黄建春

(湖南省湘西公路桥梁建设有限公司，湖南吉首 416000)

地震灾害所引起的工程结构破坏以及次生灾害给社会带来巨大的损失，因此工程结构地震作用下的结构稳定性和安全性显得尤为重要，而材料的动力性能研究，尤其是对材料动力抗剪性能研究目前还比较不足。动力荷载作用下岩石等脆性材料的力学性能(如抗压、抗拉及抗剪性能等)是作为地震作用下结构安全与稳定计算分析的重要基本参数。近年来国内外学者用各自不同的试验方法对各种脆性材料如混凝土和岩石等的动力力学性能进行大量的试验研究与分析，如在动力循环荷载作用下混凝土、岩石材料的受压性能研究［1，2］、受拉性能研究［3］等。在混凝土和岩石类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试件形状存在的差异，导致试验所得的材料抗剪强度皆有所不同，抗剪强度与抗压强度之比介于0.054～0.315之间，如施士焺［4］得出的比值范围为0.095～0.121;金初阳等［5，6］得出的比值为0.060～0.197。岩石与混凝土材料的单轴压缩性能、轴向拉伸性能以及静力荷载作用下的剪切性能已有大量的研究与分析，而岩石脆性材料的剪切性能在动力荷载作用下的研究还没有较多的进展，原因在于不同的研究人员采用的研究方法和试验手段不同使得结果有着较大的离散性，且从测量方法来看，直接从试验中量测岩石材料剪应变和剪切模量比较困难。而在循环荷载作用下的研究更是不多，这在很大程度上限制了结构安全与稳定分析的准确性和正确性。为此本文对岩体材料进行动态剪切试验研究，对岩石材料的动态抗剪性能进行研究分析。

1 往复荷载作用下岩体材料动力抗剪性能试验研究

1.1 试验方法

考虑到三轴压缩试验的复杂性以及现有的试验条件，本试验采用直剪试验并在振动台基础上自行设计一套试验装置，由振动台提供出力作为试件剪切荷载。

1.2 试验装置与试件

岩石材料的试验所需岩样需到现场采集，因此要获得试验所需的标准岩样是比较困难的，所以试验采用了砂浆制作的立方体试件来模拟岩样。试件的尺寸为(150×150×150)mm3。

试验装置示意图见图1。

1.3 加载参数

岩石动力学试验主要有两种，即冲击试验和循环加载试验。相比较而言，循环加载试验比冲击试验更接近真实的地震作用，地震荷载可以用一系列大小固定的往复荷载来进行模拟。

图1 试验仪器布置

本试验采用的波形为低周期、随时间幅值连续线性增加。所施加的位移应足够大，能最终引起试件的破坏。具体载荷波形如图2所示。由于垂直应力状态与抗剪参数密切相关，试验选择低应力水平所加的垂压，以得到准确的直线段结果。

图2 载荷波形

2 试验结果与数据分析

2.1 静力试验

静力试验工况见表1。

表1 静力试验工况

静态剪应力—剪位移全程曲线见图3。

图3 静态剪应力—剪位移全程曲线

图3中，三条曲线分别代表试件j01号，j02号和j03号的应力应变曲线。各曲线峰值点的坐标如表2所示。

表2 各曲线峰值点坐标

根据图3的应力应变曲线可以得到以下规律:

1)从试件j01号到试件j03号，随着法向应力逐渐增加，试件的应力应变曲线的高度越来越高，峰值越来越大。最大剪应力之前曲线斜率也越来越大。由图4可知随着法向应力的增加，试件的抗剪强度得到提高。2)从试验结果来看，试件的剪位移—剪应力曲线至少包含三个阶段，即曲线上升段OC、峰后变形软化区段CD、残余段DE。荷载超过试件材料抗剪强度后，材料开始软化，逐渐卸载。达到DE区段后剪应力不再变化，位移逐渐增大，最终引起试件破坏。对OC段进行分析，又可以划分为三个阶段:材料压密实段OA，弹性变化段AB以及塑性变化段BC。岩石类材料抗剪试验的应力应变曲线形式相似于材料的单轴压缩试验曲线。

