不同法向应力下剪切蠕变曲线

在试验结果中每组选取一个具有代表性的试件进行分析,通过对试验数据进行分析和整理,得到剪切蠕变试验曲线,如图5.3所示。

图5.3　不同法向应力下剪切蠕变曲线

由图5.3可知,采用相似材料模拟节理岩体剪切蠕变试验曲线有如下特征:

①试件在剪切蠕变过程中,表现出典型的蠕变特征:衰减蠕变阶段,蠕变速率减小,如图5.3(a)中第一级水平剪切荷载施加后0～0.7 d时间内的蠕变阶段;稳态蠕变阶段,蠕变速率大致保持恒定并近似为0,如图5.3(a)中第二级水平剪切荷载施加后6～10 d时间内的蠕变阶段;亚稳态蠕变阶段,蠕变速率近似恒定且大于0,如图5.3(b)中第五级水平剪切荷载施加后21～25 d时间内的蠕变阶段;加速蠕变阶段,蠕变速率快速增加,如图5.3(c)中第六级水平剪切荷载施加后30～32 d时间内的蠕变阶段。

②通过对不同法向应力下试件的瞬时蠕变变形和衰减蠕变时间进行统计分析,由图5.4可知,随着法向应力的增加,瞬时蠕变变形量呈现出逐渐递减的变化趋势,当法向应力由0.1 MPa变化到0.3 MPa时,瞬时蠕变变形下降了约75%。其原因为:当法向应力增大时,试件抵抗剪切变形的能力就越强,说明正应力的增加提高了试件的延性特性;而衰减蠕变时间与法向应力出现同步变化的趋势,随着法向应力的增加而延长,当法向应力由0.1 MPa变化到0.3 MPa时,衰减蠕变时间增加约50%,究其原因:随着法向应力的增大,试件抵抗蠕变变形的能力随之提高,从而导致衰减蠕变变形的时间延长。

图5.4　蠕变时间柱状图

③为了描述剪切蠕变过程中的稳态蠕变阶段,不同法向应力下稳态蠕变时间和试件破坏时间统计,见表5.1。

表5.1　试件时间统计表

由表5.1可知,随着法向应力的增加,试件的稳态蠕变时间和试件破坏时间均呈现出上升的趋势,说明法向应力的增加,提高了试件的延性特性,延缓了试件的破坏时间;表中M为稳态蠕变时间与试件破坏时间的比值,设为时间因数,从表5.1中可以看出,时间因数M均大于84%,说明稳态蠕变时间在整个试件破坏过程中占比较大;同时,时间因数M不随法向应力等外力的增加而变化,近似为恒定值,则可认为在各级剪切应力为试件强度6等分级下,即各级增量为试件强度15%下进行分级,时间因数M为剪切蠕变过程中试件的固有属性。(https://www.xing528.com)

为了更好地研究时间因数M,通过参考相关资料[72-74]对不同试件的时间因数M和孔隙体积分数f进行统计,见表5.2。

表5.2　不同试件的时间因数M统计表

f表示试件到达加速阶段时孔隙体积分数增量,其计算式为

式中　fb——试件在加速阶段开始时孔隙体积分数;

fa——试件初始孔隙体积分数。

由于试件初始孔隙体积分数fa较小,近似为0,则取f=fb进行简便计算。

由表5.2可知,不同岩性的试件具有不同的时间因数M,从而也表明时间因数M为试件的特性,并且时间因数M随试件抗压强度的提高而呈现出增加的趋势,当试件的抗压强度由210 MPa下降到15 MPa,降幅近93%,而相对应的时间因数M下降幅度则相对较小,仅为14%,由此说明,相对于试件抗压强度的变化幅度,时间因数M则相对固定,变化范围较小,更具稳定性。

将不同时间因数M下的孔隙体积分数f的变化结果绘制成如图5.5所示,由图可知,曲线呈近似线性变化,说明对于给定的时间因数M,有唯一确定的孔隙体积分数与之对应,可根据剪切蠕变曲线确定时间因数M的取值,从而利用线性关系找出对应的孔隙体积分数f,则可实现对节理试件塑性剪切破碎带中孔隙或裂隙的定量表征。

图5.5　孔隙体积分数随时间因数的变化曲线