冻融作用下不同初始损伤程度-饱和度砂岩循环加卸载力学响应与演化机制

林志南; 黄文杰; 张强; 王家全; 龙海锋

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2504247

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (13) :5658-5669 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2504247

建筑科学

冻融作用下不同初始损伤程度-饱和度砂岩循环加卸载力学响应与演化机制

林志南 ¹^,² ,
黄文杰 ¹^,² ,
张强 ³^,^* ,
王家全 ¹^,² ,
龙海锋 ¹^,²

作者信息 +

Mechanical Response and Evolution Mechanism of Cyclic Loading-unloading in Damaged Sandstone with Different Saturations under Freeze-thaw Action

LIN Zhi-nan ¹^,² ,
HUANG Wen-jie ¹^,² ,
ZHANG Qiang ³^,^* ,
WANG Jia-quan ¹^,² ,
LONG Hai-feng ¹^,²

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摘要

寒区岩体在冻融环境下的劣化行为严重威胁工程结构的安全性与稳定性。通过Rock Top多场耦合试验仪,开展冻融作用下不同饱和度与损伤程度砂岩的单轴循环加卸载试验,研究其力学性能及能量演化规律。结果表明:随饱和度与损伤值的增加,冻融砂岩峰值强度显著降低,峰值应变增大,且损伤值越高,砂岩承载能力下降越显著,破坏模式逐渐由脆性向延性转变;循环加卸载过程中,弹性模量随循环次数与损伤值的增加呈“骤降-缓慢下降-加速下降”三阶段衰减规律;随循环次数、饱和度及损伤值的增加,弹性应变能逐渐向耗散能转化,且饱和度与损伤值越高,累积能量与耗散能比例越大;扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)观测表明,冻融次数、饱和度及损伤值的增加导致砂岩内部裂纹与孔隙显著增多,微观结构劣化加剧,高损伤值条件下裂纹网络贯通效应尤为显著。研究表明,饱和度与损伤值的协同作用是冻融砂岩宏观力学性能劣化的关键因素。研究成果为寒区岩体工程的设计与灾害防控提供了理论依据。

Abstract

The degradation of rock masses under freeze-thaw cycles in cold regions presents a serious threat to the safety and stability of engineering structures. The mechanical properties and energy evolution of sandstone with different saturation levels and damage degrees under freeze-thaw cycles were investigated. Uniaxial cyclic loading tests were conducted using the rock top multi-field coupled test apparatus. The results show that as saturation and damage values increase, the peak strength of freeze-thawed sandstone decreases significantly, while the peak strain increases, and the failure mode shifts from brittle to ductile. The elastic modulus decreases progressively with the number of cycles and damage values, displaying a three-stage decay pattern: sharp decline, gradual decline, and accelerated decline. With increasing cycles, saturation, and damage values, the elastic strain energy is gradually converted into dissipated energy. Higher saturation and damage values result in greater cumulative and dissipated energy ratios. Scanning electron microscopy (SEM) observations reveal that the number of cracks and pores increases significantly with freeze-thaw cycles, saturation, and damage values, leading to severe microstructural degradation, especially under high damage conditions where crack connectivity is notably enhanced. This study demonstrates that the synergistic effect of saturation and damage values is a critical factor in the macroscopic mechanical degradation of freeze-thawed sandstone. The findings offer theoretical support for the design and risk mitigation of rock mass engineering in cold regions.

