Локальное сдвиговое механическое поведение трещины в горной породе при постоянной нормальной нагрузке

Почему мелкие трещины в породе важны

Подземные тоннели, плотины и водохранилища зависят от прочности окружающей их породы. Но реальная порода пронизана природными трещинами, или стыками, которые могут соскальзывать и ломаться под действием нагрузок, иногда приводя к внезапным разрушениям. Это исследование внимательно изучает, что происходит вдоль одной шероховатой трещины в породе, когда на нее действует постоянное сжатие, а затем боковое смещение. Приближая взгляд к тому, как сила концентрируется на крошечных выступах и впадинах вдоль трещины, работа помогает инженерам точнее оценивать, когда и где порода может начать разрушаться.

Скрытые ландшафты между поверхностями

То, что выглядит как простая трещина, на самом деле представляет собой миниатюрный ландшафт пиков, долин и промежутков. Когда две шероховатые поверхности породы прижимаются друг к другу, только некоторые из этих пиков действительно соприкасаются; остальные остаются разобщёнными малыми зазорами. При боковом сдвиге верхняя поверхность изменяет узор контакта. Части поверхности наклоняются в направлении движения и принимают на себя большую нагрузку, тогда как части, наклонённые в противоположную сторону, могут разойтись и не нести почти никакой силы. Авторы описывают эти наклоны с помощью простого угла на небольших прямоугольных участках поверхности и используют этот угол, чтобы определить, какие участки активно сопротивляются сдвигу, а какие — нет.

Преобразование сканов в цифровой тест

Чтобы подробно изучить этот процесс, команда сначала отсканировала реальную поверхность трещины с очень мелкой сеткой, построив трёхмерную цифровую модель её шероховатости. Затем они применили математический метод граничных элементов для расчёта того, как две стороны трещины прижимаются друг к другу при приложенной постоянной вертикальной нагрузке. Этот подход ориентирован только на поверхности, а не на весь объём породы, что делает его эффективным, при этом позволяя отобразить, как контактное давление распространяется по шероховатому рельефу. Имея данные о контактных давлениях и локальных углах поверхности, авторы использовали классическое правило трения для оценки боковых (сдвиговых) сил на каждом крошечном участке трещины пошагово по мере развития сдвига.

Как сдвиг меняет зоны напряжения

Моделирование показывает, что большая часть площади трещины несёт очень малые сдвиговые силы; только относительно небольшой набор участков принимает на себя основную нагрузку. По мере увеличения сдвига общая зона, в которой действует сдвиг, не перескакивает внезапно в новые места — скорее она в основном растёт и сжимается вокруг исходного региона. Однако внутри этой зоны локальные сдвиговые силы могут сильно флуктуировать по мере появления, исчезновения или деформации контактных точек. Некоторые участки демонстрируют регулярные, предсказуемые изменения сдвиговой силы, когда вокруг нормальное давление невысокое и довольно равномерное. Другие, где близлежащие контактные давления высоки и неравномерны и высотные изменения поверхности резки, показывают нерегулярные и иногда резкие скачки сдвиговой силы.

Когда большее сжатие даёт больше контактов

Увеличение вертикальной нагрузки повышает как число контактных точек, так и среднюю сдвиговую силу, которую они могут переносить. Контактная площадь расширяется, и всё больше участков начинает участвовать в сопротивлении сдвигу, хотя большинство по-прежнему несёт лишь умеренные уровни сдвига. Одновременно выступы постепенно сплющиваются под давлением, и поверхность в целом становится более гладкой. Это сглаживание склоняет к снижению способности трещины сопротивляться сдвигу на больших дистанциях смещения, даже если непосредственный эффект повышенной нагрузки — рост сдвиговой прочности. Суммарная сдвиговая сила по трещине, усреднённая по всем контактным участкам, повышается, а затем медленно снижается волнообразно по мере продолжения сдвига, отражая это противоборство между ростом контактной площади и угасанием шероховатости.

Что это значит для устойчивости реальной породы

Исследование показывает, что разрушение в породе не начинается одновременно повсюду; оно зарождается в нескольких небольших, сильно нагруженных точках вдоль шероховатых трещин и затем распространяется. Сочетая детальные сканы поверхности с поверхностным методом расчёта, авторы могут отслеживать эволюцию локальных сдвиговых сил на каждом участке трещины по мере изменения нагрузки и сдвига. Для инженеров это даёт более точную картину того, где трещины скорее всего начнутся или разрастутся при реалистичных условиях нагружения, улучшая оценку состояния тоннелей, склонов и подземных хранилищ. Проще говоря, работа объясняет, как форма скрытой трещины и характер её сжатия определяют момент, когда трещина начнёт соскальзывать и потенциально поставит под угрозу безопасность окружающей породы.

Цитирование: Wang, W., Ma, H., Dai, C. et al. Local shear mechanical behavior of rock joint under constant normal load. Sci Rep 16, 11669 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47635-y

Ключевые слова: расколы в породе, сдвиговое напряжение, шероховатость трещины, численное моделирование, геотехническая устойчивость