酸性干濕循環(huán)下深部砂巖動(dòng)力學(xué)特性的多維度解析與機(jī)制探究

酸性干濕循環(huán)下深部砂巖動(dòng)力學(xué)特性的多維度解析與機(jī)制探究一、引言1.1研究背景與意義隨著全球基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷推進(jìn)，地下工程的規(guī)模和深度持續(xù)增加。深部砂巖作為地下工程中常見(jiàn)的巖體材料，廣泛應(yīng)用于隧道、礦井、地下硐室等工程的圍巖和結(jié)構(gòu)支撐。例如，在我國(guó)西南地區(qū)的水電工程建設(shè)中，大量的隧道穿越深部砂巖地層；在煤炭資源開(kāi)采中，深部礦井巷道也多處于砂巖巖體之中。深部砂巖的力學(xué)特性直接關(guān)系到這些地下工程的穩(wěn)定性與安全性。在深部地質(zhì)環(huán)境中，砂巖不可避免地受到各種復(fù)雜因素的作用，其中酸性干濕循環(huán)是一種常見(jiàn)且重要的影響因素。在許多地區(qū)，由于工業(yè)活動(dòng)排放的酸性氣體、地下水中的酸性物質(zhì)以及巖石自身礦物成分的化學(xué)反應(yīng)等，導(dǎo)致砂巖所處環(huán)境具有酸性特征。同時(shí)，地下水位的波動(dòng)、季節(jié)性降水等因素使得砂巖經(jīng)歷干濕循環(huán)過(guò)程。這種酸性干濕循環(huán)作用會(huì)對(duì)深部砂巖的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響，進(jìn)而改變其動(dòng)力學(xué)特性。目前，對(duì)于深部砂巖在酸性干濕循環(huán)作用下的動(dòng)力學(xué)特性研究還相對(duì)較少。已有的研究主要集中在單一因素（如單純干濕循環(huán)或單純化學(xué)腐蝕）對(duì)巖石力學(xué)性能的影響，而對(duì)于酸性干濕循環(huán)耦合作用下的研究不夠深入。然而，在實(shí)際工程中，酸性干濕循環(huán)的耦合作用是普遍存在的，其對(duì)深部砂巖動(dòng)力學(xué)特性的影響更為復(fù)雜和顯著。因此，開(kāi)展酸性干濕循環(huán)作用下深部砂巖動(dòng)力學(xué)特性的試驗(yàn)研究具有重要的理論和實(shí)際意義。從理論層面來(lái)看，深入研究酸性干濕循環(huán)作用下深部砂巖的動(dòng)力學(xué)特性，有助于揭示巖石在復(fù)雜環(huán)境下的力學(xué)響應(yīng)機(jī)制，豐富和完善巖石力學(xué)理論體系。巖石在酸性干濕循環(huán)作用下，內(nèi)部會(huì)發(fā)生一系列物理化學(xué)變化，如礦物溶解、孔隙結(jié)構(gòu)改變、微裂紋擴(kuò)展等，這些變化如何影響巖石的動(dòng)力學(xué)參數(shù)（如彈性模量、泊松比、縱波波速等）以及動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和變形特性，目前尚未完全明確。通過(guò)本研究，可以深入探討這些問(wèn)題，為巖石力學(xué)的理論發(fā)展提供新的依據(jù)。從實(shí)際工程應(yīng)用角度而言，準(zhǔn)確掌握酸性干濕循環(huán)作用下深部砂巖的動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)于保障地下工程的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。在地下工程的設(shè)計(jì)和施工中，需要充分考慮巖石的力學(xué)性能變化，以確保工程結(jié)構(gòu)的可靠性。如果忽視酸性干濕循環(huán)對(duì)深部砂巖動(dòng)力學(xué)特性的影響，可能導(dǎo)致工程設(shè)計(jì)不合理，增加工程安全隱患。例如，在隧道工程中，若圍巖的動(dòng)力學(xué)特性因酸性干濕循環(huán)而發(fā)生劣化，可能導(dǎo)致隧道在施工過(guò)程中出現(xiàn)坍塌事故，或者在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中出現(xiàn)襯砌開(kāi)裂、變形等病害，嚴(yán)重影響隧道的使用壽命和運(yùn)營(yíng)安全。因此，本研究成果可以為地下工程的設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，指導(dǎo)工程實(shí)踐，降低工程風(fēng)險(xiǎn)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1巖石化學(xué)侵蝕研究巖石化學(xué)侵蝕是巖石與周?chē)瘜W(xué)介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致其成分和結(jié)構(gòu)改變的過(guò)程。在這方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量研究。早在20世紀(jì)，國(guó)外學(xué)者就開(kāi)始關(guān)注化學(xué)溶液對(duì)巖石的侵蝕作用。有學(xué)者研究了硫酸、鹽酸等酸性溶液對(duì)石灰?guī)r、砂巖等巖石的溶蝕特性，發(fā)現(xiàn)酸性溶液會(huì)與巖石中的礦物成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致礦物溶解，從而降低巖石的強(qiáng)度和完整性。例如，酸性溶液中的氫離子會(huì)與石灰?guī)r中的碳酸鈣發(fā)生反應(yīng)，生成可溶的碳酸氫鈣，使巖石的孔隙率增大，力學(xué)性能下降。國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)巖石化學(xué)侵蝕進(jìn)行了深入研究。在三峽庫(kù)區(qū)的研究中，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)庫(kù)水的長(zhǎng)期浸泡和化學(xué)侵蝕，使得庫(kù)區(qū)巖石的力學(xué)性能顯著降低，對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生了不利影響。通過(guò)對(duì)不同巖石在化學(xué)溶液中的浸泡試驗(yàn)，分析了巖石的質(zhì)量損失、強(qiáng)度變化以及微觀結(jié)構(gòu)的改變，揭示了化學(xué)侵蝕對(duì)巖石力學(xué)性能的影響機(jī)制。1.2.2巖石物理作用研究干濕循環(huán)作為一種常見(jiàn)的物理作用，對(duì)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)有著重要影響。國(guó)外學(xué)者對(duì)干濕循環(huán)下巖石的研究開(kāi)展較早，通過(guò)對(duì)不同類(lèi)型巖石進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，分析了干濕循環(huán)次數(shù)與巖石強(qiáng)度、變形等特性之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，巖石內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生微裂紋，這些微裂紋逐漸擴(kuò)展、貫通，導(dǎo)致巖石的強(qiáng)度降低，變形能力增強(qiáng)。例如，在對(duì)砂巖的研究中，利用CT掃描技術(shù)觀察到干濕循環(huán)作用下砂巖內(nèi)部孔隙和裂紋的演化過(guò)程，從微觀角度解釋了巖石力學(xué)性能變化的原因。國(guó)內(nèi)學(xué)者也在干濕循環(huán)對(duì)巖石物理作用方面取得了豐富成果。通過(guò)對(duì)紅砂巖、泥巖等巖石的干濕循環(huán)試驗(yàn)，研究了巖石的質(zhì)量損失、孔隙率變化、縱波波速改變等物理參數(shù)的變化規(guī)律。研究表明，干濕循環(huán)會(huì)使巖石的結(jié)構(gòu)逐漸劣化，導(dǎo)致其物理性質(zhì)發(fā)生明顯變化。例如，紅砂巖在干濕循環(huán)作用下，其質(zhì)量損失逐漸增大，孔隙率不斷增加，縱波波速降低，這些變化反映了巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷和劣化。1.2.3巖體的單軸抗壓及三軸抗壓試驗(yàn)研究單軸抗壓試驗(yàn)和三軸抗壓試驗(yàn)是研究巖石力學(xué)性能的重要手段。在單軸抗壓試驗(yàn)方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)對(duì)不同巖石進(jìn)行試驗(yàn)，獲得了巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等力學(xué)參數(shù)，并分析了這些參數(shù)在不同條件下的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，巖石的單軸抗壓強(qiáng)度受到巖石類(lèi)型、礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等因素的影響。例如，花崗巖的單軸抗壓強(qiáng)度通常高于砂巖，而砂巖的強(qiáng)度又受到其顆粒大小、膠結(jié)程度等因素的制約。在三軸抗壓試驗(yàn)中，學(xué)者們主要研究了圍壓對(duì)巖石力學(xué)性能的影響。通過(guò)改變圍壓大小，分析巖石在不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、強(qiáng)度特性以及破壞模式。研究表明，隨著圍壓的增加，巖石的抗壓強(qiáng)度顯著提高，破壞模式也從脆性破壞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檠有云茐摹＠?，在?duì)深部砂巖的三軸試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)高圍壓下砂巖的變形能力增強(qiáng)，破壞時(shí)出現(xiàn)明顯的塑性流動(dòng)現(xiàn)象。1.2.4巖體的細(xì)觀損傷研究為了深入了解巖石力學(xué)性能變化的內(nèi)在機(jī)制，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量巖體細(xì)觀損傷研究。利用掃描電子顯微鏡（SEM）、壓汞儀（MIP）、核磁共振（NMR）等先進(jìn)技術(shù)手段，對(duì)巖石在各種作用下的細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行觀察和分析。通過(guò)SEM觀察，能夠清晰地看到巖石內(nèi)部礦物顆粒的分布、微裂紋的萌生和擴(kuò)展情況。例如，在化學(xué)侵蝕作用下，巖石礦物顆粒表面會(huì)出現(xiàn)溶蝕坑，微裂紋也會(huì)逐漸增多；在干濕循環(huán)作用下，巖石內(nèi)部孔隙會(huì)不斷擴(kuò)大，微裂紋相互連通，形成更大的裂縫網(wǎng)絡(luò)。MIP可以精確測(cè)量巖石的孔隙大小分布和孔隙率，研究發(fā)現(xiàn)化學(xué)侵蝕和干濕循環(huán)會(huì)導(dǎo)致巖石孔隙率增大，孔隙結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜。NMR技術(shù)則能夠無(wú)損地檢測(cè)巖石內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)和水分分布，為研究巖石的細(xì)觀損傷提供了更全面的信息。1.2.5巖體的蠕變特性試驗(yàn)研究巖體的蠕變特性是指巖石在長(zhǎng)期荷載作用下，變形隨時(shí)間不斷增加的現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)蠕變?cè)囼?yàn)，研究了巖石的蠕變規(guī)律和長(zhǎng)期強(qiáng)度特性。在試驗(yàn)中，對(duì)巖石施加恒定荷載，記錄其變形隨時(shí)間的變化情況，得到巖石的蠕變曲線。根據(jù)蠕變曲線的特征，將巖石的蠕變過(guò)程分為初始蠕變、穩(wěn)態(tài)蠕變和加速蠕變?nèi)齻€(gè)階段。研究發(fā)現(xiàn)，巖石的蠕變特性受到巖石類(lèi)型、荷載大小、溫度、濕度等因素的影響。例如，軟巖的蠕變變形通常比硬巖更為顯著，荷載越大，巖石的蠕變速度越快。同時(shí)，環(huán)境因素如溫度升高、濕度增大，也會(huì)加速巖石的蠕變過(guò)程。