《Case Studies in Construction Materials》：Improved experimental and numerical study on mix proportions of similar material for simulating soft rock mass
編輯推薦：
為克服現有巖體相似材料配比與力學性能關系不明確、離散元模擬忽視弱膠結與多顆粒組分等問題，本研究基于正交試驗與多顆粒離散元方法，優化了四級圍巖的相似材料配比，揭示了關鍵因素對材料性能的影響機制，并成功應用于大型隧道模型試驗，為工程實踐提供了可靠理論與技術支撐。
隧道工程是連接現代交通網絡的關鍵命脈，其施工安全與長期穩定深受地質條件，尤其是軟弱圍巖力學特性的影響。為了提前預演和規避潛在風險，工程師們常常依賴基于相似理論建立的隧道模型試驗。在這場“工程預演”中，試驗的核心材料——能夠逼真模擬真實圍巖力學行為的相似材料，其性能的可靠性直接決定了預演結果的成敗。然而，當前的研究領域存在兩大難題：首先，對于這類軟巖相似材料的配合比與其各項力學性能（如抗壓強度、內聚力等）之間的定量關系，學術界尚未達成明確共識；其次，在利用離散元法(DEM)這類強大的數值模擬工具時，已有的研究多集中于模擬強膠結（如巖石）或無膠結（如砂土）的顆粒材料，對介于兩者之間的弱膠結相似材料的模擬關注不足，且通常簡單地將復雜的多顆粒組分簡化為單一類型的顆粒，這無疑削弱了模擬結果對真實材料內部結構復雜性的反映能力。為了突破這些瓶頸，一項研究應運而生，其成果發表在國際期刊《Case Studies in Construction Materials》上。
為了精準模擬特定鐵路隧道原型中的四級圍巖，研究人員展開了一場系統的“材料配方探索”。他們首先基于相似性原理，確定了目標圍巖材料的力學參數目標值，然后選擇了重晶石、粉煤灰、河砂、松香酒精溶液和機械油作為基礎原料。為了高效探尋配方奧秘，他們設計了一套包含16種不同配比的正交試驗方案。通過嚴謹的單軸壓縮試驗和直剪試驗，他們不僅獲取了每一配比下材料的重度、單軸抗壓強度、彈性模量、內聚力和內摩擦角等關鍵力學參數，還利用掃描電鏡(SEM)和粒子圖像測速技術(PIV)深入觀察了材料內部的微觀結構與裂紋演化規律。與此同時，他們開創性地提出了一種能夠考慮重晶石、粉煤灰、河砂和松香多顆粒組分的改進離散元模擬方法，并通過與實驗結果對比驗證了該方法的有效性。
關鍵技術與方法
- 1.
正交試驗設計：通過控制四個關鍵配比因素（細骨料/粗骨料質量比、重晶石/細骨料質量比、骨料總量/流體材料質量比、粘結劑/流體材料質量比），系統設計了16組不同配比的相似材料，建立了配比與多種力學參數之間的定量關系。
- 2.
微觀結構表征：采用掃描電鏡(SEM)對直剪試驗后的試樣斷口進行高倍觀察，直觀揭示了重晶石、粉煤灰、河砂與松香膠結體在微觀層面的分布與結合狀態，分析了不同配比對材料內部結構的影響。
- 3.
力學性能測試與監測：進行單軸壓縮試驗和直剪試驗，獲取材料的宏觀力學參數；同時，利用粒子圖像測速(PIV)系統，實時捕捉并分析單軸壓縮過程中試樣表面裂紋的萌生、擴展與貫通過程，實現了破壞過程的動態可視化。
- 4.