2.2 动力试验

动力试验工况见表3。该工况试验结束之后，根据2 Hz的切向应力和切向位移数据得到材料动态2 Hz动力试验工况下的滞回曲线，探索动态剪切下岩石材料的力学行为以及破坏原理，见图5。

图4 j03号剪位移—剪应力曲线

表3 2 Hz动力试验工况

图5 203号试件滞回曲线

图5中显示的为试件203号试件的滞回曲线。根据加载波形(见图2)，图5中的曲线应包含22个加、卸载过程。轮廓线为滞回曲线的包络线，即骨架曲线，反应试件在循环往复荷载作用下的应力应变发展过程。随着剪位移增大，试件剪应力不断增大，达到材料极限剪应力后，试件产生裂缝，逐渐开裂，刚度开始退化，试件的承受剪切荷载的能力在下降，随着裂缝的继续发展和逐渐贯通，抗剪能力进一步下降。从图5中可以看出滞回曲线由开始“直立”状渐渐呈“睡倒”状。

图6为试件201号～206号的剪应力—剪位移曲线的骨架曲线。

图6 201号～206号剪应力—剪位移曲线的骨架曲线

从图6可以看出，材料2 Hz动态剪应力—剪位移曲线的骨架曲线与静态剪应力—位移曲线形状大体上相似，只是动态时的五个阶段没有静态试验下的明显，可以粗略的认为动荷载作用下的剪应力—剪位移曲线骨架曲线也可以分为三个区段，如图7所示的OA(OA')，AB(A'B')，BC(B'C')。

图7 203号试件的剪应力—剪位移曲线的骨架曲线

2.3 静、动态应力应变曲线比较

关于静、动态剪应力—剪位移曲线，对其形状上的不同以及其产生原因作简单分析。之前分析加载频率为2 Hz的情况下的剪位移—剪应力曲线时，提到过它与静力试验的差异之处在于形状上的区分，即静态剪位移—剪应力曲线的五阶段，在动态时，退化为三个阶段。这种差异可以用图8来表示。之所以出现这种差异，本文作者认为是由于动态试验下加载速率的不同所导致的原因。

图8 静、动态剪应力—剪位移曲线比较

3 结语

本文对岩体材料进行静、动力剪切试验，根据静态和动态2 Hz的试验结果，得出以下结论:1)静态剪切试验下，随着法向应力的逐渐增大，试件的抗剪强度也逐渐增大。2)对于岩石类脆性材料，无论静态还是动态下的抗剪试验，试件最终承载能力的降低主要是由于岩石材料的粘聚力消失所导致。3)动态抗剪强度与静态抗剪强度之间存在着异同点。静、动剪切荷载作用下材料应力应变曲线形式大致相似。由于加载速率的不同导致了材料在动、静态下的应力应变曲线有所不同，静态下的压密段在动态时退化掉了，剪应力位移曲线由静态时五阶段退化为动态的三阶段。

［1］ 董毓利，谢和平，赵 鹏.不同应变率下混凝土受压全过程的试验研究及其本构模型［J］.水利学报，1997(7)：72-77.

［2］ 刘剑飞，胡时胜，胡元育，等.花岗岩的动态压缩试验和力学性能研究［J］.岩石力学与工程学报，2000，19(5)：618-621.

［3］ 肖诗云，林 皋，王 哲，等.应变率对混凝土抗拉特性影响［J］.大连理工大学学报，2001，41(6)：721-725.

［4］ 施士焺.混凝土的抗剪强度、剪切模量和弹性模量［J］.土木工程学报，1999，32(2)：47-52.

［5］ 金初阳，余冬生，张秉友.高强混凝土抗剪强度的试验研究［J］.水利学报，1992(11)：75-80.

［6］ 周应华，杨德培，杨 涛，等.节理岩体抗剪强度参数的试验分析［J］.西南交通大学学报，2005，40(1)：73-76.