结合特征选择的机器学习方法揭示了多深度土壤含水量的关键驱动因素

《Research in Cold and Arid Regions》：Machine Learning with Feature Selection Reveals Key Drivers of Multi-Depth Soil Moisture Content

动态拉伸试验探究-30°C至20°C不同温度及应变率下冻岩的力学行为，发现动态拉伸强度随应变率增加显著提升，且低温增强效应更明显。实验揭示了低温与高应变率耦合作用下冻岩断裂模式从单主裂隙向多径向裂纹转变的关键应变率阈值（330/s至420/s），并构建了Logistic函数描述强度与应变率关系。微观结构分析表明，冰晶形成加剧了内部微裂纹扩展，而高应变率抑制了塑性变形，导致脆性断裂主导。研究成果为寒区岩土工程结构安全评估提供理论支撑。

　　在寒冷地区的岩土工程中，岩石的力学性能受到温度和加载速率的显著影响。本研究通过使用分裂Hopkinson压力杆（SHPB）系统进行巴西圆盘试验，系统地探讨了冻融条件下花岗岩的动态拉伸行为。试验覆盖了从20°C到-30°C的温度范围，并在不同加载速率下分析了岩石的拉伸强度、应变率敏感性、能量吸收特性以及断裂形态。通过高速摄像机捕捉裂纹的形成与扩展过程，并结合扫描电子显微镜（SEM）观察断裂表面和微裂纹结构，研究揭示了在低温和高应变率条件下，岩石的力学行为发生了显著变化。

研究发现，动态拉伸强度随着应变率的增加而显著增强，尤其是在低温条件下，这种增强效应更加明显。在-30°C时，应变率敏感系数（SRSC）达到了常温下（20°C）的8.45倍，表明低温对岩石动态力学性能的影响非常显著。这种现象可能与冰晶形成过程中产生的体积膨胀效应有关，该效应能够封闭岩石内部的孔隙，增强材料的整体性。此外，低温下石英晶体的各向异性收缩会导致晶格畸变，从而提高裂纹扩展的能量障碍。同时，高应变率加载下，横向惯性效应增强，进一步延缓了裂纹的扩展速度，提升了岩石的动态强度。

值得注意的是，在-30°C和低应变率条件下，动态拉伸强度出现异常下降。这种现象与冻结诱导的损伤密切相关。SEM图像显示，此时岩石内部出现了大量的晶间裂纹和孔隙扩展，表明低温对岩石结构的破坏作用显著。这些微观特征直接验证了在极端低温与低应变率耦合条件下，岩石的力学性能受到严重影响。研究还指出，裂纹扩展模式和能量耗散路径在动态加载过程中发生转变。当应变率较低时，裂纹主要沿矿物解理面扩展，能量耗散主要来自主裂纹的扩展。而随着应变率的增加，裂纹扩展模式转变为拉伸-剪切耦合，导致裂纹路径发生分支和偏转，增加了剪切带的形成。在低温条件下，由于冰晶的形成，岩石的裂纹扩展需要更高的能量，这进一步强化了其脆性断裂特性。

在能量耗散方面，研究通过波能量守恒方程分析了不同应变率和温度条件下的能量转换机制。结果显示，随着应变率的增加，裂纹扩展所需的能量显著增加，尤其是在高应变率条件下，裂纹扩展的能量消耗达到常温下的4-5倍。这表明，高应变率加载促使能量从基质变形转移到裂纹网络演化，改变了岩石的能量耗散路径。同时，不同温度条件下，裂纹扩展的模式也有所不同。在常温下，裂纹主要沿矿物解理面扩展，形成典型的平面断裂。而在低温条件下，裂纹扩展路径受到冰晶桥接效应的影响，表现出更复杂的形态。

通过实验数据分析，研究还发现了应变率和温度对裂纹扩展的协同作用。在应变率较低时，裂纹扩展主要受低温下形成的冰晶网络影响，而随着应变率的提高，裂纹扩展模式逐渐向拉伸-剪切混合机制转变。这一转变不仅与裂纹扩展路径的偏转有关，还与裂纹扩展过程中能量分配的变化密切相关。在低温条件下，由于冰晶对裂纹扩展路径的约束作用，裂纹扩展受到抑制，裂纹路径更加线性，能量耗散更加集中。而在高应变率条件下，裂纹扩展更为剧烈，能量耗散路径变得更加复杂，表现为裂纹分支和剪切带的形成。

此外，研究还指出，裂纹扩展的初始位置和路径受到加载角度的影响。当加载角度大于10°时，裂纹更可能在试件中心区域形成，这与裂纹扩展路径的对称性和应力分布有关。因此，动态拉伸强度不仅与应变率和温度有关，还与加载方式密切相关。基于这些发现，研究提出了一个改进的公式来计算冻融花岗岩的动态拉伸强度，为工程实践中评估岩石在动态荷载下的稳定性提供了理论依据。

研究结果对寒冷地区岩土工程的实践具有重要意义。在冻土环境下的隧道、边坡、地下水电站和深部矿山等工程中，岩石经常受到低温和动态扰动（如爆破、地震和机械开挖）的共同作用。理解岩石在这些极端条件下的力学行为，有助于优化工程设计，提高结构的安全性和耐久性。例如，在人工冻结（AGF）项目中，岩石的动态拉伸强度和能量吸收能力是评估冻结过程对岩体稳定性影响的关键参数。通过本研究的发现，可以更准确地预测岩石在不同温度和应变率条件下的断裂行为，从而为实际工程提供科学依据。

综上所述，本研究通过系统的实验和分析，揭示了冻融条件下花岗岩在动态拉伸荷载下的复杂行为。研究不仅加深了对低温和应变率共同作用下岩石断裂机制的理解，还为寒冷地区岩土工程的设计、施工和维护提供了重要的参考数据。未来的研究可以进一步探索多场耦合条件下的岩石断裂机制，以更全面地理解岩石在极端环境下的力学响应。