工程巖體失穩通常是由於非貫通節理的擴充套件聚合最終導致的剪下破壞，而能量驅動下的狀態失穩是巖體破壞的根本原因。目前基於直接剪下試驗的含非貫通節理岩石的力學行為研究中，大多集中在含有一條或兩條節理的簡單樣品上，而忽略了天然巖體中的非貫通節理通常會以不同數量和幾何形狀的多種組合出現，與複雜的實際條件存在較大差異。因此，研究含多種組合形式的非貫通節理岩石的剪下力學性質，並分析其能量的演化過程，有助於更全面，更直觀的理解含非貫通節理巖體的剪下破壞過程，在岩土工程和工程地質中具有重要意義。

中國科學院地質與地球物理研究所頁岩氣與地質工程院重點實驗室臺大平博士生在導師祁生文研究員的指導下，基於類岩石材料的室內直剪試驗結果，使用顆粒流離散元PFC3D構建了一系列含有多種組合形式非貫通節理的岩石模型（BPM）並開展了直接剪下試驗的數值模擬，從微裂紋擴充套件和能量演化的角度研究了節理排數和節理傾角對岩石應力應變特性和破壞模式的影響。

結果表明，導致含非貫通節理巖體破壞的主要是由於剪下-張拉型微裂紋（ST cracks）的擴充套件貫通，且對於“兩列多排型”分佈的節理岩石模型（TypeB和TypeC），當節理排數Nr大於1時，岩石的剪下破壞區域不隨著Nr的增加而發生變化（圖1，圖2）。

圖1 含水平多排節理的岩石剪下破壞時的微裂紋擴充套件形態與位移場分佈

圖2 含水平多排節理的岩石剪下破壞時的典型宏觀裂紋形態

並且，節理會顯著增加了模型在峰後的能量耗散，但對峰前彈性應變能與耗散能的在總能量中的佔比幾乎沒有影響（圖3）。在剪下過程中，摩擦消耗了大部分能量，而動能消耗只佔總能量的不到1%。此外，峰值彈性應變能的變化趨勢與峰值剪下位移保持一致。微裂紋的擴充套件和累積直接影響模型的能量耗散，並且臨界微裂紋的累積數量與破壞時的臨界耗散能量之間存在顯著的線性關係，在相同傾角下，當節理傾向與剪下方向相反時，模型在峰值破壞時更容易積累較多的微裂紋，從而導致更多的能量耗散（圖4）。

圖3 剪下過程的能量佔比變化

圖4 剪下破壞時臨界微裂紋數量與臨界耗散能佔比對比

該研究從微裂紋擴充套件和能量演化的角度定量分析了多種非貫通節理組合對岩石應力應變特性和破壞模式的影響，為理解含非貫通節理巖體的剪下破壞過程提供了新的視角。

研究成果發表於國際學術期刊Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering（臺大平，祁生文*，鄭博文，汪衝浪，郭松峰，羅光明. Shear mechanical properties and energy evolution of rock-like samples containing multiple combinations of non-persistent joints [J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 2023. DOI: 10.1016/j.jrmge.2022.11.014.）。研究得到國家自然科學傑出青年基金專案（41825018）和第二次青藏高原綜合科學考察研究（QZKK20190904）等專案資助。

美編：陳菲菲

校對：萬鵬（地質地球所）