巖體材料動力剪切性能研究與分析

黃建春

(湖南省湘西公路橋梁建設有限公司，湖南吉首 416000)

地震災害所引起的工程結構破壞以及次生災害給社會帶來巨大的損失，因此工程結構地震作用下的結構穩定性和安全性顯得尤為重要，而材料的動力性能研究，尤其是對材料動力抗剪性能研究目前還比較不足。動力荷載作用下巖石等脆性材料的力學性能(如抗壓、抗拉及抗剪性能等)是作為地震作用下結構安全與穩定計算分析的重要基本參數。近年來國內外學者用各自不同的試驗方法對各種脆性材料如混凝土和巖石等的動力力學性能進行大量的試驗研究與分析，如在動力循環荷載作用下混凝土、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，導致試驗所得的材料抗剪強度皆有所不同，抗剪強度與抗壓強度之比介于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力荷載作用下的研究還沒有較多的進展，原因在于不同的研究人員采用的研究方法和試驗手段不同使得結果有著較大的離散性，且從測量方法來看，直接從試驗中量測巖石材料剪應變和剪切模量比較困難。而在循環荷載作用下的研究更是不多，這在很大程度上限制了結構安全與穩定分析的準確性和正確性。為此本文對巖體材料進行動態剪切試驗研究，對巖石材料的動態抗剪性能進行研究分析。

1 往復荷載作用下巖體材料動力抗剪性能試驗研究

1.1 試驗方法

考慮到三軸壓縮試驗的復雜性以及現有的試驗條件，本試驗采用直剪試驗并在振動臺基礎上自行設計一套試驗裝置，由振動臺提供出力作為試件剪切荷載。

1.2 試驗裝置與試件

巖石材料的試驗所需巖樣需到現場采集，因此要獲得試驗所需的標準巖樣是比較困難的，所以試驗采用了砂漿制作的立方體試件來模擬巖樣。試件的尺寸為(150×150×150)mm3。

試驗裝置示意圖見圖1。

1.3 加載參數

巖石動力學試驗主要有兩種，即沖擊試驗和循環加載試驗。相比較而言，循環加載試驗比沖擊試驗更接近真實的地震作用，地震荷載可以用一系列大小固定的往復荷載來進行模擬。

圖1 試驗儀器布置

本試驗采用的波形為低周期、隨時間幅值連續線性增加。所施加的位移應足夠大，能最終引起試件的破壞。具體載荷波形如圖2所示。由于垂直應力狀態與抗剪參數密切相關，試驗選擇低應力水平所加的垂壓，以得到準確的直線段結果。

圖2 載荷波形

2 試驗結果與數據分析

2.1 靜力試驗

靜力試驗工況見表1。

表1 靜力試驗工況

靜態剪應力—剪位移全程曲線見圖3。

圖3 靜態剪應力—剪位移全程曲線

圖3中，三條曲線分別代表試件j01號，j02號和j03號的應力應變曲線。各曲線峰值點的坐標如表2所示。

表2 各曲線峰值點坐標

根據圖3的應力應變曲線可以得到以下規律:

1)從試件j01號到試件j03號，隨著法向應力逐漸增加，試件的應力應變曲線的高度越來越高，峰值越來越大。最大剪應力之前曲線斜率也越來越大。由圖4可知隨著法向應力的增加，試件的抗剪強度得到提高。2)從試驗結果來看，試件的剪位移—剪應力曲線至少包含三個階段，即曲線上升段OC、峰后變形軟化區段CD、殘余段DE。荷載超過試件材料抗剪強度后，材料開始軟化，逐漸卸載。達到DE區段后剪應力不再變化，位移逐漸增大，最終引起試件破壞。對OC段進行分析，又可以劃分為三個階段:材料壓密實段OA，彈性變化段AB以及塑性變化段BC。巖石類材料抗剪試驗的應力應變曲線形式相似于材料的單軸壓縮試驗曲線。

