剪切蠕变破坏机理分析

1)变形破坏现象分析

从节理试件的剪切-蠕变曲线(图5.23、图5.24)的形态可以看出,节理试件(包括有锚固和无锚固)的剪切蠕变从开始受剪到试件破坏,可分为4个阶段:第一个阶段是瞬时变形阶段,即在施加荷载的瞬间,节理试件产生瞬时变形;第二个阶段是衰减蠕变阶段,蠕变的变形速率开始减小并逐渐趋于零;第三个阶段是稳定蠕变阶段,在此阶段过程中,剪切位移基本不变,蠕变变形速率接近于零;第四个阶段是直接破坏阶段或加速破坏阶段,主要表现为当载荷达到某一水平时,剪切位移忽然变大,试件发生瞬间剪切破坏或者在最后一级剪切荷载作用下表现为蠕变速率逐渐变大,试件发生加速剪切滑移破坏。

对上述现象进行进一步分析:

在剪应力不变时,即应力保持恒定的时期,蠕变速率非常小,几乎为零。可以认为,此时节理基本上没有剪切滑移,但在剪应力作用下,节理有相对滑动的趋势,剪切滑移面上的摩擦力是静摩擦力。下一级剪应力的施加可视为瞬时完成的,每一级剪应力下的瞬时变形很大,而静载荷作用下的剪切蠕变位移相对较小。

节理在施加各级剪应力的瞬间产生较大的剪切位移,剪切位移的增加是一个累积的过程,在此过程中,节理必定会产生爬坡趋势,但节理和锚杆的摩擦对其剪切运动产生了较大的阻力。因此,只有当剪应力达到一定水平时,才能克服摩擦阻力,在下一级剪应力加载的过程中,使静摩擦力转变为动摩擦力,从而产生瞬时剪切破坏或滑移失稳破坏。(www.xing528.com)

2)变形破坏机理分析

在剪切蠕变试验初期,由于施加的荷载较小,剪应力提供给节理表面的能量不足以使试件的节理产生滑动,因此,节理试件仅产生瞬时剪切变形。随着剪应力的增加,试件的节理啮合面开始滑动,形成一定的间隙,但在宏观表现上仍表现为瞬时变形;随着剪应力继续增大,节理发生屈服,节理之间的间隙逐渐增大,上下节理的错位更加显著,此时,试件节理形成应力集中。之后,试件的破坏情况向两个方向发展:一是此时的集中应力超过了节理试件的承受能力,试件节理发生瞬时剪切破坏;二是节理试件的应力作用达到平衡,蠕变速率相对稳定,但随着试件节理损伤程度的增加,损伤程度大于试件节理的硬化程度,节理面凸起,蠕变速率加快,节理试件进入加速蠕变阶段,从而发生滑移失稳破坏。

通过对无锚杆锚固、有锚杆锚固两种工况下的节理试件的剪切蠕变特性进行对比分析,可以看出,锚杆可以提高节理试件的抗剪强度,能有效地限制节理试件的变形。

①在单轴剪切蠕变试验的整个过程中,在不同阶段锚杆发挥着不同的作用,在弹性阶段锚杆起到销钉的作用;进入屈服阶段锚杆开始发挥轴向约束作用,此时锚杆兼有销钉和轴向约束的作用;在塑性阶段,锚杆的销钉作用消失,加锚节理试件的变形主要由轴向约束限制。

②锚杆在剪切蠕变试验开始阶段已经在发挥抗剪作用,因此,利用锚杆加固后的节理试件,其刚度比未加锚的节理试件要大,施加同样的剪切荷载,试件产生的剪切位移变小。通过锚杆对节理试件的加固,提高了节理试件的抗剪性能,使得加锚节理试件的破坏特性由脆性破坏转变为塑性破坏,提高了试件的整体稳定性。