改進的多顆粒離散元模擬：在PFC2D軟件平臺中，基于線性平行粘結模型，根據實際SEM觀測結果，按比例生成了包含重晶石、粉煤灰、河砂和松香四種不同尺寸、密度顆粒的數值模型，并通過調整微觀參數（顆粒接觸模量Ec、顆粒粘結強度σc、剛度比kn/ks）來匹配實驗測得的宏觀力學性能，實現對16組不同配比材料的精細化數值模擬。
研究結果
2.1 目標材料參數與配比確定
研究以宜萬至鄭萬高速鐵路連接線某隧道區段的四級圍巖為原型，依據相似理論（幾何相似比Cl= 12.5）推導出模型相似材料的目標力學參數：重度22.25 kN/m3，單軸抗壓強度0.174 MPa，彈性模量0.39 GPa，內聚力44 kPa，內摩擦角36.25°，泊松比0.31。通過正交試驗結果的對比，最終選定XY-16組配比（重晶石:粉煤灰:河砂:松香酒精:機械油 = 12.7:6.3:4.8:1:1.5）作為最佳方案，其各項參數最接近目標值。
2.2 材料組成成分的影響機理
基于正交試驗的極差分析，明確了各配比因素對不同力學參數的影響規律：
- •
重度：主要受重晶石在細骨料中的比例(k2)控制，因為重晶石密度遠高于其他原材料。
- •
單軸抗壓強度：同樣受k2影響最大。重晶石比例降低（粉煤灰比例增加）會增大材料孔隙率，降低密實度，進而削弱抗壓強度。細骨料與粗骨料比例(k1)也存在一個最優值（約3:1），使抗壓強度最大化。
- •
彈性模量：受骨料比例因素(k1, k2)影響較大，而流體材料比例(k3, k4)影響相對較小。
- •
內聚力：受粘結劑與流體材料比例(k4，即松香酒精占比)影響最為顯著。k4越高，內聚力越大。松香在酒精揮發后形成的膠結網絡增強了顆粒間的聯結，而機械油形成的油膜則會削弱這種聯結。
- •
內摩擦角：同樣主要由k4控制。松香酒精比例增加能提高顆粒間的抗滑移能力，從而提高內摩擦角；而機械油增加則會降低顆粒間摩擦力。此外，不規則形狀的重晶石顆粒通過相互嵌鎖作用，也能有效提高內摩擦角。
2.3 微觀結構與破壞過程觀測
SEM觀察揭示了微觀結構的作用：不含機械油的XY-1和XY-7樣品，其斷面呈現顆粒稀疏分布；而含有機械油的XY-9樣品，顆粒則被結合成不規則的塊體。PIV觀測清晰地記錄了不同配比試樣（XY-4、XY-5、XY-15）在單軸壓縮下裂紋演化的五個階段（無裂紋階段、裂紋萌生階段、穩定擴展階段、加速擴展階段、完全破壞階段）。結果顯示，無油添加（XY-5）或粗骨料過多（XY-15）都會導致裂紋更早出現或更快發展。
2.4 數值模擬的驗證與應用
研究者建立了能夠反映真實材料多顆粒組分的離散元模型，通過調整關鍵的微觀參數（Ec, σc, kn/ks）成功復現了16組配比材料的單軸壓縮強度和彈性模量，數值結果與實驗結果吻合良好。以XY-15為例，數值模擬與實驗得到的應力-應變曲線峰值和趨勢基本一致，且數值模型中力鏈的斷裂演化與宏觀實驗中觀察到的裂紋擴展過程相互對應，驗證了改進數值方法的有效性。
2.5 相似材料在隧道模型試驗中的應用
將優化的相似材料（XY-16配比）應用于大型（幾何比尺1:12.5）隧道模型試驗，模擬無支護隧道。試驗詳細描述了模型的制作與加載過程。結果表明，該相似材料能夠有效地模擬四級圍巖的力學行為，承載拱在加載下的破壞過程與數值模擬揭示的力鏈演化規律相符，證明了所開發材料和數值方法在模擬實際隧道圍巖穩定性和承載力方面的可行性與可靠性。
結論與意義
本研究通過系統的實驗與數值分析，成功優化出一種用于模擬軟巖（四級圍巖）的相似材料配比（XY-16），并深入揭示了重晶石含量、細-粗骨料比、松香酒精與機械油比例等關鍵因素對材料各項力學性能的定量影響規律。更重要的是，研究創新性地提出并驗證了一種考慮多顆粒組分的改進離散元模擬方法，能夠更真實地反映相似材料內部的復雜結構。最終，該材料成功應用于大型隧道模型試驗，展現了其在模擬圍巖破壞機理與承載能力方面的優越性能。
這項工作的意義在于：實踐層面，為隧道及地下工程模型試驗提供了一種性能可控、模擬效果更優的軟巖相似材料配方及明確的配比設計指導原則。理論層面，建立的配比-性能關系及改進的離散元方法，深化了對弱膠結多相材料力學行為的理解，為類似地質材料的數值仿真提供了新的技術路徑。方法論層面，融合正交試驗、SEM/PIV微觀觀測與多顆粒離散元模擬的綜合研究框架，為復雜巖土材料的性能研究與優化設計提供了可借鑒的范式。
