承压水浸泡砂岩的微观-介观劣化与循环扰动诱导损伤演化

《Engineering Fracture Mechanics》：Micro–mesoscopic deterioration and cyclic disturbance-induced damage evolution of pressure-water-immersed sandstone

　　

以下是全文的中文翻译：

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- 压力水浸软化了砂岩的胶结和孔隙结构。
- 孔隙率从7天的0.665%增至28天的6.304%。
- 循环扰动加速了不可逆应变和峰值前损伤。
- 声发射（AE）结果表明破坏模式由拉伸向拉剪复合转变。
- 一个峰值前损伤模型将孔隙率、强度损失与AE计数相耦合。

**引言**

随着中国"双碳"目标的持续推进，煤炭产业绿色转型以及地下矿山空间的再利用受到越来越多的关注[1]。抽水蓄能具有调峰能力强、运行稳定、寿命长和大规模储能潜力等特性，已成为新型电力系统的重要储能技术[2]、[3]。近年来，利用废弃矿山中的竖井、巷道、硐室和采空区等既有地下空间修建抽水蓄能地下水库引起越来越多关注。与传统地下工程相比，废弃矿山地下水库的围岩不仅承受由水库扬程引起的持续水压，还受到水库运行和外部扰动相关的循环荷载作用，其水致劣化和扰动损伤因而表现出显著的长期性和累积性特征[4]。

已有大量研究从微观结构演化、力学性能劣化和损伤演化机制等角度系统考察了水岩相互作用下岩石力学性质的劣化。Han等[5]报道，长期浸泡会显著改变砂岩的孔隙结构、力学行为和声发射响应，且劣化过程与黏土矿物吸水膨胀及钾长石溶解密切相关。从多尺度视角，Meng等[6]揭示了干湿循环下砂岩的水致劣化机制，指出水吸附、黏土矿物作用以及孔隙—裂缝连通性的增强是强度退化的重要原因。Tong[7]、Sun[8]和Zheng等[9]进一步证明，矿物水化、胶结弱化、颗粒接触退化以及孔隙—裂缝扩展共同控制了岩石结构完整性的降低。Liu[10]和Yu等[11]指出，浸水高度和水的空间分布显著影响岩石强度、弹性模量和损伤演化特征。

关于含水岩石的扰动响应与循环荷载行为，现有研究主要关注含水状态、加载路径与损伤累积之间的关系。Chen等[12]发现，含水软岩在低频扰动下声发射响应更为活跃，且总体损伤程度随含水量增加而增大。Zhao等[13]报道，水饱和度和既有损伤会降低红砂岩的循环荷载强度，并收窄 Kaiser 效应有效识别范围。从循环荷载与能量演化角度，Sun[14]和Liu等[15]揭示了含水砂岩孔隙结构、耗散能和破坏模式的演化过程。Gu[16]和Wang等[17]分别从孔隙率和结构面效应的观点，进一步证明饱和水、孔隙结构和弱面特征影响岩石的动态响应和裂缝扩展过程。这些研究表明，含水条件与扰动荷载的耦合效应会改变裂缝闭合、张开、滑移和扩展行为，导致明显的阶段性且非线性的损伤演化。

为识别含水岩石的损伤演化过程，声发射、电磁辐射、能量分析和分形方法已被广泛应用。Zhu等[18]、[19]指出，含水量的增加会削弱岩石的抗拉强度，并改变AE能量释放和裂缝类型分布。Jia等[20]发现，含水量与加载路径共同影响AE静默期和电阻率响应。Li等[21]提出AE能量序列的方差可用于识别大规模裂缝扩展的前兆。Shen[22]和Li等[23]基于电磁辐射和多分形参数分析了含水砂岩的损伤前兆特征。从能量分配角度，Zhou等[24]揭示了含水量对岩石断裂过程的影响，Bian等[25]通过将水致弱化效应与统计损伤理论相结合建立了损伤本构模型。总体而言，已有研究在水致劣化、扰动响应、损伤识别与模型表征等方面深化了对含水岩石破坏行为的理解。

