张重远等-RMRE：方向决定极限——水平应力方向控制的岩石抗拉强度各向异性

　　在地质工程、地下空间开发及核废料安全储存等领域，岩石的力学性能始终是决定工程成败的核心参数。然而，岩石的力学行为并非“一成不变”，其力学强度在不同方向上可能呈现显著差异，这种特性被称为“各向异性”。众所周知，岩石的抗拉强度是一个重要的力学参数。在一些重要的地下场景中，岩石抗拉强度非常重要，以至于抗拉强度的过度分散是不合理和不安全的，例如核废料的地质储存。尽管巴西劈裂试验被广泛应用于岩石抗拉强度测试，但受控于矿物颗粒定向排列、微裂纹空间展布等地质各向异性要素，试验数据往往呈现显著离散特征。之前的研究表明，从经典的巴西试验中获得的抗拉强度表现出明显的各向异性，而研究人员将其归咎为一种离散性，而简单地取平均值处理。然而，抗拉强度的上限和下限在不同场景中的作用大为不同。目前为止，研究人员还没有找到一种合适的方法来定量研究抗拉强度的各向异性。

　　鉴于上述背景，中国地质科学院地质力学研究所张重远研究员及其团队以中国东南沿海平潭岛138米深钻孔花岗岩岩芯为对象，创新性地结合岩芯直径变形分析（DCDA）、P波速度测试与光学显微镜观测（图1），系统表征了微裂纹的空间分布特征（图2）。随后，利用有限离散元方法（FDEM）对含微裂纹试样的巴西劈裂过程进行了数值模拟，并计算抗拉强度。主要结论如下：

　　(1)花岗岩的巴西劈裂抗拉强度（BTS）表现出显著各向异性，最大值出现在最大水平主应力方向（SH），最小值出现在最小水平主应力方向（Sh），各向异性比为11.6-38.1%。(2)抗拉强度随加载方向变化呈余弦波趋势，与岩心直径变化呈正相关，与P波速度呈负相关。(3)通过DCDA、P波测试和显微镜观察发现，垂直于SH方向的穿晶微裂纹是抗拉强度各向异性的主要原因。(4)SH方向对应岩心最大直径方向，能够可靠指示抗拉强度的上下限范围。(5) FDEM数值模拟验证了加载方向对抗拉强度有显著影响，强度波动范围为4.81-13.6%。当加载方向与SH方向一致时抗拉强度最大，与其垂直时最小，这与实验结果一致。（6）建立了定向微裂隙的力学模型，分析了应力诱导微裂纹导致抗拉强度各向异性的微观力学机制，建立了理论模式图（图4）。研究进一步提出，建议将DCDA测试与巴西劈裂试验结合使用，以定量评估岩心抗拉强度的范围及其各向异性。

　　研究成果近期发表在岩石力学与工程Top期刊《Rock Mechanics and Rock Engineering》上（Gao, Z., Zhang, C., Ji, Y. et al. Experimental study on tensile strength anisotropy of granite: Insights from horizontal stress-related microcracks. Rock Mech Rock Eng (2025)https://doi.org/10.1007/s00603-025-04570-0.）。联合培养博士高子轩为论文第一作者，张重远研究员为通讯作者。研究工作由深地国家科技重大专项（2024ZD1000704）、国家自然科学基金（No.42177175）、中国地质调查局项目（No.DD20190138）、金川集团技术研究项目（No. JKCGNZ26Z202301）和中国地质科学院研究基金（No.DZLXJK202204）联合资助。

　　

　　图1岩芯直径变形分析（DCDA）实验示意图

　　

　　图2巴西圆盘微裂纹空间分布示意图

　　 

　　图3抗拉强度与直径及波速变化对比结果

　　

　　图4水平应力微裂纹形成机制示意图