模拟软岩体的相似材料配比优化：实验与数值分析改进研究

《Case Studies in Construction Materials》：Improved experimental and numerical study on mix proportions of similar material for simulating soft rock mass

为克服现有岩体相似材料配比与力学性能关系不明确、离散元模拟忽视弱胶结与多颗粒组分等问题，本研究基于正交试验与多颗粒离散元方法，优化了四级围岩的相似材料配比，揭示了关键因素对材料性能的影响机制，并成功应用于大型隧道模型试验，为工程实践提供了可靠理论与技术支撑。

　　

隧道工程是连接现代交通网络的关键命脉，其施工安全与长期稳定深受地质条件，尤其是软弱围岩力学特性的影响。为了提前预演和规避潜在风险，工程师们常常依赖基于相似理论建立的隧道模型试验。在这场“工程预演”中，试验的核心材料——能够逼真模拟真实围岩力学行为的相似材料，其性能的可靠性直接决定了预演结果的成败。然而，当前的研究领域存在两大难题：首先，对于这类软岩相似材料的配合比与其各项力学性能（如抗压强度、内聚力等）之间的定量关系，学术界尚未达成明确共识；其次，在利用离散元法(DEM)这类强大的数值模拟工具时，已有的研究多集中于模拟强胶结（如岩石）或无胶结（如砂土）的颗粒材料，对介于两者之间的弱胶结相似材料的模拟关注不足，且通常简单地将复杂的多颗粒组分简化为单一类型的颗粒，这无疑削弱了模拟结果对真实材料内部结构复杂性的反映能力。为了突破这些瓶颈，一项研究应运而生，其成果发表在国际期刊《Case Studies in Construction Materials》上。

为了精准模拟特定铁路隧道原型中的四级围岩，研究人员展开了一场系统的“材料配方探索”。他们首先基于相似性原理，确定了目标围岩材料的力学参数目标值，然后选择了重晶石、粉煤灰、河砂、松香酒精溶液和机械油作为基础原料。为了高效探寻配方奥秘，他们设计了一套包含16种不同配比的正交试验方案。通过严谨的单轴压缩试验和直剪试验，他们不仅获取了每一配比下材料的重度、单轴抗压强度、弹性模量、内聚力和内摩擦角等关键力学参数，还利用扫描电镜(SEM)和粒子图像测速技术(PIV)深入观察了材料内部的微观结构与裂纹演化规律。与此同时，他们开创性地提出了一种能够考虑重晶石、粉煤灰、河砂和松香多颗粒组分的改进离散元模拟方法，并通过与实验结果对比验证了该方法的有效性。

关键技术与方法

1. 1.
   正交试验设计：通过控制四个关键配比因素（细骨料/粗骨料质量比、重晶石/细骨料质量比、骨料总量/流体材料质量比、粘结剂/流体材料质量比），系统设计了16组不同配比的相似材料，建立了配比与多种力学参数之间的定量关系。
2. 2.
   微观结构表征：采用扫描电镜(SEM)对直剪试验后的试样断口进行高倍观察，直观揭示了重晶石、粉煤灰、河砂与松香胶结体在微观层面的分布与结合状态，分析了不同配比对材料内部结构的影响。
3. 3.
   力学性能测试与监测：进行单轴压缩试验和直剪试验，获取材料的宏观力学参数；同时，利用粒子图像测速(PIV)系统，实时捕捉并分析单轴压缩过程中试样表面裂纹的萌生、扩展与贯通过程，实现了破坏过程的动态可视化。
4. 4.
   改进的多颗粒离散元模拟：在PFC^2D软件平台中，基于线性平行粘结模型，根据实际SEM观测结果，按比例生成了包含重晶石、粉煤灰、河砂和松香四种不同尺寸、密度颗粒的数值模型，并通过调整微观参数（颗粒接触模量E_c、颗粒粘结强度σ_c、刚度比k_n/k_s）来匹配实验测得的宏观力学性能，实现对16组不同配比材料的精细化数值模拟。

研究结果

2.1 目标材料参数与配比确定

研究以宜万至郑万高速铁路连接线某隧道区段的四级围岩为原型，依据相似理论（几何相似比C_l= 12.5）推导出模型相似材料的目标力学参数：重度22.25 kN/m³，单轴抗压强度0.174 MPa，弹性模量0.39 GPa，内聚力44 kPa，内摩擦角36.25°，泊松比0.31。通过正交试验结果的对比，最终选定XY-16组配比（重晶石:粉煤灰:河砂:松香酒精:机械油 = 12.7:6.3:4.8:1:1.5）作为最佳方案，其各项参数最接近目标值。