Graphical abstract

关键词

损伤砂岩 / 冻融作用 / 循环加卸载 / 饱和度 / 能量耗散

Key words

damaged sandstone / freeze-thaw action / cyclic loading-unloading / saturation / energy dissipation

引用本文

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林志南, 黄文杰, 张强, 王家全, 龙海锋. 冻融作用下不同初始损伤程度-饱和度砂岩循环加卸载力学响应与演化机制[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(13): 5658-5669 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2504247

LIN Zhi-nan, HUANG Wen-jie, ZHANG Qiang, WANG Jia-quan, LONG Hai-feng. Mechanical Response and Evolution Mechanism of Cyclic Loading-unloading in Damaged Sandstone with Different Saturations under Freeze-thaw Action[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(13): 5658-5669 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2504247

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中国寒区面积广阔,约占国土面积的3/4,且以季节性冻土为主,广泛分布于西北、华北及东北等高纬度或高海拔地区^[1]。这些区域不仅是重要的生态屏障,也是水利工程建设的核心地带,承载着水库大坝、输水渠道、边坡防护等关键基础设施。然而,寒区水利工程长期面临冻融循环与复杂荷载耦合作用的挑战:一方面,冻融过程中岩体孔隙水的反复相变会引发冻胀开裂,加剧结构损伤;另一方面,水库蓄放水、波浪冲击及地震荷载等动态作用可能导致岩体力学性能持续劣化,进而使岩石产生损伤^[2]。据统计,中国寒区约30%的水工建筑物病害(如坝基渗漏、边坡滑移)与冻融-荷载耦合作用密切相关,严重威胁工程安全与服役寿命^[3-7]。因此,揭示冻融循环与循环荷载协同作用下岩体的力学响应及能量演化规律,对寒区水利工程的设计优化与灾害防控具有重要意义。

目前,国内外学者对冻融循环下水工岩体的力学特性和劣化机理开展了一系列的试验研究。研究表明,循环冻融对岩石的力学特性产生了显著影响。田森等^[8]、Zhang等^[9]、陆翔等^[10]以及李勇等^[11]的研究均表明,随着循环冻融次数的增加,岩石的强度和弹性模量呈现下降趋势,峰值应变逐步增加。这种下降趋势在不同类型的岩石中均得到了验证,如裂隙岩石^[12-16]、砂岩^[17-20]、泥岩^[10]。同时,岩石的破坏模式也随着循环冻融次数的增加而发生由脆性破坏向延性破坏变化。在冻融循环作用下,岩石内部孔隙中的水会经历冻结-融化的过程,孔隙水冻结产生的膨胀压力会诱发微裂纹扩展,同时水冰相变会加剧岩石劣化,而饱和度则直接影响冻胀损伤的累积速率^[21-26]。此外,利用核磁共振法(nuclear magnetic resonance,NMR)技术对循环冻融后砂岩进行微观结构分析可知循环冻融会使砂岩中小孔隙尺寸增加^[27-28]。值得注意的是,水利工程岩体常处于非饱和状态(如库水位变动带、渠道衬砌基底),其劣化机制与饱和岩体存在显著差异,但目前相关研究仍较为缺乏。

与此同时,循环荷载对水工岩体稳定性的影响亦不容忽视。水库周期性蓄放水、泄洪振动及冰推力作用会形成典型的循环加卸载应力路径,导致岩体疲劳损伤。傅鹤林等^[29]、刘汉香等^[30]和杨小彬等^[31]展开了相应的研究,结果显示循环加卸载会诱发滞回效应,加速损伤累积。Ding等^[32]对煤岩开展了单轴压缩和单轴循环加卸载试验,结果表明循环加卸载下煤岩的力学特性相比于单轴压缩有着明显的滞后性;Meng等^[33]利用MTS816试验系统对四种岩石进行单轴压缩和单轴循环加卸载试验,探究了岩石在循环荷载下能量演化规律;Zhang等^[34]对人工预制不同倾角柱状节理试样进行三轴循环加卸试验,倾角决定柱状节理试样的力学特性及破坏模式;王飞等^[35]对砂岩进行预制损伤,研究荷载、冻融共同作用下损伤砂岩微观结构变化及力学损伤;Gong等^[36]对4种岩石材料在5个卸荷应力水平下进行了单循环加载-卸荷单轴压缩试验,结果表明,循环加载-卸载对岩石加载-变形响应变化的影响很小,输入能量密度、弹性能量密度和耗散能量密度参数均随卸载应力水平的增加而非线性增加,呈二次函数关系。

