周期荷载下岩石大型三轴试件的变形和强度特性研究.pdf

第8 卷 第2 期 岩 1 98 7 年 6 月 R o e 土 k a n d 力 5 0 11 M V ol 8 学 e 。 a n 五 i . es J u n . 场 2 . 19 8 7 周 期 荷载 下 岩 石 大型 三 轴试 件 的 变 形 和 强 度特 性 研 究 葛 修 润 提 要 本 文 介 绍 了 作 者在 联 邦 德 国 卡尔斯 鲁厄 大 学 土 岩 力 学 研 究所 利 用 该所 研 制 的大 型 三 轴 试 验 机 进 行 周 期 荷 载 下 大型 三 轴 试 验 的 情况 和 结 果 12 0c m 。 岩 石 为薄 层 灰 岩 试 件 直 径 为 6 0c m , 在 周 期荷 载 作 用 下 下 , 。 不 可 逆 变 形 的总量 随 着 循 环 次数 的增 加 而 增 长; 但 在不 同 的应 力水 平 不 可 逆 变 形 的 发 展 趋势具 有 显 著 的 甚 至 是质 的 差 异 , 荷 载 将 导 致 产生 较 大 的 不 可 逆 变形 ; 随 着 循 环 次数 之 增加 最 终 趋 向 于 一 个 比 较 稳定 的 常 值 。 , 应 力 水平很低 时 , 其 不可 逆 变 形 的 增 长率逐 步 衰减 一 特 征 应 力值 略 低 于 常规 三 轴 试 验 中的 所 谓 屈 服值 环 过 程 中 的 不 可 逆 变 形 主 要 发生在 超过 这 一 “ ” 门槛 讨 周 期 荷载 作 用 下 岩体 的 力 学 性 质 是 十分 重 要 的 “ ” 门槛 值后 最 终 导 致 整 个 试 件的 破 坏 “ ”。 : 。 但 是 当 应 力 水 平 达 到某 一 循 环 次数 之 增 加将 促 使 不 可 逆 变形 的 加 速 增 长 研 究 结果 表 明 值后 的 区 段 内 。 , , 最 初 几 次 的循环 并 不 是 偶然 现 象 之 间的关 系 。 。 情 景 则 迥 然 不 同; 。 试验结果表 明 , 这 一 每 一 个加 荷 卸 荷 循 研 究 这 样 的 特 征 值对 于 探 。 文 章 建 议 研 究 常 规 试 验 的 强 度值 显然 , , 由试 验 获 得 的不 可 逆 变 形 与 循 环 次 数 的 关 系 曲 线 在 形 态 上 与 流 变 曲线 十 分 相 似 义 高为 o 整 个 研 究 工 作 是 基 于 分析 不 可 逆 变 形 的 观 点 来 探 讨变 形 和 强 度 特性 的 , , 、 。 也许 , 这 流 变试 验 的长 期 强 度 与 周 期 荷 载 下 的 强 度 这 对 于 解 决岩体 工 程 问 题 中 的 强 度 取 值 和 安 全储 备 系 数 等 间 题具 有 重要意 , 。 一 , 、 J l t 舀 周 期 荷 载 对 工 程 建筑物 的 安 全 和 基 岩稳 定 的影 响 常 常 是 不 可 忽视 的 。 坝 坝 基 由 于 水库 周 期 性 地 蓄 水 和 放 水而 承 受 着 巨 大 的 周 期 性 荷 载 变 化 就是 一 个典 型例 子 。 在 岩体 工 程 中 米 勒 和 本文作 者 曾 经 结 合 日本 黑部 川 第 四 号拱 坝 大型 原 位 试 验 一 , 特 别是 对 于 反 复 加 荷 卸 荷 情 况 下节 理 岩 体 的 原 位 大型 三 轴 试 验 资料 重 新 作 了分 析 和 研 究 的 试 件体 积 每 个 达 1 1 m “ 之巨 。 体 在 周 期 荷 载作 用 下 变 形 性能 的 一 些 重 要 特 征 和 发 展 规 律 [l1 际 岩 石 力 学大 会关 于 “ 。 这 种 现 场 三 轴试 验 基 于 对 黑 部 川 拱坝 原 位 三 轴 试 验 的 重 新 研 究 现 场勘测 和评价 由 于 现 场 原 位 试 验 费用 十 分 昂 贵 , ” 。 大 , 提 出 了 节理 岩 这 一 研 究成 果得 到 了 第五 届国 专题 总报 告 的 良好 评 价 [2J 。 因 此 要 深 入 地 研 究 周 期 荷 载 作 用 下 岩 体 的 力 学 性质 , 岩 , 除数 量 有 限的 必 要 的 原 位试 验 外 ‘ 一 土 质 。 为此 , 特 别是 对 于 薄 层 和 互 层 岩 体 , 人 们 一 直 力 图通 过 加 大 试 件尺 寸 大 试 件 进 行 室 内试 验 当前 , 力 学 开 展 尺 度 适宜的室 内 试 验 研 究 也 是 一 条十分 重 要 的 途径 常规 的 岩石力 学室 内试 验 的试 件 尺 寸很 小 许 多 问题 1 98 7 年 ‘ , , 、 尺 寸 效应 地 质 上 的 代 表 性等 方 面 都 存 在 着 小 尺寸 试 样所 得 的结 果很难 反 映 其 总 体 的 力 学 性 , 室 内 大 型 试 验技 术 得 到 了 发 展 . 4m “ 特别 是 在单 轴压缩 和 三轴 试 验方 面 , 左右 并 已发展 了 相应 的取 样 技 术 [3] , 验技 术 使人 们 有 可 能 对 层 面或 节 理面 比 较发 育 的岩 体 开 展 室 内 试 验 , 为 求层 面 , 。 。 较软 弱 岩 体 采 用 这样 的 试 以 研 究 其 总体 宏 观 力学 节 理面 比 较发 育的 岩 体 的 总 体 性质 试 样 中至 少 要 包括 5 一 10 、 , 个 层 面或 节 理 面 对 于 节 理 或 层 面 的间 距 为 10 一 20 。 模 是 能 满 足 这一 要求 的 的大 型 原 位 试 验 制 用 这样 的 。 