软硬互层岩类材料单轴压缩破坏的力学-声学-光学联合表征研究

《Journal of Materials Research and Technology》：Mechanical-Acoustic-Optical Combined Characterization for Uniaxial Compression Failure of Soft-Hard Interbedded Rock-like Material

本研究针对软硬互层岩体(SHIRM)在隧道施工中因复杂力学行为和破坏模式引发的安全隐患，开发了力学-声学-光学(MAO)联合实验系统，系统分析了不同层理倾角(θ)软硬互层岩类材料(SHIRL)的单轴压缩破坏过程。研究发现应力-应变曲线可分为塑性软化型、脆性型和完全脆性型三类，随着θ增大，特征应力和峰值应变呈先减后增趋势，破坏模式可分为CT、SP和TP三种典型模式。该研究为软硬互层岩体隧道稳定性控制提供了重要的理论依据。

　　

在我国重大基础设施建设如火如荼的今天，隧道工程面临着前所未有的挑战。特别是穿越软硬互层岩体(SHIRM)的隧道，由于其独特的层状结构和软硬岩界面，常常出现挤压大变形、层间剪切滑移和层状弯曲等复杂破坏现象，给施工安全带来严重威胁。近年来，木寨岭隧道、丹霞隧道等工程事故的惨痛教训警示我们，深入理解这类岩体的破坏机理已刻不容缓。

以往的研究多从单一力学角度出发，对软硬互层岩体破坏过程的多元信息融合表征尚显不足。为此，河南理工大学土木工程学院的研究团队在《Journal of Materials Research and Technology》上发表了创新性研究成果，通过力学-声学-光学(MAO)多源信息联合表征的方法，系统揭示了软硬互层岩类材料(SHIRL)的单轴压缩破坏机理。

研究团队首先通过大量配比试验，确定了软硬岩类材料的最佳配比，其中硬岩材料的单轴抗压强度(UCS)和弹性模量分别达到39.90 MPa和10.07 GPa，而软岩材料仅为9.47 MPa和2.00 GPa，二者强度比达4.21:1，成功模拟了天然软硬互层岩体的力学特性。随后，研发了可精确控制岩层厚度的定制模具，制备了层理倾角(θ)分别为0°、30°、45°、60°和90°的五组标准试样。

关键技术方法包括：采用RMT-150B岩石力学实验系统进行位移控制加载（速率0.005 mm/s），同步集成声发射(AE)监测系统（采样频率5 MHz）和光学应变测量系统（CCD相机分辨率1024×1024像素），结合有限离散元法(FDEM)数值模拟，构建了MAO联合实验平台。通过轴向刚度法计算特征应力，利用Ncorr软件分析应变场演化，实现了从微观到宏观的多尺度破坏过程表征。

研究结果方面，力学特性分析表明：随着层理倾角θ的增大，试样的裂纹闭合应力(σ_cc)、塑性变形应力(σ_pd)、单轴抗压强度(σ_p)和峰值应变(ε_p)均呈现先减小后增大的趋势，在θ=60°时达到最小值。脆性指数(B_IT=σ_p/σ_r)总体呈上升趋势，在θ=90°时达到最大值1，表明破坏方式从塑性向脆性转变。

声发射特征显示：累积振铃计数曲线表现出明显的层理效应。低角度试样（θ=0°-30°）呈稳定-持续突增型演化，中角度试样（θ=45°-60°）为稳定-陡增型，而高角度试样（θ=90°）则呈现稳定-缓增-陡增的三阶段特征。b值的变化规律有效表征了微裂纹萌生到宏观破裂的转化过程。

光学应变场演化揭示：低角度试样破坏时，软岩层出现明显的应变集中区，ε_yy应变场呈现交替的高低浓度分布；中角度试样应变集中区沿层理面发展，最终形成贯穿性剪切带；高角度试样则在层理面处产生水平向应变集中带，表现为典型的张拉劈裂特征。

通过MAO联合表征，研究将破坏模式归纳为三类：CT模式（软岩挤压破坏+硬岩拉伸破坏）主要出现在低角度试样，表现为软岩层压碎和硬岩层贯穿性拉伸裂纹；SP模式（沿层理面剪切破坏）是中角度试样的典型特征，剪切裂纹沿软硬岩界面扩展；TP模式（沿层理面张拉劈裂破坏）则是高角度试样的主要破坏形式。

FDEM数值模拟进一步从裂纹统计角度验证了上述结论：CT和TP模式以拉伸裂纹为主，比例分别达62.3%和58.7%；SP模式则以剪切裂纹为主导（占比54.2%）。裂纹数量、长度和面积均随θ增大呈先减后增趋势，在SP模式时达到最小值。

研究还深入探讨了三种破坏模式的力学机制：CT模式源于软硬岩界面应变不兼容导致的摩擦应力传递；SP模式由层理面剪应力超限引发；TP模式则是层理面抗拉强度不足所致。这些机理分析为工程防控提供了理论依据。

在工程启示方面，研究指出：隧道拱部低角度SHIRM易发生弯曲破坏（TP模式），需采用高预应力锚杆锚索及时支护；边墙低角度岩体多出现挤压剥落（CT模式），建议采用钢拱架-斜向注浆锚杆-钢筋网协同支护体系；中角度岩体倾向层间滑移（SP模式），可布置小角度抗剪锚杆；高角度岩体则需根据部位差异采取相应控制措施。

该研究的创新在于建立了MAO多源信息联合表征方法，实现了软硬互层岩体破坏过程的全面可视化监测，揭示了层理倾角对破坏模式的调控规律。研究成果不仅深化了对各向异性岩体破坏机理的认识，更为复杂地质条件下隧道工程的安全施工提供了重要的理论支撑和技术指导。未来研究可进一步考虑软硬岩厚度比、地应力环境、隧道轴线方位等多因素耦合影响，推动软硬互层岩体隧道设计理论体系的完善。