基于能量演化的冻融砂岩损伤特性与破坏模式研究

本研究针对寒区工程岩石冻融损伤评估难题，通过单轴压缩试验揭示了冻融循环作用下砂岩能量演化规律（总能量U、弹性应变能Ue、耗散能Ud），创新性提出塑性指数P定量表征破坏模式脆塑性转变，建立了融合能量耗散机制的损伤本构模型，为寒区岩体稳定性评估提供了理论依据。

　　

在我国西部大开发和“一带一路”倡议的推动下，寒区基础设施建设日益增多。然而，寒冷地区复杂的气候地质条件使得岩石孔隙裂隙中的水分反复冻融，导致岩石力学性能劣化，严重威胁工程结构的安全稳定。冻融损伤已成为岩石力学与工程领域亟待解决的关键科学问题。现有研究多集中于宏观力学参数的变化规律，对冻融作用下岩石破坏模式转变的内在物理机制缺乏深入认识。

针对这一难题，西安科技大学建筑与土木工程学院的研究团队在《Research in Cold and Arid Regions》上发表了题为“Research on damage characteristic and failure mode of freeze-thaw sandstone based on energy evolution”的研究论文。该研究从热力学角度出发，通过系统的实验分析和理论建模，揭示了冻融砂岩在压缩破坏过程中的能量演化机制，创新性地提出了定量表征岩石脆塑性转变的塑性指数，为寒区工程岩石稳定性评估提供了新的理论工具。

研究团队主要采用了以下关键技术方法：首先采集陕西宜君县塘泥河村红色砂岩样本，加工成标准圆柱试件（Φ50 mm×100 mm），通过程序控制低温恒温箱进行0、10、30、60、90次冻融循环；随后采用TAW-1000高压动态岩石试验系统进行位移控制（0.1 mm/min）的单轴压缩试验，获取完整应力-应变曲线；基于热力学第一定律，计算总能量（U）、弹性应变能（Ue）和耗散能（Ud）的演化规律；最后结合损伤力学理论，建立融合塑性指数的损伤本构模型。

2. 冻融损伤岩石的单轴压缩试验

通过单轴压缩试验发现，随着冻融循环次数增加，砂岩的单轴抗压强度和弹性模量逐渐降低。应力-应变曲线均呈现压实、弹性变形、塑性屈服和破坏四个阶段，峰值应变随冻融循环次数增加而增大。破坏模式从简单的剪切破坏逐渐转变为拉剪复合破坏，裂纹数量增多，岩石脆性减弱，塑性变形能力增强。

3. 冻融岩石压缩破坏过程中的能量演化机制

能量计算结果表明，冻融砂岩的压缩破坏过程本质上是能量耗散与释放驱动的不连续累积损伤过程。总能量随轴向应变单调增加；弹性应变能变化趋势与应力-应变曲线相似；耗散能演化则呈现阶段性特征。峰值前不可逆能量损失和峰值后破裂能随冻融循环次数增加而增大，是决定砂岩塑性（脆性）破坏模式的关键因素。

4. 基于能量演化的冻融损伤岩石压缩破坏模式定量评估

研究提出了预峰塑性指数I_p1（屈服阶段不可逆能量损失累积速率）和后峰塑性指数I_p2（峰值后额外能量累积速率），并由此构建综合塑性指数P。实验验证表明，P值随冻融循环次数增加而增大，有效量化了冻融损伤岩石从脆性向塑性破坏模式的转变程度。

5. 冻融加载砂岩的基于能量损伤本构模型

基于塑性指数定义了冻融损伤变量，结合Weibull统计损伤模型和Lemaitre等效应变假设，建立了考虑冻融与加载耦合效应的损伤本构模型。该模型成功表征了冻融循环作用下峰值强度和峰值应变的劣化规律，揭示了冻融作用减缓损伤演化速率、增强材料塑性的机制。

研究结论表明，能量耗散诱发岩石细观结构损伤，而内部储存弹性能的突然释放是宏观破坏的主要驱动力。提出的塑性指数不仅从能量分配机制角度阐明了冻融循环砂岩从突然脆性破坏逐渐向渐进塑性破坏转变的物理机制，还可通过弹性模量（E）、屈服模量（D）和弱化模量（M）等可测量参数实现工程化应用。这项研究建立的能量演化定量方法学为寒区岩土工程稳定性评估，特别是在冻融与荷载耦合条件下的长期稳定性评估提供了理论基础，对寒区工程建设具有重要的理论价值和工程意义。

研究的创新性在于突破了传统依赖宏观力学参数或经验分段本构模型的局限，从热力学基本原理出发，揭示了冻融损伤岩石破坏模式转变的能量本质。未来研究可进一步考虑围压效应、多岩性适用性等问题，推动该理论模型在更复杂工程条件下的应用。