经 验 告诉 我 们 , , 使 试 件尽可 能地 代表 所研 究 的 岩体 。 的 室 内 大 型 三 轴 试 件 的规 模 已达 0 性质 。 。 。 在很 多 场 合 值得 指 出的 是 , , 、 应 力 途 径方 式 多样 化 变形 , o m 的岩 体 , 当前 的室 内大 型 三 轴 试 验 的 规 这 种 大 型 的 室 内 试 验 已 有 可 能 补充 或 部 分 替 代 昂 贵 这种 大 型 室 内 试 验 有 其 突 出 的 优点 压 力等 方 面 都 可 作 更 精 确 的 量 测 , 如边 界 条 件 容 易 控 。 。 作者 采 用 室 内 大型 试 验 技 术对薄 层 灰 岩 大 型 试 件 进行 了 三轴试 验 基 于 实 验 结 果 对 一 些 现象 进行 了 分析 和 研 究 提 出 了 相 应 的 看 法 和 解 释 以 及 今 后 值得 注 意 的研究 方 向 此 项 室 。 , , 内大 型 三 轴 试 验 研 究是 在 联 邦 德 国 卡 尔 斯鲁 厄 大 学 土岩 力学 研 究 所进行 的 究 工 作 曾 得 到该 所 的 负责 人 o T h M u t s e 五}e r 工 程 师 . ( D IP I . 。 。 在 西德 期间 的研 N a ta u 教 授的 帮 助 此 项研究 工 作 由本 文 作者 主 持 并 与 该 所 的 En g ) 密切合作 。 。 , , 于 1 9 8 2 年 1 2 月到 1 9 8 3 年 初 共 同完 成 。 多 年来 卡 尔斯 鲁 厄 大 学 土 岩 力学 所 曾进 行 过 数 以 百 计 的 室 内大 型 三轴 试 验 , 也 已 开 展 了卓 有 成效 的 1 以 便 从 单 个 试 件 推 求 强 度 包 线 [s 轴 试 件 ( 体 积 达 o 34 m . “ 。 “ 单 块法 ” 试验 但 是 用 这 套装 置 对 大 型 三 ) 开 展 在 周 期 荷 载作 用下 力学 性 能 . 、. , 。 的 实 验 研 究 可 能 还 属首 次 生一 I J 二 、 习了 试 验 装 置 和 试 件尺 寸 , ‘ z 一代 / 室 内大 型 三 轴 试 验 装 置 见 图 1 最 大 高度为 1 7 0 0 m . 的 G 10 tz l 型 荷 重 传 感 器 测定 。 , 试 件 最 大 直 径为 6 0c m 三 轴室最 大 围压为 , 。 在 本 次 试 验 中 我们 采 用 圆柱 形 试 件 。 岩石 为 薄层 灰 岩 试 样共 两 个 , , : 二 。: = 其 直径 为 6 0c m , 相 当软 弱 。 , , 室 试 验 时 拆去 保 护 壳 , 图1 1 大 型 三 轴 试 验 装置 示 意 图 轴 向荷 载 (最 大出 力6 4 M N ) ; . . 层 厚 从 数 毫米 到 2 . “ 围 压 (最 大 为 2 2 M N / m ) ; 系 专 用 的 取 样 钻 机 在 现 场 钻取 后 3 . 轴 向 变 形 量 测 ; 4 环向变形 量 立即 放入 特 制 的 钢 皮保 护壳 内并灌 以 石 膏 密 封后 运 回 试 验 。 不 此 设 备 要是 采 用 棱柱 形 试 件 配 以 附 加 的一 对加 荷板 亦 可开 展 真三 轴 试 验 数厘 米不 等 · / . , 高 为12 0c m 万 4 M N , 轴 向荷 载 用三 只 2 5 M N 用 水作 为 传递 围 压 的 介质 。 厂 , , 。 该 装 置 的轴 向加 荷 能 力 6 .2 o M P a 。 ‘ 去 除石 膏层 并 用 特 制 的橡 皮套 封 闭 . 测; 量 测; . 5 轴 向荷 载量 测 ; . 7 . 高度 适 配 器 。 6 . 围压 第2 期 葛 修润 : 周 期 荷 载 下 岩 石 大 型 三 轴 试 件 的变 形 和 强 度 特 性 研 究 以 防 止 三 轴 室 内 的压 力 水进 入 试 件 设 轴 向 孪形 量 尺 两 根 。 并 在试 件 的 上 , 、 中 、 下 部 位 各 设 置 环 向变 形 量尺 一 条 和 环 向变 形 的 量 测 都 是 通 过 三 轴 室 的 观 测 窗由 人 工 测 读 的 取 样方 法 、 1 。 、 关于试 验 方式 。 兹 以 编 号 E S 尸 2 的 试样 为例 对 试 验 过 程 作 一 简 要 介 绍 周 期 荷 载试 验 是 分 阶段 进行 的 间变化 (口 步 卸荷 到 ( 。 。 : 二 口3 二 O 4 M . 第 工 阶段 的 围 压 为 : a P ) 自零 逐 步增 加到 ( , 一 少3 , 轴 向变 形 。 试 件安装 及 变 形 量 测 方 法 等 详 见 参 考 文 献 〔3 〕 三 。 , 叮, 一 『3 ) = o 。 并 保持 不 变 , 一 叮: , ) 。 二 二 3 . 。 (, 4 M P l , 3 一 , a , ) 的值 在 。一 3 4 1 . 并 维 持 一 段 稳 定 时 间 后逐 阶段 工共 进行 了60 次 加 荷 卸 荷 循 环 这 期 间 的 围 压一 直 保 持 恒 定 一 每 次加 荷 卸荷 循环 历时 约 5 分钟 一 , 一 。 3, , 5 10 , , 20 4 0, , 并同 时 记 录 , ’ ‘ 当 循 环 次数 n 二 1 。 。 