尽管现有研究在单一冻融或循环荷载作用方面取得了一定进展,但针对寒区水利工程中冻融-循环荷载耦合作用的研究仍显不足,尤其是受地下水位波动影响的非饱和库区岩体,其损伤演化规律尚未明晰。现以寒区水库坝基防护工程为背景,选取典型砂岩为研究对象,开展冻融循环作用下不同饱和度-损伤砂岩循环加卸载试验研究。通过设计不同饱和度和预损伤度工况,系统分析不同饱和度损伤砂岩在冻融循环及循环加卸载作用下物理力学特性和能量演化规律,探究饱和度、损伤值对冻融砂岩微观结构劣化规律,以期为寒区岩体工程的设计与灾害防控提供理论依据。

1 试验概况

1.1 试验岩样及制备

所用砂岩取自中国寒区某水库堤坝,其基本物理及力学参数如表1所示。按标准试样的制作要求,将其加工成规格直径×高度为50 mm×100 mm的标准圆柱形(图1),且砂岩两端平整度误差在0.02 mm以内。根据Bruker D8 Advance全自动粉末X射线衍射试验结果可得,砂岩试样粉末主要成分为绿泥石(12.5%)、钠长石(44.0%)和钾长石(25.7%),以及少量的石英、白云母和方解石,如图2所示。

1.2 试验设备

试验采用的主要仪器有JHY-H-80L全自动低温冻融试验箱、Cores2230核磁共振仪及Rock Top多场耦合试验仪,设备如图3所示。HY-H-80L全自动低温冻融试验箱,温度范围-40~80 ℃,温度均匀度±0.5 ℃,如图3(a)所示;循环加卸载试验使用Rock Top多场耦合试验仪,如图3(b)和图3(c)所示。Rock Top多场耦合试验仪配备了三套独立的加载系统,分别用于施加轴压、围压和渗透水压,其中最大轴压为500 MPa,围压为60 MPa,渗压为50 MPa。三轴剪切压力室装置配置了一套多通道PC控制系统,其可独立伺服控制轴压、围压和渗透压力。另外,该装置配有两个轴向双通道轴向位移(linear variable displacement transducer,LVDT)传感器,传感器精度为0.001 mm,量程可达12 mm。

1.3 试验方案

为探究冻融环境下不同损伤值和饱和度砂岩的力学特性,对冻融砂岩进行循环加卸载试验,具体加载方案如表2。

(1)不同损伤值(取砂岩单轴抗压强度的 0、45%、70%)砂岩制备。由表1结果可得砂岩的单轴抗压强度,通过单轴试验以 0(无损伤), 45%及 70%的峰值强度(σ_c)表征岩石的不同初始损伤程度。

(2)不同饱和度岩样制备。首先,使用真空饱和机对不同损伤值砂岩进行强制饱和处理;其次,将饱和砂岩放于干燥皿中自然风干,通过质量控制法得到不同饱和度的砂岩^[37];最后,采用凡士林涂抹砂岩表面,避免水分蒸发;试验的饱和度设为0、50%、100%。

(3)冻融循环试验。冻融循环次数设为30次。不同饱和度砂岩在-20 ℃冻结12 h,在20 ℃融解12 h作为一个冻融循环周期,如图4所示。

(4)单轴循环加卸载试验。以0.03 mm/min的速率施加轴向位移,应力差(σ₁-σ₃)达到目标值后转为应力控制的稳压模式,且每个梯级循环5次,第一级加载时应力下限为0.15σ_c,后续每个梯级的应力下限依次提高0.2σ_c,即第一个梯级应力下限为0.15σ_c,第二个梯级下限为0.35σ_c,后续依次为0.55σ_c、0.75σ_c和0.95σ_c等,直至试件破坏,应力路径如图5所示。

