砂岩双轴压缩破坏模式的中间主应力效应研究

摘要

地下围岩在开挖扰动后通常处于非静水、偏应力主导的多轴应力状态，其中间主应力（σ₂）被认为对岩石的变形与破坏过程具有重要影响，但在不同σ₂阶段下的调控机制仍缺乏系统验证.为此，依托自主研制的双轴动静组合加载系统，结合声发射（AE）与三维数字图像相关（3D-DIC）技术，开展了覆盖0～36 MPa的砂岩双轴压缩试验，基于力学响应、AE多重分形特征、RA（上升时间/振幅）–AF（平均频率）裂纹类型判别以及表观应变主导区演化等多尺度参数，分析σ₂对砂岩裂纹演化与破坏模式的影响规律.结果表明，σ₂对砂岩破坏过程具有显著阶段性调控作用，约20 MPa为关键转折点.低σ₂（4～16 MPa）阶段呈现明显的压密强化效应，裂纹演化简单且以剪切破坏为主；在σ₂=20 MPa时，力学指标与裂纹演化复杂度均出现突变，张拉裂纹占比首次超过剪切；进入高σ₂（24～36 MPa）阶段后，砂岩表现出张拉与剪切裂纹协同发展的共轭破坏特征.本研究为理解砂岩在不同中间主应力约束下的阶段性破坏机制及其在复杂应力状态下的稳定性分析提供了实验依据与机制认识.

关键词

双轴压缩 / 中间主应力 / 调控机制 / 破坏模式 / 声发射 / 多重分形

基金资助

广东省基础与应用基础研究基金资助项目（2024A1515011631）; 北京市自然科学基金面上资助项目（8252013）; “十四五”国家重点研发计划资助项目（2022YFC3004601）; 国家自然科学基金资助项目（52504076）; 中国科协青年人才托举工程资助项目（YESS20240093）