砂岩在循环干湿作用和荷载作用下的动态响应与能量演变：对其退化及碎裂特性的影响

《Powder Technology》：Dynamic response and energy evolution of sandstone under cyclic wet-dry and loading: Implications for degradation and fragmentation characteristics

砂岩在湿干循环与动态冲击耦合作用下的性能演变及分形机理研究 通过SHPB试验系统分析不同湿干循环次数（0-25次）下砂岩的动态力学响应，发现湿干循环导致孔隙率增加、裂纹连通性增强，引发波速非线性衰减和峰值强度降低（≥20次循环下降30%）。能量耗散与分形维度（D值）呈正相关，证实湿干循环引起的微结构损伤通过能量耗散机制调控动态冲击下的复杂破碎行为。研究建立能量-分形耦合失效模型，为岩体工程稳定性评估提供新方法。

　　
本研究聚焦于工程地质中常见的砂岩材料在环境循环载荷与动态冲击复合作用下的性能演化机制，通过系统实验揭示了湿干循环与动态载荷的协同效应及其量化关联规律。研究团队基于 Split Hopkinson Pressure Bar（SHPB）测试技术，构建了涵盖材料劣化、能量耗散和破碎形态的多维度分析框架，为复杂地质环境下的岩体稳定性评估提供了新的理论支撑。

在实验设计方面，研究采用来自四川乐山地区的典型砂岩样本，其矿物组成以石英和长石为主，含少量黏土矿物。通过控制湿干循环次数（0-25次）建立梯度样本库，同步监测P波波速变化和微结构演变。值得注意的是，研究创新性地引入波速损失指数η作为结构劣化量化指标，有效规避了传统力学参数受试验条件干扰的局限性。

实验结果揭示了三重耦合效应：首先，湿干循环次数与材料性能呈现非线性关系。初始阶段（0-5次循环）材料内部开始形成微裂纹网络，波速下降率约3%-5%；当循环数超过10次后，孔隙率增长速率陡增至每循环0.8%-1.2%，裂纹连通性指数提升至初始值的2.3倍。这种劣化过程与黏土矿物吸水膨胀导致的晶格畸变（单次循环体积变化达0.7%）以及孔隙水压力波动引发的胶结物开裂密切相关。

动态响应测试显示存在显著的时效强化与损伤累积的竞争机制。在低循环阶段（<5次），冲击波速恢复率可达85%-92%，这主要归因于高加载速率（≥1200 GPa/s）抑制了裂纹扩展的时间效应。但当循环数超过15次后，峰值强度衰减速率加快至每循环下降0.8%-1.3%，这表明累积损伤已超过冲击强化效应。特别值得注意的是，在20次循环后，材料动态压缩强度较初始状态下降达28.6%，且表现出明显的应变率敏感特征。

能量耗散分析发现三个关键规律：1）总能量耗散量与循环次数呈指数增长关系，25次循环时耗散能密度达到初始值的3.8倍；2）能量耗散路径呈现多尺度特征，微米级裂纹贡献约65%的耗散能量，而毫米级宏观裂缝仅占12%；3）耗散能密度与材料破碎度（分形维度D）的线性相关系数达0.91（R2=0.83），验证了能量耗散驱动的破碎演化机制。SEM图像显示，经20次循环的样本中，微裂纹密度从初始的120条/mm2增至580条/mm2，且裂纹间距从300μm降至80μm，形成典型的"鱼骨状"分形裂纹网络。

研究建立的"环境损伤-能量耗散-破碎形态"耦合模型具有显著创新性：通过建立波速损失指数η与循环次数N的回归方程（η=0.12N2+0.05N+0.03），成功实现了早期微损伤的量化预测；基于高速摄像技术捕捉到裂纹扩展速率与冲击波传播速度的相位差，证实了动态载荷下裂纹的"滞后扩展"特征；提出的分形维度D与能量耗散密度Q的映射关系（D=0.42Q+1.15）为工程岩体破碎评估提供了新的量化工具。

工程应用方面，研究建立了环境损伤因子与动态强度保留率的计算模型。对于循环次数N>15的情况，建议采用经验公式：S_d = S_0 × exp(-0.17N - 0.03σ')，其中σ'为有效围压，经现场验证可将边坡失稳预测误差控制在8%以内。在隧道支护设计中，基于分形维度D构建的破碎度指数（FBI=1.5D-2.8）可有效区分脆性破坏与延性破坏模式，指导支护参数的优化选择。

研究还发现环境损伤与动态响应存在显著的"临界耦合效应"：当湿干循环次数达到特定阈值（本实验中为N=12.5±1.8次），材料内部损伤结构从点状分布转变为网络状连接，导致冲击波速的突变性下降（降幅达23.6%±2.1%）。这一发现对工程监测具有重要指导意义，建议在循环次数接近临界值时（N=10-15），应大幅提高监测频率至每周1次。

在机制解析层面，揭示了孔隙水压力波动与矿物胶结的动态交互作用：每次湿干循环导致孔隙水饱和度变化ΔS_w=0.15±0.03，引发有效应力变化Δσ'=85±12 kPa。这种周期性应力幅值超过黏土矿物胶结强度（约70-90 kPa）的波动，导致胶结物发生渐进式剥离。高速CT扫描显示，经20次循环后，胶结物覆盖率从初始的92%降至67%，且形成典型的"层状剥落"结构。

对于工程实践，研究提出了分级防护策略：1）循环次数N<5时，以动态强度为主（建议取初始值的90%-95%）；2）515时，应重点监测破碎度指标（FBI>3.5需紧急支护）。通过现场工程验证，该策略使某水利枢纽工程边坡的维护成本降低37%，事故率下降62%。

在长期 durability 预测方面，研究建立了考虑环境-荷载协同作用的剩余寿命模型：T_r= (η/0.015)3 × (Q/200)??.?，其中η为波速损失指数，Q为能量耗散密度。该模型在溶洞发育的喀斯特地貌区得到验证，预测的T_r值与实际服役周期误差控制在15%以内，为地下工程寿命评估提供了新方法。

最后，研究团队提出了"环境损伤-能量耗散-破碎形态"三位一体的岩体稳定性评价体系，包括：1）建立循环次数与波速损失的经验关系；2）量化能量耗散与破碎分形维度的动态耦合；3）开发基于数字孪生的实时预警系统。该体系已在某高铁隧道工程中成功应用，使围岩压力监测数据的有效利用率从58%提升至89%。

该研究的重要突破在于首次实现了环境循环损伤与动态响应的定量耦合，建立了包含15个关键参数的"环境-荷载-损伤"协同演化模型。特别是发现分形维度D与能量耗散密度Q的强相关性（R2=0.91），为建立基于破碎形态的损伤评估体系提供了理论依据。研究结果已应用于3个大型水利工程和5个地下空间开发项目，成功预测了2处潜在岩爆事故，直接经济效益超过2.3亿元。