含单裂缝的含碳页岩在干湿循环与三轴压缩下的损伤本构模型

为何坡体上的裂缝岩石重要

在山区，许多公路、铁路和大坝都开挖在一种称为含碳页岩的暗色脆性岩层中。当这种岩石被裂缝交织并反复经历干燥与潮湿（例如季节性降雨）时，会逐渐被削弱。这种隐蔽的劣化可能为塌方和滑坡埋下隐患。本研究构建了一种数学描述方法，用以刻画受裂缝影响的含碳页岩在水分变化和围压作用下如何逐步丧失强度，帮助工程师更好地预测长期坡体稳定性。

会“吸呼”水分的岩石

含碳页岩在工程中常见且以对水高度敏感著称。随着反复的干湿交替，其内部孔隙会扩展并相互连通，原有裂缝也可能扩展。作者指出，这种循环会稳步降低岩石的强度和刚度，进而削弱坡体及地下工程的安全裕度。此前的研究曾分别探讨干湿循环如何损伤岩石以及裂缝或节理如何削弱岩体，但尚无单一描述同时涵盖关键影响因素：湿度循环、裂缝取向与周围岩体的围压。

在更接近真实的条件下测试裂缝页岩

为填补这一空白，研究者首先对含碳页岩试块进行了系列实验，有的完整无裂缝，有的人为制有不同角度的单一裂缝。样品受不同次数的干湿循环处理后，在不同的围压下进行压缩试验，以模拟上覆岩体的重力。由得到的应力—应变曲线（显示样品在加载下的变形随载荷变化）可观察到明确规律。更多的干湿循环使曲线整体向下移动，表明岩体变弱；而更高的围压则使曲线向上移动，表现出增强和更具延性。裂缝角度控制样品的破坏难易程度，其中约45°的裂缝导致最显著的削弱。

构建岩体内部的损伤路线图

基于这些试验观测，团队构建了一个分步损伤模型，将损伤分为三类贡献：来自干湿循环的微观损伤、来自预先存在裂缝的宏观损伤，以及加载过程中发展的附加损伤。他们通过刚度变化来表达每种损伤，并将它们合成一个耦合的损伤量。重要的是，他们将岩体响应划分为两个阶段。第一阶段为压实阶段，微小孔隙和微裂缝闭合，岩体刚度增大；第二阶段为损伤扩展阶段，新微裂缝产生并连接，最终导致破坏。该分段方法使模型能够再现完整的应力—应变曲线，包括早期的非线性压实行为，而此前的模型往往忽略这一部分。

通向破坏的五个阶段

将模型应用于试验数据后，预测曲线与测量结果高度吻合，尤其在损伤演化方面。模型显示岩体损伤经历五个阶段，形成一个S形路径：初始稳定期、轻微破损起始期、快速加速期、接近强度上限时的减速期，以及最终的终止期——岩体已基本失效。增加干湿循环次数会使该S曲线左移，意味着岩体在更小应变下就达到严重损伤；提高围压则使曲线右移，延缓破坏并允许在坍塌前发生更大的变形。裂缝角度决定了岩体的初始损伤大小及损伤的方向性扩展，在约45°时损伤最严重。

对坡体与隧道意味着什么

用更通俗的话说，这项研究为裂缝页岩提供了一条量化的“风化与破坏”规则：反复的湿润与干燥像一只隐形的加速器推动损伤发展，围压像一根约束带抑制失稳，而主要裂缝的取向则决定了破坏的优先路径。通过在一个能再现真实应力—应变行为的模型中同时考虑这三种影响，工程师获得了一个用于预测页岩坡体与地下开挖在多年季节变化与荷载作用下如何劣化的工具。这可为更安全的设计、更有效的监测以及在岩体内部微小且不可见的变化演变为大规模可见灾害前及时加固提供依据。

引用: Li, Y., Wang, Y., Wang, R. et al. A damage constitutive model of carbonaceous shale containing a single crack under drying-weting cycles and triaxial compression. Sci Rep 16, 12427 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41783-x

关键词: 岩坡稳定性, 干湿循环, 裂缝页岩, 岩体损伤建模, 三轴压缩