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热-力耦合下砂岩力学特性温度效应与岩爆判据的深度剖析

一、引言

1.1研究背景与意义

砂岩作为一种广泛分布于自然界的沉积岩，因其良好的力学性能、耐久性和经济性，在各类工程领域中扮演着举足轻重的角色。在建筑工程中，砂岩常被用作基础材料，承担着建筑物的全部荷载，其力学特性直接关系到建筑物的稳定性与安全性；在地下工程方面，如隧道、矿井、地下硐室等，砂岩是构成围岩的主要岩体类型之一，在工程开挖和运营过程中，会受到复杂的地应力作用，其力学响应关乎工程的顺利开展和长期稳定。

在实际工程中，砂岩往往处于复杂的热-力耦合环境。例如，在深埋地下工程中，随着深度的增加，地温梯度会使砂岩所处环境温度升高，同时高地应力也作用于砂岩；在石油开采工程中，注热开采等工艺会使储层砂岩温度大幅变化，同时受到流体压力和地应力的共同作用；在核废料储存工程中，放射性物质衰变产生的热量会使周围砂岩温度场发生改变，且储存空间的建造和维护也涉及到对砂岩的力学扰动。此外，在一些高温工业设施基础、地热开发工程等场景中，砂岩同样面临着温度与应力的双重作用。

热-力耦合作用对砂岩的力学特性有着显著影响。温度的变化会引起砂岩内部矿物颗粒的热胀冷缩，导致颗粒间的应力重分布和微裂纹的产生与扩展；而应力的作用又会改变砂岩的孔隙结构和微观构造，进而影响其热传导性能和力学响应。这种相互作用使得砂岩的力学特性变得极为复杂，传统的单一力学或热学研究方法已难以准确描述其行为。深入研究热-力耦合作用下砂岩力学特性的温度效应，对于准确评估工程岩体的稳定性、优化工程设计以及保障工程安全具有至关重要的意义。一方面，通过揭示温度对砂岩力学特性的影响规律，可以为工程设计提供更精确的参数依据，避免因对砂岩力学性能的误判而导致工程事故；另一方面，有助于开发更合理的工程加固和防护措施，提高工程结构在复杂环境下的可靠性和耐久性。

此外，岩爆作为一种在深部地下工程中常见且极具危害性的动力失稳现象，常常发生在高地应力、硬脆性岩体的开挖过程中，而砂岩是易发生岩爆的岩体类型之一。在热-力耦合环境下，砂岩的岩爆倾向性会发生改变，其发生机制也更为复杂。因此，开展热-力耦合作用下砂岩的岩爆判据研究，对于准确预测岩爆的发生、制定有效的防治措施具有重要的理论和实际价值。准确的岩爆判据能够为工程施工提供预警，指导施工人员提前采取相应的防范措施，如优化开挖顺序、调整支护参数等，从而减少岩爆对工程人员和设备的危害，降低工程建设成本和工期延误风险。

综上所述，研究热-力耦合作用下砂岩力学特性的温度效应及岩爆判据，不仅有助于丰富和完善岩石力学的基础理论，推动岩石力学学科的发展，还能为解决实际工程中的岩体稳定性和岩爆防治问题提供关键技术支持，具有重要的科学意义和广阔的应用前景。

1.2国内外研究现状

1.2.1砂岩力学特性研究

砂岩力学特性研究一直是岩石力学领域的重要内容。国内外学者通过大量室内试验与理论分析，对砂岩在不同加载条件下的力学行为展开了深入探究。在单轴压缩试验方面，众多研究详细测定了砂岩的抗压强度、弹性模量、泊松比等基本力学参数，并分析了这些参数与砂岩矿物成分、结构构造之间的内在联系。例如，有研究表明，砂岩中石英含量越高，其抗压强度和弹性模量往往越大，因为石英具有较高的硬度和强度，能够增强砂岩的整体骨架结构。

在三轴压缩试验研究中，学者们着重分析了围压对砂岩力学特性的影响规律。研究发现，随着围压的增大，砂岩的抗压强度显著提高，变形特性也发生明显变化，由脆性破坏逐渐向延性破坏转变。这是因为围压限制了砂岩内部微裂纹的扩展，增强了颗粒间的摩擦力和胶结力，使得砂岩在破坏前能够承受更大的荷载。

除常规加载试验外，动态加载条件下砂岩的力学响应也备受关注。采用霍普金森压杆（SHPB）等试验技术，研究人员对砂岩在冲击荷载下的动态力学性能进行了研究，揭示了应变率对砂岩动态抗压强度、动态弹性模量等参数的影响机制。结果显示，砂岩的动态力学参数随应变率的增加而增大，呈现出明显的应变率效应。这是由于在高应变率加载时，砂岩内部裂纹的扩展和贯通速度加快，需要消耗更多的能量来克服颗粒间的阻力。

1.2.2砂岩力学特性温度效应研究

温度对砂岩力学特性的影响是近年来的研究热点之一。国外学者较早开展了相关研究，通过高温三轴试验等手段，研究了不同温度条件下砂岩的力学性能变化规律。研究发现，随着温度升高，砂岩的抗压强度、弹性模量等力学参数呈现下降趋势。例如，在高温环境下，砂岩内部矿物颗粒的热膨胀差异增大，导致颗粒间产生热应力，引发微裂纹的萌生与扩展，从而削弱了砂岩的力学性能。

国内学者在此基础上，进一步深入研究了砂岩在热-力耦合作用下的细观损伤演化机制。利用扫描电子显微镜（SEM）、计算机断层扫描（CT）等微观测试技术，观察