对 每 一 次 加 荷 卸荷 循 环 都 记 录 其 最 大 轴 向 变 形 量 及 卸荷 后 的 残 余变 形 量 相 应 的 环 向变 形 量 M P a 6 0 时 , 在 加荷 段 及 卸荷 段 各增 加 记 录 中间 点 4 个 , ’ 测 量 项 目包 括 轴 向 荷 载 , 轴 向变 形 和 环 向 变 形 。 第 工 阶段 的 6 0 次加 荷 卸 荷 循 环 进行 完 毕 后 试 体 是 完 好 的 一 下 的三 轴 试 验 。 用 了三 种 围 压 : 5 6 . 6 , . 。 紧 接着 开 展 在 常规 荷载 情 况 ’ 为 了 能 通 过 一 个试 件 的 试 验取 得 强 度 值 : , . 6 和1 9 0 . 二 0 4 0 MP 4 “ 0 , 。 . 8 和1 6M P a 。 , “ 相应 于 , 我 们采 用 破 坏点 ” 的 ( “ 单块法 叮: 一 a : 对 上 述试 验结 果 依 照 库 仑 强 度 准 则加 以 整 理 。 ” 试 验方 式 。 共 ‘ ) 的 试验 值 分别 为 为 了 更 直 观 和 方便 , : 作 了如 下 处 理 . 引 入 由下 式定 义 的 平 均应 力 , 和 最 大剪应 力 盖( 『 叮。 二 ; a 。 + ) 下二 . 青( a : 二 二 , : 一 a : (1 ) ) 。 ” 在 口 和 玩 平 面 内 E S 尸2 的 单 块 法 试 验 结果如 图 2 所 “ , 示 由 图 可 见 线 性 关 系 十 分 良好 直 线 的 倾 角 0 = 3 2 8 。 = 轴上 的 截 距 为b 丁, 求得 O 7 5M P . “。 C = 5 in 一 lt a n 它在 c 内摩擦 角甲和 粘 结 力 可 按下 式 s } b c o s — 尹 将 。 和 b 值 代入 后 得 对 E S 尸 2 试 件作 完 “ : 中 = 和 (, ; 一 , 的破 坏征 兆 , : ) 。 。 二 40 单块 法 第 亚 阶 段 周 期荷 载 试 验的 , 3 。 , 护 卜 ,. 么 下 : 中= , . , . ” : 10 , (2 ) 图2 “ = 0 . 8 MP 9 a 。 试 验 后再 次 进行 周 期 荷 载试 验 = , O 4M P 。 . 与阶 段 I 的相 同 。 (『 : 一 , : ) 二 。 二 二 3 . 大 型 三 轴 试件 E S 尸2 的 二一 强 度 包线 ( a 、 空间 ) 。 l M Pa 4 , 阶 段 l 共 进行 4 0 次 加荷 卸荷循环 一 这 就是 说 阶段 亚 的 , 试 验 后 仍无 明 晃 14 土 岩 力 加到 ( 。, “, 。 ) 。。二 三 叭01 M P a 。 但 整 个试 体仍未 破 坏 , 4 l M 4 . 一 加 荷 卸荷 循 环 一开 始 就 出现 了 明 显 的 破 坏 征 兆 。 试 件 已完 全 破 坏 E S p Z 试 件主 应 力差 值 与 轴 向 变 形 量 、 循 环 次 数 的关 系 见 图 3 口J 二 丝 」M P . 一 ‘ 5 : 5 · . 对 该 试 件首 先 进 行 常 规 试 验 (a , 一 , 。 ) 和 W 的 (。 。。 二 1 , . , 取。 二 1 . : 一 )二 。二 : , oz M p a 的6 5 % 值 分 别等 于 7 阶 段 l 为 30 次 ’ o M Pa , oM P a 的情 况 下 进 行 周 期 加 荷 . , · 尹o 圣 乏 ‘ 7 _ . 。 ! , 飞 。 , l 门 们 川 附 脚 ‘ 5 一 13 弓 6 0 · · 5 5 · 5 6 .0 ‘5 · 八 . 1 7, 8 0% , 8 . 7 8 , 当 (, OM P a 9 一 『3 ) 达到 1 1 l o M P a 时 试 件呈 . , 。 卸 荷试 验 , , , 共分 四个 阶段 进 行 。 每 个 阶段 的 8 5 % 和 9 0 % 左右 。 也 就 是 说阶段 I 4 和 9 8 3 9 M Pa 。 阶段 工 和 阶段 亚 的 循 环 次 . . , 亚 一 , 而 阶 段 万 仅 进 行 了 四 次加荷 卸荷 循 环 后 试 件 就 完 全 破 坏 了 四 、 皿 。 试 验结 果 与 讨 论 岩 体 变 形 的 弹 性 部 分 在 卸 荷 过 程 中将会得 到 恢 复 一 : 。 . 分 别 取z z 一 a 3 , 数 各 为20 次 = 3 5 · 并将 a 值 降 到 1 屈 服 ” 征 兆 后 即 停止试 验 : 。 . · 3 。 另 一大 型 三 轴 试 件 的 岩 性 与 E 刀 尸 2 相 似 接着 在 , 环 。 E S 尸2 试 件 的 ( a , 一 a 3 ) 和 轴 向 应变 的关 系 曲 线 图3 “ , 协 忍栩 P . , 2 o · 二刀 增 加到 . 腻不 蘸 . 。二 里 6M P . 二 。5 ) 。 加 荷 已 无法进行 , 月二 、 门 、 叮 .t 。 一 , . 口人 . 卜 荟 : 除 了 轴 向变 形 增 长 很 快 外 , 当 循 环 达 到1 0 次时 口 , 现 但 (a , , 向 变形更 是 急 剧 增 长 阶段 l 的 不 可 逆 。 。 还 是 O 4 M Pa a : 。 但剪 切 应 力 水平 增 , 第 皿 阶 段 也进行 了 40 次 加荷 卸 荷 循 环 于 是接 着 进 行 第 正 阶 段 的周 期 荷 载 试 验 。 P。 . 一 变形 的 累积 量 明 显地大 于 阶段 兀 的 。 此 阶段 的 丙 仍 为 o 4 M P a 。 