2 循环荷载作用下冻融砂岩力学特性分析

2.1 单轴循环荷载下冻融砂岩的应力-应变曲线

图6为不同损伤值与饱和度下冻融砂岩循环加卸载试验的典型应力-应变曲线。与单轴压缩曲线相比(表3),冻融砂岩的峰值轴向应变有所增大、峰值强度有所下降,当损伤值为0%时,与单轴压缩试样相比,饱和度由0增加至100%,峰值轴向应变分别增加5.31%、4.85%和3.7%,峰值强度分别减少6.61%、8.05%和7.24%;当饱和度不变时,随着损伤程度增加,冻融砂岩塑性增强破坏模式由脆性破坏转为延性破坏,表明冻融砂岩经过循环加卸载后使其塑性有所增大、峰值强度也有所下降。同时,在每一级循环加卸载过程中滞回线表现出疏-密模式,最后一级的加卸载滞回线呈现出疏-密-疏模式,主要是初始循环的疏阶段是由于裂纹扩展所消耗的能量引起的;在密的阶段,摩擦功占主导地位,裂纹的扩展较小;当冻融砂岩接近破坏时,裂纹扩展呈主导地位,形成较疏的模式^[38]。

为量化饱和度与损伤值之间的协同效应,对比分析表明,高损伤-高饱和度组合工况(DX70-100)的强度降幅显著超过了仅高损伤(DX70-0)与仅高饱和(DX0-100)条件下强度降幅。这种现象清晰地证明了协同劣化机制,水会渗入损伤砂岩中存在的裂纹增强冻融作用下的损伤累积,从而使岩石产生劣化。

2.2 弹性模量变化规律

弹性模量E_S 和泊松比υ是评价冻融砂岩在循环加卸载作用下全应力-应变曲线过程中刚度和变形特征的重要参数^[39],弹性模量和泊松比的计算公式^[40]为

(1)

${\mathit{E}}_{1}=\frac{\mathit{\sigma }}{{\mathit{\epsilon }}_{\mathit{e}}+{\mathit{\epsilon }}_{\mathit{p}}}=\frac{\mathit{P}\mathit{N}}{\mathit{O}\mathit{N}}$

(2)

${\mathit{E}}_{2}=\frac{\mathit{\sigma }}{{\mathit{\epsilon }}_{\mathit{e}}}=\frac{\mathit{P}\mathit{N}}{\mathit{Q}\mathit{N}}$

式中:E₁为加载变形模量;E₂为卸载变形模量;P点为峰值点;ε_p为残余应变;ε_e为弹性应变。变形模量计算示意图如图7所示。

根据式(1)、式(2)的加、卸载弹性模量计算公式,得到弹性模量随循环进程的变化曲线,如图7所示。

2.2.1 弹性模量的演化规律

从图8可以看出,不同工况下的弹性模量演化趋势整体上较相似,均是随循环次数的增加而减小,且呈现出“骤降→缓慢下降→加速下降”3个阶段的趋势,这是因为冻融砂岩在循环荷载作用下,对其内部结构产生劣化效果,对应的弹性模量有所下降;在同一应力幅值循环中,弹性模量变化较小,且加载弹性模量比卸载弹性模量大,呈现出“波浪形”的趋势,与Xiao等^[41]的不同温度下砂岩循环加卸载试验研究结论相一致。这是由于加载过程中微裂纹被压密闭合,提高了冻融砂岩的抗变形能力,卸载过程应力下降,微裂纹逐渐释放,抗变形能力降低。

2.2.2 循环荷载条件对模量的影响

随着饱和度增大,E₁和E₂整体上逐渐减小,尤其饱和度从50%增加至100%相比饱和度0递增至50%的E₁和E₂减小较大,说明饱和度越大,冻融砂岩的抗变形能力越小。

