不同法向应力下岩石节理损伤与能量演化的实验与分形研究

研究人员针对岩石节理在工程稳定性评估中的关键作用，通过自主研发的剪切测试系统，结合三维扫描和分形理论，系统研究了1-10 MPa法向应力下细粒花岗岩节理的剪切力学行为与能量转化规律。研究发现剪切应力与法向应力呈线性增长，损伤模式从点状向波状演变，能量积累呈现两阶段特征，分形维数退化值与法向应力线性相关，为岩体工程稳定性评估提供了新见解。

　　

岩体工程中，节理的力学行为直接决定着隧道、边坡等结构的稳定性。然而，传统JRC（Joint Roughness Coefficient）方法依赖主观判断且局限于二维分析，难以量化节理三维粗糙度特征；同时，节理剪切过程中的能量转化机制尚不明确。这些问题严重制约了岩体稳定性评估的准确性。

为突破这些瓶颈，研究人员通过自主研发的岩石节理剪切测试系统（最大载荷1500 kN，精度±0.5%），对200 mm立方体细粒花岗岩节理样本开展1-10 MPa法向应力下的剪切实验。结合三维轮廓扫描（精度0.2 mm）和分形理论，首次揭示了节理损伤与能量演化的内在关联。

关键技术包括：1）采用劈裂法制备天然节理面样本；2）通过巴西劈裂和单轴压缩测试获取岩石基本力学参数；3）基于Geomagic Wrap软件计算三维粗糙度系数R_s；4）运用热力学第一定律解析能量转化过程。

3.1 剪切力学特性
剪切应力-位移曲线呈现五阶段特征：初始压实阶段（I）的微裂隙闭合导致曲线下凹；线性弹性阶段（II）斜率随温度升高而降低；非线性阶段（III）出现微凸体断裂；破坏阶段（IV）伴随剧烈声响；残余阶段（V）由摩擦阻力主导。值得注意的是，5-10 MPa高应力下，峰值应力至残余强度的剪切位移延长至9 mm，并引发试样侧向剥落（图6）。

3.2 节理破坏特征
法向应力从1 MPa增至10 MPa时，损伤模式发生显著演变：1 MPa下仅产生0.2 mm浅层磨损；5 MPa时出现1.0 mm深度的剪切断裂带；10 MPa下形成深度达30 mm的波状断裂面（图9）。三维形貌分析显示，磨损深度与法向应力呈正相关，局部区域最大磨损深度达5.0 mm。

4.1 剪切破坏能量转化
能量分析揭示两阶段规律：1-3 MPa低应力区，能量快速积累（79.8%耗散能U^d用于克服摩擦）；4-6 MPa时微凸体断裂导致能量需求激增；7 MPa后进入平缓增长期（图11）。弹性应变能U^e在破坏后仍能保持存储，占比达20.2%。

4.2 节理表面分形特征
分形维数D_J从初始2.0285-2.0356降至剪切后2.0216-2.0235，退化值（0.0015-0.0121）与法向应力呈线性关系（图12）。三维粗糙度系数R_s计算证实，分形理论可有效量化节理表面形态变化。

该研究通过多尺度实验与理论分析的结合，首次阐明：1）节理损伤模式受法向应力控制，从局部磨损向整体断裂转变；2）能量积累特征与破坏机制直接相关；3）分形维数退化可作为定量评估节理损伤的新指标。这些发现不仅深化了对JRC（节理粗糙度系数）三维表征的认识，更为岩体工程稳定性设计提供了关键理论依据。论文创新性地将分形理论与能量原理相结合，为复杂地质条件下的工程安全评估开辟了新思路。