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(nèi)錨固系統(tǒng)的剪切流變試驗的基礎(chǔ)上，我們可以得到如下結(jié)論：錨固界面是完整錨固系統(tǒng)中相對薄弱的部位，破壞大部分是在這些部位發(fā)生的。錨固界面的蠕變力學性質(zhì)影響著錨固體的時效變形和長期強度，對錨固系統(tǒng)的穩(wěn)定往往起著決定性的影響作用。目前，國內(nèi)外學者已針對錨固界面的失穩(wěn)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(gòu)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(shù)損傷函數(shù)，并分析了不同應力水平及不同時長下力學參數(shù)的衰減變化規(guī)律，對錨固系統(tǒng)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(jīng)驗公式建立了基于經(jīng)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(gòu)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(guī)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(jié)，并建立蠕變方程，確定參數(shù)數(shù)值。此外，還有一些學者對錨固系統(tǒng)流變力學及其工程應用有若干研究。但總的說來，錨固系統(tǒng)界面的力學蠕變特性研究還缺乏系統(tǒng)性的理論，因此仍有待更深入的研究。

本研究通過觀察室內(nèi)剪切流變試驗結(jié)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(guī)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(jié)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(chǔ)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(jié)果更加接近于錨固體的真實長期強度。根據(jù)常規(guī)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(shè)計荷載級別為10%σc，第二次設(shè)計荷載級別相應提高10%σc，直到第五級設(shè)計荷載級別提高5%σc，以后每級荷載增量為5%σc，即荷載設(shè)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(shù)為標準，本試驗荷載恒定時間為24 h。整個試驗室內(nèi)溫度保證穩(wěn)定波動，保持在22℃,以保證試件蠕變變形的穩(wěn)定。

2.2 蠕變特性的分析

物體在外力作用下發(fā)生應變及其應力之間的定量關(guān)系稱為流變特性，這種應變與物體性質(zhì)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，與物體內(nèi)部質(zhì)點之間相對運動狀態(tài)有關(guān)，也與時間有關(guān)。內(nèi)部質(zhì)點之間的相對運動可認為是材料力學參數(shù)的損傷，因此流變試驗是有關(guān)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(shù)。對試件1—1，2—2進行蠕變試驗，試件應變與時間關(guān)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(xiàn)明顯的蠕變特征，經(jīng)過較短時間后應變趨于穩(wěn)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(tǒng)在蠕變試驗過程中，隨著荷載水平的提高，經(jīng)歷粘彈、粘塑、粘脫3個特征階段。先根據(jù)前人對巖石流變試驗的結(jié)果，采用數(shù)理統(tǒng)計方法擬合出的經(jīng)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(guān)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(tài)和時間等因素相關(guān)之外，還與界面本身的性狀如界面的粗糙度、兩側(cè)材料強度的差異性等相關(guān)。在這里定義這些因素產(chǎn)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(guī)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(jié) 語

通過對室內(nèi)剪切流變試驗結(jié)果的分析，得到如下結(jié)論：

(1) 在蠕變試驗過程的前期,試件表現(xiàn)出明顯的蠕變特征，經(jīng)過2～3 h后，應變基本趨于穩(wěn)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?yōu)樗p蠕變變形，是定性分析蠕變分量與滯后回彈曲線的依據(jù)。

(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(shù)指標有一定的指導意義。

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