纵向对比不同损伤值发现,随着损伤值增大,各饱和度下第一等级循环的整体加、卸载弹性模量变化较大,尤其当饱和度为100%时,损伤值0与损伤值100%加、卸载弹性模量整体相差达53.21%,这是由于损伤值越大,造成冻融砂岩的微裂纹增加,弹性模量变化较大。此外,在缓慢下降阶段的整体降幅较大,尤其在最后一级的应力幅值循环中,加、卸载模量波动较大。

3 循环荷载变形过程砂岩能量演化规律

3.1 能量计算模型构建

假设单位体积下冻融砂岩为封闭体系,总能量U₀为冻融砂岩弹性应变能U_e和不可逆变形的耗散能U_d之和,单位体积冻融砂岩的能量计算^[42]为

(3)

${\mathit{U}}_{0}={\mathit{U}}_{\mathit{e}}+{\mathit{U}}_{\mathit{d}}$

式(3)中:U₀为总能量;U_e为弹性能;U_d为耗散能。

图9为能量密度计算示意图。U₀、U_e和U_d可以根据式(4)~式(6)进行计算。

(4)

${\mathit{U}}_{0}=\sum _{\mathit{i}=1}^{\mathit{N}}\frac{1}{2}({\mathit{\sigma }}_{\mathit{i}}+{\mathit{\sigma }}_{\mathit{i}+1})({\mathit{\epsilon }}_{\mathit{i}}-{\mathit{\epsilon }}_{\mathit{i}+1})$

(5)

${\mathit{U}}_{\mathit{e}}=\sum _{\mathit{i}=1}^{\mathit{M}}\frac{1}{2}(\mathit{\sigma }\mathit{\text{'}}{\mathit{ }}_{\mathit{i}}+\mathit{\sigma }\mathit{\text{'}}{\mathit{ }}_{\mathit{i}+1})(\mathit{\epsilon }\mathit{\text{'}}{\mathit{ }}_{\mathit{i}}-\mathit{\epsilon }\mathit{\text{'}}{\mathit{ }}_{\mathit{i}+1})$

(6)

${\mathit{U}}_{\mathit{d}}={\mathit{U}}_{0}-{\mathit{U}}_{\mathit{e}}$

式中:σ_i、σ_i+1、σ'和σ' _i+1为积分单元上的应力;ε_i、ε_i+1、ε' _i和ε' _i+1为积分单元上的应变;N、M为加载段与卸载段用于梯形积分的离散区间数。

3.2 循环荷载作用下对砂岩能量变化的影响规律

对不同工况下U₀、U_e和U_d的变化规律进行分析,如图10所示。可知,随着应力水平的增加,不同工况下对应的能量密度呈现出阶梯式分布。输入总能量大部分转化为弹性应变能,但随着循环次数的增加,冻融砂岩在循环荷载作用下弹性应变能逐渐向耗散能转化,这主要是随着上限应力的增加,冻融砂岩内部的裂隙进一步发育、扩展,能量主要消耗在裂纹的萌生和扩展上,说明上限应力的增加对耗散能的影响较大。弹性能与耗散能的增长速率在加载前期先缓慢增长,由于加载前期冻融砂岩能量转化效率较低,但随着循环次数的增加,冻融砂岩弹性模量逐渐减小,此时弹性能与耗散能增长速率逐渐增长;然而,当冻融砂岩接近失效破坏时,裂隙进一步发育,导致了耗散能的增加,当损伤值为70%时,这种现象尤为明显。

进一步地,采用应力比(每个应力水平上限值与峰值应力的比值)作为重要参数,分析了不同工况下累积应力水平能量与应力比的关系曲线,如图11所示。可知,随着应力比的增加,总能量和弹性应变能逐渐增加,且二者的差值随应力比的增加而逐渐增加,耗散能曲线呈上凹形曲线逐渐增加。

