含水率对泥岩多参数损伤响应的影响及分段变权综合损伤模型研究

《Scientific Reports》：Multi-parameter assessment and integrated damage modeling of water-bearing mudstone under uniaxial compression

　　

摘要

泥岩通常作为地下矿井中的隔水层，其受水软化降解可促进裂隙扩展、孔隙水迁移及突水灾害的发生。由于泥岩对水具有极强的敏感性，含水泥岩相较于含沙砂岩表现出不同的力学劣化特征，因此需要根据岩性分别进行损伤表征。本研究对不同含水率下的泥岩试样进行了单轴压缩试验，同时监测了力学、声发射及电学响应。通过分析这些参数的时间演化规律，揭示了含水率对破坏前兆指标的影响，并建立了各监测响应之间的经验关系。基于上述多参数响应，建立了分段变权综合损伤本构模型，通过考虑不同损伤指标的阶段贡献，表征了泥岩的渐进破坏过程。结果表明，含水率的增加显著削弱了泥岩的力学承载能力和储能能力：峰值强度、弹性模量、累积声发射能量及初始电阻率分别降低了47.67%、52.84%、87.65%和97.59%，而峰值应变增加了18.88%。综合损伤模型对实测应力-应变曲线的拟合精度优于单变量损伤模型，决定系数超过0.99。本研究为含水泥岩的多参数损伤表征提供了实验尺度框架，并为进一步研究隔水层稳定性奠定了基础。