《Theoretical and Applied Fracture Mechanics》：Investigation on the damage – fracture evolution and early warning of instability precursors in locked rock slopes
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边坡稳定性控制中的锁石段裂纹演化与多场监测研究采用六组不同尾长裂纹的锁石单轴压缩试验，结合声发射（AE）信号、数字图像相关（DIC）应变场及红外热像等多物理场数据，揭示裂纹长度对强度、破坏模式（剪拉混合破坏→纯拉破坏）及损伤演化（初始损伤→稳定累积→失稳破坏）的非单调控制规律，提出融合裂纹长度的改进最大周向应力准则（误差仅3.0%），并构建基于多分形参数与CRITIC加权法的复合早期预警指数λt，为锁石边坡灾害预警提供量化阈值和时空判据。
颜宇航|王创业|隋青瑞|郭宇|游如|陈思宇|于东欣|刘琪
内蒙古科技大学矿业与煤炭学院，中国内蒙古包头014010
摘要
锁定型岩坡的失稳常常引发严重的工程灾害，其失稳机制和早期预警是坡体安全控制中的核心科学问题。本研究对六组具有不同尾裂长度的锁定型砂岩试样进行了单轴压缩试验，实时监测了内部声发射（AE）信号和外部应变场信息。结果表明，随着尾裂长度的增加，锁定型试样的强度先增加后减小，在30毫米时达到峰值。失稳模式从短裂长度（10–30毫米）的剪切-拉伸混合失稳转变为长裂长度（40–50毫米）的纯拉伸失稳。基于断裂力学理论，提出了一种考虑尾裂长度参数的改进最大周向应力准则。改进模型的预测起始角度误差降至3.0%，相比传统模型有显著提升。AE信号和应变场数据揭示了锁定段的渐进式失稳过程，分为三个阶段：初始损伤、稳定损伤积累和失稳破坏。此外，利用多重分形参数和CRITIC加权方法构建了一个复合预警指数（λ?），该指数细化了预警信息的分类，并为工程应用提供了定量阈值和时间标准。这些发现为阐明锁定型岩坡的不稳定性机制和灾害预警提供了理论支持和技术参考，具有重要的实际价值。
引言
在采矿工程领域，坡体稳定性一直是一个具有挑战性和关键性的研究课题[1]，[2]。2023年，内蒙古阿尔左旗的一家露天煤矿发生了大规模的坡体坍塌，造成了重大人员伤亡和经济损失[3]，[4]，这凸显了该领域研究的紧迫性。秦等人[5]根据是否存在控制坡体稳定性的锁定段，将坡体分为两大类：锁定型和非锁定型。锁定型坡体主要受锁定段的力学性质控制，其典型的失稳模式为“蠕变滑动—拉伸断裂—剪切破裂”。失稳过程始于坡顶的拉伸断裂和坡底的蠕变破坏，最终导致中间岩桥或锁定区域的剪切破裂[6]。因此，研究锁定型岩石的损伤演化规律、断裂失稳机制和失稳前兆具有重要的工程意义。
关于岩石断裂失稳机制，一些学者探讨了岩石裂隙尖端的裂纹扩展机制。唐等人[7]利用断裂力学理论描述了围压、裂隙表面摩擦和非奇异应力对裂纹起始的影响，并提出了一种改进的最大切向应力准则来预测裂纹起始角度。陈等人[8]从断裂力学的角度分析了不同应力路径下的岩桥样品，揭示了岩桥尖端裂纹的扩展机制。曹等人[9]对不同裂隙间距的岩石样品进行了SHPB冲击试验，建立了峰值断裂载荷与岩石II型断裂韧性之间的关系，并揭示了损伤模式的演化规律。陈等人[10]研究了不同几何形状对I型断裂力学的影响，探讨了断裂过程区（FPZ）特征和裂纹扩展速率，揭示了I型断裂的几何机制。
许多学者利用声发射（AE）技术捕捉弹性波的时频域特征参数，并开发了岩石断裂过程演化的动态表征方法。国内外学者在这一领域进行了大量研究。邓等人[11]探讨了熵理论与声发射参数之间的内在关系，揭示了AE计数熵、AE能量熵和AE幅度熵随时间的演化规律。张等人[12]对花岗岩进行了单轴压缩和巷道岩爆模拟试验，分析了不同阶段的AE信号主导频率，研究了花岗岩断裂的前兆。王等人[13]、[14]对不同岩性的岩石进行了单轴压缩AE实验，基于临界减速理论处理了时频域信号。他们发现这些信号中的拐点可以作为岩石失稳的前兆，并提出了AE、红外热信号和声热复合信号的敏感性系数，这些系数与信号强度有很好的相关性。李等人[15]、[16]从煤岩样品的单轴压缩全波形AE数据中提取了Mel频率倒谱系数（MFCC）。与传统AE参数相比，MFCC对不同阶段的变化具有更高的敏感性，并在失稳前表现出明显的前兆特征。MFCC在反映裂纹扩展演化和识别样品失稳方面具有优势，为建立砂岩失稳预测方法提供了科学依据。邓等人[17]进一步研究了熵理论与AE参数之间的关系，揭示了AE计数熵、AE能量熵和AE幅度熵随时间的演化规律。王等人[18]监测了双裂隙砂岩样品的AE，并对其进行了循环加载试验，观察到AE参数的演化代表了循环加载下的渐进式损伤，裂纹扩展在峰值释放阶段集中了AE能量，这与宏观能量释放特征一致。