于是 接 着 进 行 第 兀 阶 段 的周 期 荷 载试验 9 8 1 7 年 学 , 但不可 逆 变 形 将 残 留 下来 。 每次 加 荷 、 卸 荷 循环 导 致 的 不可逆 变 形 量 的 大 小 增 长趋 势 以 及 总 的 累 积 量 等 在 本质 上 乃 是 度 量 岩体 力 学 性能 的 重 要 标 志 之 一 。 试 件 濒 临破 坏 的重 要 征 兆 的 关 系 作 出的 。 不 可 逆 变 形 量 随 着 循 环 次数 的 增 加 而 呈 现 出 的 急剧 增 长趋 势 。 , 正是 以 下 的 讨 论是 基 于 对 不可 逆 变形 的 分 析及 与循 环次 数 及 应 力 水 平 葛 修润 : 第2 期 周 期 荷 载 下 岩石 大 型 三 轴 试 件 的 变 形 和 强 度 特 性 研 究 ( 一 ) 当 应 力 水 平 较 低 时岩 体 不 可 逆变形 随 循 环 次 数 增 加的 发 展 趋势 E 刀 尸2 试 件 的 第 工 和 第 互 阶 段 周 期 荷 载 试 验 的 围 压 是 相 同 的 约 为 在 相 同 围 压 下 试 件发 生 屈 服 时 的 水 平较 低 。 . 一 可 逆 变形 量 很 大 达 0 5% . 。‘ , 。 , 一 丁3 ), 。 二 可 以 认为 这 两 阶段 的 应 力 : 与 周 期 荷 载 循环 次 数 的 关 系 见 图 4 , 值 。 分 : 第 工 阶 段 的 第一 次加 荷 卸荷循 环 , 荷载 ) 值的 7 5 % 左右 3 这 两 个 阶 段 的 轴 向 应 变 的不 可 逆 部 分 析 它 们 的 关 系得 出 如 下 看 法 1 , (“ 一 , 而 采 用 的 (, , , 因 是 整 个 试 验 过 程 中 的 第 一 次 周 期荷 载 , 故不 经 历第 一 阶 段 60 次 周 期 荷 载 与 单块法 试 验 后 进行 的 第二 阶 段 周 期 。 虽 然 围 压 和 加 载 的应 力 水平与 阶段 工 的 相 同 但 第 二 阶 段 的 第 一 次加 荷 卸荷 循 环 的 不 , 一 , 可 逆 变 形 量 仅 为 。 07 % . 。 由此 可 见 , 历 史 上 已 积 累 的不 可 遗 变 形 量 及初始 压 密 状态对 后 期 周 期 荷 载 阶段 中的 初 始 几 次循 环 的 不 可 逆 变 形 量 有 影 响 . 。 扛 1 . 1 2『 n 。 ‘ 11二 _ 一 卜 石 娜段 万 少} } 洲产 · 。 “ 一 借! 沪叮 ; · “ 。二 一阶段 几 ,。 a , 二 0 4M P a 。 二: 。 二 (『 . ~ ‘ , 矛 3 41 M P a . 0 E S 尸2 试 件 第 工 图4 2 . , 应 力 水 平 不 高时 从图 4 可以看出 。 20 10 , 30 一 向一 个稳 定 值 ( 或 者 呈 现缓 慢的衰 减 趋 势 ) , 阶 段 周 期 荷 载 的 60 次 循 环 而 言 二 0 。 00 4% 3 。 小 , ”。 大致 为 26 对 于 第 1 阶段 周 期 荷 载 , 之后 , 过 此 循 环 数 后 的 每 次循环 的 不 可 逆 变 形 量 康 左右 , 刁。‘ , , 亦为 0 0 0 4 % . 。, , 坝 基岩 体 的 , 且 量值 很 图 5 是 根 据 日本黑 部 川 四 号 拱 坝岩 基 变 形 。 。 的趋势 时 , . , 或者 甚 至 于 出现 加 剧 需 予 以 高度 重 视 清 原 因 和 采 取 相应 措施 . - 那 就意 味 着 坝 基 岩 体 内 出现 了严 重 的 不正 常 工 作状 态 4 , , 认 真查 / Z 19 64 “ 一. 尸产 产 尹 才户 口 气 曰 心尸 , r 一甘 ‘ - 甲 2 谧 6 8 10 12 14 16 18 ” 并且 对 这 两 个阶 段 的 周 期 荷 载 试 验 。 采用相 同的 围压 和 应 力 水平 由于 “ 1 9 66 1 9 6 8 1 9 7 0 1 97 2 1 9 7 4 1 9 7称 1盯 8 19 3 0 年 单块 试 验 安排 在 第 工 阶段 和 第 亚 阶段 周 期 荷 载 试 验之 间 _ 招产 尸 矿 。 在 我 们的 试 验 研 究 中有 意 识 地 将 , ~ 口叫 叫, 如果 纲 映 E 侧 玲 愉 狱 某 一大 坝 的 岩 基 变 形 观 测 值经 过 多 年 的 蓄 水 放 水 循 环 后未 见 有 衰 减 。 咬 闷 书 铭 训 坝 基 岩 体 的 变形 单块法 ” 图 5 根 据 日本 黑 部 川 4 号拱 坝 左 岸 1 3 2 0 高程 第 2 一 , 。 每一 蓄 放 水 循 环 周期 所 导致 的不 可逆 变形 量 趋 向 于 一 个稳 定值 发 展规 律 与 前述 的 试 验 结果 是相 吻 合 的 法 就 E 习 尸2 试 件 的 第 一 。 一 的实 际 观 测 曲 线 整 理 出 来 的 ” 一 每 一 加荷 卸 荷 循 环 的不 可 逆 变 形 量 将趋 而且 其 绝 对 量 值 也很小 犯。 二 1 0 , , 一 些 大 坝 坝 基 观 测 资 料 也显 示 出经 过 数 年 或 十 余年 的 周 期 蓄 水 放 水 后 变 形 趋 向 于 稳定 。 作 每 一 加 荷 卸荷 循环 的不可 逆 变 形 量 将 随 着 循环 次 数 的 增 长 而 减 。 , 60 亚 阶 段 周 期荷 载的 不 可 逆 变 形 量 和 循 环 次数 的 关 系 经过 临 界 循 环 次数 , 小 50 40 4 号基 岩 变 形 计 实 测 资料 整 理 的 不可 逆 1 变 形 量 与 周期 荷 载 次 数 的关 系 16 岩 , 试验 并 不 是 破 坏性试 验 和破坏 体 、 土 力 1 98 7 年 学 经 过这 样 试 验 后 的 试 件 可 以 认 为 其 内 部受 到 很 大 损 伤 对 比 第 工 阶 段 和 第 亚阶 段 的 试验 结果可 以 看出 。 崩 溃 若 限制 其 应 力 水平 , , 即 使 受 到 损伤 的 岩体 则 仍然 有 可 能 正 常地 承 受 周 期荷 载 , , 但 并未解 体 只 要 未解 , 。 ( 二 ) 应 力水 平对 不 可 逆变 形 的影 响 1 . E 夕p Z试 件 的 第 亚 、 正 、 V 阶 段 周 期 荷载 试 验 的 结 果 如 图 6 所 示 I 同 的 围压 加 Ž . ,一 次 一 a : ) 二 W 平不 同 E S P Z , (a l 一 a , 二 口 , ) 0 4M P a 。 这 三 个阶 段 采 用 相 即 『 : = O 4 M P 。 但 代表 剪 切 应 力 水 平 的 ( a ‘ . , 分 别 为3 。 二 , 41 . 4 0 1 和4 、 . . 40Mp a 。 剪切 应 力 水 这 三 个阶 段 的不 可 逆 变 形 量 与 循 环次 数 的 关 系 , . 。 . ‘ 二 ” 曲 线 亦 很 不 相 同 对 于 第 五 阶段 如 前 所 述 当 > 10 后 。 4 4MP. , , , , 曲 线 的 斜 率 基 本上 为 常值 ( 每 次循 环 的 不 可 逆 变 形 量 仅 为0 0 4% ) . 对 于 第 l 阶段 剪 切 应 力水 平 增 加 。 , , 而每 一 次 加 荷 卸荷 循环 所 引起 的 不 可逆 变 形 量 也 有 很 大 的 增 加 每 一 循环 达 到 了 O 0 0 9 % 但 随 着 。 , , n 的 增 加 仍能 维 持 剪 切应 力 水 平 增 加 到 4 40 M P a , 由于 其 量 值 已 与 “ 单 块 法 ” 试验 时 的 屈 服 值 十 分 接 近 , 所以 常值 。 第 W 阶段 : ‘, 第 w 阶段 的 刁 . , , 一 。 关 系 曲 线 出现 了 质 的 变 化 。 在 二 , 1 一 4 次循 环 时 尚呈 现 出每 一循 环 的 不可 逆 变形 量 随 循环 ( 口几 一 口, ) . 一 , _ 口 4 o lM P . . 次数 略有 衰 减 的征 兆 一 , 口 3 ) 一, : U 二 , , 3 : 41 M 护 口 5 5倍 但 第 5 次 循环 以 后 。 0 3 4% 毛2 ‘w e 一 侧石 洲亩一哺厂一畜一州 犷 图6 增长 , 服值 。 3 相似 。 , , 每 一循 环 约 , 不 可 逆变 此 值 已 剧 增 到 每 一 循环 为 。 分 析 实验 结 果 后 我 们 认 为 可 能 存 在 一 种 门 槛 值 当 应 力 水平 低 于此 值时 数 的 增 加而加速 增 长 应 力 水 平 的关 系 就 迥 然不 同 。 随 着 次 数 的增 加 , 到 第 9 次时 。 E S 尸2 试 件 不 可 逆 变 形 与 最 终导 致 试 件 的 破坏 . . , 最 终导 致 试 件 的 彻 底 破 坏 , 2 几 二 10 一 ‘, , 形 则 急剧 发 展 、 . · 不 过此 时 的 女 为 。 0 5 % 此值为 第 亚 阶 段稳 定值 的 12 倍 为 第 工 阶 段 的 . . (口 , 这 一 特 征应 力 值 一 , 多 , 不 可 逆 变形 量 不 会 随着循 环 次 当应 力 水 平 高 于此 门 槛 值 后 情 景 循 环 次 数 的 增长 将 促 使 不 可 逆变形 的 加 速 一 门 槛 值 — 低 于 常 规 三 轴试 验 中 的 所 谓 屈 从 图 6 所 示 的不 可逆 变 形 量 与 循 环 次 数 曲 线 的形 态 来看 , 它 们 与 岩 石 的 流 变 曲线 十 分 刃 S p Z 试 件 的 第 W 阶 段 周 期 荷载 试 验 曲 线 与 典型 的岩 石 流 变 曲 线 的 第 l 阶段 即 加 速 流 变 阶段 的 曲线 相 似 。 而 E 习 尸 2 试 件 的第 亚 1 、 阶段 的 曲 线 则与 岩石 流变 曲 线 的 等 速 流变 阶 段 相 类 似 E 厅 尸 1 号 试 件 的不 可 逆 变 形总 量 与 各 阶段 循 环 次 数 的 累 计 量 的 关 系 曲 线 见 图 7 。 标 明 了对应 的 剪切 应 力 水 平 。 次 数 的增长 在某 种 含 义 上 视 为 的 。 。 当然 , 一 这 些 实 验 曲 线 与流变 曲 线 的 相 似 性 也 许 并 非 偶 然 “ 时 间增 加 ” , 。 。 图中 如果 将循 环 那 么 前 述 的 两 类 曲 线 有类 似 之 处 是 可 以 理 解 在 周 期 性 加 荷 卸 荷 情 况 下 所 得到 的 强 度 , 实质 上 是 代表 了 一种 疲 劳 强 度 。 这种 疲劳 强 度 与静 态 的 长 期 强 度 之 间 有 什 么 联 系 ? 这 两 种 强 度 之 间 的 接近 程 度 如 何 ? 是 否 可 能利 用 比 较快 速 的反复加 荷 卸荷试 验 所得 到 的 强 度 值去估算试 验 周 期 很长 的静 态 的 长 期 强 度 ? 