《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Large-scale physical model Testing of CAES underground lined rock caverns ? Part II: Fatigue damage evolution and failure modes
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•多源框架揭示了疲劳损伤演变的四个阶段。•上限压力控制着向加速不稳定性的转变。•M7.5和M10表现出不同的疲劳演变路径和最终失效模式。引言在长期运行过程中，压缩空气储能（CAES）地下衬砌岩洞（LRC）会反复经历循环操作条件，包括充压、高压保持、放压和低压保持，如图1所示。因此
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多源框架揭示了疲劳损伤演变的四个阶段。
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上限压力控制着向加速不稳定性的转变。
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M7.5和M10表现出不同的疲劳演变路径和最终失效模式。
引言
在长期运行过程中，压缩空气储能（CAES）地下衬砌岩洞（LRC）会反复经历循环操作条件，包括充压、高压保持、放压和低压保持，如图1所示。因此，周围岩石不断受到循环内部压力的作用。这种长期的循环内部压力更有可能导致微裂纹的反复开启和闭合、局部滑动以及周围岩石内损伤的逐渐积累，从而影响储能洞的稳定性和运行安全性。因此，对于CAES地下LRC而言，关于周围岩石的关键问题不再仅仅局限于其瞬时承载能力，而在于其在循环内部压力下的疲劳退化过程和最终不稳定模式。
近年来，关于地下衬砌岩洞（LRC）的研究已从概念验证逐步扩展到多个方面，包括力学分析、现场测试、原位测试和数值模拟。例如，Kim等人（2012a、2012b、2015）从气体密封性和能量平衡的角度研究了浅埋LRC用于CAES的可行性。Zhou等人（2017）开发了一种分析方法来评估LRC在温度和气压共同作用下的力学响应。Jiang等人（2020）通过小规模现场测试洞和数值模拟分析了浅埋LRC的热力学过程和周围岩石的响应。Xu等人（2026）独立开发了一种用于CAES地下LRC的大规模物理模型测试系统。利用这一设施，他们揭示了压缩空气的热力学响应，以及周围岩石和衬砌在CAES循环过程中的力学响应特性。Damasceno等人（2023）系统研究了LRC在高内部压力下的周围岩石响应。Xia等人（2015）使用热机械相场模型分析了裂纹的起始和传播机制。Xiang等人（2025）从理论上讨论了LRC系统的载荷共享特性。这些研究为理解CAES地下LRC的力学行为和设计原则提供了重要基础。
然而，现有的关于CAES地下LRC的研究主要集中在热力学过程、密封和衬砌设计、载荷共享机制以及高内部压力下的瞬态力学响应上。相比之下，对周围岩石在长期循环内部压力下的疲劳退化过程的关注相对有限。特别是，仍然缺乏一个系统和统一的解释框架来理解周围岩石如何从稳定的循环响应逐渐发展到损伤积累，再到加速不稳定，以及在此过程中变形、能量耗散和最终裂纹形态之间的内在关系。换句话说，现有研究主要关注周围岩石对高内部压力的响应。相比之下，疲劳如何在循环内部压力下逐渐发展，何时加速，以及最终如何发生不稳定，这些方面仍然了解不足。LRC的长期力学行为、损伤积累和服务安全性是亟需进一步研究的关键问题（Jiang等人，2024）。