对不同工况下砂岩的U₀、U_e和U_d随应力比

$\mathit{\varphi }$

的变化规律拟合分析,发现U₀、U_e和U_d与应力比

$\mathit{\varphi }$

呈二次函数关系,不同工况下拟合参数如表4所示,拟合公式为

(7)

$\left\{\begin{array}{l}{\mathit{U}}_{0}=\mathit{a}{\mathit{\varphi }}^{2}+\mathit{b}\mathit{\varphi }\\ {\mathit{U}}_{\mathit{e}}={\mathit{a}}_{\mathit{e}}{\mathit{\varphi }}^{2}+{\mathit{b}}_{\mathit{e}}\mathit{\varphi }\\ {\mathit{U}}_{\mathit{d}}={\mathit{a}}_{\mathit{d}}{\mathit{\varphi }}^{2}+{\mathit{b}}_{\mathit{d}}\mathit{\varphi }\end{array}\right.$

式(7)中:ϕ为应力比;a、b、a_e、b_e、a_d和b_d为拟合参数。

由表4可见,二次函数的相关系数R²均在95%以上,说明二次函数模型可以反映不同工况下砂岩U₀、U_e和U_d随应力比

$\mathit{\varphi }$

的变化趋势。系数a、b可反映冻融砂岩累积水平总能量对应力比的敏感性程度,随着损伤值和饱和度的增加,系数a、b逐渐增大,冻融砂岩累积水平总能量对应力比的敏感性逐渐增加,因此,系数a、b的变化可反映冻融砂岩累积水平总能量对应力比的敏感性程度。

3.3 循环荷载作用下冻融砂岩能量分配规律研究

图13为冻融砂岩在循环荷载中能量分配,定义弹性应变能比例λ_e、耗散能比例λ_d进行研究,其计算公式为

(8)

$\left\{\begin{array}{l}{\mathit{\lambda }}_{\mathit{e}}=\frac{{\mathit{U}}_{\mathit{e}}}{{\mathit{U}}_{0}}=\frac{{\mathit{a}}_{\mathit{e}}{\mathit{\varphi }}^{2}+{\mathit{b}}_{\mathit{e}}\mathit{\varphi }}{\mathit{a}{\mathit{\varphi }}^{2}+\mathit{b}\mathit{\varphi }}=\frac{{\mathit{a}}_{\mathit{e}}\mathit{\varphi }+{\mathit{b}}_{\mathit{e}}}{\mathit{a}\mathit{\varphi }+\mathit{b}}\\ {\mathit{\lambda }}_{\mathit{d}}=\frac{{\mathit{U}}_{\mathit{d}}}{{\mathit{U}}_{0}}=\frac{{\mathit{a}}_{\mathit{d}}{\mathit{\varphi }}^{2}+{\mathit{b}}_{\mathit{d}}\mathit{\varphi }}{\mathit{a}{\mathit{\varphi }}^{2}+\mathit{b}\mathit{\varphi }}=\frac{{\mathit{a}}_{\mathit{d}}\mathit{\varphi }+{\mathit{b}}_{\mathit{d}}}{\mathit{a}\mathit{\varphi }+\mathit{b}}\end{array}\right.$

由于λ_e和λ_d为应力上限的函数,式(8)可简化为

(9)

$\left\{\begin{array}{l}\underset{\mathit{\varphi }\to +\mathit{\infty }}{\mathit{l}\mathit{i}\mathit{m}}{\mathit{\lambda }}_{\mathit{e}}=\underset{\mathit{\varphi }\to +\mathit{\infty }}{\mathit{l}\mathit{i}\mathit{m}}\frac{{\mathit{a}}_{\mathit{e}}\mathit{\varphi }+{\mathit{b}}_{\mathit{e}}}{\mathit{a}\mathit{\varphi }+\mathit{b}}=\frac{{\mathit{a}}_{\mathit{e}}}{\mathit{a}}={\mathit{\lambda }}_{\mathit{e}}^{+\mathit{\infty }}\\ \underset{\mathit{\varphi }\to +\mathit{\infty }}{\mathit{l}\mathit{i}\mathit{m}}{\mathit{\lambda }}_{\mathit{d}}=\underset{\mathit{\varphi }\to +\mathit{\infty }}{\mathit{l}\mathit{i}\mathit{m}}\frac{{\mathit{a}}_{\mathit{d}}\mathit{\varphi }+{\mathit{b}}_{\mathit{d}}}{\mathit{a}\mathit{\varphi }+\mathit{b}}=\frac{{\mathit{a}}_{\mathit{d}}}{\mathit{a}}={\mathit{\lambda }}_{\mathit{d}}^{+\mathit{\infty }}\end{array}\right.$