一 第2 期 葛修 润 : 周 期 荷载 下 岩 石 大 型 三 轴 试件 的 变 形 和 强 度 特 性 研 究 这 些 问 题 尚有 待 进 一 步 去 探索 。 曰 洲 川 日 训 川 洲 么 .丘 0 0 。 . 求二 ‘ , 。 常规 试 验 ( 一 ,‘ ‘ , 3 ) . 一 · 忆 )、 芝 d璐 二 . 1 1 OZ M p a . M P合 一 34 宫 8 7M P a 二 秘 (口 I ~ 口 3 ) 。 ‘ 二 7 1 7 M P a 。 吕 打3 1 OM P a 二 . 70 40 30 74 月 E S 尸 i 试件 不 可 逆 轴 向 应变 与 循 环 次数 的 关 系 曲 线 图7 j ( 三 ) 关 于 环向 变 形 问 题 , 甚 至 可 忽 略不 计 ; 、 中 当 剪 切 应 力 水平 很低 时 环 向 变 形 量 是很 小 的 并 接近 破 坏时 环 向 变形 量 很 大 , 并且 试件 的上 , 它 们与 破 坏 发生 在 试件 的哪 个部 位 有 关 出 相应 的 泊松 系 数 松系 数突 然 增 大 。 剪 切 应 力 水平低 时 达 到甚 至 超 过 0 , 5 . 。 对 于 节 理 或 层 面发 育 的 岩体 更是如 此 增 加 而 变动 的 情 况 。 、 当 剪 切 应 力 水 平很 高 , 下 各部 位 的 环 向 变形 量 也 很不 相 同 , 。 根 据 试 验 中卖 测 的环 向变形 量 和 轴 向 变 形 量 可 以 求 , 泊松 系数 值 非 常小 ; 而 剪 切 应 力 接近 破 坏 值 时 对 于 岩体 说 来泊松 系 数 也 许 并不 是 一 个 常 值 在 试 验 或工 程 监 控 中 , , 泊 特别 是 注 意 观 察 泊 松系数 随着荷 载 之 特 别 是 急 剧 增 长 的 情 况 作为岩 体 临 近 破坏 的 重 要 征兆是 值 得 重 视 的 , , 。 ( 四 ) 加 荷 卸荷 循 环 的变 形 发展 规 律 一 每次 加荷 卸荷 循 环 的 应 力 和 应 变 曲 线 见 图 3 一 一 次 循 环 的滞 后 环 很 大 情况 。 , 随循 环 次 数增 加 当剪 切 应 力 水 平 很 高 时 切 应 力水平 已 接 近 破 坏值 , 。 E S 尸 2 试 件第 工 阶 段 周 期 荷 载试 验 中 的 第 滞 后 环 逐 步缩 小 上 述 的是 剪 切 应 力水 平 较 低 的 情 况 就 完 全 不 同 E S 尸 2 试 件 的 第 丁 阶 段 周 期 荷 载试 验 的 剪 。 , 因此 随着 循 环 次数 的 增 加 , 。 , 滞 后 环 越 来越 大 滞 后环 很 大 的 情 况 下 , 当 加荷 时 剪 切 应 力 水平 ( 应 力 与 应变 仍 然具 有 良好 的 线 性 关 系 , 且 其 斜 率 与第 工 使 在第 w 阶 段 , ( 叮 , 一 ‘ : ) 值 超 过 4 OM P a 后 斜 率 明 显变 缓 . . 于 (, 。 : 一 , 3 。 , . . Pa l )未 达 到 4 o M P a . 区 段 的 轴向 应 变 量 急 剧 增 加 , 当 。 二 1 时 0 , 此 值 已 增到 0 整 个 试 件 的 不 可 逆 变 形 的 主 要 部分 发生 在 当 ( , , 一 a : ) 由 4 0 增 加到 4 时 , . 4 M Pa , : 一 相应 . 6 %左 这 一很 小 巨 大 的滞 后 环 也 是 由于 在 此 应力 区 间 内 试 件 产 生 很 大 的不 可 逆 变 形 而 形 成 这 一 现象 有力 地 表 明 了 存 在有 一 个 门 槛 值 , 即 (a , 但 随 着循 环 次 数 的增 加 . 。 , 阶段 的 斜 率 基 本 相 同 ; 但 当 一 . ) 为4 0一4 4M 形 将 急剧 增 长 兆 、 。 一 , 值 得 注意 的是 对 于 第 丁 阶 段 的 第 一 次 加 荷 卸 荷 循环 . 的 应力 区间 内 的 。 1 、 , ) 从4 0 增加到 4 4 M P a 时 的 轴 向应 变 增 加 量 为 0 0 2 %左 右 『: 右 , , , 。 并 导 致破 坏 。 因此 并 应 该作 为临 界 状态 来 控制 , , 。 对 于 周 期 荷 载而 言 , 过 此 门 槛值 后不 可逆 变 当岩 体 处 于周 期 荷 载作 用 时 要十分 重 视 所谓 的 屈服 征 以 避免 岩 体 在 周 期 荷 载下 发 生 破坏 Q 18 土 岩 力 1 9 8 7年 学 ( 五 ) 关 于 周 期荷 毅作 用 下 的 强 度 问题 , , E 习 尸 2 试 件 在 周 期 荷 载 作 用 下 当 ‘: 二 o 4 M P : 时 的 极 限 强 度 (a 一 『 3 )约 在 4 0 一 4 4 M P “ . 之间 . . 。 E S p l 试 件 在 周 期 荷 载作 用 下 , M Pa 之 间 当a : = 1 . o M P a 时 的 极 限强 度 ( 叮 、 一 , 3 )约 在 9 . 4 一 9 89 3 . 。 如 果 以 试 件 的 常 规 静荷 载试 验 中的 屈 服 强 度 作为 对 比 标 准 则 上 述 两 个试 件 所 得 的 周 期 ) 来表示 〕约 为 静 载 的 屈服 强 度 值 ( , ; 一 a : ) 的 8 5 一 9 0 %左 『 : 一 ‘: 荷 载作 用 下 的 强 度值 〔用 ( 右 从 周 期 荷载 试 验结 果 来 看 , 。 , 我们 认为进 一步 探讨 常 规试 验 所 得 的 强 度 长 期 强 度和 周 期 荷 载作 用 下所 取 得 的 强 度之 间的 关 系是 很有意 义 的 。 、 流 变 试 验 所得 的 试 验结 果 表 明 周 期 荷 载 下 的 门 槛 值 和 流变 试 验 的 长 期 强 度 值都 与 常 规 试 验 中 的 屈 服 值 有 着密 切 的 关 联 它 。 因此 对于服 务 年 限 很 长 “ 考 虑 以 常规 的 , 考 参 e r a z u r 〔1 〕 M u ll 一 S l b g h a lt e n g re ss f o th e a e o n 〔2 〕 S t P l d l ia - d a n G e b ir g e s Iu t S o e i e t y f o r . an d R is s l e r R o ek P r o e e e d in g s P , o f B . G e . , the 文 X iu r u n Un ter . H , E v a l u a t io n 5 tr a L e o Po l d G e k l u ft e te n 并略低 于 或 作 用 有 周 期 荷 载 的 许 多 岩体 工 程 中 的 岩 体 强 度 的取 值 问 题 应 屈 服 ” 强 度为 基 准 并 加 以 适 当 的 安 全 储 备 , , W e e 。 献 , U n terou eh u n g e n h s e ll a s t e n s th C o n g r e s s o M u t se h le r Th M e e h a n i se h e n P r o e e e d in g s , M e e b a n i e s (IS R M ) , G e n e r a l R e Po r t , Zu m 1 98 3 , T h em f the e A IS R M o f the M elbo u rn e — S it e 1 98 3 , , , V st h e r - Co n - A u s t r a l ia E x P l o r a t io n a n M e lb o u r n e , A u一 o f th e d . a ta u , 0 〔3 〕 N , P 一 L a r g e 一s e a l e b ou rn e , F r 6 h l ie h , T r ia x ia A u , t r a l ia 要T e s 0 . a n d ’ p r o c ”e d i n g s , o f , ’h ” . 0 . , R ee e n t 5 , h Co ” g r e s , of D e v e 1 0 Pm ’h e e n ts Is R M 1 9 8 3 M e l , 第2 期 : 葛修 润 刀 St u dy La r g e 一 一一 ~ ~ . - 一 一 一 一 一 一 D e fo r m a t io n a n d S t r e n g t h B e ha v io u r o f t he o n s iz e d 一 19 周 期 荷 载 下 岩 石 大型 三 轴 试 件 的 变 形 和 强 度 特 性 研 究 T r ia x ia l R o e k S a m p le s d e r C yc lie Lo a d in g un X ‘劫 r , n G e A b s t ra e t W h m a n y e in n the , In s t i t u t e a u t 五o r t e s t in g t r ia x ia l ete r 5 tr e n g t五 b e h a v i o u r r e v e rs e t m be r n u b er o f lu e e n t ir e l y f 、犷 T he e a e h te st th a n th e v a lu e 15 er e o r e b e y li P e r im h o u ld b e in d i g n e n r e s e id e n t a l t e , t 3 , t 五e fa 心 to r o a e x 1t 1 5 s l m a r k a b le a e e d e e a ye d base d The r o e s a k the the o n lle d e y e le o v e r , v tests o n th e m Pl e u s e d dy o f i e w P o in t o f s t u f the o n u e o e o l a r g e 一 s iz e d w 60em er e d e f o rm in a t o n a n i l yz i刀 9 an a d ir- the lo a d i n g o f e ye l e s m Pl e t e f a il u r e lu e W it h m be r t h is e h r e s h o ld o la r g e to lu e the ”v a e a u s e f the , d a n a g ro w th w h ole s a m Pl e . s tr e s s v a lu e l, s l ig h t l y d