加錨體蠕變特性試驗研究

渠紅霞,袁 超,向德強

(湖南科技大學 巖土工程研究所， 湖南 湘潭市 411201)

1 引 言

近年來，在大量的工程實踐與室內錨固系統的剪切流變試驗的基礎上，我們可以得到如下結論：錨固界面是完整錨固系統中相對薄弱的部位，破壞大部分是在這些部位發生的。錨固界面的蠕變力學性質影響著錨固體的時效變形和長期強度，對錨固系統的穩定往往起著決定性的影響作用。目前，國內外學者已針對錨固界面的失穩破壞提出較多流變模型，在剪切流變試驗過程中，由于時間效應的作用，材料會有損傷破壞，考慮到錨固界面上剪應力的分布方位及大小問題，某些學者引入損傷力學理論，建立了諸多考慮錨固界面流變損傷的流變模型，對本構方程、蠕變方程和松弛方程有了一些新的認識。劉保國等通過對泥巖蠕變損傷試驗的研究，建立了泥巖的力學參數損傷函數，并分析了不同應力水平及不同時長下力學參數的衰減變化規律，對錨固系統蠕變損傷力學的研究提供了良好的思路和借鑒；伍國軍采用蠕變經驗公式建立了基于經驗的工程巖體非線性蠕變損傷模型，豐富了巖體流變效應的本構模型，通過對蠕變損傷特性的分析，得到損傷因子隨應變及時長的變化規律；張振普運用元件模型理論對錨固體蠕變特性的模型試驗進行研究，對巖石流變變形在不同應力水平下的特點進行相應的總結，并建立蠕變方程，確定參數數值。此外，還有一些學者對錨固系統流變力學及其工程應用有若干研究。但總的說來，錨固系統界面的力學蠕變特性研究還缺乏系統性的理論，因此仍有待更深入的研究。

本研究通過觀察室內剪切流變試驗結果，對錨固界面的蠕變力學特性展開了一系列研究。探討錨固界面蠕變損傷特性和損傷演化規律，提出反映界面性狀特征和時間綜合影響的蠕變損傷變量，為以后建立蠕變損傷演化方程提供一定思路。

2 蠕變試驗結果分析

2.1 試驗過程

本研究采用在RYL—600型微機控制的流變試驗機基礎上加以改進的流變試驗機，改進后的試驗儀精度和能提供的最大垂直拉力均滿足要求。試驗采用分級加載的方式，不但減少了一次性加載的盲目性和不精確性，而且其結果更加接近于錨固體的真實長期強度。根據常規單軸抗壓強度σc確定各級加載應力水平，本試驗取第一次設計荷載級別為10%σc，第二次設計荷載級別相應提高10%σc，直到第五級設計荷載級別提高5%σc，以后每級荷載增量為5%σc，即荷載設計值分別為10，20，30，40，45 kN，直至試件破壞試驗完成，每級荷載加載時間的確定須以蠕變增量為零或者蠕變速率為常數為標準，本試驗荷載恒定時間為24 h。整個試驗室內溫度保證穩定波動，保持在22℃,以保證試件蠕變變形的穩定。

2.2 蠕變特性的分析

物體在外力作用下發生應變及其應力之間的定量關系稱為流變特性，這種應變與物體性質及內部結構有關，與物體內部質點之間相對運動狀態有關，也與時間有關。內部質點之間的相對運動可認為是材料力學參數的損傷，因此流變試驗是有關時長、材料損傷程度的試驗。本文蠕變特性的分析主要是采用流變力學和損傷力學的方法，分析蠕變損傷特征，確定合理的蠕變損傷演化方程中的參數。對試件1—1，2—2進行蠕變試驗，試件應變與時間關系的試驗曲線如圖1，圖2所示。

圖1 試件1-1不同應力水平蠕變曲線

圖2 試件2-2不同應力水平蠕變曲線

試件蠕變試驗過程中，在不同荷載水平下前期開始表現明顯的蠕變特征，經過較短時間后應變趨于穩定，故作用在試件上的剪應力存在一個應力閥值，不過從整體方面看，變形量較小，可見錨桿的加入使蠕變量得到明顯的控制。目前描述非線性流變的一種重要方法是對模型理論進行改進，推導出新的流變模型。巖體或錨固系統在蠕變試驗過程中，隨著荷載水平的提高，經歷粘彈、粘塑、粘脫3個特征階段。先根據前人對巖石流變試驗的結果，采用數理統計方法擬合出的經驗表達式(1)來描述錨固體的蠕變方程。

ε(t)=ε0+ε1(t)+ε2(t)+ε3(t)

(1)

式中:ε(t)—t時刻的應變;

ε0—瞬時應變;

ε1(t)、ε2(t)、ε3(t)—初始階段、等速階段與加速階段的應變。

應變關系反映了錨固體的蠕變損傷，錨固界面的蠕變損傷除了與應力水平、應力狀態和時間等因素相關之外，還與界面本身的性狀如界面的粗糙度、兩側材料強度的差異性等相關。在這里定義這些因素產生的影響為綜合損傷因子。在分析錨固界面蠕變損傷特性和損傷演化規律時，確定錨固體微變形尤為重要。綜上所述，研究錨固時，為更加準確的描述錨固體的流變特性，我們在應變前面乘以一個綜合損傷因子。

3 結 語

通過對室內剪切流變試驗結果的分析，得到如下結論：

(1) 在蠕變試驗過程的前期,試件表現出明顯的蠕變特征，經過2～3 h后，應變基本趨于穩定，臨界值稱為應變閥值，其大小的確定須考慮綜合損傷因子。

(2) 通過觀察不同應力水平下蠕變曲線類型，確定錨固體的流變為衰減蠕變變形，是定性分析蠕變分量與滯后回彈曲線的依據。

(3) 在試驗過程中，由于蠕變效應的存在，試件的長期強度必然低于瞬時強度，不同應力水平下的應變曲線對建立長期強度的參數指標有一定的指導意義。

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