近日，长沙理工大学张涛博士撰写的“Temperature-treated Sandstone: Mechanical and Failure Behaviour under Triaxial Cyclic Loading”（热损伤砂岩在三轴循环加载下的力学行为与破坏特征）一文在GeoStorage-《地质储存》(英文刊)第2期刊出。欢迎下载、阅读、转发和引用！

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https://gs.yandypress.com/index.php/3080-8812/article/view/116/124

引用格式：

Zhang T. 2025. Temperature-treated Sandstone: Mechanical and Failure Behaviour under Triaxial Cyclic Loading. GeoStorage, 1(2), 113-124. doi:10.46690/gs.2025.02.02.

一、研究背景

      在压缩空气储能项目、核废料处置项目、地下煤炭气化技术等研究中，温度场与复杂应力场的耦合作用对岩体力学的影响已成为关键科学问题。以压缩空气储能电站为例，其地下储气库在长期服役过程中，储气库内部的空气压力和温度持续变化(见图1)。储气库围岩作为承受温度变化和空气压力作用的主要承载结构，在复杂的温度-应力耦合损伤作用下不可逆塑性变形逐渐累积。坚硬岩石（如花岗岩、玄武岩、石灰岩和砂岩）具有较高的抗压强度和较低的渗透性，已成为深地储能库建设的首选介质。因此，深入探究储能库围岩在温度-应力耦合作用下的力学特性对于保障储能工程的安全与稳定运行至关重要。

图1 地下压缩空气储能电站示意图

二、核心内容

论文采用PFC2D软件对储层砂岩的温度处理过程进行了数值模拟（见图2）。进一步分析了三轴压缩和多级循环加载下温度损伤后砂岩的力学行为、裂纹扩展、能量演化、破坏模式和声发射特性。研究结果为研究多因素循环耦合作用下储层岩石的力学特性提供参考。

图2 热损伤过程

      加载和卸载曲线不重叠，且在应力加载和卸载过程中形成滞回环。在低偏应力水平下，迟滞曲线由松散变为致密。在高应力水平下，迟滞曲线由松散变为致密再变为松散。疲劳效应见底了温度损伤后砂岩的强度（见图3）。

图3 三轴压缩和循环荷载下应力应变曲线

随着不可逆塑性变形的积累，微裂隙逐渐萌生、扩展和贯通。且拉伸裂隙的比例逐渐增大。在加载阶段，裂隙数随着应力的增加而增加，在卸载阶段裂隙数逐渐减小。这一过程与循环加载过程中能量吸收和释放一致。在低偏应力水平下，在前几个加载循环中声发射事件较为突出。在高应力水平下，声发射事件急剧增加。试样失效后，声发射事件减小。

图4 裂隙变化、能量演化及声发射事件

      深地储能工程围岩裂隙演化机制受循环温度、复杂应力路径及多场耦合等多因素影响显著。未来需要探究多因素循环耦合作用下围岩体力学性能和破裂机制，准确评估围岩损伤范围，攻克制约储能工程关键技术难题，为深部资源开发、地下空间利用提供安全保障，推动能源存储技术高效、稳定发展。

作者简介：张涛，长沙理工大学土木与环境工程学院博士、讲师、硕士生导师。主要从事能源地下储存、各向异性岩石力学及其应用研究。