单轴压缩荷载下岩石的蠕变特性

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1、第2期世界地质199 1年单轴压缩荷载下宕石的蠕 变特性福井腾则大久保诚介西松裕一李书光译韩贞镐校摘要在较 高的应变水准(强度 为9 0一9 5%)下对稻田花 岗岩、多胡砂岩、水泥砂浆和秋芳大理岩进行 了单轴压缩蠕变实脸。获得如下结 果:l )所有样品 的一次蠕变符合对数蠕 变规则。2 ) 应变速率几乎 是恒定的二次蠕 变仅对水泥砂浆是明显 的。对其它样品来说最初应变率不断减小.当达到最小值后则增加。3 )对多胡砂若和秋芳大理岩,在最小应变率 点上的蠕变应变值几乎 等于 相同蠕 变应力的横剖面上全应力一应变曲线幅度的 一半。在花岗若中最小应变速率.氛的嗦变应变是相 当小的,而在胶结碎斑(cem

2、ent一mo rtar)几乎是幅度的二倍。钓三次蠕 变在某一指定时 间的应变速率与到最终破 坏.点的残余寿命(re sidu al time)成反比。如 果将这一规律应用于若盘,就可以预测地下建筑 物的破坏。5 )除水泥砂浆外,刚好 在最终破坏前(在破坏 前15)的蠕变几乎 等于全应力一应 变曲线横刻面的宽度。对胶结碎斑(c eme nt一mo rt ar)来说,刚好破坏 前的蠕变应 变较这 个宽度要大得多。O引言由于蠕变实验其方法比较简单,所以很久以来,为了解岩石力学性质随时间的变化,人们就进行这种实验。例 如,P ars on s等人对2 0种岩石在荷载为强度极限的5 0 %条件下进行了蠕

3、变实验,在大多数的岩石中观察到 了接近对数蠕变规则的关系。K ra nZ等人测 定了 三次蠕变开始点的非弹性体积应变。据报道,如果是 同一种岩石,这种非弹性体积应变大致 是一定 的,与蠕变应力无关。据wawe rs i k的研究,蠕变特性与全应 力一应变曲线有着密切关系。蠕变应变进 行,应变积 累可达到破坏点以后的应力一应变曲线的位置,就 形成三次蠕变.除在此例举 的报告以外,还有大量 的有关报道,其中几 乎都是关于 一次蠕变、二次蠕变或三 次蠕变初始点的实验报道。关于三次蠕变本身的研究报告,.非常小。人们认 为,三次蠕变与破 坏现象密切相关.并认为,搞清三次蠕变对隧道与地认下建筑物的破坏之预

4、测或防止是 很有用处。另外,人们认为三次蠕变与应力一应变曲线上强度极限以后的特性有关,再则考虑随时间变化的本构方程的组 成时也是有用的。据一23 )一卜、报导,利用三城目安山岩和河津凝灰岩进 行 了蠕变实验,显示出在三次 蠕变阶段,应变. 速率和“残余寿命”之间存在简单的规律。如果这 种规律在多数 岩类中成二的 话,就有 可能将之应用到预 测岩(体)建筑物的破坏等方 面。因而,我 们应用四类试料进 行 了蠕 变实.验。并在本文中慎重 地讨论 了关于三城目安山岩和河津 凝灰岩的实验所得 出的规 律性是否对本次实验中用的试料也亦成立。另外,对于试料种类 不同而产 生的差异等也进 行 了研究,所以在

5、此 一并报告。实验装置和试料岩石1.1实验装 置和实 验方法除稻田花岗岩以外的样 品,都是 用已报道的蠕变实验机。在试验 片上以内施加所 定应力、详情请参照以前 报道。日于对稻田花 岗岩需 要施加蠕变实验机 额定以上 的载荷,所以应 用了最近本实验 室开发的数 控式 的伺服试验 机。采用(数控方式)的理 由是:如果从变位速率一定的实验 向蠕变实验 转变,在实 验中 可以 比较 简单地进行变数变更的控制。图是 伺服实 验机 的略图(已略)。油压源额 定压力为2 0MPa,向伺 服阀中供给压力。荷重以载荷传感器(口本 特殊量则制 ( LRx一IOT)测定,其输出径直 流增幅器( I 一8“以下.制