通過(guò)對(duì)蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)的分析，建立了各種蠕變模型，用于描述巖石的蠕變行為，預(yù)測(cè)巖石在長(zhǎng)期荷載作用下的變形和穩(wěn)定性。雖然國(guó)內(nèi)外在巖石力學(xué)特性研究方面取得了豐碩成果，但對(duì)于酸性干濕循環(huán)作用下深部砂巖動(dòng)力學(xué)特性的研究仍存在不足。一方面，現(xiàn)有研究多集中在單一因素（如化學(xué)侵蝕或干濕循環(huán)）對(duì)巖石力學(xué)性能的影響，對(duì)于酸性干濕循環(huán)耦合作用下深部砂巖的動(dòng)力學(xué)特性研究較少，缺乏對(duì)這種復(fù)雜環(huán)境下巖石力學(xué)響應(yīng)機(jī)制的深入理解。另一方面，在研究方法上，對(duì)于深部砂巖在酸性干濕循環(huán)作用下的微觀結(jié)構(gòu)演化與宏觀動(dòng)力學(xué)特性之間的定量關(guān)系研究不夠深入，難以建立準(zhǔn)確的理論模型來(lái)描述和預(yù)測(cè)巖石的力學(xué)行為。此外，考慮深部高應(yīng)力、高地溫等復(fù)雜條件與酸性干濕循環(huán)耦合作用下的砂巖動(dòng)力學(xué)特性研究更是鮮見(jiàn)報(bào)道，而這些因素在實(shí)際深部工程中往往是同時(shí)存在且相互影響的，對(duì)其開(kāi)展研究具有重要的理論和實(shí)際意義。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容酸性干濕循環(huán)作用下深部砂巖基本力學(xué)性能研究：開(kāi)展不同酸性溶液（如硫酸、鹽酸等，控制不同pH值）、不同干濕循環(huán)次數(shù)條件下的深部砂巖室內(nèi)試驗(yàn)，包括單軸壓縮試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)。通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)，獲取砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等力學(xué)參數(shù)，分析酸性干濕循環(huán)對(duì)這些參數(shù)的影響規(guī)律，研究砂巖在不同工況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征，明確其變形特性和破壞模式。在三軸壓縮試驗(yàn)中，改變圍壓大小，研究酸性干濕循環(huán)作用下圍壓對(duì)砂巖力學(xué)性能的影響，分析不同圍壓和酸性干濕循環(huán)耦合作用下砂巖的強(qiáng)度準(zhǔn)則變化，為深部工程巖體力學(xué)分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。酸性干濕循環(huán)作用下深部砂巖微觀結(jié)構(gòu)特征研究：運(yùn)用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察酸性干濕循環(huán)作用前后深部砂巖內(nèi)部礦物顆粒的形態(tài)、分布以及微裂紋的萌生、擴(kuò)展和連通情況，從微觀角度揭示砂巖力學(xué)性能變化的內(nèi)在原因。采用壓汞儀（MIP）精確測(cè)量砂巖的孔隙大小分布、孔隙率等參數(shù)，分析酸性干濕循環(huán)對(duì)砂巖孔隙結(jié)構(gòu)的影響，研究孔隙結(jié)構(gòu)變化與力學(xué)性能劣化之間的定量關(guān)系。利用X射線衍射（XRD）技術(shù)分析砂巖在酸性干濕循環(huán)作用前后礦物成分的變化，明確化學(xué)腐蝕作用下礦物的溶解、轉(zhuǎn)化等過(guò)程，進(jìn)一步闡述酸性干濕循環(huán)對(duì)砂巖微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響機(jī)制。酸性干濕循環(huán)作用下深部砂巖動(dòng)力學(xué)能量特性研究：在分離式霍普金森壓桿（SHPB）試驗(yàn)中，對(duì)經(jīng)歷不同酸性干濕循環(huán)次數(shù)的深部砂巖試件施加沖擊荷載，測(cè)量沖擊過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變和能量等參數(shù)，分析砂巖在沖擊荷載下的能量吸收、耗散和轉(zhuǎn)化規(guī)律。研究酸性干濕循環(huán)作用對(duì)砂巖動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)彈性模量等動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響，建立動(dòng)力學(xué)參數(shù)與酸性干濕循環(huán)次數(shù)、沖擊荷載等因素之間的關(guān)系模型。基于能量原理，探討砂巖在酸性干濕循環(huán)和沖擊荷載耦合作用下的損傷演化機(jī)制，通過(guò)能量耗散來(lái)量化砂巖的損傷程度，為深部巖石工程的動(dòng)力穩(wěn)定性分析提供理論依據(jù)。酸性干濕循環(huán)作用下深部砂巖動(dòng)力學(xué)特性的數(shù)值模擬研究：基于試驗(yàn)結(jié)果，采用有限元軟件（如ANSYS、ABAQUS等）建立酸性干濕循環(huán)作用下深部砂巖的數(shù)值模型，考慮砂巖的非線性力學(xué)行為、孔隙結(jié)構(gòu)變化以及酸性溶液的化學(xué)作用等因素，對(duì)砂巖在不同工況下的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬。通過(guò)數(shù)值模擬，分析砂巖內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律，研究微裂紋的擴(kuò)展過(guò)程和損傷演化機(jī)制，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，進(jìn)一步完善數(shù)值模型。利用數(shù)值模型預(yù)測(cè)不同酸性干濕循環(huán)條件下深部砂巖在實(shí)際工程中的動(dòng)力學(xué)特性，為地下工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考依據(jù)，優(yōu)化工程方案，降低工程風(fēng)險(xiǎn)。1.3.2研究方法室內(nèi)試驗(yàn)方法：采集深部砂巖現(xiàn)場(chǎng)巖樣，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)加工成標(biāo)準(zhǔn)試件。利用高精度的巖石力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備，如MTS萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸和三軸壓縮試驗(yàn)，控制加載速率和加載方式，精確測(cè)量試件在加載過(guò)程中的荷載、位移等數(shù)據(jù)，獲取應(yīng)力-應(yīng)變曲線和力學(xué)參數(shù)。采用自主設(shè)計(jì)的酸性干濕循環(huán)試驗(yàn)裝置，模擬不同酸性環(huán)境和干濕循環(huán)次數(shù)，對(duì)砂巖試件進(jìn)行預(yù)處理。在試驗(yàn)過(guò)程中，嚴(yán)格控制溶液的濃度、pH值以及干濕循環(huán)的時(shí)間和溫度等條件，確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。利用SHPB試驗(yàn)裝置對(duì)經(jīng)歷酸性干濕循環(huán)的砂巖試件進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量入射波、反射波和透射波的信號(hào)，計(jì)算試件在沖擊荷載下的應(yīng)力、應(yīng)變和能量等參數(shù)，研究其動(dòng)力學(xué)特性。微觀測(cè)試方法：將經(jīng)歷酸性干濕循環(huán)試驗(yàn)后的砂巖試件制成薄片或小塊，利用SEM進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察，獲取高分辨率的微觀圖像，分析礦物顆粒和微裂紋的特征。運(yùn)用MIP對(duì)砂巖試件進(jìn)行孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)試，通過(guò)測(cè)量不同壓力下汞的侵入量，得到砂巖的孔隙大小分布和孔隙率等參數(shù)。采用XRD技術(shù)對(duì)砂巖試件的礦物成分進(jìn)行分析，通過(guò)測(cè)量X射線衍射圖譜，確定礦物的種類(lèi)和含量變化。數(shù)值模擬方法：基于試驗(yàn)得到的砂巖物理力學(xué)參數(shù)和微觀結(jié)構(gòu)特征，建立合理的數(shù)值模型。在有限元軟件中，選擇合適的本構(gòu)模型來(lái)描述砂巖的力學(xué)行為，考慮酸性干濕循環(huán)對(duì)砂巖材料參數(shù)的影響，通過(guò)參數(shù)化建模實(shí)現(xiàn)不同工況的模擬。利用數(shù)值模擬軟件的后處理功能，分析模擬結(jié)果，得到砂巖在不同條件下的應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖，以及微裂紋擴(kuò)展和損傷演化的過(guò)程，直觀地展示砂巖的力學(xué)響應(yīng)和破壞機(jī)制。通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和可靠性，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，提高數(shù)值模擬的精度和預(yù)測(cè)能力。二、試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與實(shí)施2.1巖樣選取與制備本研究選取某深部礦井的砂巖作為研究對(duì)象，該礦井深度達(dá)[X]米，處于典型的深部地質(zhì)環(huán)境。選取此砂巖的依據(jù)主要有以下幾點(diǎn)：一是該砂巖在深部工程中具有代表性，廣泛分布于礦井巷道及周邊區(qū)域，其力學(xué)特性對(duì)工程穩(wěn)定性影響顯著；二是通過(guò)前期地質(zhì)勘察和初步測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該砂巖在礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等方面具有一定的特殊性，易受酸性干濕循環(huán)作用的影響，為研究提供了良好的樣本基礎(chǔ)。在巖樣采集過(guò)程中，嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行操作，以確保巖樣的完整性和代表性。使用專(zhuān)業(yè)的取芯設(shè)備，從礦井不同位置、不同深度獲取巖芯，避免巖芯在采集過(guò)程中受到過(guò)度擾動(dòng)和損傷。對(duì)于采集到的巖芯，立即進(jìn)行編號(hào)、記錄，并采取有效的保護(hù)措施，防止其在運(yùn)輸和儲(chǔ)存過(guò)程中發(fā)生物理化學(xué)變化。將采集到的巖芯運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室后，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)試件的加工制備。首先，根據(jù)巖石力學(xué)試驗(yàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，利用高精度的切割設(shè)備將巖芯切割成合適尺寸的圓柱體試件，其直徑為50mm，高度為100mm，以滿(mǎn)足單軸壓縮試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)以及分離式霍普金森壓桿（SHPB）試驗(yàn)的要求。在切割過(guò)程中，嚴(yán)格控制切割速度和切割方向，確保試件的尺寸精度和表面平整度。隨后，使用研磨設(shè)備對(duì)試件兩端進(jìn)行精細(xì)研磨，使試件兩端的平行度誤差控制在±0.05mm以?xún)?nèi)，垂直度誤差控制在±0.25°以?xún)?nèi)，以保證試驗(yàn)過(guò)程中荷載能夠均勻施加在試件上。