使用数字图像相关法在直径压缩试验下对定向块—基岩力学行为的实验研究

为什么混合岩石与日常生活息息相关

许多山坡、隧道和地基并非位于完整坚实的岩体之中，而是穿过由坚硬岩块漂浮在较弱“砂浆状”物质中的混杂地层。这类块—基岩（bimrocks）可能以意想不到的方式失稳，增加建造安全基础设施的难度和成本。本研究提出了一个对工程影响深远的实用问题：硬质岩块的含量和排列如何改变该混合体在拉伸下的破裂方式？一种常用的实验室试验能否真实测量其强度？

由碎块组成的岩体

块—基岩在世界各地的滑坡体、构造带和古代碎屑流中都可见到。它们像一种岩石布丁：多尺寸的坚硬石块镶嵌在更弱的细颗粒基质中。工程师常把这种复杂性简化，忽略石块，仅按软弱基质来设计。尽管这种做法看似谨慎，但可能产生误导，因为岩块会偏转裂缝，并且根据其排列方式可以增强或削弱整体地层。一个关键特征是岩块取向：即岩块长轴主要是垂直、水平还是介于两者之间，这种“构造”反映了材料在天然环境中的形成过程。

压碎岩石圆盘以揭示潜在强度

为研究岩块含量和取向如何影响抗拉行为，作者在实验室制作了合成块—基岩。他们用强度较高的石膏—水泥混合物浇铸成椭圆形“岩块”，并将其随机嵌入较弱的富粉末基质中，精确控制岩块体积分数（从0到50%）并将所有岩块长轴按指定角度相对于加载方向对齐。从这些混合物中切出圆盘试样，并在标准的“巴西”试验中沿直径施加载荷——边缘受压在圆盘内部产生拉应力。因其操作简单，该方法被广泛用于估算岩石抗拉强度。

实时观察裂缝形成

研究团队没有仅依赖力值和断裂试样，而是使用了数字图像相关（DIC）技术，这是一种通过追踪成千上万像素之间微小表面位移来获取信息的光学方法。通过在圆盘表面喷点并拍摄试验过程，他们重建了完整的应变场图——即各部分拉伸多少的地图。这些地图显示了局部应变集中的位置、裂缝最先出现的位置以及裂缝如何穿过或绕过嵌入的岩块。研究者随后对87次试验进行了统计分析，采用响应面方法和方差分析来分离岩块比重与取向的影响，并捕捉它们对试样峰值承载力的联合作用和非线性影响。

岩块含量与方向如何重塑裂缝形态

实验表明，即便少量岩块也会显著改变行为。当没有岩块时，圆盘的表现与教科书预测一致：应变在中心集中，一条沿加载直径的直裂缝将圆盘劈开。只要岩块体积分数达到12.5%，峰值承载力就急剧下降，裂缝开始倾向于沿着岩块与基质之间的界面扩展——这是混合体中最薄弱的区域。在更高的岩块含量下，强度下降的幅度减缓，但裂缝路径变得更加曲折。裂缝常常不是从中心始发，而是从岩块边缘或接近加载点处起裂，绕行多个岩块呈之字形扩展。岩块取向进一步控制着强度：当岩块长轴与加载方向平行时，圆盘最弱；而当岩块朝水平方向旋转时，尤其在岩块含量较高时，抗载能力更强。这反映了长而连续的岩块—基质界面是否与主拉应力方向对齐或不对齐。

当标准试验不再可靠

DIC得到的应变图对工程师发出警示。巴西试验的常规解释假定由较均匀的内应力产生一条中央裂缝。在这些实验中，这一假设仅对纯基质材料成立。随着岩块含量增加，裂缝开始远离中心，并且在50%岩块时出现了多个裂缝同时形成和扩展，使该试验从一个简单的材料测量转变为复杂的结构性失效。在这种情况下，所报告的“抗拉强度”不再代表块—基岩的基本材料属性，而更取决于每个试样中特定的岩块分布模式。

对隧道、边坡与设计的意义

对非专业读者来说，结论是：含有大量坚硬碎块的混合岩体并不像均质材料那样失效，广泛使用的实验室试验可能给出误导性的简单结论。本研究表明，岩块含量以及关键的优选取向决定了裂缝如何起始和传播。在高岩块含量下，巴西试验测得的值不再是测量真实抗拉强度的有效方法；即便在较低含量下，结果也强烈依赖于大块体的尺寸与对齐方式。作者建议，在处理此类复杂地层时，设计者应谨慎解读试验结果，现场绘制岩块取向分布，并在条件高度异质时，在安全性依赖于准确强度估计的情况下考虑采用替代的直接拉伸试验。

引用: Rostamlo-Jooshin, R., Bahaaddini, M. & Khosravi, M.H. Experimental study of the mechanical behavior of oriented bimrocks under diametral compression test using DIC. Sci Rep 16, 9544 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40334-8

关键词: 块—基岩, 抗拉强度, 巴西试验, 数字图像相关, 岩土工程