造成崩塌的岩体变形为，岩体崩塌模拟试验脆性岩石相似材料研究方法

《水利水电技术（中英文）》已迁移至新网站https://sjwj.cbpt.cnki.net，旧网站已关闭。摘要： 获得相似的脆性材料是进行岩石工程脆性断裂相似模拟试验的前提。我们系统地利用声发射、核磁共振、电镜扫描等手段，研究了配比、粘结材料、晶粒密度等因素对同类材料强脆性的影响和控制机制，并进行了试验。结果表明：（1）常规砂水泥石膏水泥粘结的同类材料中水泥的比例是控制材料强度的重要因素，但比例的变化对材料的脆性影响不大。 (2) 通过添加石灰或改善材料中骨料的粒度分布，水玻璃和石灰水泥材料的试件在整个压实过程中声辐射明显增加，可有效改善同类材料的脆性。 (3) 提高集料颗粒密度的同类材料的整体单轴压缩过程曲线和声辐射特性与脆性岩石的整体压缩过程级数曲线和声辐射特性相似，而脆性岩石的脆性断裂过程和声辐射特性岩石类似。用于模拟辐射特性。发光的进化，理想的材料。 （4）通过核磁共振和电镜对各种相似材料的孔隙和胶结性能进行扫描分析，发现相似材料的孔体积和孔结构与材料的脆性密切相关，我的理解。胶结材料的骨料颗粒是材料脆性的重要决定因素。研究结果对岩土工程中类似模拟试验具有参考价值。关键词：塌陷；物理模型；声辐射；相似材料；脆性指数；作者简介：余琪（1998—），女，硕士研究生，主要从事岩石破坏研究。 *陈世万（1990—），男，副教授，硕士课程讲师，博士生，主要从事岩土工程及核废料地质处置研究。基金资助：贵州省科技基金项目([2020]1Y185);国家自然科学基金项目(4216020116);引用：余琪，陈世万，杨贵等.脆性岩石相似材料岩石崩塌模拟试验研究[J].于琪， 陈世万， 杨贵， 等. 脆性类岩石材料岩石模拟实验研究成果， 2022, 53(9): 210- 220. [J]. 水利水电工程， 2022, 53(9): 210-220.

0 引言日本西南部喀斯特山区地质复杂，硬脆岩体分布密集，岩体破坏灾害频繁，给人民生命财产安全带来严重威胁。虽然岩石失稳过程非常快，且具有典型的脆性断裂特征，但传统的基于位移的理论和技术很难对岩石破坏进行有效监测和预警。研究表明，微震/声发射监测技术和方法可以为岩石工程灾害提供有效的预警。为了了解岩石破裂过程中裂纹发展所引起的声发射/微震信号的特征，类似的室内模拟试验是一个重要的工具，特别是对于具有相似脆性的材料，尤其是获得具有相似声发射/微震信号的材料具有重要意义规则。岩石破裂过程中的脆性是进行类似岩石破裂模拟试验的重要步骤。因此，为了研究脆性岩石破坏规律和机制，对危险岩石破坏进行预警，进行室内崩塌模拟试验以获得类似的脆性材料非常重要。国内外学者对于创建类似的模型材料进行了大量的研究。国外常用的同类材料主要以氧化铅（PbO或Pb3O4）和重晶石粉为骨料，选用砂、卵石为次要材料，以水泥为主要材料，由石膏混合物和环氧树脂组成。我国大型工程的相似模型试验研究早期通常采用高容重、低强度、低模量的相似材料。以韩伯礼、马方平、王汉鹏等学者为代表，分别开发了MIB、NIOS、IBSCM三种新型地球动力学模拟材料。所构建的材料性能稳定、无毒、成本低、可调节。材料的机械性能应用广泛。以重晶石粉和硅砂为骨料，以水泥、石膏为胶凝剂，石晓萌等人分析了各种因素对材料力学性能的影响，制定了同类材料配比的经验公式，我总结了它。此外，许多学者正在进行有针对性的研究，以满足不同的实验需求。阮波等人以铁粉、硅砂、粘土为相似岩石磁性材料，以铁粉、重晶石粉、石膏为结构面模拟材料，研究了铁磁岩石模拟材料的力学性能。刘永利及其同事通过调整沙子、水泥、石膏、硅藻土、红粘土、泥灰粉等材料，模拟了同一原岩在不同风化状态下的物理性质。高慧慧等人基于正交试验方法，以新型灌浆AG-C溶液、不同牌号的硅砂、膨润土为原料，开发了一种可用于水下振动的弱夹层物理模型的类似材料。做过。表测试。杨旭等人以铁粉和钡粉为红层软岩骨料，添加石膏和生石灰，其结构粘结力弱，亲水性强，渗透性弱，易与水接触，制备了类似材料软化了。褚兆飞等人以精制铁粉、重晶石粉、硅砂为骨料，醇松香溶液为胶结剂，液压油为粘稠剂，创造了一种变形大、强度低、流变性能显着的新材料。软摇滚。 （指宿）。戴书宏等人以细砂和滑石粉为骨料，石膏为胶凝剂，液体石蜡为调质剂，形成不同物理、力学、水力性能的流固结合体，制备了类似材料进行模型试验。郭健等人基于正交实验设计，以重晶石粉、硅砂、石膏、水为原料，对类似结构面材进行了实验。吴金华等以重晶石粉、硅砂、石膏、水为原料制备了类似的泥灰岩材料，并模拟了各种因素对类似材料物理力学性能的影响。为了研究深部工程岩爆的突然脆性破裂过程，李天斌、王志家、周辉等学者以硅砂、水泥、石膏等为主要材料，添加其他外加剂，创建类似的我们准备了以下材料。一种硬而脆的材料，容易使岩石破裂。