对于

$\mathit{\varphi }\to +\mathit{\infty }$

处的λ_e和λ_d的值,在本文中分别为极限储能因子

${\mathit{\lambda }}_{\mathit{e}}^{+\mathit{\infty }}$

和极限能量耗散因子

${\mathit{\lambda }}_{\mathit{d}}^{+\mathit{\infty }}$

。

从图12中可知,在不同损伤值的情况下,冻融砂岩的极限储能因子

${\mathit{\lambda }}_{\mathit{e}}^{+\mathit{\infty }}$

和极限能量耗散因子

${\mathit{\lambda }}_{\mathit{d}}^{+\mathit{\infty }}$

均表现出一致的变化规律。随着饱和度的增加,极限储能因子

${\mathit{\lambda }}_{\mathit{e}}^{+\mathit{\infty }}$

先逐渐减少后快速降低,反之,极限能量耗散因子

${\mathit{\lambda }}_{\mathit{d}}^{+\mathit{\infty }}$

随饱和度的增加先逐渐增加后快速上升。这是由于饱和度越大的冻融砂岩内部微裂纹越多,在循环过程中所消耗的能量也就越大。

对于不同损伤值的情况下的影响也较为显著,随着损伤值的增加,冻融砂岩的极限储能因子

${\mathit{\lambda }}_{\mathit{e}}^{+\mathit{\infty }}$

在逐渐降低,对应的极限能量耗散因子

${\mathit{\lambda }}_{\mathit{d}}^{+\mathit{\infty }}$

在逐渐加快。

4 微观机理

对冻融砂岩样品的中心区域进行了SEM扫描,并对其微裂纹密度开展了定性与定量分析。采用基于定量体视学中的线分析法分析了微裂纹的密度^[43]。需要指出的是,SEM观测仅限于试样的局部代表性区域。尽管线分析法能够提供具体的微裂纹密度数值,但这些数值仅反映特定二维截面上的情况,可能无法充分体现试样在三维空间中的非均质特性。因此,SEM分析主要作为对实验中观测到的宏观力学行为的定性与半定量佐证,而非对试样整体微观结构的全面表征。在具体操作中,为平衡微裂纹统计的精度与图像区域的完整性,微裂纹密度统计时所采用的平行测线间距设定为原图像标尺的0.5倍。图13为测线布局图,平行线间距为25 μm。测线总长度为L_T =mL,则线密度P_L为

(10)

${\mathit{P}}_{\mathit{L}}={\mathit{P}}_{\mathit{n}}/{\mathit{L}}_{\mathit{T}}$

由表5和图14可知,在相同的损伤值下,随着饱和度的增加,砂岩内部微裂纹与平行测线的交点个数和裂纹密度呈现出逐渐增大的趋势。如当损伤值为70%时,与干燥试样相比,饱和度由50%增加至100%,交点个数分别增加41.1%和63.9%,表明饱和度越高,砂岩内部的孔隙增加,孔隙体积越大。此外,在相同的饱和度下,随着损伤值的增加,砂岩内部微裂纹与平行测线的交点个数和裂纹密度也呈现出逐渐增大的趋势,表明损伤值越高,砂岩内部的孔隙就会越多,孔隙体积也会越大。