tha t w i th i n in th e o e e u r e d d e r 一 s ta n d i n g the dy o f t le r a te d m a in l y s tu s ta n a e e e d e f o r m a t io n The e o n m - be ea m e a n . ble n u it u a t io n t e s ts , lu e the s t r ia x ia l a f o sta t io n a l ”v i r r e v e r s ib l e in e r e a s e f in a l l y w it h l e v e l s d is t in - s rr e s s io u s th e h a r a e t e r is t ie e o n v e n in v a r te n d e d d a n g e n e r a l l y in e r e a s e d m Pa r a ti v e l y . th r e s h o ld tha t “ t u n f a a t “ ir r e v e r s i b l e th i s o b t a in e d in e e r t a a v a ” fo r y e le s a d e f o r m a t io n le v e ls g r a d u a ll y ti ll th e ds tr en s tr e s s hed o y ie ld “ i r r e v e r s ib l e e i llu s tr a t e d ls o s u e h a s io n 五a r a e t e r i s t i e a e o f r o e o f e m e e h a n ie a l P r o P e r t is s e e t k m as ses . ta l e u r v e s zn b l a n c e in l o n g 一ter m r o e . lo a d i n g Fe d e r a l G e r - , to o d e f o r m a t io n f ir r o v e r s ib l e e o r r es P o n d in g r h e o l o g ie o l v s . t 五e n u m be r w h ie h , e u r v e s , y e le s Per h aps , s 五o w m a y n o t . P r o Po s e s tu r e a e in e r e a s e f g r e a t i m Po r t a n e e e the f ir s t f e w le v e l w er e s tr e s s e s y e l ie i n s ti tu t e w as A t lo w . d e f o r 班 a t io n a d a n e K a r l s r u h e U n i v e r s it y , m a in l y i n e l u d e d d e f o r m a t io n th e r th e Th e 5 0 一e a e The a t 五e o h s t r e ss lts w o rk m e s o t h is in lt h o u g h a g r o w th . Pe r f o r m e d 班 Pl e s the fr o 瓜 r e s u , , l o a d i n g 一 u n lo a d in g w h ere u n d e a e i r r e v e r s ib l e th e lo w e r fr o m d if f e r e n t M e e h a n ie s . ye l e s the 五e n sa the f io n ye l e s 一 i t s e v a . R o ek . e a r o s e Pa P e r d d e v eloPed l o a d io g f o l y d iff e r e d o a n 五e ig h t T h e in a t ye l i e e d e f o 一 m a t io n o 12 0 e m d e f o rm i b le Un d er the d t h is m a e h in e d iam a n f o f 5 0 11 o d ie d k e n . t h is Pa Per s t r e n g th t 五a t in U n d o u b t e d ly, g i n e e r in g r th e r e l a t io n h e o l o g ie a l it Pr o b l e m s 15 . s tests i g n if i e a n t o f the a n d th e s tr e n fo r e v a l u a t in g s t r e n g t h o b t a in e d g th u n the de r in e str e n e o n v e n ye l ie t io n a l 1 0 a d in g g t五 a n d s a fe t y