钟宇毅等利用类岩爆材料开展了二维应力隧道岩爆物理模型试验，论证了高地应力条件下（侧压系数=2）隧道周围岩爆的脆性破坏特征，并进行了研究。潘一山等利用类似材料模拟方法和数字散斑观测技术，分析了深部岩隧道开挖过程中围岩的应力演化特征和变形断裂规律，发现深部岩体围岩揭示了深部围岩的稳定性控制机制。隧道。虽然上述研究成果为类岩石材料的性能奠定了基础，但目前大多数学者的研究主要集中在材料的强度、弹性模量、密度等方面的相似性。对脆性类似物的研究很少且缺乏重点。对应力应变曲线和声发射演化过程进行了研究，相似材料断裂过程中声发射演化规律与原岩脆性断裂相似，从而进行了类似的模拟实验.这是关键。岩石崩塌。基于此，本文以石英砂、水泥、石膏、石灰和水玻璃为主要材料，对具有相似岩石脆性的材料的配比进行了实验研究，并将实验结果用于监测和早期研究。为监测提供理论依据。警告危险的岩石崩塌损坏。

1 试验设备及试验方法1.1 试验设备无侧限压缩试验采用WAW-1000 kN电液伺服万能试验机，采用美国物理声学公司PCI-2声发射系统监测声发射信号。见图]1(a)]。采用低场核磁共振仪（MesoMR12-060H-I）测量样品的孔隙率和孔径分布[见图1(b)]。使用Coxem EM-30 台式扫描仪进行断裂后微形态分析。

图1 测试设备

1.2 材料分布为了研究材料分布、胶凝材料、颗粒级配对同类材料脆性的影响，本实验由传统分布组、水玻璃胶凝材料组、生石灰胶凝材料组、生石灰胶凝材料组组成. 设立物资组，完善分配组。颗粒分级组。其中，常规拌合组中，以砂胶比、水泥石膏比为变量，确定不同配比材料的抗压强度和弹性模量，并在此基础上添加不同的外加剂。可以获得不同脆性特性的材料。 1.2.1 传统配比组传统配比组以硅砂为骨料，石膏、水泥为胶结材料，3%硼砂为缓凝剂，防止石膏在制备过程中凝固过快（记为CG组）。配方方案如表1和表2所示。表1和表2中，硅砂粒度为40-80目，石膏粉为280目，水泥为325目。为了便于说明，下面用配方号对表中的配方数据进行说明。第一个数字代表砂与水泥的比例，第二和第三个数字代表水泥中水泥与石膏的比例。337代表砂与水泥的比例，一份水泥中水泥与石膏的比例为3：1。

