浸水条件下灌浆砂岩水化强化效应及其Drucker–Prager本构模型研究

《Scientific Reports》：Hydration-induced strengthening and progressive failure of grouted sandstone under water immersion

　　摘要水浸通常导致完整砂岩的力学弱化与劣化，而灌浆水化物的持续水化则可能在灌浆砂岩中引起相反的强化响应。为量化这种独特的水–浆相互作用，制备了具有中心灌浆结构的青色砂岩试件，并在浸水0天、5天、10天、15天和20天后进行了单轴压缩试验并结合数字图像相关法（DIC）进行观测。结果表明，在所研究的0~20天浸水期内，灌浆砂岩表现出水化引起的强化效应，而非完整砂岩常见的水致弱化现象。峰值强度和弹性模量随浸水时间逐渐增大，分别从86.79 MPa增至117.52 MPa，从10.95 GPa增至12.43 GPa。这种强化趋势与灌浆材料在浸水过程中持续水化的贡献相一致。能量演化分析表明，耗散能的转折点有效标志着从压实阶段向稳定裂纹扩展阶段的转变。DIC观测显示，随浸水时间增加，破坏模式系统性地从轴向拉伸劈裂过渡到拉剪复合破坏，最终演变为X形共轭剪切破坏。基于上述发现，通过引入水化强化系数和弹性模量强化系数，建立了水化强化的Drucker–Prager本构模型，该模型成功捕捉了屈服强度和弹性刚度的时变演化规律。所提出的模型为描述浸水条件下灌浆砂岩在0~20天研究期内的早期力学演化提供了定量框架。