Экспериментальное исследование механического поведения ориентированных бимроков при диаметральном сжатии с использованием цифровой корреляции изображений

Почему смешанные породы важны в повседневной жизни

Многие склоны, туннели и фундаменты не вырезаны в однородной твердой породе. Вместо этого они проходят через перемешанную массу, состоящую из кусочков прочной породы, плавающих в более слабом «мортироподобном» материале. Эти блок‑в‑матрице породы, или бимроки, могут разрушаться неожиданными способами, что затрудняет и удорожает сооружение безопасной инфраструктуры. В работе поставлен практический вопрос с большими инженерными последствиями: как количество и ориентировка жестких блоков внутри таких смесей изменяют поведение при растяжении, и может ли обычный лабораторный тест действительно измерить их прочность?

Породы, состоящие из кусочков

Бимроки встречаются повсеместно в оползнях, тектонических зонах и древних потоках обломков. Они напоминают каменистый пудинг: прочные каменные блоки разных размеров, встроенные в гораздо более слабую мелкозернистую матрицу. Инженеры часто упрощают эту сложность, игнорируя блоки и проектируя так, как будто присутствует только мягкая матрица. Хотя это кажется консервативным подходом, он может вводить в заблуждение, потому что блоки отклоняют трещины и могут либо укреплять, либо ослаблять грунт в зависимости от их расположения. Одной из ключевых характеристик является ориентировка блоков: лежат ли их длинные оси в основном вертикально, горизонтально или под каким‑то промежуточным углом — «структура», отражающая условия формирования материала в природе.

Давим диски из породы, чтобы выявить скрытую прочность

Чтобы исследовать, как содержание и ориентация блоков влияют на поведение при растяжении, авторы изготовили синтетические бимроки в лаборатории. Они отливали овальные «каменные» блоки из прочной смеси гипса и цемента и случайным образом встраивали их в более слабую, богатую порошком матрицу, тщательно контролируя долю объема блоков (от 0 до 50 процентов) и выравнивая все длинные оси блоков под заданными углами относительно направления нагружения. Из этих смесей вырезали образцы в виде дисков и нагружали их по диаметру в стандартном «бразильском» тесте, где сжатие по краям вызывает растяжение внутри диска. Этот метод широко используется для оценки прочности пород на растяжение благодаря простоте выполнения.

Наблюдая за образованием трещин в реальном времени

Вместо того чтобы полагаться только на показания силы и разбитые образцы, команда использовала цифровую корреляцию изображений — оптический метод, отслеживающий крошечные движения поверхности по тысячам пикселей изображений. Нанесив на поверхности дисков пятнистую фактуру и записывая испытания на видео, они восстановили полные карты деформаций — насколько каждая часть растягивалась — в ходе нагружения. Эти карты показали, где локально накапливалась деформация, где впервые появлялись трещины и как они проходили сквозь или вокруг встроенных блоков. Затем исследователи статистически проанализировали 87 испытаний, используя методы отклика поверхности и дисперсионный анализ, чтобы разделить влияние доли блоков и их ориентации и зафиксировать их комбинированные, нелинейные эффекты на пиковой нагрузке, которую могли выдержать диски.

Как содержание и направление блоков меняют картину трещинообразования

Эксперименты показали, что даже небольшое количество блоков значительно меняет поведение. Когда блоки отсутствовали, диск вел себя так, как предсказывают учебники: деформация концентрировалась в центре, и один прямой трещина делила диск вдоль нагруженного диаметра. Как только 12,5 процента объема заняли блоки, пиковая нагрузка резко снизилась, и трещины стали предпочитать интерфейсы между блоками и матрицей — наименее прочные зоны смеси. При большем содержании блоков падение прочности замедлялось, но пути трещин становились намного извилистыми. Вместо того чтобы начинаться в центре, трещины часто инициировались на кромках блоков или рядом с точками приложения нагрузки и зигзагообразно обходили множество блоков. Ориентация блоков дополнительно регулировала прочность: диски с блоками, выровненными параллельно направлению нагрузки, были слабее, тогда как диски с блоками, повернутыми ближе к горизонтали, сопротивлялись большим нагрузкам, особенно при высоком содержании блоков. Это отражает то, как длинные границы «блок‑матрица» либо выстраиваются, либо не выстраиваются с основными растягивающими напряжениями.

Когда стандартный тест перестает быть правдивым

Карты деформаций, полученные с помощью цифровой корреляции изображений, дают предупреждение инженерам. Обычная интерпретация бразильского теста предполагает одну центральную трещину, вызванную относительно равномерным внутренним растяжением. В экспериментах это предположение выполнялось только для чистой матрицы. С увеличением содержания блоков трещины начинали образовываться вне центра, а при 50 процентах блоков одновременно образовывались и росли несколько трещин, превращая тест из простого измерения материала в сложный структурный отказ. В таких условиях число, называемое «прочностью на растяжение», перестает отражать базовое свойство бимрока и всё больше зависит от конкретного рисунка расположения блоков в каждом образце.

Что это значит для туннелей, склонов и проектирования

Для неспециалистов главное в том, что смешанные породы с большим количеством твердых кусков разрушаются не так, как однородные материалы, и широко применяемый лабораторный тест может давать вводящие в заблуждение упрощенные ответы. В исследовании показано, что количество блоков и, что важно, их предпочтительная направленность контролируют, где и как возникают трещины и как они распространяются. При высоком содержании блоков бразильский тест становится недействительным для измерения истинной прочности на растяжение; даже при меньших содержаниях результаты сильно зависят от размера и выравнивания крупных блоков. Авторы рекомендуют проектировщикам, работающим в таких сложных грунтах, учитывать эти выводы при интерпретации результатов испытаний, картировать ориентацию блоков в полевых условиях и при высокой гетерогенности рассматривать альтернативные прямые испытания на растяжение, когда безопасность зависит от точных оценок прочности.

Цитирование: Rostamlo-Jooshin, R., Bahaaddini, M. & Khosravi, M.H. Experimental study of the mechanical behavior of oriented bimrocks under diametral compression test using DIC. Sci Rep 16, 9544 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40334-8

Ключевые слова: бимрок, прочность на растяжение, бразильский тест, цифровая корреляция изображений, геотехническая инженерия