1.2.2 水玻璃和石灰对胶凝材料组的研究表明，石灰和水玻璃会增加类似材料的脆性。为了研究水玻璃对材料脆性的影响及其内在机理，我们通过常规实验确定了满足相同强度比的材料配比，在水中添加质量分数为3%的水玻璃，并进行搅拌。倒入材料直至完全溶解并搅拌均匀样品制备（记录为SBL组）。在此基础上，以石灰代替石膏进行对比试验，研究石灰胶凝材料（记为SH组）的增脆作用。 1.2.3 改善骨料颗粒的粒径分布常规配制组中的硅砂颗粒粒径均匀，但考虑到粒径对混凝土材料的力学性能影响较大，因此有必要改善粒径骨料颗粒的尺寸分布。需要改进。还进行了实验来揭示粒径对类似材料（表示为KL 组）机械性能的影响。不同粒径骨料占骨料总质量的比例为80目为40%，20-40目为30%，10-20目为30%。 1.3 试样制备根据文献[23]，采用50 mm100 mm的模型试件进行单轴压缩试验。按顺序称取总质量的20%骨料、水泥材料、水，放入搅拌机中搅拌均匀，然后倒入模具中，振动密实。静置1天后脱模，置于标准件上，固化14天后进行力学测试，固化试件如图2所示。为了控制样品的均匀性，测试前对样品进行称重和测量（见表3）。每组样品的尺寸差异不超过2%，密度差异不超过2%。样品均匀性良好，达到预期。

图2 相似模型材料标准试件

2 试验结果与分析2.1 常规比例组力学性能及声辐射演化分析对不同比例的相似材料样品以0.4 mm/min 的速度施加位移控制载荷时，不同比例样品的应力——应变曲线为：如图3所示。从图3(a)可以看出，通过调整砂比，样品的抗压强度在较窄范围内变化，具体表现如下。强度变化范围为0.30.5MPa，水膏比为5:5时，变化范围为0.71.1MPa，水膏比为8:2时，变化范围为1.62.0MPa 。

图3 常规材料物理机械性能

图3(b)给出了不同配比的样品的抗压强度和密度，可以看出，当砂子和粘结剂的配比相同时，材料的密度在1.53~1.83 g/cm3之间变化。我理解。材料密度和无侧限抗压强度。强度随着相对水泥含量的增加而增加。当改变水泥材料的百分比时，弹性模量也随着水泥百分比的增加而增加。试验中各物理力学参数的分布范围如下：密度为1.531.83g/cm-3，无侧限抗压强度为0.32.0MPa，弹性模量为0.0540.405GPa。图4 显示了传统材料样品压缩过程中应力-应变曲线和声辐射的演变。从图4可以看出，具有相似常规比例的材料的峰后应力下降缓慢，表明延展性较强。样品加载阶段声发射信号较小，各阶段无明显差异。峰前产量、峰段、峰后段均未出现明显声发射。可以看出，具有相似常规比率的材料样品在压缩过程中脆性并不明显，并且样品内部裂纹的扩展不会导致类似于岩石材料的声发射现象。

图4 具有相似常规比率的材料的单轴压缩应力-应变曲线和声辐射的变化。

2.2 胶结材料对同类材料力学性能的影响2.2.1 水玻璃胶结组力学试验结果根据常规配合比试验结果，发现382配合比材料的强度适合岩石破坏模拟。 382与水玻璃的添加比例来研究类似材料的脆性。图5 显示了与水玻璃粘合的类似材料的单轴压缩测试结果。与传统配比组相比，水玻璃粘结的同类材料的应力应变曲线和声辐射均改善了脆性，应力应变曲线在峰值后下降更加明显，声辐射在整个压实过程中显着增加。但声发射的演化曲线与脆性岩石压缩断裂的全过程存在明显差异，缺少断裂前裂纹的加速扩展现象，因此声发射的冲击次数突然增加。因此，用水玻璃胶结的类似材料难以模拟脆性岩石。

图5 与水玻璃粘合的类似材料在单轴压缩过程中声辐射的变化。

2.2.2石灰胶结组力学试验结果以常规配比382为基准，对比试验中用石灰代替石膏。图6 显示了典型石灰水泥粘结类似材料的单轴压缩应力-应变曲线和声辐射的演变。从图6可以看出，在应力峰值之前，声发射信号较小且分布均匀。在微裂缝达到峰值之前的加速扩展阶段，声发射冲击的数量迅速增加。这与脆性岩石即将破裂时声辐射活动的突然增加是一致的。然而，脆性岩石的模拟比较困难，因为应力-应变曲线表现出明显的延性特征，与脆性岩石的单轴压缩力学曲线存在显着差异。

图6 添加生石灰的类似材料单轴压缩期间声辐射的变化。

2.2.3 改进骨料粒度梯度组的力学测试结果图7显示了改进粒度梯度的类似材料的单轴压缩应力-应变曲线和声发射演化。应力应变曲线和声发射的演化规律与典型脆性岩石的破坏一致。在孔隙压缩阶段，由于孔隙闭合过程，应力-应变曲线变得凹凸，声发射活性增强；而在弹性压缩阶段，应力-应变曲线变得更接近直线，声发射活性减弱。在峰值前的裂纹加速扩展阶段，应力应变曲线斜率减小，弹性模量降低，声发射迅速增大，峰值后应力迅速下降，表现出明显的脆性特征。

