剪切速率对平直节理摩擦行为的影响及其机制研究

认识平直岩石节理的摩擦行为是研究起伏、粗糙节理剪切力学性能的基础,对预防洞室失稳、边坡滑坡也具有重要意义。为探究平直节理的摩擦行为与剪切速率的相关关系,首先对类岩石人工节理进行5种剪切速率下的直剪试验,分析剪切强度、摩擦因数、剪切刚度、节理面磨损随剪切速率的变化;然后,结合颗粒离散元模拟,方法,从节理接触的角度分析了剪切速率对节理摩擦因数的部分影响机制。试验结果表明,随着剪切速率的增大,节理剪切强度和刚度均呈现减小的趋势,且减小的幅度逐渐减弱;不同法向压力作用下,剪切强度和剪切刚度随剪切速率的变化趋势基本一致;节理摩擦因数与剪切速率的对数呈负相关,拟合得到相应的经验模型;节理面的摩擦划痕深度随剪切速率的增大而减小,磨损面积受剪切速率的影响较小。模拟结果表明,随着剪切速率的增大,节理接触的中心点位置出现偏移,颗粒的接触重叠量减小,从而引起接触剪切力减小,宏观表现为节理剪切强度和摩擦因数的降低。剪切速率的增大,导致节理表面微凸体磨损深度减小,这是剪切速率对节理摩擦行为的一个重要影响机制。