循环冲击-水饱和耦合作用下花岗岩单轴压缩力学与能量特性研究

针对爆破扰动区围岩受地下水侵蚀易失稳问题，研究人员通过SHPB动态冲击试验和水饱和处理制备损伤试样（IDSs/IDWSs），结合单轴压缩试验揭示了循环冲击次数增加导致应力阈值先增后降、不稳定微裂隙发育阶段占比升高的规律，证实水饱和显著降低应变能并削弱岩爆倾向性，为爆破-渗流耦合环境下围岩支护提供理论依据。

　　

地下工程中，爆破开挖产生的应力波会引发围岩裂隙扩展形成破碎带，而地下水的渗入进一步加剧岩体软化，这种"爆破-渗流"耦合作用严重威胁隧道稳定性。尽管已有研究分别探讨爆破扰动或水侵蚀对岩石的影响，但两者交互作用机制尚不明确。针对这一空白，湖南科技大学等机构的研究团队创新性地将动态冲击与静态压缩试验结合，系统研究了循环冲击-水饱和耦合作用下花岗岩的力学响应规律。

研究采用Split Hopkinson Pressure Bar（SHPB）对花岗岩试件进行1-15次动态循环冲击，制备冲击损伤试样（IDSs）及其水饱和样本（IDWSs），通过单轴压缩试验获取应力-应变曲线，结合声发射监测分析裂纹演化特征。关键技术包括：1）基于SHPB的循环冲击损伤模拟；2）水饱和处理构建渗流-应力耦合条件；3）能量演化计算模型；4）岩爆倾向性指数（如弹性能量指数W_ET
）评估体系。

【Determination of stress thresholds】
研究发现随着冲击次数增加，IDSs和IDWSs的裂纹闭合应力σ_cc
、起裂应力σ_ci
、损伤应力σ_cd
均呈现先升后降趋势，且IDWSs各阈值降低15-22%。特别在10次冲击后，IDWSs不稳定裂隙发育阶段占比达38%，较IDSs提高21%，揭示水饱和加速损伤累积。

【Energy principle】
能量分析表明IDWSs的总应变能U_t
、弹性应变能U_e
较IDSs下降40-60%，耗散能U_d
占比提升至65%。能量转化效率η（U_e
/U_t
）在5次冲击时出现峰值，证实存在最优冲击损伤程度。

【Rockburst proneness index】
岩爆倾向性指数显示：W_ET
随冲击次数呈"V"型变化，水饱和使指数降低0.15-0.3；动态强度劣化度D_n
与冲击次数呈指数关系，10次冲击后IDWSs的D_n
达0.78，预示工程中需重点关注中等冲击频次区域。

该研究首次阐明冲击-水耦合作用下岩石损伤的"阈值转变"规律，提出破碎带围岩支护应综合考虑冲击历史与渗流条件。成果发表于《Geoenergy Science and Engineering》，为深部地下工程灾害防控提供了重要理论支撑。国家自然科学基金（52474120）等资助项目验证了该研究的工程价值。