不同初始损伤程度砂岩蠕变力学特性及破坏模式研究

摘要

为深入探究含初始损伤砂岩在复杂应力环境下的长期稳定性和破坏机理，指导深部岩石工程的安全设计与施工。本研究基于SHPB压杆系统，通过控制冲击气压大小，成功制备了三种不同初始损伤程度的砂岩试件（D₁、D₂、D₃）。继而采用全自动岩石三轴试验机，在5 MPa、10 MPa、20 MPa三种围压条件下，对损伤砂岩进行了系统的三轴蠕变力学试验。试验采用分级加载方式，每级应力水平下维持4 h或直至试件破坏，实时监测轴向应变变化。深入探究初始损伤程度和围压对砂岩瞬时变形特征、蠕变速率时程演化规律、蠕变破坏应力阈值以及宏观破坏模式的影响机制与耦合作用规律。研究结果表明：蠕变应力水平显著影响损伤砂岩的瞬时应变和蠕变应变，并控制着初始损伤对砂岩蠕变行为的影响程度；损伤砂岩的稳态蠕变速率随蠕变应力增大呈指数型增长，低应力下蠕变速率相对较小，高应力下则急剧增长；砂岩蠕变破坏应力随初始损伤程度增大呈线性递减趋势，但随围压增大显著提高；围压和损伤程度共同决定破坏模式的复杂程度，低围压下呈现剪切-劈裂复合破坏模式且裂纹发育充分，高围压下主要表现为简单的剪切破坏模式；围压对初始损伤影响破坏模式具有弱化效应。研究成果揭示了损伤岩石蠕变破坏的内在机理，为深部隧道、边坡、采矿等工程中含损伤岩体的长期稳定性评价、支护参数优化和安全预警提供了重要的理论依据和技术支撑。

关键词

初始损伤 / 砂岩 / 蠕变速率 / 蠕变破坏应力 / 破坏模式

基金资助

国家自然科学基金(51979208); 湖北省自然科学基金杰出青年人才项目(2020CFA102); 武汉理工大学自主创新基金项目(31206252 08-104972025RSCrc0007)