2.2 材料组成成分的影响机理

基于正交试验的极差分析，明确了各配比因素对不同力学参数的影响规律：

• •
  重度：主要受重晶石在细骨料中的比例(k₂)控制，因为重晶石密度远高于其他原材料。
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  单轴抗压强度：同样受k₂影响最大。重晶石比例降低（粉煤灰比例增加）会增大材料孔隙率，降低密实度，进而削弱抗压强度。细骨料与粗骨料比例(k₁)也存在一个最优值（约3:1），使抗压强度最大化。
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  弹性模量：受骨料比例因素(k₁, k₂)影响较大，而流体材料比例(k₃, k₄)影响相对较小。
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  内聚力：受粘结剂与流体材料比例(k₄，即松香酒精占比)影响最为显著。k₄越高，内聚力越大。松香在酒精挥发后形成的胶结网络增强了颗粒间的联结，而机械油形成的油膜则会削弱这种联结。
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  内摩擦角：同样主要由k₄控制。松香酒精比例增加能提高颗粒间的抗滑移能力，从而提高内摩擦角；而机械油增加则会降低颗粒间摩擦力。此外，不规则形状的重晶石颗粒通过相互嵌锁作用，也能有效提高内摩擦角。

2.3 微观结构与破坏过程观测

SEM观察揭示了微观结构的作用：不含机械油的XY-1和XY-7样品，其断面呈现颗粒稀疏分布；而含有机械油的XY-9样品，颗粒则被结合成不规则的块体。PIV观测清晰地记录了不同配比试样（XY-4、XY-5、XY-15）在单轴压缩下裂纹演化的五个阶段（无裂纹阶段、裂纹萌生阶段、稳定扩展阶段、加速扩展阶段、完全破坏阶段）。结果显示，无油添加（XY-5）或粗骨料过多（XY-15）都会导致裂纹更早出现或更快发展。

2.4 数值模拟的验证与应用

研究者建立了能够反映真实材料多颗粒组分的离散元模型，通过调整关键的微观参数（E_c, σ_c, k_n/k_s）成功复现了16组配比材料的单轴压缩强度和弹性模量，数值结果与实验结果吻合良好。以XY-15为例，数值模拟与实验得到的应力-应变曲线峰值和趋势基本一致，且数值模型中力链的断裂演化与宏观实验中观察到的裂纹扩展过程相互对应，验证了改进数值方法的有效性。

2.5 相似材料在隧道模型试验中的应用

将优化的相似材料（XY-16配比）应用于大型（几何比尺1:12.5）隧道模型试验，模拟无支护隧道。试验详细描述了模型的制作与加载过程。结果表明，该相似材料能够有效地模拟四级围岩的力学行为，承载拱在加载下的破坏过程与数值模拟揭示的力链演化规律相符，证明了所开发材料和数值方法在模拟实际隧道围岩稳定性和承载力方面的可行性与可靠性。

结论与意义

本研究通过系统的实验与数值分析，成功优化出一种用于模拟软岩（四级围岩）的相似材料配比（XY-16），并深入揭示了重晶石含量、细-粗骨料比、松香酒精与机械油比例等关键因素对材料各项力学性能的定量影响规律。更重要的是，研究创新性地提出并验证了一种考虑多颗粒组分的改进离散元模拟方法，能够更真实地反映相似材料内部的复杂结构。最终，该材料成功应用于大型隧道模型试验，展现了其在模拟围岩破坏机理与承载能力方面的优越性能。

这项工作的意义在于：实践层面，为隧道及地下工程模型试验提供了一种性能可控、模拟效果更优的软岩相似材料配方及明确的配比设计指导原则。理论层面，建立的配比-性能关系及改进的离散元方法，深化了对弱胶结多相材料力学行为的理解，为类似地质材料的数值仿真提供了新的技术路径。方法论层面，融合正交试验、SEM/PIV微观观测与多颗粒离散元模拟的综合研究框架，为复杂岩土材料的性能研究与优化设计提供了可借鉴的范式。