[科普中國]-剪脹

剪脹是指在法向應(yīng)力作用下沿著具有一定粗糙度的裂面剪切時(shí)所產(chǎn)生的膨脹。這是由于結(jié)構(gòu)面或軟弱層兩壁不可能十分光滑，剪切面也不可能很平整而產(chǎn)生的膨脹現(xiàn)象。對(duì)于破碎結(jié)構(gòu)物充填的裂面和夾層，在剪切過程中，由于破碎顆粒受剪發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)也可引起剪脹現(xiàn)象。此外，在完整巖石進(jìn)行三軸試驗(yàn)，當(dāng)應(yīng)力超過大約1/4試件強(qiáng)度時(shí)，隨應(yīng)力的增長，試件開始減少體積壓縮變形，并趨向大于前一加載時(shí)的體積，即隨應(yīng)力的增大產(chǎn)生負(fù)的體積應(yīng)變。這一現(xiàn)象亦稱為剪脹。它是在進(jìn)行巖體彈塑性力學(xué)分析時(shí)應(yīng)加以考慮的問題。

簡介剪脹是試件沿剪切面剪切過程中，剪切面上部試塊隨剪位移的發(fā)展而發(fā)生上抬的現(xiàn)象；或土體受剪時(shí)，因其骨架顆粒產(chǎn)生相對(duì)位移，導(dǎo)致土的體積產(chǎn)生膨脹的性質(zhì)。密砂隨著剪切應(yīng)力的增加產(chǎn)生體積膨脹的現(xiàn)象叫做剪脹。剪脹性也是砂土、粗粒土等顆粒材料的一個(gè)重要特性。剪脹性一般通過三軸試驗(yàn)進(jìn)行確定。粗粒土在低圍壓下表現(xiàn)出明顯的剪脹趨勢(shì)，隨著圍壓的增加，逐漸由剪脹向剪縮過渡；隨著密度的增大，粗粒土的剪脹性明顯增強(qiáng)；相變應(yīng)力比是粗粒土剪脹強(qiáng)弱的一個(gè)重要影響因素，其隨密度的增加而增加，隨圍壓的增大則呈線性減小趨勢(shì)。在土的彈塑性本構(gòu)模型中，對(duì)具有剪脹特性的土體，其塑性體積應(yīng)變和塑性剪應(yīng)變均是與路徑相關(guān)的變量，并且具有多變性，不宜直接作為硬化參量。土體體變變化趨勢(shì)取決于剪脹性和壓縮性的大小，剪切后期若剪脹速率大于壓縮速率，則體變先壓縮后膨脹，應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線呈軟化型；反之，若剪脹速率小于壓縮速率，則體變一直是壓縮的，應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線呈硬化型1。

有關(guān)術(shù)語剪應(yīng)變

剪應(yīng)變是指物體受力產(chǎn)生變形時(shí)，體內(nèi)各點(diǎn)處變形程度一般并不相同，用以描述一點(diǎn)處變形的程度的力學(xué)量是該點(diǎn)的應(yīng)變。簡單講就是兩個(gè)相互垂直的面在受力變形后以弧度表示的夾角的改變量。

應(yīng)變

泛指應(yīng)變張量的分量.應(yīng)變張量有格林應(yīng)變張量(也稱為拉格朗日應(yīng)變張量)、阿爾曼西應(yīng)變張量(也稱為歐拉應(yīng)變張量)，這二者是針對(duì)有限變形的.還有柯西應(yīng)變張量，是針對(duì)微小變形的.一般稱應(yīng)變，多數(shù)情況是指柯西應(yīng)變張量的分量，如正應(yīng)變(或稱線應(yīng)變)、剪應(yīng)變(或稱切應(yīng)變、角應(yīng)變)。

彈塑性

彈塑性（elasticoplasticity）是指物體在外力施加的同時(shí)立即產(chǎn)生全部變形，而在外力解除的同時(shí)，只有一部分變形立即消失，其余部分變形在外力解除后卻永遠(yuǎn)不會(huì)自行消失的性能。

在彈塑性體的變形中，有一部分是彈性變形，其余部分是塑性變形。在短期承受逐漸增加的外力時(shí)，有些固體的變形分兩個(gè)階段，在屈服點(diǎn)以前是彈性變形階段，在屈服點(diǎn)后是塑性變形階段。地質(zhì)力學(xué)根據(jù)在自然界和實(shí)驗(yàn)室中的觀測(cè)，認(rèn)為巖石在長期力作用下可以是彈塑性體，其彈性變形和塑性變形可以不分階段同時(shí)出現(xiàn)。

圍壓

圍壓是指巖石的周圍巖體對(duì)它施加的壓力。在地下深處巖石的圍壓，主要是由上覆巖石的重量所致，常稱為靜巖壓力。地殼巖石的圍壓隨埋深的增加而增高，兩者大體呈線性關(guān)系。非均勻的各向壓縮能增強(qiáng)巖石的彈、韌性，并提高巖石的強(qiáng)度。

三軸試驗(yàn)又稱三軸剪切試驗(yàn)。以不透水薄膜密封圓柱體土試樣，承受恒定周圍壓力，然后施加軸向壓力直 到試樣破壞的試驗(yàn)。通常用3～4個(gè)試樣，分別承受不同的恒定的周圍壓力，增加軸向壓力直至試樣破壞。作各試樣破壞時(shí)極限應(yīng)力圓，并作公切線， 即可得該土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。試驗(yàn)時(shí)控制試樣不同排水條件，可測(cè)得固結(jié)排水、固結(jié)不排水及不固結(jié)不排水條件下的強(qiáng)度參數(shù)及有效應(yīng)力強(qiáng)度參數(shù)，還可測(cè)定土的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系。

常用的三軸儀，按施加軸向壓力方式的不同，分為應(yīng)變控制式和應(yīng)力控制式兩種。應(yīng)變控制式三軸儀。包括壓力室、試驗(yàn)機(jī)、施加周圍壓力和垂直壓力系統(tǒng)、體積變化和孔隙壓力量測(cè)系統(tǒng)等。附屬設(shè)備：擊實(shí)簡、飽和器、切土盤、切土器和切土架、分樣器、承膜筒、天平、量表、橡皮膜等

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

王沛 - 副教授、副研究員 - 中國科學(xué)院工程熱物理研究所