基于声发射与数字图像相关技术的节理石膏岩单轴压缩力学特性及破坏行为研究

推荐：针对石膏矿采空区灾害防控需求，研究人员通过AE和DIC技术开展节理石膏岩单轴压缩试验，揭示了节理角度对强度特性(σf、E)、破坏模式及裂纹演化的影响规律，建立了特征应力(σci/σcd)与节理角度的二次关系，为采空区稳定性评估提供理论依据。

　　

石膏矿采空区的稳定性一直是矿业工程中的重大安全隐患。由于石膏矿体普遍存在天然节理和层理结构，在开采过程中形成的矿柱容易沿弱面发生滑移失稳，引发大规模塌陷事故。然而，现有研究多聚焦完整石膏试件的基本力学性能，对节理石膏岩的渐进破坏机制缺乏系统认识。针对这一工程痛点，来自湖北某高校的研究团队在《Results in Engineering》发表论文，创新性地结合声发射(Acoustic Emission, AE)和数字图像相关(Digital Image Correlation, DIC)技术，揭示了节理角度对石膏岩破坏行为的调控机制。

研究采用湖北龙源下新石膏矿的天然石膏岩，制备了含0°、30°、45°、60°、90°预制节理及完整试件，通过MTS E64液压伺服系统进行单轴压缩试验。关键技术包括：(1)基于ISRM标准的试件制备与XRD/SEM表征；(2)AE多参数实时监测系统捕捉裂纹扩展信号；(3)DIC全场应变分析实现破坏过程可视化；(4)裂纹体积应变法界定特征应力阈值(σ_cc、σ_ci、σ_cd)。

强度特性与破坏模式分析
应力-应变曲线显示峰值强度(σ_f)和弹性模量(E)随节理角度呈"U型"变化，45°-60°时达到最低值(123.1-123.23 MPa)。破坏模式呈现显著角度依赖性：完整和90°试件以剪切破坏为主；0°试件表现为轴向张拉破坏；30°-60°试件则形成翼裂纹与共面剪切裂纹复合的破坏形态。

渐进破坏强度特征
通过裂纹体积应变法界定出裂纹闭合应力(σ_cc)、起裂应力(σ_ci)、损伤应力(σ_cd)与峰值应力(σ_f)。发现σ_ci/σ_f比值平均为47.72%，σ_cd/σ_f平均达80.43%，且各特征应力与节理角度呈二次函数关系。值得注意的是，45°节理试件的σ_cd降至107.21 MPa，对应87%的极高应力比，表明该角度下岩石更易发生塑性损伤。

AE参数演化规律
AE累计振铃计数和能量释放呈现三阶段特征：初始压密阶段事件稀少，弹性阶段线性增长，损伤阶段出现数量级跃升。峰值能量释放率呈现"完整试件(最高)＞0°/90°＞45°/60°"的规律，60°试件的累计能量仅为完整试件的41%，证实节理显著降低能量存储能力。

DIC应变场可视化
全场应变分析显示：30°-60°试件在σ_ci阶段即出现翼形应变集中，而完整试件直至峰值后才显现局部化应变。45°试件在损伤阶段呈现最显著的应变集中带，与AE能量突变点时空对应，直观揭示了"节理尖端微裂纹萌生→翼裂纹扩展→剪切贯通"的破坏链式反应。

该研究首次系统阐明了节理石膏岩的强度劣化机制与空间破坏模式，建立的σ_ci-σ_cd-σ_f定量关系可直接用于采空区矿柱稳定性评估。发现的60°节理敏感角度为灾害预警提供了明确指标，而AE/DIC多参数协同监测方法为岩土工程失稳前兆识别开辟了新途径。研究成果对完善节理岩体本构模型和指导石膏矿"封堵式"采空区治理具有重要实践价值。