Исследование энергии горной породы и микроскопического разрушения при разных состояниях напряжённого состояния

Почему глубокие породы важны для безопасности туннелей

По мере того как города углубляются для прокладки метро, создания хранилищ и энергоёмких объектов, породы, окружающие эти подземные пространства, должны надежно противостоять огромным силам. Когда порода неожиданно разрушается, это может привести к выбросам горной массы, обрушениям и дорогостоящим задержкам. В этом исследовании рассматривается один распространённый тип породы — мрамор — чтобы понять, как он накапливает, использует и внезапно высвобождает энергию при различных условиях сжатия: от умеренного давления до интенсивных трёхмерных напряжений, характерных для километровой глубины.

Как мрамор сжимается в реальных условиях

В глубине земной коры порода сжимается со всех сторон, а не только сверху. Чтобы это смоделировать, исследователи провели два типа лабораторных испытаний на тщательно подготовленных брусках мрамора. При «обычных» трёхосных испытаниях порода сильнее сжималась в одном направлении при равном боковом давлении. В «истинно» трёхосных испытаниях все три направления давления контролировались независимо, что лучше воспроизводит неравномерные поля напряжений вокруг реальных туннелей и пещер. Параллельно с этими экспериментами команда построила детальные компьютерные модели, в которых мрамор представлялся множеством крошечных связанных частиц, что позволило проследить появление и распространение микротрещин внутри породы.

От микропор к внезапному разрушению

Испытания показали, что мрамор при сжатии проходит через последовательные стадии. Сначала закрываются мелкие поры и дефекты, и порода ведёт себя упруго — при снятии нагрузки она возвращается в исходное состояние. По мере роста нагрузки возникают необратимые деформации, и в конце концов порода достигает пикового прочностного состояния и разрушается. При низком боковом давлении разрушение происходит внезапно и хрупко, преобладают трещины, раскрывающиеся в растяжении, разрезая образец по длине. По мере увеличения окружного сжатия и прочность, и пластичность возрастают: порода выдерживает более высокую нагрузку и деформируется сильнее перед разрушением, а послепиковое падение прочности становится более плавным. Компьютерные симуляции воспроизвели эти поведения, подтвердив, что выбранные микроскопические параметры адекватно описывают отклик реального мрамора.

Энергия внесённая, накопленная, высвобождённая

Чтобы понять, почему меняется характер разрушения, авторы проследили, как механическая работа, совершённая над породой, преобразуется в разные формы энергии. На ранней стадии нагружения большая часть вводимой энергии запасается в виде упругой деформации и в тонких связях между частицами. Ближе к разрушению запасённая энергия быстро превращается в новые поверхности трещин, трение, выделяющее тепло, и диссипацию при скольжении и разделении частиц. При небольшом окружном сжатии это высвобождение резкое и внезапное, что соответствует хрупкому расщеплению. Более высокое сжатие значительно увеличивает ёмкость мрамора по накоплению энергии и перераспределяет большую её долю в фрикционные и демпфирующие каналы по мере формирования сдвиговых зон. В результате происходит переход от трещинообразования, управляемого растяжением, к смешанному режиму и, в конечном счёте, к более сдвигово‑управляемому, пластическому типу разрушения, который рассеивает энергию в более длительном интервале времени.

Скрытая роль бокового сжатия

Ключевое внимание в работе уделено «промежуточному» напряжению — боковому сжатию, которое не является ни наибольшим, ни наименьшим. Истинно трёхосные испытания и моделирование показали, что это напряжение оказывает нелинейное, двувершинное влияние. Умеренное его увеличение делает мрамор более стойким: повышается прочность породы, отодвигается момент максимумов диссипации энергии и формируются локализованные сдвиговые полосы вместо тотального хрупкого разрушения. Но если промежуточное напряжение становится слишком высоким по отношению к наименьшему, система снова переходит в неустойчивое состояние. Высвобождение энергии становится более резким, возникают новые зоны растяжения, и поведение в целом циклически меняется от хрупкого к сдвигово‑доминирующему и обратно к более хрупкому стилю разрушения.

Что это означает для подземной безопасности

С точки зрения энергетики исследование показывает: характер разрушения мрамора определяется не только величиной сжатия, но и соотношением трёх направлений напряжений и доступными путями для накопления и рассеяния энергии. В глубоких мраморных телах повышенное окружное давление может стабилизировать систему, позволяя породе поглощать больше энергии перед разрушением — но лишь до определённого предела. За этим пределом некоторые комбинации напряжений могут вызвать внезапное и сильное растрескивание. Эти наблюдения дают инженерам более физически обоснованные критерии для оценки опасных состояний в глубоких туннелях и пещерах в мраморе и указывают путь к будущим системам мониторинга, которые будут отслеживать изменения энергии, а не только напряжений, для предсказания нестабильности.

Цитирование: Xie, L., Li, B., Sun, J. et al. Study on rock energy and microscopic failure under different stress states. Sci Rep 16, 12286 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41844-1

Ключевые слова: инженерная геомеханика, подземная выработка, мрамор, диссипация энергии, трёхосное напряжение