含裂隙硬/软层状岩石的剪切裂纹扩展特性与声发射现象：实验测试与数值模拟

为解决层状岩石在工程中的剪切破坏机制问题，研究人员通过实验和数值模拟研究了含裂隙硬/软层状岩石的剪切行为，分析了层数、厚度、裂隙长度等因素对剪切强度和声发射（AE）事件的影响。结果表明，裂隙长度增加会降低剪切强度和刚度，硬石膏的AE事件多于软石膏，且软脆性模型破坏更迅速。该研究为工程中层状岩石稳定性评估提供了重要依据。

　　

在地质工程和采矿领域，层状岩石的稳定性一直是困扰工程师的难题。这类岩石由软硬交替的岩层组成，其力学行为复杂且难以预测。特别是在隧道开挖或矿山开采过程中，层状岩石常常发生突发性破坏，造成严重事故。传统研究多关注单一岩层的力学特性，而对软硬互层这种高度各向异性材料的破坏机制认识不足。

针对这一挑战，伊朗哈马丹布阿里西纳大学地质系的研究团队开展了一项创新性研究。他们通过实验和数值模拟相结合的方法，系统研究了含裂隙硬/软层状岩石的剪切行为。这项研究发表在《Results in Engineering》期刊上，为理解层状岩石的破坏机制提供了新见解。

研究人员采用了三种关键技术方法：首先通过巴西试验和单轴压缩试验（UCS）标定材料参数；其次利用颗粒流程序（Particle Flow Code, PFC^2D）建立数值模型；最后通过冲剪试验（punch shear test）模拟不同层状构型在2 MPa法向应力下的剪切行为。

研究结果部分，在"3.1 层状试样的破坏模式"中发现，所有模型均从裂隙尖端产生拉伸裂纹，并沿剪切加载方向扩展。数值模拟与实验结果高度吻合。"4.1 微参数标定"部分显示，硬石膏的压缩强度与抗拉强度比为7.8，表现出延性；而软石膏该比值为12，呈现脆性。

"5.2.1 数值模型的破坏模式"详细展示了不同层状构型在法向应力下的四种破坏形式：软石膏中的拉伸裂纹、硬石膏中的拉伸裂纹、软层中的45°剪切带以及硬层中的斜向拉伸裂纹。特别值得注意的是，当层理角度超过45°时，裂纹更倾向于穿过硬石膏层扩展。

在"5.2.2 声发射现象"部分，研究发现硬石膏的AE事件数量（34-40次）显著多于软石膏（18-27次），表明硬石膏在破坏前能吸收更多能量。三层层状模型的AE事件最多，因其硬石膏层在剪切面中占比最大。

"5.2.3 剪切刚度分析"显示，层理角度从0°增至90°时，剪切刚度随之增加。裂隙长度每增加2 cm，剪切刚度下降约15%。特别值得注意的是，当裂隙长度为2 cm且层理角度大于45°时，三层层状模型的剪切强度反而高于二层层状和四层层状模型。

研究结论指出，层状岩石的剪切行为受层数、厚度比、裂隙长度和层理角度共同影响。硬石膏层能显著提高剪切强度和刚度，但也会导致更复杂的破坏模式。该研究建立的数值模拟方法能准确预测层状岩石的剪切行为，为隧道支护设计和矿山安全评估提供了重要工具。特别是提出的AE事件与层状构型的关联规律，可望用于工程现场的岩体稳定性监测。

这项研究的创新之处在于首次系统量化了硬/软互层对含裂隙岩石剪切行为的影响，并建立了考虑层理角度的剪切强度预测模型。未来研究可进一步探讨不同围压条件下的层状岩石破坏机制，以及更复杂裂隙网络的影响。