然而，大多数现有研究采用的是自然浸泡、常压饱和或不同含水率条件，其侧重点是达到某一含水状态后的力学差异。传统的饱和处理主要表征最终含水状态，无法充分重现地下水库围岩所经历的压力驱动渗流过程。在废弃矿山修建的地下抽水蓄能水库中，水库扬程产生的液压可沿孔隙、颗粒边界和微裂缝持续驱动水分迁移，从而促进局部孔隙—裂缝发育与界面弱化。因此，相较于传统饱和处理，压力水浸泡更能代表地下水库围岩的长期承压水环境。然而，压力水浸泡所引起的初始结构损伤如何在循环扰动下影响不可逆变形、裂缝类型转变以及最终失稳，仍缺乏充分理解。

因此，本研究将砂岩试样在恒定0.60 MPa压力下分别进行7、14、21和28天的压力水浸泡，随后进行由预静态加载、循环扰动和持续加载至破坏组成的加载路径试验。通过SEM、CT、力学响应和AE参数的综合分析，研究了多尺度损伤演化过程。与仅表征饱和状态的研究不同，本研究揭示了一种连续机制：压力驱动的渗流导致初始结构弱化，随后循环扰动诱发反复的裂缝开合、界面滑移和不可逆变形累积，持续加载进一步促进裂缝分叉、相互作用和贯通，最终将局部孔隙—裂缝损伤转变为拉剪复合失稳。研究结果可为评估废弃矿山中地下抽水蓄能水库围岩长期稳定性提供依据。

**分节摘要**

**试样制备**

本研究所用砂岩采自中国宁夏某矿山。按照ISRM建议方法，对完整岩芯进行取芯、切割和磨制，制备直径50 mm、高度100 mm的标准圆柱试样。端面平行度控制在0.02 mm以内，如图1(a)所示。为确定试样矿物组成，对原始砂岩进行了X射线衍射（XRD）分析。结果……

**SEM形态特征**

图5展示了不同压力水浸泡时长后砂岩试样的SEM形貌。浸泡7天后，试样表面仍以相对致密的基体及连续颗粒堆积为主，保留了明显的颗粒接触和相互嵌合关系，仅在局部观察到少量开放孔隙，表明此阶段微观结构仍相对完整。浸泡14天后，薄片状……

**强度与变形特征**

图7展示了不同压力水浸泡时长试样在单轴加载与循环扰动下的应力—应变曲线。总体来看，所有组别曲线均呈现四个阶段：压密、弹性变形、稳定裂缝扩展和峰值后失稳。在单轴加载下，峰值强度随浸泡时长增加而逐渐降低，曲线斜率下降，峰值前变形增大，表明压力水……

**声发射特征参数**

累积AE计数和AE能量可分别表征裂缝事件的累积程度与破坏活动强度[27]。图10展示了不同压力水浸泡时长试样的应力、累积AE计数与AE能量的时间演化过程。在预静态加载阶段，各组AE活动总体较弱。累积AE计数缓慢增长，AE能量保持低水平，仅出现轻微波动……

**声发射损伤模型的建立**

为定量表征长期压力水浸泡与加载过程对砂岩损伤演化的耦合影响，基于有效承载面积理论建立了峰值前损伤变量模型。设A为试样名义截面积，A?为非浸泡状态下的有效承载面积，A_T为浸泡时长T后加载前的有效承载面积。长期……引起的初始损伤变量

**结论**

(1) 长期压力水浸泡逐步劣化了砂岩的微观—细观结构。随着浸泡时长从7天增至28天，微观结构从相对致密的颗粒接触演化为颗粒间隙扩大、松散碎屑、不规则坑蚀以及微裂缝增多。同时，CT测得的孔隙率由0.665%增至6.304%，孔隙—裂缝结构由孤立分散的缺陷逐渐转变为聚集并……

**CRediT作者贡献声明**
Jiazheng Zhang：原稿撰写、验证、形式分析。
Zhijie Wen：撰写—审阅与编辑、指导、项目管理、经费获取。
Shunkun Zhao：撰写—审阅与编辑、数据管理、概念构思。
Yujing Jiang：资源、方法、调查研究。
Yujun Zuo：可视化、软件、方法。

**利益冲突声明**
作者声明没有可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**
本研究得到国家自然科学基金（项目编号：52574108）、山东省自然科学基金重大基础研究项目（项目编号：ZR2024ZD22）、贵州大学科技创新团队（项目编号：2023375）、贵州大学青年自然科学基金杰出青年项目（项目编号：2023(09)）、贵州省联合基金（项目编号：LH[2024]-026）以及贵州省科技……资助。

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