《International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences》：Size-dependent shear behavior of backfill–rock interfaces constructed from in-situ 3D morphology: experimental and numerical study
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充填-岩体界面剪切行为尺寸效应研究：通过3D几何缩放制备不同尺寸界面试样，结合原位岩体形态数据构建三维粗糙度参数，实验发现峰值残余剪切强度与尺寸无关，但剪切位移及摩擦带厚度随尺寸线性增长，离散元模拟揭示微裂纹密度降低与颗粒接触范围扩大相关，断裂能量分析表明尺寸增大导致剪切破碎面积扩展及二次裂隙形成，为地下开采充填体稳定性优化提供理论支撑。
作者：阮文凯、李帝远、野田宏之、龚浩、罗平光、马金音
中国中南大学资源与安全工程学院，长沙，410083
摘要
在地下采矿中，回填材料失效机制的理解过程中，回填体-岩石界面的剪切行为受尺寸效应的影响至关重要。本研究采用三维几何缩放方法制备了一系列不同尺寸的回填体-岩石试样，并结合了采场周围岩石表面的原位形态数据。通过直剪试验研究了试样尺寸对界面剪切行为的影响。实验结果表明，峰值剪强度和残余剪强度与尺寸无关，而峰值剪切位移和法向位移则随尺寸增大而线性增加。为了定量描述界面形态，引入了一个三维粗糙度参数，发现试样尺寸与剪切断裂面粗糙度之间存在反比关系。这一发现与扫描电子显微镜（SEM）观察结果一致，即随着试样尺寸的增大，剪切磨损区域逐渐扩大。为进一步探究微观失效机制，使用了PFC3D软件进行了离散元模拟。数值结果表明，较大尺寸的试样会产生更宽的剪切带，并且微裂纹密度降低。分析断裂能量和高倍率SEM图像发现，断裂能量随试样尺寸的增加而显著增加，这是由于较小尺寸试样中回填颗粒的影响范围更大。此外，在较大的断裂面上观察到了二次破碎现象，表明试样尺寸的增加会促进局部应力集中，从而显著影响回填体-岩石试样的剪切行为。这些结果建立了机械参数、失效行为和能量耗散之间的机制联系。本研究为预测界面稳定性和优化地下采矿中的回填设计提供了理论依据和结构基础。
引言
水泥尾矿回填技术是现代绿色采矿的核心，具有三大关键功能：尾矿处理、采场稳定性控制以及地表沉降控制。首先，它将工艺尾矿回收利用为回填材料，有效减少了地表堆放及其相关的环境危害。其次，它通过为周围岩体提供内部支撑来确保采矿安全。最后，它通过限制上覆岩层的移动来控制地表沉降。当采场填满后，回填体与周围岩体共同形成一个复合结构。作为两种不同材料之间的接触区域，回填体-岩石界面的强度通常较低，且容易发生不稳定。因此，回填材料的稳定性主要受回填体-岩石界面力学特性的控制。在各种潜在的失效机制中，回填体-岩石界面的剪切变形和失效尤为值得关注。这种失效可能导致渐进性退化、局部坍塌，甚至大规模的采场不稳定。因此，全面了解回填体-岩石界面的剪切行为对于预测临界不稳定条件和优化回填设计参数至关重要。
过去几十年来，通过实验和数值方法的大量研究加深了对含节理试样剪切行为的理解。这些研究中确定的关键影响因素包括界面形态、法向应力、材料性质以及加载条件。这些参数已被证明能够控制基本的剪切特性，如峰值剪强度、残余剪强度、膨胀率以及断裂面的形态。例如，法向应力的增加、节理粗糙度、材料强度和剪切速率等因素均被证明可以增强含节理岩石试样的峰值剪应力。然而，将实验室研究成果应用于实际工程仍具有挑战性，主要原因是尺寸效应以及实验室测试与地下采矿环境中实际回填体-岩石相互作用之间的差异。专门研究回填体-岩石界面剪切行为尺寸效应的研究仍然有限。大多数现有研究集中在含节理岩石试样上，得出的结论并不一致。例如，一些研究者报告了尺寸效应的正相关关系，即剪强度随试样尺寸增大而增加；而另一些研究者则观察到负相关关系。还有研究者认为剪强度与尺寸无关。这些矛盾可能源于实验条件、界面类型或试样制备方法的不同。与含节理岩石界面相比，回填体-岩石界面通常涉及粘聚力，这为其剪切行为带来了额外的复杂性。鉴于这些差异，本研究系统地探讨了回填体-岩石界面尺寸依赖的剪切行为。