6、人M3O)传达结A厂D变换器。为 防止噪音,在直流增幅器中内藏IK Hz的 低频滤波器。变位是 由差 动 变压器式变 位计(新 光 电机制6 014)测定,其输出经 由增幅器(新光电机制1533)传送给AD变换器。为防止 噪音,安装了峨K Hz的低频滤波器A/D变换器(系统筑波 制SP IF一A D,)具 有12b火的分解 能,每一频道的变换 时 间是20四。D/A变换器(coN TEc制D A12一4)也 有12 bi t白勺分解 能,(稳定)时 间是60 0n s。A/D变换 器 和D/A变 换器装 在 微机(NEc制PC胎D J动里的。控 制是通过比例控制进行的。就数控方式而言,信号 按

7、一定的 间隔(变为脉冲信号时间)给 出,其 后停止。变为脉冲信号时 间一长,控制性变坏。在本 次 实验 中所用的伺服试验 机的 采样时间是0.Zms,这个值与伺服阀的时间常数相比是相当小 的,所以可以认为采样时间的影响几乎是不存在的。当蠕变试验加载时,应变速率一定(10一 5S一),加载直 到所设置的荷载为止,其后在荷载不变的情况下,进行蠕变试验。变位侧定 每隔70ms进行一次。由于得经过 长 时间测定,所以将所有数据都记住是不现实的万幸的是,在 蠕变实验中,变位 单调增 加,可以按所取的A/D变换器输 出所指定的最终值顺 次记 忆。此 时重 要的 是,如二次蠕变域那样。其应变率很小时 其测试

8、 装置的 稳定性问题因本次实验装置 中,其变动是 依据A/D为变换器的分解 能,也就是换算成应变是10一 苏来进行的,因此不存此种问题。1.2试料作为试料,我们选用 了多胡砂岩,水泥砂浆,中粒秋芳大理岩及稻田花岗岩。胶结碎斑是 使用锁紧螺栓用的干 砂浆,按 水泥:砂:水二1:0.5:0.5比例混合而成。山于水 泥砂浆在制作后一定时间内其力学 性质容易发生变化,所以使用的是3一摘年前制作的样品。试验片是 直径2相I n,高5.Z cm的圆柱。试验 片两端平面 用平面研磨盘使之 平行度是在士0.能m m以内,再将实验片整 形一 月后方 使用。试 料的物性性质,蠕变应 力以及蠕一235一变寿命列于表

9、1中。表1试料的物性性质及蠕变应力及寿命抗抗抗压强度度杨氏模最最压缩条 件下下比重重蠕变应力力)L何平均均算术平均均蟠变变 ( ( ( ( (MPa) ) )(GPa) ) )的抗张强度度度(MP a) ) )寿命命寿命命试验个数数( ( ( ( ( ( ( ( (MP a) ) ) ) ) ) )(s) ) )(s) ) ) ) )稻稻川花岗岩岩j69 9 9240 0 01 J.3 3 32.61 1 15 5 5 53.61一0月月33一105 5 56 6 6多多胡砂兴兴32.5 5 58.13 3 343 4 4 42.08 8 831.0 0 07.0一03 3 39.203 3

10、34l l l水水泥砂浆浆7 1.5 5 514. 3 3 3527 7 72.09 9 96 4.0 0 01.1105 5 51.010杭杭l2 2 2l,粒秋芳大理石石57.8 8 827.2 2 25.29 9 92.60 0 05 3.8 8 84.7一109 9 91.1101 0 0 0,据定应变速率1 0一“ s一 时单轴压缩实验2蠕 变实验结果2.1一次蠕域的应变,应变速率随时间的变化图2 (略)是以加载后l s的值为原点,用单向对数表示 的稻田花岗岩蠕变应变。2,随时间的变化。从图中可以看出,蠕变应变在经过约50 5后直线增加,其后 急速斜率增加,从 而导致最 终破 坏。据

11、此可知,在一次蠕变域,蠕变应变与所经 过 时 间对数成比例,这一 对数 蠕变率是可成立的。这种情况用其他试料也是如此。因此,在一次 蠕变为戈,以加载后15的值为原点的 蠕变应变和所经过 的时间t(s)之间存在下述关系。eZ=d,109(t)(l)在直线部分所求得的(l )式的a,值列 子表2中。表2之中三城目安山岩和 河津凝灰岩的数值是根据己报道的实验结果整理的。与稻田花岗岩、秋芳大理岩、多胡砂岩相比、水泥砂浆、三城目安山岩和河津凝灰岩的(l )式的a,取得较大的数值。表2据蠕变试验 求得的 值( ( ( ( (1)式al l l(3)式a , ,(4)式b3 3 3最小应变速度时蠕变应变变(

