石英砂岩三轴剪切力学特性及裂隙面形态特征

摘要

为研究3维压剪应力状态下岩质边坡中完整岩石的剪切损伤破坏特征，采用Rock Top–50HT全应力多场耦合三轴试验系统，对成分简单、结构均质及饱和完整的细粒石英砂岩进行16组不同围压的三轴剪切试验，获得相应的三轴剪切应力–应变曲线和含有原岩屑碎片的剪切破坏裂隙面，分析三轴剪切应力作用下石英砂岩的非线性强度变化特征，探究石英砂岩的三轴剪切破坏模式和裂隙结构面形态粗糙特征。基于德洛内（delaunay）点云离散算法重构石英砂岩破坏裂隙结构面，分析剪切破坏结构面的潜在接触部分随着表面有效倾角门槛值的变化特征。结果表明：1)随着围压逐渐增大，石英砂岩的三轴剪切破坏模式先由脆性破坏转变为塑性破坏，再逐渐转变为塑形流动破坏；2)石英砂岩的三轴剪切强度随着围压的递增呈现出明显的非线性变化特征，可用幂函数描述，并采用摩尔–库仑准则（Mohr–Coulomb）对石英砂岩的三轴剪切强度进行分段线性拟合，可知随着围压的增大，黏聚力逐渐增大，内摩擦角逐渐减小；3)剪切破坏裂隙面3维粗糙特征可用传统的Grasselli模型评估，其非线性拟合参数θ^*_max和粗糙度参数c能充分描述三轴剪切破坏裂隙的粗糙度特征。研究成果对岩石在复杂应力状态下的三轴剪切强度评价、岩石工程中边坡的稳定性分析和支护设计方案优化具有重要意义。

关键词

岩石力学 / 三轴剪切试验 / 破坏模式 / 非线性剪切强度 / 裂隙面形态特征

基金资助

广西自然科学基金项目（2021GXNSFBA196043;2023GXNSFAA026185;2022GXNSFDA035081）; 国家自然科学基金项目（41962017）;国家自然科学基金雅砻江联合基金项目（U1965204）; 广西科技大学博士基金项目（校科博19Z42）; 广西高等学校高水平创新团队及卓越学者计划项目（桂教人才[2020]6号）; 广西高校中青年教师科研基础能力提升项目（2020KY08023）; 中国水利水电科学研究院科研专项项目（GE110145B0022021）; 广西研究生教育创新计划项目（YCSW2022441）