现有研究的一个主要局限在于对界面形态的过度简化。许多研究使用人工制备或理想化的表面来研究剪切行为，这些表面无法充分再现原位回填体-岩石界面的固有粗糙度和复杂性。常见的简化方法包括使用规则几何模具浇铸试样、基于标准二维节理粗糙度系数（JRC）创建剖面，以及通过巴西劈裂法生成拉伸断裂面。因此，实验室得到的结果在现实工程条件下的适用性受到限制。因此，有必要在研究中充分考虑原位采场的形态特征，以提高实验结果与实际工程的相关性。此外，目前缺乏能够定量描述界面粗糙度的可靠参数，尤其是在三维空间中。尽管传统的粗糙度指数（如JRC）仍能提供有关表面形态的宝贵定性信息，但它们在捕捉实际断裂面的三维几何复杂性方面存在局限性。因此，开发和应用全面的三维粗糙度参数对于更准确地描述剪切界面的形态至关重要。
物理实验对于研究宏观剪切行为仍然不可或缺。然而，传统的实验室测试往往难以捕捉微观力学过程，如裂纹扩展和剪切带的发展。为了克服这些限制，离散元方法（DEM）被广泛用于模拟岩石和类岩石材料的剪切行为。特别是PFC3D为颗粒尺度上的颗粒材料和粘结界面提供了强大的建模框架，能够深入理解在实验室测试中难以观察到的微观失效过程。这种数值方法不仅补充了实验结果，还增强了人们对尺寸依赖的界面行为机制的基本理解。
本研究采用三维缩放方法制备了一系列不同尺寸的回填体-岩石试样。界面形态是基于云南省某金属矿山原位采场周围岩石的三维扫描数据得出的。这种方法确保了实验室研究与实际工程条件下回填体稳定性之间的更强联系。对上述试样进行了系统的直剪试验，以评估试样尺寸对剪强度、位移特性和破坏后表面形态的影响。提出了一种新的三维粗糙度参数，用于定量描述剪切破坏前后界面形态的演变。为了进一步探究剪切行为背后的微观力学机制，使用了PFC3D进行了颗粒流模拟。这些模拟提供了关于试样尺寸在界面剪切行为中作用的颗粒级见解。此外，通过分析断裂能量和高分辨率SEM图像研究了尺寸效应的潜在机制。研究结果和建立的功能关系为预测工程回填系统中的临界不稳定条件提供了理论基础。
本研究使用的材料与我们之前的工作一致。为避免重复，以下提供简要描述：
人工尾矿，主要由SiO2 （99.83%）组成，用作骨料。这些尾矿的颗粒形态不规则，其颗粒尺寸分布与云南省某金属矿山提供的尾矿非常相似。
选择了O.P.C. 42.5波特兰水泥作为粘合剂。
图2展示了在不同法向应力下，不同尺寸的回填体-岩石试样的剪应力-位移曲线。为了便于分析，将力学响应分为五个特征阶段：压实阶段（从原点到A点的非线性增长）、弹性变形阶段（从A点到B点的稳定线性增长）、剪切硬化阶段（从B点到C点的非线性增长）、剪切软化阶段（从C点到D点的快速下降）……
材料的宏观破坏通常是由微观损伤的逐渐累积引起的。然而，这种微观损伤在实验室实验中难以观察到。因此，为了从微观角度进一步研究试样尺寸对回填体-岩石试样剪切行为的影响，采用了PFC3D数值软件进行数值模拟。本研究中使用的数值模型参数基于我们之前的研究结果确定……
虽然前面的章节探讨了应力响应、变形特性和微裂纹演变，但这些微观和介观特性不足以解释宏观现象。断裂能量是一个关键参数，反映了材料抵抗裂纹扩展的能力。它补充了传统的力学分析，提供了从微观损伤到宏观破坏的更全面理解。
本研究基于原位周围岩石形态，采用三维缩放方法制备了不同尺寸的回填体-岩石界面试样。通过系统的直剪试验和离散元数值模拟，全面研究了尺寸效应对界面剪切行为的影响。通过结合SEM微观结构分析和断裂能量量化，研究了试样尺寸和法向应力对回填体-岩石系统失效机制的影响。
阮文凯： 撰写——原始草稿、可视化、验证、软件开发、方法论、研究设计、概念化。
李帝远： 撰写——审稿与编辑、项目管理、资金获取、概念化。
野田宏之： 撰写——审稿与编辑、形式分析。
龚浩： 撰写——审稿与编辑。
罗平光： 撰写——审稿与编辑。
马金音： 撰写——审稿与编辑、资源协调、项目管理、形式分析。
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
本工作得到了国家自然科学基金 （项目编号52374153）和中南大学 （项目编号140050027）的博士后研究启动基金的支持。