12、6)式 n. . .( ( ( ( (10一刁) ) )(10一 刁) ) ) ) )(10一 ) ) ) ) )稻稻田花岗岩岩0.7 7 71.4 4 4一4。2 2 23 0 04 0 0 0 05l l l多多胡砂岩岩1.Q Q Q1.0 0 0一4.4 4 43 004 00 0 072 2 2水水泥砂浆浆2.3 3 30.6 6 6一46 6 62 30 04 0 0 0 0 024 4 4中中粒秋芳大理石石0.4 4 404 4 4一4.7 7 73 00月0 0 0 06 4 4 4河河津凝灰岩岩1.7 7 713 3 3一4。2 2 250 09 00 0 05 8 8 8三三

13、城 J安山岩岩24 4 42。4 4 4一40 0 0今0 01 100 0 03 5 5 5据稻田花岗岩得到的蠕变应变速率。2(s一)和所经过时间t(s)的关系在图3中以两对数 图解表示。在图中的蠕变应变速率一时间曲线,在经过50 5后大致保持一l斜率,逐渐的,其斜度接近于水平。其 后又急速增加。加载后经10 5时的应变速率,除稻田 花岗岩外的其他试料,如已报道过的那样,大约是10一55一;稻田花岗岩是10一65 一。稻 田 花岗岩以外 的试 料,在l s以内按所设定 的荷重加载;但对稻田花岗岩,由于采用伺服试验机,按一定的应变速度用700 5时间加载,所以认为初期应变速率很小。2 .2三次

14、蠕变域的应变,应变速率随时间变化如图2、3所示,如果取时间变化的对数为横轴,很难详细讨论三次蠕变域的应变的一2 3 6一娜变化,因此需引入残存寿命( T)的概念。一T一一t( 2)、式 中,t,是 破坏 寿命,t是 从试 验开始记所经 过 的时 间。取此 残存 寿 命的对数为横;轴,图凌、5示 出了各种试料的实 验结果。据 图J(略)可知对多 胡砂岩.胶结碎斑(c cocnt一mo rt a r)和秋芳大理岩,当残存寿命变小 时,即接近破坏点时,蠕变应变和用对数表示的残存寿命间显示直线关 系,用下式表 示的实验公式是成立的。:一aZlog(T)十b:(3)在直线部分所求得 的(3 )式的a:值

15、示于表2中.在稻田花岗岩和河津凝灰岩中其 蠕变应变一残存寿命曲线相当复杂地 曲折变化.为此 折线近似成直 线,按(3)式求得。2也 列于表2。据表2,秋芳大理 岩,胶结碎斑(e e。:。roo rtor)的a:值小;三城目安山岩,河津凝灰岩的。,值明显大。另外,据表2,对于胶结碎斑(c eme ntmo rta r),一次蠕变 的斜率是二次蠕变 斜率之四倍,但其 他试 料几 乎取得同 样的数值。除胶结碎斑(C em即tmo rt。r)外,一次蠕变阶段应变 随时 间的变化和三次蠕变阶段应变的对残存寿 命表现的变化无论以定性或是 定量的 角度看 几乎是 同样的。据 图5 (略)可知,随着 残存寿命

16、的减小 即随 着接近破坏点,应变速率逐渐增加。并且据图可知,不管寿命的大小,即使在残存寿命小的域 段 即接近破 坏 的域段,在残存 寿命和应变速率之间在 对数 图表上几乎呈现直线关系。此关系亦通 过 用时间对(3 )式 微分而得,若以公 式的形式表 达如下:lbg(:2)二一105(犷)+b3(活)式 中b3一10 9厂aZ10 9(e)此式中e是自然对 数的底。在(4 )式中 的b3的值 也列于表2中。(3)(减)式 对过 去已报 导的三 城 目安山岩、河津凝灰岩也是成立的,因此 可 认 为(3)门)式是相 当一 般性 的公式。为(钓式 对残存寿命求解可得 出下式。7=“:109(e)/。(5)如能得 知。:,依 据测定 的应变速率,用(5 )式就可能推定残存寿命。在对 实际的 岩盘计测时,测定应变的绝对值是困难的。但测 定应变速率还是比较容易的。如果(5 )式 的关系普遍 成立的话,在应变速率加 速增加状 态时,仅用应变速率就可 预测 到最终破坏 时 的时间。23蠕变应变和应变速率的关 系图6