為了保證試件質(zhì)量，對(duì)加工后的每個(gè)試件進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢測(cè)。使用卡尺、千分表等測(cè)量工具對(duì)試件的尺寸進(jìn)行精確測(cè)量，確保其符合標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)，通過(guò)肉眼觀察和放大鏡檢查試件表面是否存在明顯的缺陷、裂紋等。對(duì)于不符合質(zhì)量要求的試件，及時(shí)進(jìn)行返工或重新制備。此外，還對(duì)部分試件進(jìn)行超聲波檢測(cè)，測(cè)量其縱波波速，以評(píng)估試件內(nèi)部的完整性和均勻性。通過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)量控制措施，確保用于試驗(yàn)的每個(gè)砂巖試件都具有良好的質(zhì)量和代表性，為后續(xù)試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性奠定基礎(chǔ)。2.2酸性干濕循環(huán)試驗(yàn)設(shè)計(jì)參考前人研究成果以及實(shí)際工程中砂巖所處的酸性環(huán)境，本試驗(yàn)選取硫酸溶液作為侵蝕介質(zhì)，主要原因在于硫酸在自然環(huán)境和工業(yè)排放中較為常見(jiàn)，許多礦山酸性廢水、受污染的地下水以及工業(yè)廢氣形成的酸雨等都含有硫酸成分，對(duì)巖石的侵蝕作用顯著。同時(shí)，硫酸與砂巖中礦物成分的化學(xué)反應(yīng)較為典型，能夠充分反映酸性干濕循環(huán)對(duì)砂巖的影響。通過(guò)調(diào)節(jié)硫酸溶液的濃度，配置出pH值分別為2、4、6的酸性溶液，以模擬不同程度的酸性侵蝕環(huán)境。pH值為2的溶液代表強(qiáng)酸性環(huán)境，類(lèi)似于某些高硫礦山的酸性廢水；pH值為4的溶液模擬中等酸性環(huán)境，如部分受污染地區(qū)的降水；pH值為6的溶液則接近弱酸性環(huán)境，類(lèi)似自然環(huán)境中略微酸化的地下水。本試驗(yàn)采用自主設(shè)計(jì)的酸性干濕循環(huán)試驗(yàn)裝置，該裝置主要由浸泡槽、干燥箱和溫度控制系統(tǒng)等組成。浸泡槽采用耐腐蝕的聚丙烯材料制成，能夠有效抵抗酸性溶液的侵蝕，確保試驗(yàn)過(guò)程中溶液的穩(wěn)定性和試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。干燥箱具有良好的溫度均勻性和控溫精度，能夠滿(mǎn)足不同干燥溫度的要求。溫度控制系統(tǒng)可精確控制浸泡和干燥過(guò)程中的溫度，模擬實(shí)際工程中不同季節(jié)和深度的溫度變化。干濕循環(huán)試驗(yàn)步驟如下：首先，將制備好的砂巖試件放入pH值為2的硫酸溶液中，在溫度為30℃的條件下浸泡12小時(shí)。選擇30℃作為浸泡溫度，是因?yàn)樵摐囟冉咏畈抗こ讨胁糠謪^(qū)域的實(shí)際溫度，能夠更真實(shí)地模擬砂巖在深部環(huán)境中的受侵蝕情況。12小時(shí)的浸泡時(shí)間是根據(jù)前期預(yù)試驗(yàn)和相關(guān)研究確定的，既能保證酸性溶液充分與砂巖發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，又能在合理的試驗(yàn)周期內(nèi)完成多組試驗(yàn)。浸泡完成后，將試件取出并放置在干燥箱中，在60℃的溫度下干燥12小時(shí)。60℃的干燥溫度既能加速試件表面水分的蒸發(fā)，又不會(huì)對(duì)砂巖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成過(guò)度破壞。干燥過(guò)程中，通過(guò)溫度控制系統(tǒng)保持干燥箱內(nèi)溫度的穩(wěn)定，確保試件干燥均勻。重復(fù)上述浸泡和干燥過(guò)程，分別進(jìn)行5次、10次、15次干濕循環(huán)，以研究不同循環(huán)次數(shù)對(duì)砂巖性能的影響。對(duì)于pH值為4和6的酸性溶液，同樣按照上述步驟進(jìn)行試驗(yàn)，每種溶液、每種循環(huán)次數(shù)下均設(shè)置3個(gè)平行試件，以減小試驗(yàn)誤差，提高試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。在試驗(yàn)過(guò)程中，定期對(duì)酸性溶液的pH值進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)整，確保溶液的酸性強(qiáng)度在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中保持穩(wěn)定。同時(shí)，詳細(xì)記錄每次干濕循環(huán)的時(shí)間、溫度以及試件的外觀變化等信息，為后續(xù)的試驗(yàn)分析提供全面的數(shù)據(jù)支持。2.3動(dòng)力學(xué)特性試驗(yàn)方法本研究采用分離式霍普金森壓桿（SHPB）裝置來(lái)開(kāi)展深部砂巖的動(dòng)力學(xué)特性試驗(yàn)。SHPB裝置的基本原理基于應(yīng)力波理論，通過(guò)在彈性桿中傳播的應(yīng)力波來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)試件的加載和測(cè)試。當(dāng)子彈以一定速度撞擊入射桿時(shí)，在入射桿中產(chǎn)生一個(gè)入射應(yīng)力波，該波沿著入射桿傳播并到達(dá)試件與入射桿的接觸面。由于試件與入射桿的波阻抗不同，部分應(yīng)力波會(huì)被反射回入射桿，形成反射波，而另一部分應(yīng)力波則會(huì)透過(guò)試件進(jìn)入透射桿，形成透射波。通過(guò)測(cè)量入射波、反射波和透射波的信號(hào)，利用一維應(yīng)力波理論和相關(guān)公式，可以計(jì)算出試件在沖擊荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變率等參數(shù)。在深部砂巖動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)中，將經(jīng)歷不同酸性干濕循環(huán)次數(shù)的砂巖試件放置在入射桿和透射桿之間。為了確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，在試驗(yàn)前對(duì)SHPB裝置進(jìn)行了嚴(yán)格的調(diào)試和校準(zhǔn)。對(duì)壓桿的材質(zhì)、尺寸精度進(jìn)行檢查，保證壓桿的彈性性能和波傳播特性符合要求；對(duì)傳感器的靈敏度、線性度等性能參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，確保能夠準(zhǔn)確測(cè)量應(yīng)力波信號(hào)。同時(shí)，為了減小試驗(yàn)過(guò)程中的能量損失和波的彌散效應(yīng)，在壓桿與試件的接觸面上涂抹適量的凡士林，以改善接觸條件，提高應(yīng)力波的傳遞效率。在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)子彈的發(fā)射速度來(lái)控制作用在試件上的沖擊荷載大小，從而實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)變率下的試驗(yàn)。利用高速攝像機(jī)對(duì)試件在沖擊過(guò)程中的變形和破壞過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝，以便后續(xù)分析試件的動(dòng)態(tài)破壞模式。為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性，每種工況下均進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，以減小試驗(yàn)誤差。在數(shù)據(jù)采集方面，采用高精度的動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)入射波、反射波和透射波的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和記錄，采集頻率設(shè)置為[X]Hz，以確保能夠準(zhǔn)確捕捉到應(yīng)力波的瞬態(tài)變化過(guò)程。采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)專(zhuān)用的數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行分析和處理，根據(jù)一維應(yīng)力波理論中的相關(guān)公式，計(jì)算出試件在不同時(shí)刻的應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變率等參數(shù)，進(jìn)而得到砂巖在酸性干濕循環(huán)作用下的動(dòng)力學(xué)特性曲線，為后續(xù)的分析研究提供數(shù)據(jù)支持。2.4微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試方法利用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)酸性干濕循環(huán)后砂巖微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。其原理基于電子與物質(zhì)的相互作用，當(dāng)一束高能的入射電子轟擊砂巖樣品表面時(shí)，會(huì)激發(fā)出多種信號(hào)，其中二次電子對(duì)樣品表面狀態(tài)極為敏感，主要用于觀察表面形貌。背散射電子產(chǎn)額與樣品原子序數(shù)相關(guān)，可用于定性分析樣品組成。在操作流程上，首先將經(jīng)歷酸性干濕循環(huán)試驗(yàn)后的砂巖試件切割成合適大小的小塊，一般尺寸控制在幾毫米見(jiàn)方。為保證觀察效果，需對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)于導(dǎo)電性能不佳的砂巖樣品，要在其表面噴鍍一層厚度約為10-20納米的導(dǎo)電膜，如金膜或碳膜，以防止在電子束照射下產(chǎn)生電荷積累，影響成像質(zhì)量。然后，將樣品固定在SEM的樣品臺(tái)上，調(diào)整好樣品位置和角度，確保電子束能夠準(zhǔn)確照射到樣品表面。在觀察過(guò)程中，先使用低放大倍數(shù)（如50-200倍）對(duì)樣品整體進(jìn)行掃描，了解樣品的宏觀結(jié)構(gòu)和表面特征，確定感興趣的區(qū)域。接著，逐步提高放大倍數(shù)（可達(dá)到10000-100000倍甚至更高），對(duì)選定區(qū)域進(jìn)行細(xì)致觀察，獲取高分辨率的微觀圖像，分析礦物顆粒的形態(tài)、大小、分布情況，以及微裂紋的萌生位置、擴(kuò)展方向和連通程度等微觀結(jié)構(gòu)信息。采用X射線衍射（XRD）技術(shù)對(duì)酸性干濕循環(huán)后砂巖的礦物成分進(jìn)行分析。XRD的原理是利用X射線與晶體中原子的相互作用產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。當(dāng)X射線照射到砂巖樣品上時(shí)，若滿(mǎn)足布拉格定律（2dsinθ=nλ，其中d為晶面間距，θ為掠射角，n為衍射級(jí)數(shù)，λ為X射線波長(zhǎng)），就會(huì)發(fā)生衍射。不同礦物具有特定的晶體結(jié)構(gòu)和晶面間距，從而產(chǎn)生獨(dú)特的衍射圖譜，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)圖譜對(duì)比，即可確定砂巖中的礦物成分及其含量變化。在操作時(shí)，首先將砂巖樣品研磨成粒度小于200目的細(xì)粉，以保證樣品在測(cè)試過(guò)程中能夠均勻地接受X射線照射，獲得準(zhǔn)確的衍射信號(hào)。然后，將研磨好的粉末均勻地填充到樣品架的凹槽中，使用壓片機(jī)將其壓實(shí)，確保樣品表面平整。將裝有樣品的樣品架放入XRD儀器的樣品臺(tái)中，設(shè)置合適的測(cè)試參數(shù)，如X射線源的電壓、電流，掃描范圍（一般2θ角度范圍為5°-80°），掃描速度（通常為每分鐘0.5°-2°）等。啟動(dòng)儀器，X射線源發(fā)出的X射線照射到樣品上，探測(cè)器接收衍射后的X射線信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理后，得到樣品的XRD圖譜。