基于纳米划痕试验的砂岩结构面宏-微观摩擦系数关系研究

基本摩擦系数是影响岩体结构面抗剪强度的重要参数。常规室内试验方法所确定的基本摩擦系数往往受矿物成分、温度等因素影响,为系统揭示结构面的基本摩擦性质,分别研究了砂岩宏观摩擦系数与微观摩擦系数,并建立了两者的关系。首先,通过X射线衍射、纳米压痕试验确定砂岩矿物组分与力学参数。其次,采用倾斜试验、直剪试验开展摩擦系数的宏观尺度研究,对规格为10 cm×10 cm×5 cm的平直结构面试样开展直剪试验,分别施加1、2、3、8、12 MPa的恒定法向应力,研究表明,摩擦系数随法向应力增加呈对数降低趋势,随剪切速率增加呈对数增长趋势。再次,采用纳米划痕试验开展摩擦系数的微观尺度研究,研究表明,低荷载条件下,长石矿物摩擦系数随荷载增加表现出先降低后保持不变的趋势,石英矿物摩擦系数随荷载增加表现出先降低后增加的趋势;此外,随着剪切速率的增加,两种矿物的摩擦系数在低荷载条件下呈增长的趋势,在高荷载条件下基本保持稳定。最后,基于摩擦系数的宏-微观摩擦系数试验结果,采用速度-状态摩擦(RSF)定律建立红砂岩基本摩擦系数与矿物摩擦系数的线性回归方程,并通过直剪试验验证了该经验关系的可靠性,其误差范围为0.17%~0.91%。研究结果为基本摩擦系数的测定与取值提供了新思路。