不同围压卸载速率下砂岩三轴差异循环加载的力学响应

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📍 01 |论文名片

题目：Mechanical responses of sandstone exposed to triaxial diferential cyclic loading with distinct unloading rates of confning stress: A lab scale investigation

• 作者：Z.Y.Song，W.H.Zhang，Z.Yu，Y.Zhao，M.Zhang，W.G.Dang
• 期刊：International Journal of Coal Science & Technology
• 单位：北京科技大学 土木工程系；中山大学 土木工程学院；弗莱贝格工业大学岩土工程研究所
• 原文网址：https://doi.org/10.1007/s40789-025-00796-z
  

📍 02 | 研究背景与痛点 

📍 03 | 实验设计与研究方法 

该研究选取石英含量72%的高脆性中粒砂岩作为试验对象，建立了从静水压力加载、多级差异循环到同步卸围压直至试样破坏的试验流程，系统开展了室内三轴力学测试。

• 试样制备与基础物理性质测试：从完整岩块中钻取直径为50mm的岩芯，遵循ISRM建议标准进行加工，两端面平行度控制在0.02 mm以内。试样干燥处理120 h以上，测定密度、纵波波速，筛选出物理性质差异小、均匀性较好的试样开展力学试验。试样高径比统一为2，试样密度区间为2.41‑2.45 g/cm³。

• TUCS‑DCL复杂应力路径三轴试验：采用伺服液压试验机搭配Hoek压力腔开展试验。（1）设置两类轴向差异循环模式：① 快加载‑慢卸载：加载1 s、卸载5 s；② 慢加载‑快卸载：加载5 s、卸载1 s。（2）设置三类围压工况：围压恒定不变、慢卸载3 MPa/min、快卸载5 MPa/min，部分工况围压持续卸载至0 MPa，模拟约束完全释放。（3）多级循环阶段的循环应力下限固定15 MPa，每级循环最大应力增量7.5 MPa；每一级包含10次循环，共计6级；试样全部循环结束仍未破坏，则开展单轴加载直至完全失稳。同时，全程采用LVDT、链式引伸计采集轴向、径向残余应变。

• 能量耗散与相位差定量解析：分别计算轴向耗散能、径向释放能，得到径向释放能与轴向耗散能的比值；区分轴向、径向应力‑应变相位偏移，定量表征应力‑应变滞后损伤效应。

• 进行声发射同步监测与破裂断面形貌测试：同步采集全加载过程声发射计数、声发射能量，识别循环加载过程中的Kaiser效应演化特征。在试样破坏后利用三维扫描设备获取破裂面三维形貌，采用粗糙度系数对破裂面粗糙度开展定量表征，分析粗糙度与破坏强度、破坏时刻围压之间的相关性。

图4 围压卸载速率对径向残余应变演化的影响

(a)、(c)为不同加载模式下归一化径向残余应变随循环次数变化；(b)、(d)为径向残余应变增长速率

📍 04 | 核心发现 

• 🔹经典强度准则对TUCS‑DCL路径依然适用：莫尔‑库伦、Hoek‑Brown、Bieniawski幂函数准则仍均可拟合砂岩在该复杂应力路径下的破坏强度，其中Bieniawski幂函数准则拟合效果最优。

• 🔹 围压卸载速率主导径向变形演化，轴向差异循环模式对径向变形影响相对有限：围压卸载速率主要控制径向应变发展，围压卸载越快径向应变速率越快而轴向差异循环模式对径向应变速率的影响并不显著。

• 🔹 径向‑轴向能量比值谷值可作为岩石失稳前兆指标：围压卸载速率会影响试样轴向与径向的能量演化；快速卸围压工况下径向释放能量与轴向消耗能量的比值波动更加剧烈。因此，该比值的谷值可作为砂岩失稳破坏的前兆。

• 🔹 应力‑应变相位滞后主要受控于轴向循环模式：围压卸载速率对轴向、径向相位差没有显著影响；轴向采用快加载‑慢卸载模式时，会产生更大的相位滞后，对应岩石内部损伤程度更高。

• 🔹声发射特征可揭示不同卸荷速率裂纹演化模式差异：围压卸载至零后声发射信号显著增强，破坏前的循环加载阶段可观测到显著的Kaiser效应。快速卸围压工况下声发射计数与能量水平高于慢卸载工况；慢卸围压工况在卸荷结束后宏观裂隙贯通，声发射曲线近乎垂直陡增；快卸围压工况声发射呈阶梯式上升，对应大量微裂纹同步起裂。