学术研究报告：不同裂隙角度砂岩在真三轴循环加卸载下的损伤特性

作者及机构
本研究的通讯作者为Xia Binwei（邮箱：xbwei33@cqu.edu.cn）和Luo Yafei（邮箱：luoyafei@cqu.edu.cn），团队成员包括Huarui Hu、Yiyu Lu、Jiajun Peng、Yang Li，均来自重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室及资源与安全工程学院。研究发表于期刊《Theoretical and Applied Fracture Mechanics》第121卷（2022年），文章编号103444，2022年6月16日在线发布。

学术背景
研究领域为岩石力学与工程地质学，聚焦裂隙岩石在复杂应力环境下的损伤演化机制。地下工程（如隧道、采矿）中，岩体常受循环扰动应力影响，天然裂隙的存在会显著降低岩体稳定性。尽管已有研究探讨了裂隙岩石的单轴或常规三轴力学行为，但真三轴应力状态下（σ₁>σ₂>σ₃）循环加卸载对裂隙岩石损伤的影响尚未明确。本研究旨在揭示不同裂隙角度砂岩在真三轴循环加卸载下的力学响应、能量耗散规律及损伤演化机制，为工程岩体长期稳定性预测提供理论依据。

研究流程与方法
1. 样品制备与实验设计
- 样品参数：从山西大同矿区采集完整砂岩，加工为50 mm×50 mm×100 mm的立方体试样，预制15 mm长、1 mm宽的裂隙，角度（θ）分别为0°、30°、60°、90°（每组样本数量未明确，但通过应力-应变曲线推断每组至少1个样本）。
- 实验设备：采用重庆大学GCTS真三轴岩石力学试验系统，最大轴向应力2500 kN，最大围压70 MPa，变形测量误差<0.25%。
- 加载路径：
- 初始应力状态模拟现场实测条件：先以2 MPa/min速率同步加载σ₁=σ₂=σ₃至7.24 MPa；
- 保持σ₃恒定，双向应力（σ₁=σ₂）增至11.44 MPa；
- 固定σ₁和σ₃，σ₂增至12.9 MPa；
- 循环加卸载阶段：以20 MPa为步长，逐级增加应力峰值直至破坏，每次卸载σ₃至11.44 MPa（图2b）。

1. 数据采集与分析
   
   • 力学行为：记录应力-应变曲线、不可逆应变（ε₁ᵢʳʳ、ε₂ᵢʳʳ、ε₃ᵢʳʳ）、滞回环能量（通过应力-应变曲线包围面积计算）。
     
   • 损伤指标：
     
     • 等效不可逆应变（εₚ）：综合三向应变增量（公式18）；
       
     • 滞回环能耗散指标（Dₕ）：累计单次滞回环能量与总能耗比（公式22）。
       
   • 微观表征：扫描电镜（SEM）观察典型破裂面形貌（图12），对比剪切与拉剪破坏差异。
     

主要结果
1. 力学行为与破坏模式
- 强度特性：峰值强度随裂隙角度增大而升高（0°:108.74 MPa → 90°:158.71 MPa），但均表现为剪切破坏（图4）。裂隙角度增加导致破坏模式从脆性向塑性过渡，90°试样破裂面更复杂（图5），出现层状撕裂和梯形平台特征。
- 滞回环演化：滞回环数量与试样强度正相关（0°:5次循环 → 90°:7次循环），滞回环宽度和面积随循环次数增加而扩大（图3），表明损伤累积加剧。

1. 不可逆应变规律

   • 轴向应变（ε₁ᵢʳʳ）增长稳定，而侧向应变（ε₂ᵢʳʳ、ε₃ᵢʳʳ）对应力变化更敏感（图8）。破坏前ε₂ᵢʳʳ和ε₃ᵢʳʳ均为正值（压缩状态），破坏瞬间ε₃ᵢʳʳ突变为负值（扩容）。
     

2. 损伤演化模型

   • 等效不可逆应变（εₚ）：更适合表征损伤初期特征，与循环次数呈二次函数关系（图11a）。
     
   • 滞回环能耗（Dₕ）：更适用于描述破坏趋势，尤其在高应力阶段（图11b）。
     

3. 微观机制

   • SEM显示：0°试样破裂面平坦，存在河流花样和解理台阶；90°试样破裂面粗糙，伴有碎屑和松散胶结颗粒（图12），证实循环加卸载下摩擦挤压作用的差异性。
     

结论与价值
1. 科学价值：
- 揭示了真三轴循环加卸载下裂隙角度对砂岩损伤演化的影响机制，填补了复杂应力路径下裂隙岩石力学行为的理论空白。
- 提出基于等效不可逆应变与滞回环能量的联合损伤评价方法，为工程岩体稳定性监测提供新指标。

1. 应用意义：
   
   • 建议工程初期采用εₚ指标预警损伤，后期结合Dₕ预测破坏风险。
     
   • 为地下工程支护设计（如裂隙岩体锚固参数优化）提供数据支撑。
     

研究亮点
1. 创新方法：首次将真三轴循环加卸载与裂隙角度效应结合，系统量化能量耗散与损伤关联性。
2. 重要发现：
- 裂隙角度增大导致能量耗散增加，但滞回环演化规律与角度无关；
- 侧向不可逆应变对应力变化的敏感性高于轴向应变。

其他价值
文中推导的裂隙扩展角度理论模型（公式1-13）与实验结果高度吻合（图6），为裂隙岩石破坏预测提供了理论工具。