从一般岩石力学的角度来看，岩石在循环载荷下的损伤演变被认为是一个复杂的过程，涉及变形退化、能量耗散、微裂纹活动和最终失效模式的耦合演变。Liu和Dai（2021）指出，要全面理解岩石的循环损伤，需要同时考虑变形退化、能量耗散、损伤演变和失效特性。这本质上需要综合应用多种技术，如微观观察、声发射（AE）、微计算机断层扫描（micro-CT）和数字图像相关（DIC）。Song等人（2016）表明，仅依赖单一应变指标不足以完全描述岩石在循环载荷下的损伤演变。Meng等人（2016）进一步证明了AE和能量演变分析在识别循环载荷下不可逆损伤过程中的重要性。Fan等人（2024）也表明，AE活动可以有效描述岩石的失效过程，并有助于识别不稳定性的前兆信号。这些研究表明，仅依靠宏观变形观察不足以揭示CAES地下LRC中周围岩石的疲劳机制。相反，应综合分析残余变形、滞后能量耗散、AE活动和最终裂纹形态。
基于大规模循环载荷物理模型测试，本研究建立了一个以机制为导向的多源解释框架，用于分析CAES地下LRC中周围岩石的疲劳退化。该框架整合了环向变形和残余变形、等效环向应力-应变滞后响应、表观耗散能指数、多参数AE响应和测试后的裂纹形态。这些指标的协调演变用于描述周围岩石疲劳损伤的逐步发展。本研究关注三个方面。首先，基于多源响应特性，识别了周围岩石在循环内部压力下的阶段依赖性疲劳演变。其次，通过不可逆变形、滞后响应和与裂纹相关的AE活动的协调变化，解释了从稳定循环响应到损伤积累和加速不稳定的转变。第三，研究了上限压力和周围岩石强度对疲劳损伤路径和最终失效模式的影响。结果为CAES地下LRC的长期稳定性评估、运行压力控制和多参数不稳定性预警提供了实验基础。
部分摘录
物理模型测试平台简介
本研究分析的实验数据来自一个自主开发的大规模物理模型测试平台，其整体功能示意图如图2所示。该平台的详细结构设计、密封机制和基本验证已在第一部分系统介绍。因此，这里仅提供其核心功能和数据采集方法的简要概述。如图2所示，测试平台主要由一个模型组成
变形行为
普遍认为，在LRC的运行过程中，周围岩石在内部储存压力的作用下会从初始的压缩应力状态转变为拉伸应力状态。随着内部压力的增加，当周围岩石的环向应力达到或超过其拉伸强度阈值时，可能会首先诱导出拉伸裂纹，并在随后的变形过程中进一步发展为剪切破坏或混合破坏模式
周围岩石的AE响应
在加载过程中，岩石变形伴随着大量微裂纹的产生。随着这些裂纹的持续扩展，能量以弹性波的形式迅速释放；这种现象被称为AE（Zang等人，2024）。通过系统研究岩石破裂发展和失效过程中基本和特征AE参数的演变，并结合多种分析方法，可以研究岩石变形过程中的裂纹相关活动的发展
周围岩石的失效特性
同步监测结果显示，在1.2 MPa的上限压力下，周围岩石表现出加速的环向和残余应变积累、越来越明显的等效滞后响应、表观耗散能指数增加以及AE活动加剧。这些时间依赖的响应表明从相对稳定的循环状态向
循环内部压力下周围岩石的渐进疲劳演变
测试结果表明，CAES地下LRC中周围岩石的退化不是一个瞬时不稳定过程，而是表现出明显的渐进疲劳退化特性。在相对较低的上限压力下，环向应变随着循环次数的增加而趋于收敛，残余环向应变积累缓慢，滞后环保持狭窄和紧凑，AE活动相对稀少。这表明
意义和局限性
结果表明，CAES地下LRC的长期稳定性评估应整合变形和AE指标，而不仅仅依赖单一的极限状态参数。残余应变可以表征累积的不可逆变形，而AE活动的变化可能提供有关裂纹相关过程的补充信息。它们的协调演变对于识别向加速不稳定性的转变更为有用。
应当注意几个局限性
结论
基于循环内部压力下的大规模物理模型测试，通过整合变形、等效滞后响应、表观耗散能指数、AE活动和测试后的裂纹形态，研究了周围岩石的疲劳演变和最终失效特性。主要结论如下：
(1) 周围岩石在循环内部压力下的响应经历了四个阶段：初始压缩、稳定循环响应、渐进损伤
CRediT作者贡献声明
Hui Guo：撰写——原始稿件、方法论、数据管理、概念化。Guohua Zhang：监督、资源提供。Feng Xiong：撰写——审阅与编辑。Dongjie Hua：监督、概念化。Xiaoqian Luo：数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。
致谢
本研究由中国国家自然科学基金（项目编号U24A20599, 42572344）和中国五矿集团有限公司科技专项计划的“公告与领导”项目（项目编号2025ZXA04）资助。
Hui Guo|Guohua Zhang|Feng Xiong|Dongjie Hua|Xiaoqian Luo
