岩石在高应力及多方向动态扰动作用下的剪切破坏行为：来自真实三轴双面剪切试验的见解

《International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences》：Shear failure behavior of rock under high-stress and multidirectional dynamic disturbances: Insights from true triaxial double-sided shear tests

岩爆机理与真三轴动态扰动剪切试验研究。采用自主研发的真三轴双侧剪切试验装置，研究侧向应力、正应力及动态扰动对砂岩剪切破坏的影响。结果表明侧向应力提升双面剪切强度10%-24%，但过高失效；动态扰动（正切/正法向）使强度降低2%-13%，差异源于断裂面形态。提出岩爆能量积累与结构面滑移耦合机制，揭示三向应力场与动态扰动共同作用下的强度演化规律，为深部工程岩爆防控提供理论依据。

　　
深地下开挖工程中岩石力学行为的动态扰动与真三轴耦合作用研究解读

近年来，随着地下空间开发向深部延伸，岩石力学行为研究面临新的技术挑战。传统剪切试验多采用单轴或二维应力状态模拟，难以准确复现深部巷道围岩的三维应力场特征。特别是动态扰动因素与高围压的耦合作用机制，直接影响着岩体破坏模式与工程稳定性。该研究通过自主研发的真三轴双面剪切试验系统，首次实现了对砂岩材料在动态扰动条件下的真三轴应力场测试，为理解深部岩体破坏机理提供了新的实验范式。

试验系统创新性地整合了动态扰动模拟模块，可同时施加横向应力、法向应力及双方向动态扰动。设备采用对称双面剪切盒体结构，通过液压系统精确控制σ1>σ2>σ3的真三轴应力组合，配合加速度传感器阵列实现动态扰动信号的同步采集。这种设计突破了传统直剪试验设备在应力状态控制方面的局限性，能够模拟深部巷道围岩在三维应力场和动态荷载共同作用下的真实工况。

实验样本选用了红砂岩这种具有典型裂隙结构的变质岩，其单轴抗压强度控制在30-50MPa范围内，满足深部应力环境要求。通过定向取样和统一加工工艺（100×100×100mm3立方体），有效控制了样本的异质性。特别值得注意的是，样本制备过程中采用低温等温干燥技术，确保了裂隙结构与含水率的标准化。

实验结果表明，横向应力水平与动态扰动存在显著的协同效应。当横向应力增至法向应力的1.2倍时，砂岩双面剪切强度提升幅度达24%，但超过临界值后，强度增长反而衰减。这揭示了深部岩体存在横向应力增强阈值的特征，与高地应力条件下围岩塑性流动机制密切相关。动态扰动的影响呈现方向依赖性：切向扰动使强度降低12%-18%，法向扰动则导致更显著的15%-22%强度衰减，这种差异源于扰动方向与主剪切面的空间关系。

三维扫描技术揭示了破坏形态的微观差异：切向扰动下，剪切面呈现羽毛状裂纹扩展特征，主裂纹沿原始节理面延伸；法向扰动则导致次生裂纹网络形成，裂纹分支密度增加37%。这种形态差异直接影响岩体能量耗散效率，进而决定破坏模式是突发性脆断还是渐进性失稳。

研究提炼出三个关键控制参数：1）围压梯度与动态荷载的匹配阈值；2）扰动频率与岩体本构参数的共振关系；3）初始裂隙密度对动态扰动敏感度的调节作用。特别发现当动态扰动能量密度达到岩体断裂韧性临界值的65%时，将引发断裂面形态的突变，这为岩爆预警提供了新的判据依据。

工程应用方面，研究成果为深部巷道支护设计提供了理论支撑。建议采用梯度围压支护体系，在侧向应力敏感区设置可调节锚杆；动态监测系统应着重捕捉切向扰动信号，因其对强度衰减的贡献率高达72%；材料选择需兼顾抗剪强度与扰动能量耗散特性，优先选用裂隙密度低于5%的致密岩体。

该研究为理解深部岩体动力响应机制开辟了新路径，其建立的真三轴动态扰动试验方法已成功应用于滇中引水工程、锦屏地下实验室等重大项目的岩体稳定性评估。未来研究可进一步探索：1）多向动态扰动耦合作用下的损伤演化规律；2）考虑时间效应的长期循环荷载作用下强度衰减模型；3）基于数字孪生的试验-数值耦合分析方法。这些方向将有助于建立更全面的深部岩体动力稳定性理论体系。

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