巖體材料動(dòng)力剪切性能研究與分析

黃建春

(湖南省湘西公路橋梁建設(shè)有限公司，湖南吉首 416000)

地震災(zāi)害所引起的工程結(jié)構(gòu)破壞以及次生災(zāi)害給社會(huì)帶來(lái)巨大的損失，因此工程結(jié)構(gòu)地震作用下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性顯得尤為重要，而材料的動(dòng)力性能研究，尤其是對(duì)材料動(dòng)力抗剪性能研究目前還比較不足。動(dòng)力荷載作用下巖石等脆性材料的力學(xué)性能(如抗壓、抗拉及抗剪性能等)是作為地震作用下結(jié)構(gòu)安全與穩(wěn)定計(jì)算分析的重要基本參數(shù)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者用各自不同的試驗(yàn)方法對(duì)各種脆性材料如混凝土和巖石等的動(dòng)力力學(xué)性能進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究與分析，如在動(dòng)力循環(huán)荷載作用下混凝土、巖石材料的受壓性能研究［1，2］、受拉性能研究［3］等。在混凝土和巖石類(lèi)脆性材料的抗剪性能研究方面，有一些研究成果，但由于研究方法的不同以及試件形狀存在的差異，導(dǎo)致試驗(yàn)所得的材料抗剪強(qiáng)度皆有所不同，抗剪強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之比介于0.054～0.315之間，如施士焺［4］得出的比值范圍為0.095～0.121;金初陽(yáng)等［5，6］得出的比值為0.060～0.197。巖石與混凝土材料的單軸壓縮性能、軸向拉伸性能以及靜力荷載作用下的剪切性能已有大量的研究與分析，而巖石脆性材料的剪切性能在動(dòng)力荷載作用下的研究還沒(méi)有較多的進(jìn)展，原因在于不同的研究人員采用的研究方法和試驗(yàn)手段不同使得結(jié)果有著較大的離散性，且從測(cè)量方法來(lái)看，直接從試驗(yàn)中量測(cè)巖石材料剪應(yīng)變和剪切模量比較困難。而在循環(huán)荷載作用下的研究更是不多，這在很大程度上限制了結(jié)構(gòu)安全與穩(wěn)定分析的準(zhǔn)確性和正確性。為此本文對(duì)巖體材料進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)研究，對(duì)巖石材料的動(dòng)態(tài)抗剪性能進(jìn)行研究分析。

1 往復(fù)荷載作用下巖體材料動(dòng)力抗剪性能試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)方法

考慮到三軸壓縮試驗(yàn)的復(fù)雜性以及現(xiàn)有的試驗(yàn)條件，本試驗(yàn)采用直剪試驗(yàn)并在振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)上自行設(shè)計(jì)一套試驗(yàn)裝置，由振動(dòng)臺(tái)提供出力作為試件剪切荷載。

1.2 試驗(yàn)裝置與試件

巖石材料的試驗(yàn)所需巖樣需到現(xiàn)場(chǎng)采集，因此要獲得試驗(yàn)所需的標(biāo)準(zhǔn)巖樣是比較困難的，所以試驗(yàn)采用了砂漿制作的立方體試件來(lái)模擬巖樣。試件的尺寸為(150×150×150)mm3。

試驗(yàn)裝置示意圖見(jiàn)圖1。

1.3 加載參數(shù)

巖石動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)主要有兩種，即沖擊試驗(yàn)和循環(huán)加載試驗(yàn)。相比較而言，循環(huán)加載試驗(yàn)比沖擊試驗(yàn)更接近真實(shí)的地震作用，地震荷載可以用一系列大小固定的往復(fù)荷載來(lái)進(jìn)行模擬。

圖1 試驗(yàn)儀器布置

本試驗(yàn)采用的波形為低周期、隨時(shí)間幅值連續(xù)線性增加。所施加的位移應(yīng)足夠大，能最終引起試件的破壞。具體載荷波形如圖2所示。由于垂直應(yīng)力狀態(tài)與抗剪參數(shù)密切相關(guān)，試驗(yàn)選擇低應(yīng)力水平所加的垂壓，以得到準(zhǔn)確的直線段結(jié)果。

圖2 載荷波形

2 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1 靜力試驗(yàn)

靜力試驗(yàn)工況見(jiàn)表1。

表1 靜力試驗(yàn)工況

靜態(tài)剪應(yīng)力—剪位移全程曲線見(jiàn)圖3。

圖3 靜態(tài)剪應(yīng)力—剪位移全程曲線

圖3中，三條曲線分別代表試件j01號(hào)，j02號(hào)和j03號(hào)的應(yīng)力應(yīng)變曲線。各曲線峰值點(diǎn)的坐標(biāo)如表2所示。

表2 各曲線峰值點(diǎn)坐標(biāo)

根據(jù)圖3的應(yīng)力應(yīng)變曲線可以得到以下規(guī)律:

1)從試件j01號(hào)到試件j03號(hào)，隨著法向應(yīng)力逐漸增加，試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線的高度越來(lái)越高，峰值越來(lái)越大。最大剪應(yīng)力之前曲線斜率也越來(lái)越大。由圖4可知隨著法向應(yīng)力的增加，試件的抗剪強(qiáng)度得到提高。2)從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，試件的剪位移—剪應(yīng)力曲線至少包含三個(gè)階段，即曲線上升段OC、峰后變形軟化區(qū)段CD、殘余段DE。荷載超過(guò)試件材料抗剪強(qiáng)度后，材料開(kāi)始軟化，逐漸卸載。達(dá)到DE區(qū)段后剪應(yīng)力不再變化，位移逐漸增大，最終引起試件破壞。對(duì)OC段進(jìn)行分析，又可以劃分為三個(gè)階段:材料壓密實(shí)段OA，彈性變化段AB以及塑性變化段BC。巖石類(lèi)材料抗剪試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線形式相似于材料的單軸壓縮試驗(yàn)曲線。

2.2 動(dòng)力試驗(yàn)

動(dòng)力試驗(yàn)工況見(jiàn)表3。該工況試驗(yàn)結(jié)束之后，根據(jù)2 Hz的切向應(yīng)力和切向位移數(shù)據(jù)得到材料動(dòng)態(tài)2 Hz動(dòng)力試驗(yàn)工況下的滯回曲線，探索動(dòng)態(tài)剪切下巖石材料的力學(xué)行為以及破壞原理，見(jiàn)圖5。

圖4 j03號(hào)剪位移—剪應(yīng)力曲線

表3 2 Hz動(dòng)力試驗(yàn)工況

圖5 203號(hào)試件滯回曲線

圖5中顯示的為試件203號(hào)試件的滯回曲線。根據(jù)加載波形(見(jiàn)圖2)，圖5中的曲線應(yīng)包含22個(gè)加、卸載過(guò)程。輪廓線為滯回曲線的包絡(luò)線，即骨架曲線，反應(yīng)試件在循環(huán)往復(fù)荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展過(guò)程。隨著剪位移增大，試件剪應(yīng)力不斷增大，達(dá)到材料極限剪應(yīng)力后，試件產(chǎn)生裂縫，逐漸開(kāi)裂，剛度開(kāi)始退化，試件的承受剪切荷載的能力在下降，隨著裂縫的繼續(xù)發(fā)展和逐漸貫通，抗剪能力進(jìn)一步下降。從圖5中可以看出滯回曲線由開(kāi)始“直立”狀漸漸呈“睡倒”狀。

圖6為試件201號(hào)～206號(hào)的剪應(yīng)力—剪位移曲線的骨架曲線。

圖6 201號(hào)～206號(hào)剪應(yīng)力—剪位移曲線的骨架曲線

從圖6可以看出，材料2 Hz動(dòng)態(tài)剪應(yīng)力—剪位移曲線的骨架曲線與靜態(tài)剪應(yīng)力—位移曲線形狀大體上相似，只是動(dòng)態(tài)時(shí)的五個(gè)階段沒(méi)有靜態(tài)試驗(yàn)下的明顯，可以粗略的認(rèn)為動(dòng)荷載作用下的剪應(yīng)力—剪位移曲線骨架曲線也可以分為三個(gè)區(qū)段，如圖7所示的OA(OA')，AB(A'B')，BC(B'C')。

圖7 203號(hào)試件的剪應(yīng)力—剪位移曲線的骨架曲線

2.3 靜、動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線比較

關(guān)于靜、動(dòng)態(tài)剪應(yīng)力—剪位移曲線，對(duì)其形狀上的不同以及其產(chǎn)生原因作簡(jiǎn)單分析。之前分析加載頻率為2 Hz的情況下的剪位移—剪應(yīng)力曲線時(shí)，提到過(guò)它與靜力試驗(yàn)的差異之處在于形狀上的區(qū)分，即靜態(tài)剪位移—剪應(yīng)力曲線的五階段，在動(dòng)態(tài)時(shí)，退化為三個(gè)階段。這種差異可以用圖8來(lái)表示。之所以出現(xiàn)這種差異，本文作者認(rèn)為是由于動(dòng)態(tài)試驗(yàn)下加載速率的不同所導(dǎo)致的原因。

圖8 靜、動(dòng)態(tài)剪應(yīng)力—剪位移曲線比較

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)巖體材料進(jìn)行靜、動(dòng)力剪切試驗(yàn)，根據(jù)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)2 Hz的試驗(yàn)結(jié)果，得出以下結(jié)論:1)靜態(tài)剪切試驗(yàn)下，隨著法向應(yīng)力的逐漸增大，試件的抗剪強(qiáng)度也逐漸增大。2)對(duì)于巖石類(lèi)脆性材料，無(wú)論靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)下的抗剪試驗(yàn)，試件最終承載能力的降低主要是由于巖石材料的粘聚力消失所導(dǎo)致。3)動(dòng)態(tài)抗剪強(qiáng)度與靜態(tài)抗剪強(qiáng)度之間存在著異同點(diǎn)。靜、動(dòng)剪切荷載作用下材料應(yīng)力應(yīng)變曲線形式大致相似。由于加載速率的不同導(dǎo)致了材料在動(dòng)、靜態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變曲線有所不同，靜態(tài)下的壓密段在動(dòng)態(tài)時(shí)退化掉了，剪應(yīng)力位移曲線由靜態(tài)時(shí)五階段退化為動(dòng)態(tài)的三階段。

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