图7 在单轴压缩过程中具有相似骨料颗粒级配的材料的声发射演化得到改善。

2.3 不同配比组试件断裂形貌图8为不同水泥配比组试件的单轴压缩断裂形貌。可以看出，常规比例样品的主裂纹角度为64.6，峰值后样品缓慢软化，表明剪切破坏[见图8(a)]。水玻璃水泥粘结样品还具有剪切破坏表面。主裂纹角度为75.8[见图8(b)]，石灰水泥结合试件主要以开裂破坏为主，主裂纹从顶面贯穿到底面，角度为87.1 。并伴有无数细小的劈裂裂纹[见图8(c)]；晶粒级配改善的样品主要受劈裂破坏，主裂纹从顶面向底面呈一定角度贯穿。 84.1[见图8(d)]。

图8 不同配比样品的断口形貌

2.4 脆性计算方法及脆性结果目前，国内常用的脆性评价方法主要有矿物成分法、岩石力学参数法、应力应变曲线法、硬度与断裂韧性法等。综合比较，采用应力应变曲线法中的能量法来表征脆性指标。计算方法如下：

式中，P为峰值应力，r为残余应力，p为峰值应变，r为残余应变，W1为岩石破裂时释放的弹性能，W2为峰值前储存的总能量。 B14 指数越高，岩石越脆。选择有代表性的样品进行脆性分析，通过式（1）得到脆性指数曲线，如图9所示。从图9可以看出，添加水玻璃、石灰、改变颗粒级配后，同类材料的脆性得到明显改善。这与样品断裂过程的声发射演化和断裂形貌非常吻合。

图9 不同比例样品的脆性指数

3 讨论3.1 相似材料和岩石在断裂过程中声发射演化的相似性为了进一步比较和分析不同配比材料的脆性特性，选取典型的脆性岩石灰岩进行单轴压缩试验。整个故障过程中声发射的演变。图10显示了不同材料损伤过程中声辐射累积冲击数的演变。从图10可以看出，CG组和SBL组的声发射随着应变的增加而增加，并且在峰前裂纹加速扩展阶段，声发射没有明显变化，累积冲击数没有变化。改变。在峰前裂纹加速扩展阶段，SH组和KL组的迅速增大。这意味着当原始石灰岩被破坏时，声辐射特性本质上是相同的。

图10 某些材料的典型声辐射演化曲线

3.2 相似材料强度和脆性的影响因素3.2.1 相似材料强度的影响因素在相似材料配比试验中，抗压强度只能在很窄的范围内通过改变砂的配比来调节；各不相同。材料决定单轴阻力。抗压强度的关键在于，抗压强度随着水泥含量的增加而显着增加。在制样过程中，水泥材料中的各种物质发生复杂的水化反应，产生无定形硅酸钙水合物凝胶（C-S-H）、钙矾石（AFT）、一硫化铝水合硫酸钙（AFM）和Ca(OH)2逐渐改变材料。它从液态转变为塑性状态，最后凝固并硬化。随着水泥含量的增加，水合作用增加，形成更多晶体，从而增加强度。 3.2.2 不同相似材料的微观孔隙结构图11为不同比例相似材料的NMR T2谱和孔径分布。 SBL组和SH组样品的T2谱呈现单峰特征，而CG组和KL组样品呈现双峰特征。样品孔内流体的弛豫时间T2与孔径有关。 CG组样品的弛豫时间主要分布在1~100 ms之间，孔径分布在0~0.4 m之间，且以大孔为主。样品的内部是疏松且多孔的。这种松散的孔隙结构会导致脆弱。 SBL组材料样品的弛豫时间主要分布在0.01~1ms范围内，孔径分布在0~0.1m范围内，主要是在添加小水玻璃材料时，样品中形成晶体.并能填充较大的气孔，减少了气孔，增加了渗碳程度，改善了试样的脆性，提高了SH组试样的松弛时间。采用生石灰的固定材料主要分布在0.1~1ms之间，孔径分布在0~0.1m之间，加入石灰后，样品内部形成氢氧化钙等晶体，封闭大孔隙。孔径变小，样品的单峰特征与真实岩石样品不同。颗粒级配良好的KL组样品弛豫时间为0.1~100 ms，孔径分布在0~0.4 m，以中孔为中心，且由于聚集体粒径的差异，孔径呈现双峰态。特点。与脆性岩石样品不同，峰特征是相同的。研究发现，同类材料的脆性与样品的孔结构、孔体积、胶结状态密切相关。

