类似砂岩材料的物理力学性能与损伤本构模型研究

工程师为何关心人造岩体

从深部隧道到地铁线和水坝，许多大型工程都在岩体中开挖或被岩体包围。在动手掘进真实山体前，工程师常用缩尺物理模型来观测隧道或边坡周围的岩体如何破裂与失稳。本研究提出一个看似简单但却关键的问题：能否配制出一种人造砂岩，其力学行为与天然砂岩足够相近，从而在这些模型试验中提供可靠的答案？

仔细观察天然砂岩

研究者首先采集了来自中国一座煤矿近千米深处的天然砂岩样品，并按颗粒粒径将其分为粗、中、细三类。显微镜下发现，三类砂岩主要成分相似，如石英和长石，但颗粒的尺寸和堆积方式不同。细砂岩含石英最多，颗粒最小且堆积最致密。团队还测量了岩石的吸水性以及在无围压和存在不同围压条件下的抗压强度，以反映深部岩体常受的额外围压影响。

水如何改变岩体内部结构

水在岩石行为中虽不显山露水却极具影响力。通过浸泡样品并用高分辨率电子显微镜成像，研究团队观察到孔隙与片状颗粒随水分渗入而发生的变化。在粗砂岩和中砂岩中，原本看似致密的层状结构随着水的渗入、颗粒间部分物质的溶解而松动，开辟出新的通道。相比之下，细砂岩的孔隙结构几乎没有变化，尽管其表面的一些似粘土颗粒发生膨胀。这些差异有助于解释为何粗砂岩的吸水量更大、强度与裂纹模式也不同于细粒材料。

打造可信的人造岩替代品

基于上述认识，作者着手配制一种模仿这些特性的类岩材料。他们按精心设计的配比混合石英砂、铁粉、水泥、石膏与水，浇注并养护了243个不同颗粒级配的圆柱试样。每组试样在无围压及两种围压下进行了压碎试验，以评估材料的刚度、强度与脆性程度，并测定各配方的吸水率。通过将试验结果与天然砂岩的行为对比，研究确定了一个最佳配方：以70%级配料为固相，石英砂与铁粉之比为2:1，水泥作为唯一胶结剂，水为固相质量的1/4。

刻画损伤如何逐步积累

仅匹配简单的强度数值还不够；工程师还需要了解材料在受压时内部损伤如何起始与扩展。团队将人造砂岩的变形分为三个阶段分析：初始弹性阶段、微裂纹扩展的逐步塑性阶段，以及强度迅速下降的最终破坏阶段。他们将这种行为转化为一个数学损伤模型，将岩体视为由许多微小单元组成、可逐个失效的集合。一个关键洞见是材料存在明显的阈值：在某一应变以下，几乎不发生实际损伤；超过该阈值后，损伤以可预测的方式累积。将模型拟合到试验数据后，证明该模型能再现不同围压下应力—应变曲线的上升与下降段。

对隧道与边坡的意义

对非专业读者而言，结论是该研究不仅给出了一个逼真的人造砂岩配方，还提供了描述其受载弱化过程的方法。所选配方在强度、刚度、吸水性和裂纹形态上都与天然砂岩高度相似，新建立的损伤模型也能可靠追踪材料从完整到破碎的响应。二者结合为工程师在实验室中提供了更可信的地下岩体替代品，帮助他们在真实开挖前评估未来隧道、矿山与边坡的可能行为。

引用: 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

关键词: 砂岩, 类岩材料, 岩土工程模型试验, 损伤本构模型, 三轴压缩