法可以使得流变试验从单一试体采用适当的加载程序得到更多的试验资料，这对于试验周期长，且试验价格昂贵的岩石流变性质研究有重大的实际意义。
这一加载法的基本原理氏考虑到真实的流变介质对加载史具有的记忆效应，这种效应的严格数学表达式在线性条件即为蠕变型和松弛型的积分方程。这；}加载法的优点在于采用适当的试验技术和方法，用作图法建立真实变形过程的叠加关系，不论这种后效影响是线性的还是非线性的均可适用。陈氏加载法可以归结为回答以下的试验问题：假定对试体进行了如图1的级别为△a的梯级加载，并获得图2试验曲线，根据陈氏加载法可以推断荷载的一次性加载的蠕变曲线。
其具体处理过程如下，从时间t O到t1，材料均在不变荷载
a1-△口作用下发出蠕变变形，若试验进行到t1时不加下一级荷载△a，则由于材料此时的变形已进入稳态蠕变，材料变形将继续沿虚线进行，所以对试体增加作用荷载△口的效果是，发生了虚线和实线之间的附加变形。可以从这一附近变形，找到以t0作为时间起点的蠕变值和以t1作为时间起点，应力增量A o所引起的蠕变增量A E∞。因
2009年6月f下此，可以第一级荷载作为基础，叠加下级荷载作用延续时间相同的蠕变增量，得到一次性荷载为a2=2△o的蠕变曲线。继续进行的梯级加载，可以在前一级蠕变曲线上继续做同样的处理，这样可以得到～次加载的蠕变曲线。
岩石室内试验结果是描述岩石流变属性不可缺少的重要资料，它具有能够长期观察，可严格控制试验条件、排除次要因索的影响、重复次数多等特点，因此室内试验工作是了解岩石流变力学属性的主要手段。
图I陈氏加载法加载曲线
圈2陈氏加勘去试验曲线
3试验材料与试验方案
3．1试睑没备
试验是在长春试验机研究所研制的CS S一1950岩石双轴流变试验机上进行的，该机可同时或分别对试样施加垂直轴压缩(拉伸)负荷和水平轴压缩(拉伸)负荷，能同时测试样双轴双测变形值。垂直轴最大压缩荷载500kN，拉伸300K N；水平轴压缩300K N o试验机采用伺服控制，加压系统采用丝杠加压，荷载采用加载速率控制，试验负荷控制稳定性≤1％F S，变形测量精度0．0001m m，能很好的满足试验精度要求。
3．2试件制备
天然的岩体结构面的形态特性是十分复杂的，租糙度复杂多变，结构面充填物的性质也差异很大，而且采集实际的岩体结构面是一件比较困难的事。因此本次试验采用规则齿形结构面的水泥砂浆试件，以降低结构面的复杂性，进行结构面蠕变特性的基础研究。
模型材料选用325标号水泥，标准砂和水，配合比：水泥：砂= 1：2：水：水泥=0．4。为了减少试件制作过程中的不良影响，模型成形后24小时拆模，养护28天。
3_3试验方法厦加裁方式
为了能准确的确定岩体结构面的蠕变参数及变形机理，试验选择了规则齿型结构面的剪切蠕变试验，加载方式为分级加载方式即陈氏加载法。
对不同爬坡角，不同剪切应力情况下，垂直荷载始终固定不变，以利于可比性。垂直荷载大小按相同材料单轴抗压强度a c的15％进行。