岩石摩擦滑动特性及其影响因素分析

摘要

对影响岩石摩擦滑动的因素进行了比较全面和系统的分析，从微细观层次对影响岩石摩擦滑动及其稳定性的机理进行了研究。
　　 选取千枚岩、石英砂岩、石灰岩、大理岩、石英岩、岩屑砂岩、鲕状石灰岩、白云质灰岩、砾岩、含砾粗粒石英砂岩、中粒石英砂岩和中粒岩屑石英砂岩等12种试验岩样作为研究对象，采用自行设计的典型岩石摩擦滑动试验装置，在低正应力(σ≤5MPa)条件下，对自然状态、饱水状态和干燥状态的不同岩石摩擦滑动过程中的静、动摩擦系数以及速度-状态依赖性本构参数(a-b)等摩擦滑动特性进行了试验研究。
　　 采用American MicroXAMTM ADE三维白光干涉表面形貌仪对试验岩样滑动面表面形貌中的粗糙度进行了试验研究。采用SHIMADZU XRD-6000型X-射线粉末衍射仪、μCT225kVFCB型高精度显微CT试验系统对试验岩样的矿物成分、粒度和孔隙结构进行了试验研究。分析研究了岩样的表面形貌、矿物成分、孔隙结构和粒度等因素与静、动摩擦系数和速度-状态依赖性本构参数(a-b)等岩石摩擦滑动特性之间的关系。得出了以下主要研究结论：
　　 1、在对Amontons摩擦定律、微凸体理论和粘附理论，岩石摩擦滑动的试验方法，岩石摩擦滑动的研究尺度，稳滑和黏滑等岩石摩擦滑动方式，稳滑和黏滑的相互转换方式和条件，静、动摩擦系数等进行系统总结的基础上，从理论上分析了速度-状态依赖性本构关系、失稳准则和岩石系统内部各部分之间的相互作用等岩石摩擦滑动稳定性问题，得出了岩石滑动面表面形貌、矿物成分、孔隙结构和粒度等为影响岩石摩擦滑动方式的内在因素，且速度弱化是岩石摩擦滑动稳定性的必要条件。
　　 2、采用统计学和分形几何学方法对岩石滑动表面的表面形貌进行了定量表征。抛光后的滑动表面其轮廓算术平均偏差、轮廓均方根偏差和表面粗糙度参数平均值等粗糙度参数取值范围相一致，轮廓最大谷深和轮廓最大峰高两个参数的取值范围相差较大。随着粗糙度参数平均值和滑动表面的分形维数值的增加，不同含水状态下各种岩石的静摩擦系数呈指数规律增加，速度-状态依赖性本构参数(a-b)呈线性规律增加。
　　 3、在不同含水状态下，单一矿物组成的硅酸盐类岩石和碳酸盐类岩石的摩擦滑动方式为黏滑，水的作用对其滑动方式没有影响。多种矿物组成的硅酸盐类岩石和碳酸盐类岩石的摩擦滑动方式为稳滑或黏滑，水的作用使其摩擦滑动方式由稳滑转变为黏滑。单一矿物石英组成的硅酸盐类石英岩静摩擦系数小于多种矿物成分组成的硅酸盐类岩石在相应状态下的静摩擦系数。单一矿物方解石组成的碳酸盐类鲕状石灰岩静摩擦系数小于多种矿物组成的碳酸盐类岩石在相应状态下的静摩擦系数。在饱水状态下，硅酸盐类岩石随着延性黏土矿物含量的增加，碳酸盐类岩石随着脆性矿物方解石含量的增加，速度-状态依赖性本构参数(a-b)由正到负，呈负指数规律减小。
　　 4、采用μCT225kVFCB型高精度显微CT试验系统和Matlab语言编制的图像处理程序，对12种不同岩石的孔隙结构和粒度进行计算分析，得到了基于显微CT图像岩石孔隙率随孔隙孔径的变化规律。岩样矿物成分和孔隙结构决定了滑动表面的轮廓算术平均偏差、轮廓均方根偏差和表面粗糙度参数平均值等粗糙度参数，粒度决定了滑动表面的轮廓最大谷深和轮廓最大峰高等粗糙度参数。随着粒度轮廓线平均高度的增加，滑动表面的轮廓最大峰高呈线性规律增加。在不同含水状态条件下，随着岩样滑动面表面孔隙率和粒度的增加，摩擦滑动过程中的静摩擦系数和动摩擦系数均呈线性规律变化。