损伤值和饱和度对冻融砂岩的细观破坏也具有相同的规律。在相同的损伤值下,随着饱和度的增加,砂岩内部破裂在数量上表现为微裂纹和微孔隙数量增多,破坏形貌上则表现为微裂纹和微孔隙的面积和体积变大。另一方面,对比观察同一饱和度、不同损伤值条件下,发现随着损伤值的增加,试样内部产生的微裂纹数量也在增加。损伤值和饱和度对冻融砂岩内部破裂的影响主要有以下两个方面:①随着饱和度的增加,冻融砂岩内部的沿晶裂纹数量明显增加,其内部的微孔隙越多,裂纹密度也越大;②损伤值的增加也会影响冻融砂岩内部晶体的形态和结构,较大的损伤值引起微裂纹的产生和扩展,并且出现显著的裂纹贯穿网络,进而引起砂岩微观结构的改变。因此,由于冻融砂岩内部损伤的增大,其宏观力学行为如峰值强度和模量出现了降低现象。

5 结论

通过对冻融砂岩开展应力等幅循环加卸载试验,分析了冻融砂岩全应力-应变、弹性模量、泊松比等变形参量的演化规律,探讨了砂岩循环加卸载破坏过程中能量的转化规律和微观机理,主要研究结论可归纳如下。

(1)随着饱和度的增加,循环加卸载后的峰值强度明显低于单轴压缩,对应的峰值应变也有所增大,并呈现出明显的延性破坏。而随着损伤值的逐渐增大,对冻融砂岩的弱化作用更加明显,所维持的循环应力水平上限值也越小。

(2)从变形参数来看,E₁>E₂,呈现出“骤降→缓慢下降→加速下降”3个阶段的趋势;随着饱和度的增大,冻融砂岩的抵抗变形能力有所下降,对应的弹性模量也有所减小;损伤值越大的冻融砂岩,弱化效果越明显。

(3)能量角度分析,随着循环次数的增加,累积应力水平总能量和弹性应变能呈现出线性型递增的趋势,耗散能呈现出上凹型递增的趋势,能量变化较好地反映出冻融砂岩内部的抵抗变形能力;随着饱和度的增加,极限储能因子先逐渐减少后快速降低,反之,极限能量耗散因子随饱和度的增加先逐渐增加后快速上升。

(4)从微观机理角度分析,冻融砂岩的微观形貌变化和结构劣化受损伤值与饱和度的影响,随着饱和度的增加,冻融砂岩内部的沿晶裂纹数量明显增加,出现了微孔隙数量增多、微裂纹数量增多和密度变大的情况;而较大的损伤值出现了显著的裂纹贯穿网络,进而引起冻融砂岩微观结构的改变。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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基金资助

广西自然科学基金(2023GXNSFAA026185)

广西自然科学基金(2021GXNSFBA196043)

国家自然科学基金雅砻江联合基金(U1965204)

国家自然科学基金(41962017)

广西高等学校高水平创新团队及卓越学者计划项目(桂教人才〔2020〕6号)

广西科技大学博士基金(校科博19Z42)

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Received	Published	Revised
2025-06-09	2026-05-08	2026-02-10
Online Date
2026-08-06

摘要

Abstract

Graphical abstract

关键词

Key words

中图分类号

引用本文

1 试验概况

1.1 试验岩样及制备

1.2 试验设备

1.3 试验方案

2 循环荷载作用下冻融砂岩力学特性分析

2.1 单轴循环荷载下冻融砂岩的应力-应变曲线

2.2 弹性模量变化规律

2.2.1 弹性模量的演化规律

2.2.2 循环荷载条件对模量的影响

3 循环荷载变形过程砂岩能量演化规律

3.1 能量计算模型构建

3.2 循环荷载作用下对砂岩能量变化的影响规律

3.3 循环荷载作用下冻融砂岩能量分配规律研究

4 微观机理

5 结论

参考文献

基金资助