Исследование физико-механических свойств и конститутивной модели разрушения материалов, подобным песчаникам

Почему инженерам важны «фальшивые» породы

От глубоких тоннелей до линий метро и плотин — многие крупные инженерные проекты вырезаны в породе или окружены ею. Прежде чем начать работы в реальном склоне, инженеры часто создают уменьшенные физические модели, чтобы увидеть, как порода вокруг тоннеля или откоса может треснуть и разрушиться. В этом исследовании ставится на первый взгляд простая задача: можно ли создать искусственный песчаник, который ведет себя настолько похоже на натуральный, что дает надежные ответы в таких модельных испытаниях?

Внимательное изучение натурального песчаника

Исследователи начали с анализа настоящего песчаника, извлеченного почти с километра глубины в китайской угольной шахте. Они разделили образцы на три типа по размеру зерен: крупнозернистый, среднезернистый и мелкозернистый. Под микроскопом во всех трех типах обнаружили примерно один и тот же набор минералов, таких как кварц и полевые шпаты, но зерна упакованы и имеют разные размеры. Мелкозернистый песчаник содержит наибольшую долю кварца и имеет самые мелкие и плотные зерна. Команда также измерила водопоглощение и прочность пород при дроблении, как без внешнего давления, так и при двух уровнях окружного давления, близких к тем, что испытывают глубокие породы под землей.

Как вода меняет внутреннюю структуру

Вода — тихий, но мощный фактор в поведении пород. Замачивая образцы песчаника и затем изучая их на высокоразрешающем электронном микроскопе, команда наблюдала, как меняются внутренние поры и пластинчатые частицы. В крупно- и среднезернистом песчанике плотная, слоистая структура расслаивалась по мере проникновения воды: она вымывала вещества между зернами и открывала новые пути. Мелкозернистый песчаник, напротив, почти не изменял пористую структуру, хотя отдельные глинистые частицы на поверхности разбухали. Эти различия помогают объяснить, почему крупнозернистый песчаник впитывает больше воды и почему его прочность и характер трещинообразования отличаются от более мелкозернистого материала.

Создание убедительной имитации породы

Вооружившись этими наблюдениями, авторы приступили к разработке материалоподобного образца, имитирующего выявленные свойства. Они смешивали кварцевый песок, железный порошок, цемент, гипс и воду в тщательно подобранных пропорциях, затем отливали и выдерживали 243 цилиндрических образца с разными размерами зерен. Каждая партия прошла испытания на дробление без окружного давления и при двух уровнях окружного давления, чтобы определить жесткость, прочность и хрупкость материала. Также измеряли водопоглощение каждой смеси. Сравнивая эти результаты с поведением натуральных песчаников, они выделили оптимальную рецептуру: твердая матрица, состоящая на 70 процентов из заполнителя, с соотношением кварцевого песка к железному порошку 2:1, цемент в качестве единого вяжущего и воды, равной четверти массы твердых компонентов.

Фиксация процесса накопления повреждений

Просто совпадающие значения прочности недостаточны; инженерам важно знать также, как начинается и развивается повреждение внутри материала при сжатии. Команда проанализировала деформирование искусственного песчаника в три стадии: начальную упругую фазу, постепенную пластическую фазу с распространением микротрещин и заключительную фазу разрушения с резким падением прочности. Они перевели это поведение в математическую модель повреждения, представляющую материал как совокупность маленьких элементов, которые могут выходить из строя по одному. Ключевое наблюдение — наличие четкого порога: при деформации ниже определенного значения реального повреждения не происходит, а выше него повреждение накапливается предсказуемым образом. Настроив модель на данные своих испытаний, авторы показали, что она воспроизводит как возрастающие, так и снижающиеся участки кривых «напряжение—деформация» при разных давлениях.

Что это означает для тоннелей и откосов

Для неспециалистов вывод таков: исследование предлагает не только рецепт реалистичного искусственного песчаника, но и способ описания его ослабления под нагрузкой. Выбранная смесь ведет себя очень похоже на натуральный песчаник по прочности, жесткости, водопоглощению и стилю трещинообразования, а новая модель повреждения надежно отслеживает его переход от целого состояния к разрушенному. Такое сочетание дает инженерам более достоверную лабораторную замену реальной подземной породе, позволяя исследовать, как могут вести себя будущие тоннели, шахты и откосы до начала реальных земляных работ.

Цитирование: Zhang, S., Qiao, W., Song, W. et al. Study on physico-mechanical properties and damage constitutive model of sandstone-like materials. Sci Rep 16, 15561 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46993-x

Ключевые слова: песчаник, материал, подобный горной породе, геотехнические модельные испытания, конститутивная модель разрушения, триосное сжатие