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岩石三轴蠕变试验黏弹性解析

作者:四川德翔科创仪器有限公司分享:
       岩石蠕变行为的研究对评价岩体工程的长期稳定性有着重要的现实意义。许多学者对岩石蠕变特性进行了大量的试验和理论研究。在试验研究方面,经历了岩石单轴蠕变,三轴蠕变,剪切蠕变,到考虑高温高压的室内岩石蠕变试验的发展过程;在加载方式上,实施了从单级加载,到分级加载,以及分级加卸载蠕变试验等一些更符合工程岩体受力状态的试验方案。试验研究在向深度和广度方面发展,这些无疑为理论研究提供了更为丰富的试验基础。在理论研究方面,依据岩石蠕变特性,对基本模型原件进行改进或挖掘新的原件模型,以及考虑岩石的损伤、断裂理论,以期得到能够科学全面客观的模拟和解释岩石蠕变全过程的理论模型。例如,曹树刚等将黏滞体模型中的黏滞系数修正为非线性,提出了改进的西原正夫模型,能较好地反映岩石的非衰减蠕变特性;徐卫亚等将提出的非线性黏塑性体与五元件线性黏弹性模型串联,建立一个新的岩石非线性黏弹塑性流变模型(河海模型)。
       该流变模型可以反映岩石的加速流变特性.张忠亭等则根据统一蠕变模型,研究了分级加载条件下的岩石蠕变特性等。很多岩体工程,如地下洞室,隧道,坝基等工程,岩体均处于三向应力状态.但由于流变试验条件的限制,岩石三轴流变试验数据还十分有限,远没有满足理论研究的需要.三轴蠕变试验通常由于岩体试件受到围压作用,其蠕变关系式与单轴的计算公式有很大区别,故本文对岩石三轴蠕变黏弹性解析解及参数识别进行了研究.文中利用三参量H—K流变模型,详细推导出了三轴蠕变计算公式,并利用此公式给出了岩石蠕变参数的反演与识别方法,最后以花岗岩及片岩室内三轴分级加载蠕变曲线为例,对试验曲线的衰减蠕变及稳态蠕变阶段进行了蠕变参数的识别,根据反演出的参数得到了解析蠕变曲线,发现该曲线与试验曲线吻合较好。
       依据推导的公式,利用室内岩石三轴压缩蠕变实验结果,对岩石各级蠕变参数进行了反演分析。室内蠕变试验采用岩石三轴流变试验机,该试验装置由轴向加载系统,围压加载系统,伺服系统,控制系统,数据采集和自动绘图系统等部分组成。蠕变试验岩石试件采用圆柱体试件,试验过程中室内温度控制在26.5±0.1℃,围压恒定,轴压采用分级加载方式,各级载荷所持续时间根据试件的应变速率变化情况予以确定,蠕变稳定后继续加下一级载荷。试验中,花岗岩(φ55.46mm x 110.6mm)三轴蠕变试验围压5 MPa,起始轴压为41.4 MPa,每一级应力增量10 MPa,每级载荷持续时间为24 h。片岩(φ50.3mm×81.5mm)三轴蠕变试验围压2 MPa,起始轴压为20 MPa,每一级应力增量5 MPa,每级荷载持续时间在40—50 h之间,依据蠕变稳定的情况来决定施加下一级荷载。采集到的花岗岩和片岩三轴蠕变试验数据的分级曲线如图1和图2所示。



       由蠕变分级曲线可以看出,由于软岩和硬岩岩性的差异,片岩的流变较花岗岩流变明显。花岗岩在第4级加载开始后,开始出现蠕变,在第5级载荷时蠕变特性已经很明显,即花岗岩蠕变应力达到岩样破坏应力的75%~85%时,才出现明显的蠕变,将这一应力称为蠕变起始应力。而片岩在试验应力达到岩样强度的65%~75%时,即第4级加载开始后,就显现出明显的蠕变特性。以上表明:岩石的蠕变起始应力因岩性不同而各有差异,同时该值不低于岩样蠕变破坏强度的50%,软岩与硬岩相比,软岩在试验蠕变起始应力与岩样强度的百分比较低时出现明显蠕变;另外,花岗岩在第6级加载后进入黏塑性变形阶段,片岩在第7级加载后进入黏塑性变形阶段。对黏塑性蠕变变形分析及参数识别,将在另文介绍。因此,文中选择花岗岩的第4,第5级,片岩的第4,5级及6级——黏弹性蠕变特性较明显的分级曲线进行参数识别,并采用相关系数来检验回归的效果,各级反演的蠕变参数及相关系数见表1。由表1可见,回归相关系数均达到0.8以上,说明自变量(时间)和因变量(应变表达式)相关性很高,线性回归结果良好。

       基于三参量H—K流变模型,导出了三轴蠕变方程的黏弹性解析解,给出了参数识别的方法,利用分级加载条件下的岩石蠕变曲线,反演出了岩石各级蠕变参数。通过与试验结果的比较,说明所建立理论模型能较好地描述岩石的黏弹性三轴蠕变特性,并进一步验证了三轴蠕变参数识别方法的合理性和正确性,为三轴蠕变特性研究提供了可靠的理论依据。