砂岩剪切破坏特性及其断裂面形貌特征试验研究

摘要

在边坡治理、水力开发、隧道施工、矿山开采等工程中，岩体因受剪切荷载作用发生节理贯通破坏是其主要破坏形式之一。众所周知，岩石的剪切破坏特征受各种因素的影响，如岩石的种类、尺寸、含水率、加载速率、法向应力等。而在实际工程应用中，地应力及其分布特征对岩体的稳定性起着至关重要的影响。此外，由于地表降水或地下水的存在，研究其对岩体剪切破坏特征的影响能为实际工程应用提供一定的理论基础。因此，本文以砂岩为研究对象，利用自主研发的煤岩剪切-渗流耦合试验装置和三维立体扫描仪对其剪切破坏过程中的力学特性及断裂面形貌特征进行了试验研究，探讨了不同法向应力、不同含水状态和不同孔隙水压作用下砂岩的剪切力学特性及断裂面形貌特征，取得了以下研究成果：
　　(1)随着法向应力的增加，砂岩抗剪强度及其相应的峰值剪切变形增大，峰值法向变形减小；法向应力越大，由于法向应力的限制，砂岩表面裂纹扩展的范围更窄，次级裂纹发育更少，断裂面高度分布呈现更优的高斯分布特征，所形成的剪切断裂面起伏度和粗糙度减小。
　　(2)受水软化作用、润滑作用和水楔作用的影响，随着相对含水率的增加，砂岩抗剪强度、峰值剪切变形和峰值法向变形均减小，表面裂纹分布越平直，生成次级裂纹更少，剪切断裂面的粗糙度和起伏度有降低趋势。
　　(3)孔隙水压能有效地降低矿物颗粒之间的粘结力，弱化砂岩的抗剪强度，且孔隙水压越高，弱化效果越强，致使砂岩的抗剪强度越低，峰值法向变形和峰值剪切变形越小，断裂面的粗糙度系数越低，断裂面越平整。
　　(4)通过对砂岩试件剪切断裂面形貌特征的综合分析，提出了一套较为完整的剪切断裂面形貌特征分析方法，包括试件剪断后的表面裂纹分布模式、断裂面起伏特征和形貌特征参数量化。

目录

1 绪 论

1.1 研究目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容及技术路线

2 试验方法

2.1 试样采集与加工

2.2 试验设备

2.3 试验方案

2.4 试验步骤

3岩石剪切破坏特性及其影响因素分析

3.1 岩石剪切破坏力学特性

3.2 法向应力对岩石剪切破坏特性的影响

3.3 含水状态对岩石剪切破坏特性的影响

3.4 孔隙水压对岩石剪切破坏特性的影响

3.5本章小结

4 岩石剪切断裂面形貌特征及其影响因素分析

·4.1 砂岩剪切破坏直观形貌特征

4.2 法向应力对岩石剪切破坏直观形貌的影响

4.3 含水状态对岩石剪切破坏直观形貌的影响

4.4 孔隙水压对岩石剪切破坏直观形貌的影响

4.5 本章小结

5 岩石剪切断裂面形貌特征参数量化及其影响因素分析

5.1 剪断面形貌量化表征方法

5.2 法向应力对岩石剪切破坏直观形貌参数的影响

5.3 含水状态对岩石剪切破坏直观形貌参数的影响

5.4 孔隙水压对岩石剪切破坏直观形貌参数的影响

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 后续研究工作展望

致谢

参考文献

附录

A．作者在学习期间发表的论文

B．作者在学习期间申请的专利

C．作者在学习期间参加的科研项目