不同应力状态下岩石能量与微观破坏研究

为何深部岩体对隧道安全至关重要

随着城市为地铁、水库和能源储存向更深处掘进，围绕这些地下空间的岩体必须承受巨大的荷载并保持稳定。当岩体意外失稳时，可能发生岩爆、塌方并导致昂贵的工期延误。本研究考察了一种常见岩石——大理石，研究其在不同挤压条件下如何储存、消耗并突然释放能量，这些条件从较轻的压力到数千米地下出现的强烈三维应力均有涵盖。

现实中大理石如何受到挤压

在深部地下，岩石不是仅从上方受压，而是从各个方向被压迫。为模拟这一点，研究人员对精制的大理石试样进行了两类实验。在“常规”三轴试验中，试样在一个方向上受更大压缩，同时侧向压力保持相等。而在“真正”三轴试验中，三个方向的压力被独立控制，更好地再现了隧道和洞室周围不均匀的应力分布。与此同时，团队建立了精细的计算机模型，将大理石表示为无数微小颗粒通过粘结相连，从而观察微观裂缝如何在岩体内部出现和扩展。

从微小孔隙到突发破裂

试验显示，大理石在受压时经过明确的演化阶段。起初，微小孔隙与缺陷闭合，岩体弹性变形——若卸荷则能回弹。随着荷载增大，产生不可逆的塑性变形，最终达到峰值强度并发生破坏。在低围压下，破坏突然且脆性占主导，表现为张开裂缝沿标样纵向劈裂。当围压增加时，强度与塑性均提高：岩体能承受更大荷载并在破裂前发生更大变形，峰后强度下降更为平缓。数值模拟再现了这些行为，证明所选的微观参数能够捕捉真实大理石的响应。

输入的能量、储存的能量与释放的能量

为理解失稳方式为何变化，作者跟踪了对岩体作用的机械功如何被转换为不同形式的能量。在早期加载阶段，大部分输入能以弹性应变能和颗粒间微小粘结的形式被储存。接近破坏时，储存的能量被迅速转化为新产生的裂缝表面能、摩擦热以及颗粒滑动分离时的阻尼耗散。在低围压条件下，这种释放尖锐且突发，与脆性劈裂相吻合。较高围压则显著增加岩体可储存的能量比例，并更多地将能量引导到摩擦和阻尼通道中，随着剪切带的形成，结果表现为从以张性裂缝为主向混合模式过渡，最终向更以剪切驱动、近似塑性的破坏演化，这类破坏在更长时间尺度上耗散能量。

侧向挤压的隐性作用

研究的一个核心是“中间”应力——即既非最大也非最小的侧向挤压。真正三轴试验与模拟显示，这一应力具有非线性且双刃剑式的影响。适度增加中间应力会使大理石更为韧性：提高强度、延迟能量耗散峰值出现，并促使局部化剪切带形成而非整体脆性粉碎。但若中间应力相对于最低应力过高，体系又会重新变得不稳定。能量释放变得更加突发，新的张性区出现，整体行为在脆性与剪切主导之间循环切换并可能再次趋向更脆的失稳方式。

对地下工程安全的意义

从能量视角看，本研究表明大理石的失稳受控于不仅仅是受压强度，还取决于三向应力的相对平衡以及能量储存与耗散的通路。在深部大理石地层中，更高的围压在一定程度上具有稳定作用，使岩体在失稳前能吸收更多能量——但这一效应仅在限度内成立。超过该范围，某些应力组合可能触发突发且剧烈的开裂。这些认识为工程师评估深部大理石隧道和洞室何时接近危险状态提供了更具物理依据的判断，并指向未来基于能量变化（而不仅仅是应力）的监测手段，以便更早预测不稳定性。

引用: 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

关键词: 岩石力学, 地下开挖, 大理石, 能量耗散, 三轴应力