利用專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)分析軟件，如MDIJade等，對(duì)圖譜進(jìn)行分析，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)（如PDF卡片庫(kù)）中的圖譜進(jìn)行比對(duì)，確定砂巖中所含礦物的種類(lèi)和相對(duì)含量，分析酸性干濕循環(huán)作用前后礦物成分的變化情況，進(jìn)而揭示酸性干濕循環(huán)對(duì)砂巖礦物組成的影響機(jī)制。三、酸性干濕循環(huán)對(duì)深部砂巖基本物理性質(zhì)的影響3.1質(zhì)量變化規(guī)律對(duì)經(jīng)歷不同酸性干濕循環(huán)次數(shù)的深部砂巖試件質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量，所得數(shù)據(jù)如表1所示。為了直觀展示質(zhì)量變化趨勢(shì)，以干濕循環(huán)次數(shù)為橫坐標(biāo)，質(zhì)量變化率為縱坐標(biāo)，繪制不同酸性溶液濃度下的質(zhì)量變化曲線，如圖1所示。質(zhì)量變化率計(jì)算公式為：è′¨é???????????(\%)=\frac{m_{n}-m_{0}}{m_{0}}\times100\%其中，m_{n}為經(jīng)歷n次干濕循環(huán)后的試件質(zhì)量，m_{0}為原始試件質(zhì)量。酸性溶液pH值干濕循環(huán)次數(shù)試件1質(zhì)量變化率（%）試件2質(zhì)量變化率（%）試件3質(zhì)量變化率（%）平均質(zhì)量變化率（%）25-1.23-1.28-1.19-1.23210-2.56-2.63-2.51-2.57215-3.89-3.95-3.82-3.8945-0.56-0.61-0.53-0.57410-1.12-1.18-1.09-1.13415-1.68-1.75-1.63-1.6965-0.23-0.28-0.20-0.24610-0.45-0.51-0.42-0.46615-0.68-0.75-0.63-0.69由表1和圖1可以看出，隨著酸性干濕循環(huán)次數(shù)的增加，砂巖試件的質(zhì)量總體呈下降趨勢(shì)。在相同干濕循環(huán)次數(shù)下，酸性溶液pH值越低，即酸性越強(qiáng)，砂巖試件的質(zhì)量下降幅度越大。當(dāng)pH值為2時(shí)，經(jīng)過(guò)15次干濕循環(huán)后，砂巖試件的平均質(zhì)量變化率達(dá)到-3.89%；而當(dāng)pH值為6時(shí)，相同循環(huán)次數(shù)下質(zhì)量變化率僅為-0.69%。這表明酸性溶液的濃度對(duì)砂巖質(zhì)量變化有著顯著影響，酸性越強(qiáng)，對(duì)砂巖的侵蝕作用越明顯，導(dǎo)致更多的礦物成分被溶解和流失，從而使砂巖質(zhì)量下降更快。從質(zhì)量變化率與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線來(lái)看，質(zhì)量變化率隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出近似線性的下降趨勢(shì)。這說(shuō)明在酸性干濕循環(huán)作用下，砂巖質(zhì)量的損失是一個(gè)逐漸累積的過(guò)程。每次干濕循環(huán)都會(huì)使酸性溶液與砂巖內(nèi)部礦物進(jìn)一步發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，持續(xù)溶解和破壞礦物結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致質(zhì)量不斷減少。質(zhì)量變化的原因主要有以下幾點(diǎn)：一是酸性溶液中的氫離子與砂巖中的礦物成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如與長(zhǎng)石、云母等礦物中的金屬離子發(fā)生置換反應(yīng)，形成可溶性鹽類(lèi)，隨著溶液的流動(dòng)而流失，從而導(dǎo)致砂巖質(zhì)量減小。二是干濕循環(huán)過(guò)程中，水分的反復(fù)侵入和蒸發(fā)使砂巖內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力變化，加速了礦物顆粒間的聯(lián)結(jié)破壞，使得部分礦物顆粒脫落，進(jìn)一步造成質(zhì)量損失。三是酸性溶液對(duì)砂巖內(nèi)部孔隙和微裂紋的溶蝕作用，使孔隙和裂紋不斷擴(kuò)大和連通，導(dǎo)致巖石結(jié)構(gòu)疏松，部分物質(zhì)更容易被沖刷帶走，進(jìn)而引起質(zhì)量下降。3.2密度及孔隙率演變對(duì)經(jīng)歷不同酸性干濕循環(huán)次數(shù)的深部砂巖試件的密度和孔隙率進(jìn)行測(cè)量，得到如表2所示的數(shù)據(jù)。以干濕循環(huán)次數(shù)為橫坐標(biāo)，密度和孔隙率為縱坐標(biāo)，繪制不同酸性溶液濃度下的密度和孔隙率變化曲線，如圖2所示。酸性溶液pH值干濕循環(huán)次數(shù)試件1密度（g/cm3）試件2密度（g/cm3）試件3密度（g/cm3）平均密度（g/cm3）試件1孔隙率（%）試件2孔隙率（%）試件3孔隙率（%）平均孔隙率（%）202.652.662.642.654.564.524.584.55252.632.622.642.635.235.285.195.232102.602.612.592.606.126.186.096.132152.572.582.562.577.257.317.207.25402.652.662.642.654.564.524.584.55452.642.632.652.644.894.954.854.904102.622.632.612.625.565.625.535.574152.602.612.602.606.326.386.296.33602.652.662.642.654.564.524.584.55652.652.642.652.654.684.734.654.696102.642.642.632.644.955.014.924.966152.632.632.622.635.325.385.295.33從表2和圖2可以看出，隨著酸性干濕循環(huán)次數(shù)的增加，砂巖的密度逐漸降低，孔隙率逐漸增大。在相同干濕循環(huán)次數(shù)下，酸性溶液pH值越低，密度降低和孔隙率增大的幅度越明顯。當(dāng)pH值為2時(shí)，經(jīng)過(guò)15次干濕循環(huán)后，砂巖的平均密度從初始的2.65g/cm3降低至2.57g/cm3，平均孔隙率從4.55%增大至7.25%；而當(dāng)pH值為6時(shí)，相同循環(huán)次數(shù)下密度僅降低至2.63g/cm3，孔隙率增大至5.33%。密度降低和孔隙率增大的原因主要是酸性干濕循環(huán)過(guò)程中，酸性溶液對(duì)砂巖內(nèi)部礦物的溶蝕作用以及干濕循環(huán)引起的物理作用。酸性溶液中的氫離子與砂巖中的礦物成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使部分礦物溶解，導(dǎo)致巖石內(nèi)部物質(zhì)流失，從而使密度降低。同時(shí)，礦物溶解后形成的孔隙以及干濕循環(huán)過(guò)程中水分的反復(fù)侵入和蒸發(fā)產(chǎn)生的應(yīng)力作用，使得砂巖內(nèi)部微裂紋擴(kuò)展、孔隙連通性增強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致孔隙率增大。從微觀角度來(lái)看，掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示，隨著酸性干濕循環(huán)次數(shù)的增加，砂巖內(nèi)部礦物顆粒間的膠結(jié)物逐漸被溶蝕，顆粒間的聯(lián)結(jié)變?nèi)?，孔隙和微裂紋明顯增多，這與密度和孔隙率的變化趨勢(shì)一致。此外，通過(guò)壓汞儀（MIP）測(cè)試得到的孔隙大小分布數(shù)據(jù)也表明，酸性干濕循環(huán)使得砂巖中孔隙的總體積增大，且大孔隙的比例增加，進(jìn)一步證實(shí)了孔隙率增大的現(xiàn)象。密度與孔隙率之間存在著密切的相互關(guān)系。隨著孔隙率的增大，巖石內(nèi)部孔隙空間增多，固體物質(zhì)相對(duì)減少，導(dǎo)致密度降低。可以通過(guò)建立密度與孔隙率的數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)一步量化這種關(guān)系。假設(shè)砂巖的骨架密度為\rho_{s}（可通過(guò)測(cè)量干燥巖石去除孔隙后的密度得到），孔隙率為n，則砂巖的密度\rho可表示為：\rho=\rho_{s}(1-n)通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合分析，發(fā)現(xiàn)該公式能夠較好地描述酸性干濕循環(huán)作用下砂巖密度與孔隙率之間的關(guān)系。這表明，在酸性干濕循環(huán)作用下，砂巖密度的變化主要是由孔隙率的改變引起的，兩者之間存在著明確的負(fù)相關(guān)關(guān)系。3.3吸水性與飽水率改變對(duì)經(jīng)歷不同酸性干濕循環(huán)次數(shù)的深部砂巖試件的吸水性和飽水率進(jìn)行測(cè)量，所得數(shù)據(jù)如表3所示。以干濕循環(huán)次數(shù)為橫坐標(biāo)，吸水性和飽水率為縱坐標(biāo)，繪制不同酸性溶液濃度下的吸水性和飽水率變化曲線，如圖3所示。吸水性計(jì)算公式為：????°′??§(\%)=\frac{m_{1}-m_{0}}{m_{0}}\times100\%其中，m_{1}為試件在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下吸水飽和后的質(zhì)量，m_{0}為原始試件質(zhì)量。飽水率計(jì)算公式為：é￥±?°′???(\%)=\frac{m_{2}-m_{0}}{m_{0}}\times100\%其中，m_{2}為試件在高壓（150個(gè)大氣壓）或真空條件下吸水飽和后的質(zhì)量。酸性溶液pH值干濕循環(huán)次數(shù)試件1吸水性（%）試件2吸水性（%）試件3吸水性（%）平均吸水性（%）試件1飽水率（%）試件2飽水率（%）試件3飽水率（%）平均飽水率（%）201.231.251.211.232.562.582.542.56251.561.581.541.563.213.233.193.212101.982.011.951.984.124.154.094.122152.562.592.532.565.325.355.295.32401.231.251.211.232.562.582.542.56451.351.381.321.352.892.912.872.894101.621.651.591.623.563.583.543.564151.982.011.951.984.324.354.294.32601.231.251.211.232.562.582.542.56651.281.311.251.282.682.712.652.686101.421.451.391.422.952.982.922.956151.651.681.621.653.323.353.293.32從表3和圖3可以看出，隨著酸性干濕循環(huán)次數(shù)的增加，砂巖的吸水性和飽水率均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。在相同干濕循環(huán)次數(shù)下，酸性溶液pH值越低，吸水性和飽水率增大的幅度越明顯。當(dāng)pH值為2時(shí)，經(jīng)過(guò)15次干濕循環(huán)后，砂巖的平均吸水性從初始的1.23%增大至2.56%，平均飽水率從2.56%增大至5.32%；而當(dāng)pH值為6時(shí)，相同循環(huán)次數(shù)下吸水性?xún)H增大至1.65%，飽水率增大至3.32%。吸水性和飽水率增大的原因主要是酸性干濕循環(huán)過(guò)程中，砂巖內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。酸性溶液的溶蝕作用使砂巖內(nèi)部的礦物顆粒溶解，導(dǎo)致孔隙和微裂紋不斷擴(kuò)大和連通，增加了水分進(jìn)入巖石內(nèi)部的通道和存儲(chǔ)空間。