先进的无损和非接触式光学测量方法，如数字图像相关（DIC）和红外遥感技术，已被学者广泛用于研究岩石在载荷作用下的损伤积累和失稳特性。王等人[19]对饱和和干燥的砂岩进行了单轴加载试验，发现饱和砂岩的红外监测灵敏度高于干燥砂岩，红外热图能够准确预测裂纹扩展方向。刘等人[20]对裂隙岩体进行了加载试验，并定量研究了红外温度场的时空分布特性。他们提出了标准差、偏度和标准差椭圆参数等定量指标，识别了热红外异常的迁移特性作为煤岩失稳的前兆。张等人[21]系统研究了不同孔形（圆形、椭圆形、梯形、方形和倒U形）岩石样品在压缩剪切载荷下的断裂过程，利用DIC提出了新的断裂机制演化指数（FMEI）模型，动态定量地识别了整个加载过程中的主导应力机制。郭等人[22]对岩-混凝土复合材料进行了单轴压缩试验，并利用DIC分析了裂纹扩展，识别了不同材料中的裂纹聚合模式、单一材料中的裂纹扩展模式以及复合材料中的裂纹扩展模式。周等人[23]利用DIC研究了水饱和砂岩中的拉伸和剪切裂纹的演化，阐明了这些材料中裂隙演化模式和损伤模式的变化。
总之，目前大多数研究集中在具有单裂隙、多裂隙和共轭裂隙的岩石样品的断裂机制、损伤演化和失稳前兆上。然而，关于具有不同尾裂长度的“蠕变滑动—拉伸断裂—剪切破裂”三阶段锁定型岩坡的研究尚不足。因此，本研究对不同尾裂长度的锁定型岩坡缩比模型进行了系统的单轴压缩试验，结合了来自声学、光学和力学测量的多物理场数据以及断裂力学理论，旨在揭示失稳和断裂的固有机制，明确尾裂长度的控制效应，并为锁定型坡体的灾害预警和安全控制提供理论和技术支持。
样本制备
“蠕变滑动—拉伸断裂—剪切破裂”三阶段失稳模式是岩石坡体的典型失稳模式。图1展示了这种失稳模式的简化概念模型。此类滑坡的根本原因是锁定段的失稳，因此将其归类为锁定型坡体样本[24]。该方法旨在更详细地探讨此类岩坡的不稳定性失稳机制和裂纹演化规律。（见表1。）
由于空间限制
力学性能分析
实验数据的统计分析表明，在相同的工作条件下，蓝色砂岩样品的力学参数和声发射信号响应特性非常相似。由于空间限制，每组选出一个样品进行分析和讨论。图4展示了不同样品的单轴压缩强度变化，表2列出了样品在不同条件下的物理和力学参数
多重分形特性
作为典型的非均质材料，岩石在裂纹起始和失稳破坏过程中表现出显著的非线性和随机性。AE（声发射）信号和DIC（数字图像相关）应变数据在时域中显示出高度密集和波动的特性，难以直观区分其演化模式和断裂前兆[40]，[41]。因此，应用非线性分析方法来揭示
单轴试验条件与复杂工程环境的相关性
本研究的所有试验均在单轴压缩条件下进行。选择这种简化的应力路径是为了隔离变量，从而清楚地阐明尾裂长度对力学响应、失稳模式和锁定段前兆演化的主要控制作用。
然而，实际工程坡体中的锁定段通常处于复杂的三轴应力状态（σ? > σ? > σ?）。围压（σ?）的存在显著抑制了
结论
通过采用结合声发射、数字图像相关和力学测试的多场监测方法，本研究探讨了不同尾裂长度（L）对锁定型砂岩试样的损伤-断裂行为和失稳前兆的影响。主要发现包括：
(1)尾裂长度L对锁定段的力学行为具有非单调的控制作用。单轴压缩强度先增加后减小
作者贡献声明
颜宇航：撰写——原始草稿，软件开发，数据管理。王创业：撰写——审稿与编辑，资金筹集。隋青瑞：方法学研究，实验设计。郭宇：软件开发，实验实施。游如：撰写——审稿与编辑。陈思宇：实验设计，数据分析，数据管理。于东欣：项目监督，数据分析。刘琪：数据可视化，结果验证。
利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号52464014）；中央引导地方科技发展计划项目（编号2024ZY0068）；内蒙古自治区高等教育机构青年科技人才支持计划（编号NJYT22073）；内蒙古自治区直属高校基本科研业务费（编号）的支持。
