中科院1区巴西劈裂试验条件下页岩层理力学各向异性研究

更新时间：2026-07-30

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发表于中科院1区TOP期刊《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》的一项研究，围绕页岩层理各向异性与破坏机理展开深度探索，依托专业声发射监测技术，全面揭示了三维取向下层理页岩巴西劈裂全过程的损伤演化规律，为页岩油气开发、地下工程开挖筑牢理论与试验基础。

核心研究成果速览

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1、宏观力学规律

页岩抗拉强度随层理与加载方向夹角增大而提升，随层理与试件端面夹角增大而下降；试件抗拉强度和声发射累计总能量呈正相关。整个劈裂过程可划分为初始弹性、稳定损伤、失稳破坏三个阶段，不同阶段声发射信号的活跃度差异显著。

（不同层理倾角试样声发射幅值与累计声发射事件统计关系：(a) 层理垂直端面条件下，层理相对加载方向倾角；(b) 层理与端面呈45°条件下，层理相对加载方向倾角；(c) 层理平行加载方向条件下，层理相对端面倾角）

2、细观裂纹演化特征

借助b 值分析发现，层理与加载方向呈45°时，微裂纹活动最为剧烈；层理相对端面夹角越大，岩体抵抗微裂纹扩展的能力越强。通过声发射主频识别裂纹类型，页岩声发射主频呈固有双峰分布特征，层理取向会直接改变张拉裂纹、剪切裂纹、拉剪混合裂纹的占比。

（层理相对加载方向 (a–c)、相对圆盘端面 (d–f) 不同倾角下b值时序演化规律）

3、分形与空间演化规律

所有工况下微裂纹时序关联维数均呈现统一演化趋势，荷载比0.6~0.8区间是裂纹定向扩展的关键节点，临近破坏时关联维数骤降，可作为破坏预警信号。声发射空间相关长度随加载进程持续增长，临近失稳时增速陡然加快，是可靠的失稳前兆指标。从空间分布来看，微裂纹由零散分布逐步聚集，最终形成贯通裂缝。

（不同层理倾角（相对加载方向、端面）试样关联维数Dm：(a) BS-1-90（90°、90°）；(b) BS-2-90（45°、90°）；(c) BS-3-90（0°、90°）；(d) BS-1-45（90°、45°）；(e) BS-2-45（45°、45°）；(f) BS-3-45（0°、45°）；(g) BS-1-0（0°、0°）；(h) 最大关联维数随层理倾角变化关系）

4、破坏机理与形态

页岩劈裂破坏是层理面激活与页岩基体破裂相互竞争的结果：层理平行加载方向时，沿层理面发生张拉破坏；层理垂直加载方向时，基体主导破裂，岩体强度最高；45°中间倾角工况下，层理与基体共同参与破坏，损伤程度最剧烈。同时，层理倾角也会直接改变宏观裂缝形态与次生裂纹发育数量。

（不同层理取向的空间链状（SLC）结构示意图：相对圆盘端面 (a–c)：(a) 层理平行端面；(b) 层理与端面呈45°；(c) 层理垂直端面；相对加载方向 (d–f)：(d) 层理平行加载方向；(e) 层理与加载方向呈 45°；(f) 层理垂直加载方向）

研究创新与工程价值

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该研究打破传统二维研究局限，开展层理双重倾角下的三维试验研究，融合b值、主频、关联维数、空间相关长度四类声发射参数，从多维度解析岩体损伤机理。更重要的是，研究证实了声发射相关指标可作为页岩工程灾变前兆，为岩体失稳预警提供了全新技术思路。

成果可直接指导页岩油气水力压裂方案优化，也能为页岩地层隧道、基坑等地下工程开展围岩稳定性评价、提前预警灾害风险提供有力支撑，层状岩石抗拉破坏理论与声发射监测应用体系。

本次试验核心监测设备

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本次试验全程采用美国PAC品牌 Micro-II Express 声发射采集仪，作为岩石力学、岩土工程领域的主流商用声发射设备，设备性能成熟稳定，可实现全程无损、连续监测，适配岩石力学各类室内试验与现场工程监测场景。