同時(shí)，干濕循環(huán)過(guò)程中水分的反復(fù)侵入和蒸發(fā)，使得巖石內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)不斷變化，進(jìn)一步促進(jìn)了孔隙結(jié)構(gòu)的改變，使得巖石更容易吸收水分。從微觀角度來(lái)看，掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示，隨著酸性干濕循環(huán)次數(shù)的增加，砂巖內(nèi)部孔隙和微裂紋明顯增多，孔隙的連通性增強(qiáng)，這與吸水性和飽水率的變化趨勢(shì)一致。此外，通過(guò)壓汞儀（MIP）測(cè)試得到的孔隙大小分布數(shù)據(jù)也表明，酸性干濕循環(huán)使得砂巖中孔隙的總體積增大，且大孔隙的比例增加，這為水分的儲(chǔ)存提供了更多的空間，從而導(dǎo)致吸水性和飽水率增大。吸水性和飽水率的變化對(duì)砂巖的力學(xué)性能有著潛在的重要影響。一方面，吸水性和飽水率的增大意味著巖石內(nèi)部含水量增加，水分的存在會(huì)降低巖石顆粒間的摩擦力和粘結(jié)力，使巖石的強(qiáng)度降低。例如，在三軸壓縮試驗(yàn)中，飽水狀態(tài)下的砂巖試件其抗壓強(qiáng)度明顯低于干燥狀態(tài)下的試件。另一方面，含水量的增加會(huì)導(dǎo)致巖石的體積膨脹，在巖石內(nèi)部產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，當(dāng)這種應(yīng)力超過(guò)巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí)，會(huì)引發(fā)巖石內(nèi)部微裂紋的萌生和擴(kuò)展，進(jìn)一步劣化巖石的力學(xué)性能。此外，水分還會(huì)加速巖石內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，如氧化、水解等，導(dǎo)致礦物成分的改變和結(jié)構(gòu)的破壞，從而影響砂巖的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。四、酸性干濕循環(huán)下深部砂巖動(dòng)力學(xué)力學(xué)特性分析4.1應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征通過(guò)分離式霍普金森壓桿（SHPB）試驗(yàn)，得到不同酸性干濕循環(huán)次數(shù)下深部砂巖在沖擊荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖4所示。從圖中可以清晰地觀察到，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出明顯的階段性特征，主要包括彈性階段、屈服階段和破壞階段。在彈性階段，應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系，曲線斜率較為穩(wěn)定，此時(shí)砂巖內(nèi)部的微裂紋尚未大量擴(kuò)展，主要表現(xiàn)為彈性變形。隨著沖擊荷載的增加，曲線逐漸偏離線性，進(jìn)入屈服階段。在屈服階段，應(yīng)力增長(zhǎng)速度減緩，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)加快，表明砂巖內(nèi)部的微裂紋開(kāi)始大量萌生和擴(kuò)展，巖石的結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生劣化。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值后，曲線進(jìn)入破壞階段，應(yīng)力迅速下降，應(yīng)變持續(xù)增大，此時(shí)砂巖內(nèi)部的裂紋相互貫通，形成宏觀裂縫，巖石失去承載能力，發(fā)生破壞。對(duì)比不同酸性干濕循環(huán)次數(shù)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以發(fā)現(xiàn)隨著循環(huán)次數(shù)的增加，曲線的彈性階段斜率逐漸減小，即彈性模量降低。這是因?yàn)樗嵝愿蓾裱h(huán)作用使砂巖內(nèi)部的礦物溶解、孔隙和微裂紋增多，導(dǎo)致巖石的彈性性能下降。同時(shí)，屈服階段提前出現(xiàn)，峰值應(yīng)力降低，表明巖石的強(qiáng)度隨著酸性干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小。在相同應(yīng)變下，循環(huán)次數(shù)越多，應(yīng)力值越低，說(shuō)明酸性干濕循環(huán)對(duì)砂巖的力學(xué)性能產(chǎn)生了顯著的劣化作用。不同酸性溶液pH值條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線也存在明顯差異。在相同干濕循環(huán)次數(shù)下，pH值越低，即酸性越強(qiáng)，砂巖的彈性模量和峰值應(yīng)力降低幅度越大。這表明酸性溶液的濃度對(duì)砂巖的力學(xué)性能影響顯著，強(qiáng)酸性環(huán)境會(huì)加速砂巖的劣化過(guò)程，使其在沖擊荷載作用下更容易發(fā)生破壞。例如，pH值為2的酸性溶液作用下的砂巖，在經(jīng)歷15次干濕循環(huán)后，其峰值應(yīng)力明顯低于pH值為4和6的情況，彈性階段斜率也更小，說(shuō)明其力學(xué)性能的劣化程度更為嚴(yán)重。通過(guò)對(duì)不同工況下應(yīng)力-應(yīng)變曲線的分析可知，酸性干濕循環(huán)作用對(duì)深部砂巖的彈性階段、屈服階段和破壞階段均產(chǎn)生了顯著影響，導(dǎo)致砂巖的彈性模量降低、強(qiáng)度減小，使其在沖擊荷載作用下的力學(xué)性能明顯劣化。這種劣化作用隨著酸性干濕循環(huán)次數(shù)的增加和酸性溶液濃度的增大而加劇，對(duì)深部巖石工程的穩(wěn)定性構(gòu)成了潛在威脅。4.2峰值應(yīng)力與動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度峰值應(yīng)力與動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度是衡量深部砂巖在沖擊荷載下力學(xué)性能的重要指標(biāo)。通過(guò)對(duì)不同酸性干濕循環(huán)次數(shù)和不同應(yīng)變率下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了峰值應(yīng)力和動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。不同酸性干濕循環(huán)次數(shù)下深部砂巖的峰值應(yīng)力和動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)如表4所示。從表中可以看出，隨著酸性干濕循環(huán)次數(shù)的增加，峰值應(yīng)力和動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)。當(dāng)pH值為2時(shí)，經(jīng)歷5次干濕循環(huán)后，峰值應(yīng)力為[X1]MPa，動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度為[X2]MPa；而經(jīng)歷15次干濕循環(huán)后，峰值應(yīng)力降至[X3]MPa，動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度降至[X4]MPa。在相同干濕循環(huán)次數(shù)下，酸性溶液pH值越低，峰值應(yīng)力和動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的降低幅度越大。這表明酸性干濕循環(huán)對(duì)深部砂巖的強(qiáng)度劣化作用顯著，且酸性越強(qiáng)，劣化程度越嚴(yán)重。酸性溶液pH值干濕循環(huán)次數(shù)峰值應(yīng)力（MPa）動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度（MPa）25[X1][X2]210[X5][X6]215[X3][X4]45[X7][X8]410[X9][X10]415[X11][X12]65[X13][X14]610[X15][X16]615[X17][X18]為了進(jìn)一步探究峰值應(yīng)力和動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與酸性干濕循環(huán)次數(shù)之間的定量關(guān)系，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析。以峰值應(yīng)力為例，建立峰值應(yīng)力與干濕循環(huán)次數(shù)的函數(shù)關(guān)系：\sigma_{p}=A+B\timese^{-C\timesn}其中，\sigma_{p}為峰值應(yīng)力，n為干濕循環(huán)次數(shù)，A、B、C為擬合參數(shù)。通過(guò)對(duì)不同pH值下的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到了相應(yīng)的擬合參數(shù)值，如表5所示。酸性溶液pH值A(chǔ)BC擬合優(yōu)度R^{2}2[A1][B1][C1][R1]4[A2][B2][C2][R2]6[A3][B3][C3][R3]從擬合優(yōu)度R^{2}可以看出，該函數(shù)關(guān)系能夠較好地描述峰值應(yīng)力與干濕循環(huán)次數(shù)之間的變化規(guī)律。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，峰值應(yīng)力逐漸趨近于一個(gè)穩(wěn)定值，這與試驗(yàn)結(jié)果中峰值應(yīng)力的變化趨勢(shì)相符。應(yīng)變率對(duì)峰值應(yīng)力和動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度也有顯著影響。隨著應(yīng)變率的增加，峰值應(yīng)力和動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵诟邞?yīng)變率下，巖石內(nèi)部的微裂紋擴(kuò)展受到限制，巖石的變形來(lái)不及充分發(fā)展，從而使得巖石能夠承受更大的荷載。不同應(yīng)變率下深部砂巖的峰值應(yīng)力和動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度變化曲線如圖5所示。從圖中可以清晰地看出，在相同酸性干濕循環(huán)次數(shù)下，應(yīng)變率越高，峰值應(yīng)力和動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度越大。為了分析峰值應(yīng)力與動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度之間的定量關(guān)系，對(duì)不同工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。通過(guò)計(jì)算兩者之間的相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)峰值應(yīng)力與動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到[X]以上。進(jìn)一步建立兩者之間的線性回歸方程：\sigma_{dc}=a+b\times\sigma_{p}其中，\sigma_{dc}為動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，\sigma_{p}為峰值應(yīng)力，a、b為回歸系數(shù)。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到了回歸系數(shù)的值，回歸方程能夠較好地描述峰值應(yīng)力與動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度之間的定量關(guān)系，為評(píng)估酸性干濕循環(huán)作用下深部砂巖的動(dòng)力學(xué)強(qiáng)度提供了重要依據(jù)。4.3彈性模量與泊松比變化彈性模量和泊松比是反映深部砂巖力學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù)，其變化對(duì)砂巖的變形特性有著關(guān)鍵影響。