2.2 動力試驗

動力試驗工況見表3。該工況試驗結束之后，根據2 Hz的切向應力和切向位移數據得到材料動態2 Hz動力試驗工況下的滯回曲線，探索動態剪切下巖石材料的力學行為以及破壞原理，見圖5。

圖4 j03號剪位移—剪應力曲線

表3 2 Hz動力試驗工況

圖5 203號試件滯回曲線

圖5中顯示的為試件203號試件的滯回曲線。根據加載波形(見圖2)，圖5中的曲線應包含22個加、卸載過程。輪廓線為滯回曲線的包絡線，即骨架曲線，反應試件在循環往復荷載作用下的應力應變發展過程。隨著剪位移增大，試件剪應力不斷增大，達到材料極限剪應力后，試件產生裂縫，逐漸開裂，剛度開始退化，試件的承受剪切荷載的能力在下降，隨著裂縫的繼續發展和逐漸貫通，抗剪能力進一步下降。從圖5中可以看出滯回曲線由開始“直立”狀漸漸呈“睡倒”狀。

圖6為試件201號～206號的剪應力—剪位移曲線的骨架曲線。

圖6 201號～206號剪應力—剪位移曲線的骨架曲線

從圖6可以看出，材料2 Hz動態剪應力—剪位移曲線的骨架曲線與靜態剪應力—位移曲線形狀大體上相似，只是動態時的五個階段沒有靜態試驗下的明顯，可以粗略的認為動荷載作用下的剪應力—剪位移曲線骨架曲線也可以分為三個區段，如圖7所示的OA(OA')，AB(A'B')，BC(B'C')。

圖7 203號試件的剪應力—剪位移曲線的骨架曲線

2.3 靜、動態應力應變曲線比較

關于靜、動態剪應力—剪位移曲線，對其形狀上的不同以及其產生原因作簡單分析。之前分析加載頻率為2 Hz的情況下的剪位移—剪應力曲線時，提到過它與靜力試驗的差異之處在于形狀上的區分，即靜態剪位移—剪應力曲線的五階段，在動態時，退化為三個階段。這種差異可以用圖8來表示。之所以出現這種差異，本文作者認為是由于動態試驗下加載速率的不同所導致的原因。

圖8 靜、動態剪應力—剪位移曲線比較

3 結語

本文對巖體材料進行靜、動力剪切試驗，根據靜態和動態2 Hz的試驗結果，得出以下結論:1)靜態剪切試驗下，隨著法向應力的逐漸增大，試件的抗剪強度也逐漸增大。2)對于巖石類脆性材料，無論靜態還是動態下的抗剪試驗，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致。3)動態抗剪強度與靜態抗剪強度之間存在著異同點。靜、動剪切荷載作用下材料應力應變曲線形式大致相似。由于加載速率的不同導致了材料在動、靜態下的應力應變曲線有所不同，靜態下的壓密段在動態時退化掉了，剪應力位移曲線由靜態時五階段退化為動態的三階段。

［1］ 董毓利，謝和平，趙 鵬.不同應變率下混凝土受壓全過程的試驗研究及其本構模型［J］.水利學報，1997(7)：72-77.

［2］ 劉劍飛，胡時勝，胡元育，等.花崗巖的動態壓縮試驗和力學性能研究［J］.巖石力學與工程學報，2000，19(5)：618-621.

［3］ 肖詩云，林 皋，王 哲，等.應變率對混凝土抗拉特性影響［J］.大連理工大學學報，2001，41(6)：721-725.

［4］ 施士焺.混凝土的抗剪強度、剪切模量和彈性模量［J］.土木工程學報，1999，32(2)：47-52.

［5］ 金初陽，余冬生，張秉友.高強混凝土抗剪強度的試驗研究［J］.水利學報，1992(11)：75-80.

［6］ 周應華，楊德培，楊 濤，等.節理巖體抗剪強度參數的試驗分析［J］.西南交通大學學報，2005，40(1)：73-76.