图11 T2弛豫时间谱和孔径分布

3.2.3 各种类似材料的微观胶结性能扫描电镜是观察水泥和混凝土微观形貌最常用的方法。使用扫描电子显微镜观察四组样品。从图11可以看出，各组样品的聚集相与基体结合紧密，没有明显的界面过渡区，块体表面分布有许多球状、絮状微粒。在CG组的材料样品中，可以清楚地观察到C-S-H凝胶相互结合，形成致密的絮状结构。没有发现明显的Ca(OH)2晶体。水泥和骨料粘合良好，但颗粒周围的水泥量较小。在SBL组样品中，观察到许多具有交错网络结构的C-S-H凝胶产物包裹着砂粒，并且由于水玻璃的添加，针状晶体附着在球形C-H-S上。在石灰水泥材料的SH组中，观察到交错的柱状C-S-H凝胶产物、Ca(OH)2晶体以及一些棒状AFT、AFM和碳酸钙晶体。同时，石灰是一种气体。硬水泥材料可以与水反应形成氢氧化钙晶体。 Ca(OH)2 与二氧化碳结合形成CaCO3 晶体，该晶体变得更脆。 KL组中清晰可见一些Ca(OH)2晶体、球状和柱状C-S-H凝胶产物以及少量针状AFT和AFM，断面较为凹凸复杂。混合骨料形成水泥体，包围大骨料，提供优异的固井效果。可见，胶结材料和包裹骨料所产生的AFT、AFM、CaCO3等总量决定了同类材料的脆性。产生的水化产物越多，骨料颗粒包裹得越完全，同类材料就越脆。 3.3 研究不足和未来可能的研究计划本文主要基于力学性能和声辐射演化规律来评价类似材料的脆性，并对其各自的影响进行定量研究，尚未做过。考虑到材料脆性的混合物。后续可以针对不同掺合料含量进行正交实验，以更详细的比例研究材料的脆性指标。

图12 各种材料样品的SEM形貌

4 结论本文通过力学测试和声发射监测研究了不同配比的同类材料的脆性性能。通过对同类材料变形损伤、声发射、扫描电镜和核磁共振测试结果进行综合分析，主要结论为： (1)与传统砂水泥抹灰水泥粘结的类似材料的力学性能表明，水泥含量的增加直接导致力学功能的增强。当水泥含量在7.5%、12.5%和20%之间变化时，材料的无侧限抗压强度从0.3 MPa增加到1.84 MPa，弹性模量从0.143 GPa增加到0.18 GPa，密度从1.61增加g 增加。 /cm3增加到1.8g/cm3。 (2)水玻璃样品的声发射冲击次数显着增加，但力学曲线未表现出脆性断裂特征；石灰水泥材料样品的声发射脆性特征虽然较明显，但力学曲线未表现出脆性断裂特征。曲线表明：明显的延性性能；改善在骨料颗粒级配的样品中，在裂纹达到峰值之前的加速扩展阶段，应力急剧下降，声发射冲击数急剧增加。这与变形破坏和声发射特性类似。脆弱的岩石。 (3)通过核磁共振和电镜扫描分析不同配比材料的微孔结构和粘结性能，发现水玻璃组和石灰粘结材料组的孔径分布均为00.1。 m，T2谱呈现单峰分布，常规比例组和改进颗粒级配组的孔径分布均为0~0.4m，T2谱呈现与双峰分布类似的双峰分布。脆性石灰岩的典型分布形态。 (4)通过对比分析不同配比的同类材料的力学曲线和声发射变化，并观察其细孔结构和渗碳特性，发现改进颗粒级配的同类材料脆性较大，是一种理想的材料用于模拟骨折。岩石过程的演化和声辐射。

水利/水力发电技术（中/英文）水利部《水利水电技术（中英文）》 中国水利/水力发电行业综合性专业杂志（月刊），中国国家级核心杂志，国内外出版。本刊主要介绍我国水资源开发、利用、管理、配置、节约和保护，以及水利水电工程勘察、设计、施工、运行管理、科学研究等方面的技术经验。 我是。我们也会报道国外的先进技术。本刊主要栏目有： 水文水资源、水利建设、工程建设、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水环境与水生态、运行管理、实验研究、工程地质、金属结构、水经济学、水规划、防洪抗旱、建设管理、新能源、城市水务、农村水务、水土保持、水库移民、水务现代化、国际水务等。