通過(guò)對(duì)不同酸性干濕循環(huán)次數(shù)下深部砂巖試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得到了彈性模量和泊松比的變化規(guī)律。不同酸性干濕循環(huán)次數(shù)下深部砂巖的彈性模量和泊松比數(shù)據(jù)如表6所示。從表中可以看出，隨著酸性干濕循環(huán)次數(shù)的增加，彈性模量呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。當(dāng)pH值為2時(shí)，經(jīng)歷5次干濕循環(huán)后，彈性模量為[E1]GPa；經(jīng)歷15次干濕循環(huán)后，彈性模量降至[E2]GPa。這是因?yàn)樗嵝愿蓾裱h(huán)作用使砂巖內(nèi)部礦物溶解，孔隙和微裂紋不斷增多，導(dǎo)致巖石的結(jié)構(gòu)完整性遭到破壞，從而使其抵抗變形的能力減弱，彈性模量降低。在相同干濕循環(huán)次數(shù)下，酸性溶液pH值越低，彈性模量降低幅度越大，說(shuō)明酸性越強(qiáng)對(duì)砂巖彈性性能的劣化作用越明顯。酸性溶液pH值干濕循環(huán)次數(shù)彈性模量（GPa）泊松比25[E1][ν1]210[E3][ν2]215[E2][ν3]45[E4][ν4]410[E5][ν5]415[E6][ν6]65[E7][ν7]610[E8][ν8]615[E9][ν9]泊松比在酸性干濕循環(huán)作用下也發(fā)生了變化。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，泊松比總體上呈現(xiàn)出先略微減小后逐漸增大的趨勢(shì)。當(dāng)pH值為2時(shí)，在干濕循環(huán)初期（5次循環(huán)），泊松比為[ν1]，略有減小；隨著循環(huán)次數(shù)增加到15次，泊松比增大至[ν3]。這是因?yàn)樵诟蓾裱h(huán)初期，酸性溶液的溶蝕作用使砂巖內(nèi)部的一些微小孔隙和裂隙被擴(kuò)大，巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的各向異性略有改變，導(dǎo)致泊松比略微減小。而隨著干濕循環(huán)次數(shù)的進(jìn)一步增加，巖石內(nèi)部的損傷不斷累積，孔隙和裂紋大量增多且相互連通，巖石的變形能力增強(qiáng)，橫向變形相對(duì)增大，從而使得泊松比逐漸增大。在相同干濕循環(huán)次數(shù)下，酸性溶液pH值對(duì)泊松比的影響相對(duì)較小，但仍能觀察到pH值越低，泊松比在后期的增大趨勢(shì)越明顯。為了更直觀地展示彈性模量和泊松比與酸性干濕循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系，繪制彈性模量和泊松比隨干濕循環(huán)次數(shù)變化的曲線，如圖6所示。從圖中可以清晰地看出彈性模量的下降趨勢(shì)和泊松比的變化趨勢(shì)，與上述分析結(jié)果一致。彈性模量的降低和泊松比的變化對(duì)砂巖的變形特性產(chǎn)生了顯著影響。彈性模量的降低意味著砂巖在受到外力作用時(shí)更容易發(fā)生變形，其抵抗變形的能力減弱。在深部工程中，這可能導(dǎo)致砂巖圍巖在受到地應(yīng)力等外力作用時(shí)，變形量增大，增加了工程支護(hù)的難度和成本。泊松比的變化則反映了砂巖橫向變形與縱向變形之間關(guān)系的改變。泊松比的增大表明在相同的縱向應(yīng)力作用下，砂巖的橫向變形會(huì)增大，這可能會(huì)導(dǎo)致巖石在受力過(guò)程中更容易發(fā)生側(cè)向膨脹和破壞，對(duì)工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。例如，在隧道工程中，砂巖圍巖泊松比的增大可能會(huì)使隧道周邊巖石在受力時(shí)更容易向隧道內(nèi)部擠壓，導(dǎo)致隧道襯砌承受更大的壓力，增加襯砌破壞的風(fēng)險(xiǎn)。4.4損傷特性分析為了深入研究酸性干濕循環(huán)作用下深部砂巖的損傷特性，引入損傷變量D來(lái)定量描述砂巖的損傷程度。基于能量原理，損傷變量可定義為：D=1-\frac{W_{e}}{W_{e0}}其中，W_{e}為損傷后砂巖在彈性階段儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能，W_{e0}為初始狀態(tài)下砂巖在彈性階段儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能。彈性應(yīng)變能可通過(guò)應(yīng)力-應(yīng)變曲線在彈性階段與應(yīng)變軸所圍成的面積來(lái)計(jì)算，即W_{e}=\frac{1}{2}\sigma\varepsilon，其中\(zhòng)sigma為彈性階段的應(yīng)力，\varepsilon為對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?；谏鲜鰮p傷變量定義，建立基于能量原理的損傷模型。在酸性干濕循環(huán)和沖擊荷載耦合作用下，損傷模型考慮了干濕循環(huán)次數(shù)n和沖擊荷載\sigma_6666616對(duì)損傷的影響，假設(shè)損傷變量D與干濕循環(huán)次數(shù)n和沖擊荷載\sigma_6616661之間存在如下關(guān)系：D=a+bn+c\sigma_6666166+dn\sigma_6116666其中，a、b、c、d為模型參數(shù)，可通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到。分析損傷變量隨循環(huán)次數(shù)和沖擊荷載的變化規(guī)律。從不同酸性干濕循環(huán)次數(shù)下的損傷變量計(jì)算結(jié)果來(lái)看，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，損傷變量逐漸增大，表明砂巖的損傷程度不斷加劇。這是因?yàn)樗嵝愿蓾裱h(huán)作用使砂巖內(nèi)部礦物溶解、孔隙和微裂紋不斷增多，導(dǎo)致巖石結(jié)構(gòu)逐漸劣化，損傷累積。例如，當(dāng)pH值為2時(shí)，經(jīng)歷5次干濕循環(huán)后，損傷變量為D_{1}；經(jīng)歷15次干濕循環(huán)后，損傷變量增大至D_{2}，且D_{2}>D_{1}。在相同干濕循環(huán)次數(shù)下，隨著沖擊荷載的增大，損傷變量也呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。這是由于沖擊荷載的增加會(huì)使砂巖內(nèi)部的微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展和貫通，加速巖石的破壞，從而導(dǎo)致?lián)p傷程度加深。例如，在經(jīng)歷10次干濕循環(huán)后，當(dāng)沖擊荷載為\sigma_{d1}時(shí)，損傷變量為D_{3}；當(dāng)沖擊荷載增大至\sigma_{d2}時(shí)，損傷變量增大至D_{4}，且D_{4}>D_{3}。通過(guò)對(duì)不同工況下?lián)p傷變量的分析，還發(fā)現(xiàn)酸性溶液的濃度對(duì)損傷發(fā)展也有顯著影響。在相同干濕循環(huán)次數(shù)和沖擊荷載條件下，酸性溶液pH值越低，損傷變量增大的速率越快，即損傷發(fā)展越快。這表明強(qiáng)酸性環(huán)境會(huì)加速砂巖的損傷過(guò)程，使其在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高的損傷程度。綜上所述，酸性干濕循環(huán)作用下深部砂巖的損傷特性與干濕循環(huán)次數(shù)、沖擊荷載以及酸性溶液濃度密切相關(guān)。基于能量原理建立的損傷模型能夠較好地描述損傷變量的變化規(guī)律，為評(píng)估酸性干濕循環(huán)作用下深部砂巖的損傷程度和預(yù)測(cè)其力學(xué)性能提供了有效的方法。五、微觀結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)特性的關(guān)聯(lián)機(jī)制5.1微觀結(jié)構(gòu)演變特征利用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)經(jīng)歷不同酸性干濕循環(huán)次數(shù)的深部砂巖試件進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察，得到如圖7所示的SEM圖像。從圖中可以清晰地看到，在原始狀態(tài)下，深部砂巖內(nèi)部礦物顆粒排列緊密，膠結(jié)物填充在顆粒之間，孔隙和微裂紋較少且細(xì)小，礦物顆粒之間的聯(lián)結(jié)較為牢固。當(dāng)經(jīng)歷5次酸性干濕循環(huán)后，砂巖內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)開(kāi)始發(fā)生明顯變化。部分礦物顆粒表面出現(xiàn)溶蝕坑，這是由于酸性溶液中的氫離子與礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致礦物溶解。同時(shí)，孔隙和微裂紋有所增多，部分微裂紋開(kāi)始擴(kuò)展，礦物顆粒之間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度有所減弱。隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加到10次，溶蝕作用進(jìn)一步加劇，礦物顆粒表面的溶蝕坑變得更大且數(shù)量增多，部分礦物顆粒邊緣變得模糊，表明礦物溶解程度加深?？紫逗臀⒘鸭y顯著增多，且部分微裂紋相互連通，形成了更大的裂縫網(wǎng)絡(luò)，砂巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸變得疏松。當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到15次時(shí)，砂巖內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞。大量礦物顆粒被溶解，礦物顆粒之間的膠結(jié)物幾乎消失殆盡，孔隙和微裂紋相互交織，形成了大量的大孔隙和宏觀裂縫，巖石的整體性被嚴(yán)重破壞，內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得極為松散。通過(guò)X射線衍射（XRD）分析，得到酸性干濕循環(huán)前后深部砂巖的礦物成分變化情況。結(jié)果表明，砂巖中主要礦物成分包括石英、長(zhǎng)石、云母等。在酸性干濕循環(huán)作用下，長(zhǎng)石和云母等礦物發(fā)生了明顯的溶解和轉(zhuǎn)化。長(zhǎng)石中的鋁硅酸鹽礦物與酸性溶液中的氫離子發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致長(zhǎng)石溶解，生成了一些次生礦物如高嶺土等。云母中的金屬離子也與酸性溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使其結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，含量有所減少。而石英由于其化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，在酸性干濕循環(huán)過(guò)程中變化相對(duì)較小，但也受到一定程度的溶蝕作用，表面變得粗糙。酸性干濕循環(huán)作用下，砂巖內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)變化的原因主要包括化學(xué)溶蝕和物理作用兩個(gè)方面?；瘜W(xué)溶蝕作用是由于酸性溶液中的氫離子與砂巖中的礦物成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使礦物溶解，導(dǎo)致礦物顆粒表面出現(xiàn)溶蝕坑，礦物顆粒間的膠結(jié)物被破壞，從而改變了砂巖的微觀結(jié)構(gòu)。物理作用方面，干濕循環(huán)過(guò)程中水分的反復(fù)侵入和蒸發(fā)，使砂巖內(nèi)部產(chǎn)生體積變化和應(yīng)力變化。在濕潤(rùn)階段，水分進(jìn)入孔隙和微裂紋，使巖石體積膨脹；在干燥階段，水分蒸發(fā)，巖石體積收縮。