1.试验数据的处理分析
流变试验资料整理采用陈宗基先生提出的方法。软岩的流变过程用剪切变形γ与时间t曲线表示,然后应用叠加原理从试验获取的γ-t关系曲线,求得在各级荷载下相同受剪历时的剪应变叠加曲线(图6-28)。
从剪应变叠加曲线图中可以看出其特点是:在相同剪应力作用下,正应力较小时,其变形较大;随着正应力的增加,剪切变形变小。当剪应力过大时,即使正应力较大,剪应变也急剧增加。由这组γ-t叠加曲线绘制的不同时间的剪应力τ与剪应变γ等时线簇如图6-29所示。
依据剪应变叠加曲线图与等时线簇曲线图,则可绘制出剪切模量G与时间t的关系曲线图(图6-30)。其中,剪切模量G=τ/γ,即剪应力与剪应变关系曲线的斜率。不同的剪切历时有不同的剪切模量。一般来说,它是随着剪切历时的增长而降低,它描述了岩体在剪应力作用下,黏滞流动的时间效应,是表征软岩流变性质的重要参数之一。
同时,还可绘制以剪切速率 为纵坐标,以剪应力τ为横坐标的流动曲线,它表明在一定含水量和一定密度状态下,剪切速度与剪应力的关系,根据此曲线可以计算出软岩的黏滞系数 。长期强度曲线如图6-31所示。
复杂软岩特性及其高边坡稳定性研究:以四川岷江紫坪铺水电站为例
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图6-28 剪应变叠加曲线图
复杂软岩特性及其高边坡稳定性研究:以四川岷江紫坪铺水电站为例
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图6-29 剪应力-剪应变等时线簇曲线图
图6-30 剪切模量G与剪切历时t的关系曲线
图6-31 6#样L10层间剪切破碎带(软岩带)强度曲线
2.长期强度确定方法
边坡软岩的长期强度是指软岩在长期应力场或变形场作用下能保持岩体稳定的最大应力,即在这一应力值时,材料将发生破坏而并未发生破坏。对流变试验即为由稳定蠕变过渡到非稳定蠕变的极限剪应力(也可描述成从稳定蠕变进入加速蠕变的拐点——临界值)称为第三屈服应力值 ，即长期强度。从工程应用讲,根据流变试验确定的长期强度是能够满足边坡稳定性分析评价要求的,这里采用的长期强度确定方法即是根据这一理论依据进行的。
(1)根据剪应力τ与剪应变γ等时线簇确定
这是通常采用的方法,根据相同受剪历时剪应变叠加原理绘制的剪应力τ与剪应变γ等时线簇的拐点反映了软岩剪应力随剪应变增加而变化的转折点,即临界值,也就是应力屈服点 。从图6-29中五组等时线簇曲线可见,屈服特征较为明显,以屈服点处的剪应力作为剪切长期强度,然后按库仑原理绘制长期强度曲线(图6-31),由此得到长期强度指标的内聚力(C∞)和内摩擦角(φ∞)
图6-32 流动曲线(剪应力-剪切变形速率曲线)
(2)根据流动曲线(τ—γ′)确定
流动曲线(图6-32)反映了剪切速率与剪应力的关系,其拐点反映了软岩流变试验中剪切变形速率由常数转变成指数,也即是软岩由定常蠕变进入加速蠕变的转折点,因此,用这一个点作为应力屈服点3yτ,确定长期强度是合理的。从流动曲线中选取应力屈服点并确定的长期强度成果见表6-12。
从上述成果来看,根据流动曲线所确定的长期强度相关性极好,拐点选取上的随意性有较大改观。由此所获得的软岩长期强度指标的内聚力(C∞)和内摩擦角(φ∞)见表6-12。
表6-12 流变试验瞬时与长期强度成果表
续表
软弱夹层长期强度的确定较为复杂,但对边坡稳定性和安全分析研究又十分重要。本书采用的通过流变试验确定软弱夹层长期强度的两种方法是根据试验资料和流变理论提出的,力求使确定的长期强度减少人为因素,提高精度和科学性,以便有新的可靠的控制软岩长期强度的可能波动范围,可称为软岩长期强度综合确定法。
稳定性分析的推荐值采用以下两种方法:①两种确定方法成果的综合平均值,如6#岩样L10煤层长期强度推荐值为C∞=61.3kPa,φ∞=11.6°;②以这两种方法确定值范围作为长期强度的波动范围,如6#岩样L10煤层长期强度推荐值范围为C∞=54.8～67.7kPa,φ∞=11.3°～11.9°。
最后得出长期强度值,见表6-13。
表6-13 长期强度与快剪强度参数对比表
饱水状态下长期直剪流变试验研究表明,研究区内软岩具有明显的时效变形特性,在长期饱水状态下强度参数较快剪试验得到的参数降低很多(表6-13),长期强度参数C值在57～160kPa之间,φ值在12～18°之间,与利用携剪试验所获得的软弱结构面饱水快剪强度参数C值110～226kPa、φ值18～27°对比,仅为其60%。软岩的这种特性对坝区开挖边坡的长期稳定性将起重要的控制作用,特别是在水库蓄水后,对水库长期运行期间的边坡稳定性会有极大的影响。
根据剪应力τ与剪应变γ等时线簇(图6-29)确定,这是通常采用的方法,根据相同受剪历时剪应变叠加原理绘制的剪应力τ与剪应变γ等时线簇的拐点反映了软岩剪应力随剪应变增加而变化的转折点即临界值,也就是应力屈服点
从图6-29中可见,屈服特征较为明显,以屈服点处的剪应力作为剪切长期强度,然后按库仑原理绘制长期强度曲线(图6-33)。
图6-33 断层及层间剪切破碎带(软岩带)强度曲线
图6-34 Burges流变力学模型