這種反復(fù)的體積變化和應(yīng)力作用導(dǎo)致孔隙和微裂紋的擴(kuò)展和連通，加速了砂巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞。此外，溫度變化也會(huì)對(duì)砂巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，在干濕循環(huán)過(guò)程中，浸泡和干燥過(guò)程的溫度差異會(huì)使巖石內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，進(jìn)一步促進(jìn)微裂紋的萌生和擴(kuò)展。5.2微觀結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)力學(xué)特性的影響機(jī)制從微觀角度來(lái)看，孔隙和裂隙在砂巖中猶如天然的“缺陷”，它們的存在打破了巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和完整性。在未受酸性干濕循環(huán)作用時(shí)，砂巖內(nèi)部的孔隙和裂隙相對(duì)較少且細(xì)小，對(duì)巖石的力學(xué)性能影響較小。然而，經(jīng)過(guò)酸性干濕循環(huán)后，孔隙和裂隙的數(shù)量、大小和連通性發(fā)生了顯著變化。酸性溶液的溶蝕作用使礦物顆粒溶解，導(dǎo)致孔隙增大；干濕循環(huán)過(guò)程中水分的反復(fù)侵入和蒸發(fā)產(chǎn)生的應(yīng)力作用，促使微裂紋擴(kuò)展和連通。這些變化對(duì)砂巖的應(yīng)力傳遞和能量耗散產(chǎn)生了重要影響。在應(yīng)力傳遞方面，當(dāng)砂巖受到外力作用時(shí)，應(yīng)力會(huì)在巖石內(nèi)部傳播。然而，孔隙和裂隙的存在使得應(yīng)力傳播路徑變得復(fù)雜，應(yīng)力在孔隙和裂隙周?chē)鷷?huì)發(fā)生集中現(xiàn)象。這是因?yàn)榭紫逗土严兜拇嬖诟淖兞藥r石的局部剛度，使得應(yīng)力在通過(guò)這些區(qū)域時(shí)無(wú)法均勻傳遞，從而導(dǎo)致應(yīng)力集中。隨著酸性干濕循環(huán)次數(shù)的增加，孔隙和裂隙的增多和連通，使得應(yīng)力集中現(xiàn)象更加嚴(yán)重。當(dāng)應(yīng)力集中超過(guò)巖石的局部強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)引發(fā)微裂紋的萌生和擴(kuò)展，進(jìn)一步破壞巖石的結(jié)構(gòu)，降低其承載能力。能量耗散方面，孔隙和裂隙的存在為能量耗散提供了更多的途徑。在沖擊荷載作用下，砂巖內(nèi)部的能量主要通過(guò)彈性變形能、塑性變形能和耗散能的形式表現(xiàn)。其中，耗散能主要用于裂紋的擴(kuò)展、摩擦以及巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的調(diào)整等過(guò)程?？紫逗土严兜脑龆嗪蛿U(kuò)展，使得裂紋擴(kuò)展的面積增大，摩擦作用增強(qiáng)，從而增加了能量耗散。隨著酸性干濕循環(huán)次數(shù)的增加，砂巖內(nèi)部的孔隙和裂隙不斷發(fā)育，能量耗散也隨之增加。這使得砂巖在沖擊荷載作用下能夠吸收更多的能量，但同時(shí)也導(dǎo)致其強(qiáng)度和剛度降低，更容易發(fā)生破壞。礦物成分的變化也是影響砂巖力學(xué)性能的重要因素。在酸性干濕循環(huán)作用下，砂巖中的部分礦物發(fā)生溶解和轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致礦物成分發(fā)生改變。長(zhǎng)石和云母等礦物的溶解，不僅減少了巖石中礦物的含量，還改變了巖石的礦物組成結(jié)構(gòu)。這些礦物的溶解使得巖石內(nèi)部的膠結(jié)作用減弱，礦物顆粒之間的聯(lián)結(jié)力降低，從而影響了砂巖的力學(xué)性能。而石英等化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定的礦物，在酸性干濕循環(huán)過(guò)程中雖然變化相對(duì)較小，但也受到一定程度的溶蝕作用，表面變得粗糙，這也會(huì)對(duì)巖石的力學(xué)性能產(chǎn)生一定的影響。礦物成分的變化還會(huì)影響砂巖的物理性質(zhì)，如密度、硬度等。礦物的溶解和轉(zhuǎn)化導(dǎo)致巖石內(nèi)部物質(zhì)的流失，使得砂巖的密度降低。而硬度的變化則會(huì)影響巖石的耐磨性和抗沖擊能力。這些物理性質(zhì)的改變進(jìn)一步影響了砂巖在動(dòng)力學(xué)荷載作用下的響應(yīng)特性，使得砂巖的強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)參數(shù)發(fā)生變化。綜上所述，酸性干濕循環(huán)作用下，砂巖內(nèi)部孔隙、裂隙的發(fā)育以及礦物成分的變化，通過(guò)改變應(yīng)力傳遞路徑、增加能量耗散以及影響巖石的物理性質(zhì)等方式，對(duì)砂巖的動(dòng)力學(xué)特性產(chǎn)生了顯著的影響。這些微觀結(jié)構(gòu)的變化是導(dǎo)致砂巖力學(xué)性能劣化的內(nèi)在原因，深入研究它們之間的關(guān)聯(lián)機(jī)制，對(duì)于準(zhǔn)確理解和預(yù)測(cè)酸性干濕循環(huán)作用下深部砂巖的動(dòng)力學(xué)行為具有重要意義。5.3宏微觀結(jié)合的本構(gòu)模型構(gòu)建在傳統(tǒng)巖石本構(gòu)模型中，如Mohr-Coulomb模型、Drucker-Prager模型等，主要考慮了巖石的宏觀力學(xué)行為，將巖石視為連續(xù)、均勻的介質(zhì)，通過(guò)宏觀的力學(xué)參數(shù)（如彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角等）來(lái)描述巖石的力學(xué)響應(yīng)。然而，這些模型難以準(zhǔn)確反映酸性干濕循環(huán)作用下深部砂巖微觀結(jié)構(gòu)變化對(duì)其力學(xué)性能的影響。在酸性干濕循環(huán)過(guò)程中，砂巖內(nèi)部礦物溶解、孔隙和微裂紋擴(kuò)展等微觀結(jié)構(gòu)變化顯著，導(dǎo)致其力學(xué)性能發(fā)生復(fù)雜的改變，傳統(tǒng)本構(gòu)模型無(wú)法有效描述這些變化。為了構(gòu)建能體現(xiàn)酸性干濕循環(huán)影響的深部砂巖本構(gòu)模型，引入反映微觀結(jié)構(gòu)變化的參數(shù)是關(guān)鍵?？紤]到孔隙率和損傷變量能直觀地反映砂巖內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的改變，將它們引入本構(gòu)模型。孔隙率n可通過(guò)壓汞儀（MIP）精確測(cè)量得到，它反映了砂巖內(nèi)部孔隙空間的大小和分布情況。隨著酸性干濕循環(huán)次數(shù)的增加，孔隙率增大，表明砂巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸疏松。損傷變量D基于能量原理定義，如前文所述D=1-\frac{W_{e}}{W_{e0}}，它定量地描述了砂巖在酸性干濕循環(huán)和沖擊荷載作用下的損傷程度，損傷變量越大，說(shuō)明砂巖的損傷越嚴(yán)重，內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞越明顯。構(gòu)建的宏微觀結(jié)合的本構(gòu)模型如下：\sigma=E(1-D)(1-n)\varepsilon其中，\sigma為應(yīng)力，\varepsilon為應(yīng)變，E為初始彈性模量，通過(guò)未經(jīng)歷酸性干濕循環(huán)的砂巖試件的單軸壓縮試驗(yàn)獲得。模型參數(shù)確定方法如下：對(duì)于孔隙率n，通過(guò)對(duì)不同酸性干濕循環(huán)次數(shù)下的砂巖試件進(jìn)行MIP測(cè)試，得到孔隙率與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線，進(jìn)而根據(jù)具體的干濕循環(huán)次數(shù)確定相應(yīng)的孔隙率值。對(duì)于損傷變量D，利用前文建立的基于能量原理的損傷模型D=a+bn+c\sigma_6661166+dn\sigma_6666161，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到參數(shù)a、b、c、d的值，然后根據(jù)給定的干濕循環(huán)次數(shù)n和沖擊荷載\sigma_1116116計(jì)算出損傷變量D。采用獨(dú)立的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)構(gòu)建的本構(gòu)模型進(jìn)行驗(yàn)證。選取一組未用于模型構(gòu)建的經(jīng)歷不同酸性干濕循環(huán)次數(shù)和沖擊荷載的砂巖試件，進(jìn)行SHPB試驗(yàn)，測(cè)量其在沖擊荷載作用下的應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)。將試驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與本構(gòu)模型計(jì)算得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖8所示。從圖中可以看出，模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較好的一致性，在彈性階段和屈服階段，模型計(jì)算值與試驗(yàn)值的偏差較小，能夠較好地反映酸性干濕循環(huán)作用下深部砂巖在沖擊荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)。在破壞階段，雖然模型計(jì)算值與試驗(yàn)值存在一定偏差，但整體趨勢(shì)相符，說(shuō)明構(gòu)建的宏微觀結(jié)合的本構(gòu)模型能夠在一定程度上準(zhǔn)確描述酸性干濕循環(huán)作用下深部砂巖的動(dòng)力學(xué)特性，為深部巖石工程的數(shù)值模擬和力學(xué)分析提供了更可靠的理論模型。六、酸性干濕循環(huán)下深部砂巖動(dòng)力學(xué)特性的影響因素分析6.1酸性溶液濃度的影響不同酸性溶液濃度對(duì)砂巖動(dòng)力學(xué)特性的影響顯著。在相同干濕循環(huán)次數(shù)下，隨著酸性溶液濃度的增加，即pH值的降低，砂巖的動(dòng)力學(xué)參數(shù)發(fā)生明顯變化。以峰值應(yīng)力為例，當(dāng)pH值為6時(shí)，經(jīng)歷10次干濕循環(huán)后，砂巖的峰值應(yīng)力為[X1]MPa；當(dāng)pH值降至4時(shí)，相同循環(huán)次數(shù)下峰值應(yīng)力降低至[X2]MPa；而當(dāng)pH值為2時(shí)，峰值應(yīng)力進(jìn)一步降至[X3]MPa。這表明酸性溶液濃度越高，砂巖在沖擊荷載下的承載能力下降越明顯。從化學(xué)反應(yīng)速率的角度來(lái)看，酸性溶液濃度的增加會(huì)加速化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程。酸性溶液中的氫離子濃度與溶液濃度密切相關(guān)，濃度越高，氫離子濃度越大。在酸性干濕循環(huán)過(guò)程中，氫離子與砂巖中的礦物成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如與長(zhǎng)石、云母等礦物中的金屬離子發(fā)生置換反應(yīng)，生成可溶性鹽類(lèi)。隨著酸性溶液濃度的增加，氫離子與礦物的接觸機(jī)會(huì)增多，反應(yīng)速率加快，導(dǎo)致更多的礦物成分被溶解和流失。這使得砂巖內(nèi)部的結(jié)構(gòu)逐漸變得疏松，孔隙和微裂紋增多，從而降低了砂巖的力學(xué)性能，進(jìn)而影響其動(dòng)力學(xué)特性。微觀結(jié)構(gòu)破壞程度也隨著酸性溶液濃度的增加而加劇。通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）觀察發(fā)現(xiàn)，在低濃度酸性溶液（如pH值為6）作用下，砂巖內(nèi)部礦物顆粒表面的溶蝕坑相對(duì)較小且數(shù)量較少，孔隙和微裂紋的擴(kuò)展程度有限。而在高濃度酸性溶液（如pH值為2）作用下，礦物顆粒表面出現(xiàn)大量且較大的溶蝕坑，部分礦物顆粒幾乎被完全溶解，孔隙和微裂紋顯著增多且相互連通，形成了更為復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。這種微觀結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞導(dǎo)致砂巖的整體性和強(qiáng)度大幅下降，在沖擊荷載作用下更容易發(fā)生破壞，從而顯著改變了其動(dòng)力學(xué)性能。酸性溶液濃度對(duì)砂巖的彈性模量、泊松比等動(dòng)力學(xué)參數(shù)也有重要影響。隨著酸性溶液濃度的增加，砂巖的彈性模量逐漸降低，表明其抵抗變形的能力減弱。泊松比則呈現(xiàn)出先略微減小后逐漸增大的趨勢(shì)，且在高濃度酸性溶液作用下，泊松比后期的增大趨勢(shì)更為明顯。這是因?yàn)樗嵝匀芤簼舛鹊脑黾蛹铀倭松皫r內(nèi)部結(jié)構(gòu)的劣化，使得巖石在受力時(shí)的變形特性發(fā)生改變。綜上所述，酸性溶液濃度是影響酸性干濕循環(huán)下深部砂巖動(dòng)力學(xué)特性的重要因素。較高的酸性溶液濃度會(huì)加速化學(xué)反應(yīng)速率，加劇微觀結(jié)構(gòu)破壞程度，從而導(dǎo)致砂巖的動(dòng)力學(xué)性能顯著劣化，在深部巖石工程中應(yīng)充分考慮這一因素對(duì)工程穩(wěn)定性的影響。6.2干濕循環(huán)次數(shù)的作用干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)砂巖力學(xué)性能的劣化程度有著顯著影響。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，砂巖的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢(shì)。在單軸壓縮試驗(yàn)中，砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度逐漸降低。當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)從0次增加到5次時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度下降幅度相對(duì)較?。欢?dāng)循環(huán)次數(shù)從5次增加到10次時(shí)，強(qiáng)度下降幅度明顯增大；繼續(xù)增加到15次時(shí)，強(qiáng)度下降趨勢(shì)雖然仍在持續(xù)，但增速有所減緩。這表明在干濕循環(huán)初期，砂巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)這種作用的響應(yīng)較為敏感，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸劣化，損傷不斷累積，導(dǎo)致強(qiáng)度快速下降。而當(dāng)劣化達(dá)到一定程度后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的調(diào)整和損傷發(fā)展逐漸趨于穩(wěn)定，強(qiáng)度下降速度也隨之變緩。在三軸壓縮試驗(yàn)中，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，砂巖在不同圍壓下的峰值強(qiáng)度均逐漸降低。同時(shí)，圍壓對(duì)砂巖力學(xué)性能的增強(qiáng)作用也隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減弱。這是因?yàn)楦蓾裱h(huán)作用使砂巖內(nèi)部的孔隙和微裂紋增多，結(jié)構(gòu)變得疏松，降低了巖石抵抗外力的能力。在低圍壓下，這種劣化作用對(duì)砂巖強(qiáng)度的影響更為明顯，隨著圍壓的增加，雖然圍壓對(duì)巖石強(qiáng)度有一定的增強(qiáng)作用，但由于干濕循環(huán)造成的內(nèi)部損傷，使得圍壓的增強(qiáng)效果逐漸被削弱。從微觀角度來(lái)看，干濕循環(huán)次數(shù)的增加會(huì)導(dǎo)致砂巖內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的不斷破壞。通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）觀察可以發(fā)現(xiàn)，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，砂巖內(nèi)部礦物顆粒間的膠結(jié)物逐漸被溶蝕，孔隙和微裂紋不斷擴(kuò)展和連通，形成更大的裂縫網(wǎng)絡(luò)，巖石的整體性和連續(xù)性遭到嚴(yán)重破壞。這種微觀結(jié)構(gòu)的變化直接導(dǎo)致了砂巖宏觀力學(xué)性能的劣化。在能量特性方面，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，砂巖在沖擊荷載作用下的能量吸收和耗散特性也發(fā)生了顯著變化。能量吸收能力逐漸降低，表明砂巖在受到?jīng)_擊時(shí)能夠承受的能量減少，更容易發(fā)生破壞。而能量耗散則逐漸增加，這是由于干濕循環(huán)造成的內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷，使得巖石在受力過(guò)程中需要消耗更多的能量來(lái)克服內(nèi)部的摩擦和裂紋擴(kuò)展等阻力。綜上所述，干濕循環(huán)次數(shù)是影響酸性干濕循環(huán)下深部砂巖動(dòng)力學(xué)特性的重要因素之一。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，砂巖的力學(xué)性能逐漸劣化，微觀結(jié)構(gòu)遭到破壞，能量特性發(fā)生改變。在深部巖石工程中，應(yīng)充分考慮干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)砂巖力學(xué)性能的長(zhǎng)期影響，合理設(shè)計(jì)工程結(jié)構(gòu)，采取有效的防護(hù)措施，以確保工程的安全穩(wěn)定運(yùn)行。6.3加載速率的耦合效應(yīng)加載速率與酸性干濕循環(huán)的耦合作用對(duì)砂巖動(dòng)力學(xué)特性有著顯著影響。在不同加載速率下，砂巖的破壞模式呈現(xiàn)出明顯差異。當(dāng)加載速率較低時(shí)，如在準(zhǔn)靜態(tài)加載條件下，砂巖的破壞過(guò)程相對(duì)較為緩慢，裂紋的萌生和擴(kuò)展有較為充足的時(shí)間發(fā)展。在酸性干濕循環(huán)作用下，由于巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)受到一定程度的劣化，裂紋更容易在礦物顆粒的薄弱部位萌生，隨著荷載的逐漸增加，裂紋沿著礦物顆粒間的膠結(jié)面擴(kuò)展，最終形成宏觀裂縫，導(dǎo)致巖石破壞。此時(shí)，砂巖的破壞模式主要表現(xiàn)為沿礦物顆粒間的剪切破壞，破壞面相對(duì)較為平整，且破壞過(guò)程中伴有明顯的顆粒脫落現(xiàn)象，這是因?yàn)樗嵝愿蓾裱h(huán)使礦物顆粒間的膠結(jié)力減弱，在較低加載速率下，顆粒更容易從巖石母體中分離出來(lái)。隨著加載速率的增加，如在沖擊荷載作用下，砂巖的破壞過(guò)程變得十分迅速。在酸性干濕循環(huán)作用后的砂巖中，由于內(nèi)部孔隙和微裂紋的存在，應(yīng)力波在傳播過(guò)程中會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的反射和折射，導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象加劇。此時(shí)，砂巖的破壞模式主要表現(xiàn)為脆性拉伸破壞，巖石內(nèi)部會(huì)瞬間產(chǎn)生大量的微裂紋，這些微裂紋迅速擴(kuò)展并相互貫通，形成不規(guī)則的宏觀裂縫，巖石在短時(shí)間內(nèi)失去承載能力，發(fā)生破碎。破壞后的巖石碎塊較為細(xì)小且數(shù)量眾多，這是由于高速加載下巖石來(lái)不及發(fā)生塑性變形，能量迅速釋放，導(dǎo)致巖石被強(qiáng)烈破碎。在能量耗散機(jī)制方面，加載速率與酸性干濕循環(huán)的耦合作用也導(dǎo)致了不同的能量耗散特征。在低加載速率下，能量耗散主要來(lái)源于巖石內(nèi)部裂紋的緩慢擴(kuò)展、礦物顆粒間的摩擦以及巖石的塑性變形。酸性干濕循環(huán)作用使巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)劣化，增加了裂紋擴(kuò)展的路徑和難度，從而消耗更多的能量。隨著加載速率的增加，能量耗散主要集中在應(yīng)力波的傳播和巖石的瞬間破碎過(guò)程中。由于應(yīng)力波的傳播速度極快，在酸性干濕循環(huán)作用后的巖石中，應(yīng)力波與孔隙、微裂紋等缺陷相互作用，導(dǎo)致能量快速耗散。同時(shí)，巖石的瞬間破碎也需要消耗大量的能量，使得在高加載速率下能量耗散顯著增加。為了定量分析加載速率與酸性干濕循環(huán)耦合作用下的能量耗散，引入能量耗散率的概念，即單位時(shí)間內(nèi)巖石耗散的能量。通過(guò)對(duì)不同加載速率和酸性干濕循環(huán)次數(shù)下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)能量耗散率隨著加載速率的增加而增大，且在相同加載速率下，酸性干濕循環(huán)次數(shù)越多，能量耗散率也越大。這表明加載速率和酸性干濕循環(huán)對(duì)砂巖的能量耗散具有協(xié)同增強(qiáng)的作用，在深部巖石工程中，需要充分考慮這種耦合作用對(duì)能量耗散的影響，以合理評(píng)估工程的穩(wěn)定性和安全性。七、結(jié)論與展望7.1主要研究成果總結(jié)本研究通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、微觀測(cè)試和數(shù)值模擬等方法，深入探究了酸性干濕循環(huán)作用下深部砂巖的動(dòng)力學(xué)特性，取得了以下主要研究成果：酸性干濕循環(huán)對(duì)深部砂巖基本物理性質(zhì)的影響顯著：隨著酸性干濕循環(huán)次數(shù)的增加，砂巖的質(zhì)量逐漸下降，密度降低，孔隙率增大，吸水性和飽水率顯著提高。酸性溶液濃度越高，即pH值越低，這些物理性質(zhì)的變化幅度越大。例如，pH值為2的酸性溶液作用下，經(jīng)歷15次干濕循環(huán)后，砂巖質(zhì)量下降率達(dá)到[X]%，孔隙率增大至[X]%，而pH值為6時(shí)，相應(yīng)變化幅度明顯較小。這表明酸性干濕循環(huán)對(duì)砂巖的物理結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了強(qiáng)烈的破壞作用，使巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得更加疏松，孔隙和微裂紋增多，連通性增強(qiáng)，從而導(dǎo)致物理性質(zhì)發(fā)生明顯改變。酸性干濕循環(huán)顯著改變了深部砂巖的動(dòng)力學(xué)力學(xué)特性：應(yīng)力-應(yīng)變曲線顯示，隨著酸性干濕循環(huán)次數(shù)的增加，砂巖的彈性模量降低，峰值應(yīng)力減小，屈服階段提前，巖石的力學(xué)性能明顯劣化。例如，在相同應(yīng)變率下，經(jīng)歷15次干濕循環(huán)后的砂巖峰值應(yīng)力相較于未循環(huán)試件降低了[X]MPa。峰值應(yīng)力和動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與干濕循環(huán)次數(shù)呈負(fù)相關(guān)，且酸性溶液濃度越高，降低幅度越大。應(yīng)變率對(duì)峰值應(yīng)力和動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度有顯著影響，隨著應(yīng)變率的增加，二者均增大。彈性模量隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而降低，泊松比則呈現(xiàn)先略微減小后逐漸增大的趨勢(shì)，且酸性越強(qiáng)，這種變化趨勢(shì)越明顯。通過(guò)引入基于能量原理的損傷變量，建立了損傷模型，該模型能夠較好地描述酸性干濕循環(huán)和沖擊荷載耦合作用下砂巖的損傷特性，