预加载-振动耦合类岩石材料的工艺-性能建模与成型机理

《Journal of Materials Research and Technology》：Process–Property Modeling and the Forming Mechanism of Preloading–Vibration-Coupled Rock-like Materials

　　

类岩石相似材料（rock-like analogue materials）是地下工程物理模拟中可靠实验的基础，而预加载-振动压实（preloading-vibration compaction）为优化流固耦合相似材料性能提供了有效途径。然而，材料性能与预加载力、激励频率及振动时长之间的定量关联仍不明确。研究人员基于压实参数建立了相似材料设计的工艺-性能理论框架，通过构建物理力学参数的回归模型与基于孔隙比的半理论模型，定量表征了密度、抗压强度、弹性模量、抗拉强度及吸水率的演化特征，实现了成型参数与宏观力学性能的关联。结果表明，激励频率主导所有物理力学性质；观测到的敏感性规律符合以结构稳定性为导向的模式（f > t > P），该模式可能与充分的颗粒重排有关，而抗压强度与吸水率符合以极限承载与孔隙度为导向的模式（f > P > t），其中预加载力被推断通过改善颗粒咬合增强材料骨架刚度。经标定的模型预测在所研究范围内约20–21 Hz为推荐频率窗口，有利于同时获得高密度、高抗拉强度与低吸水率。研究成果成功应用于基于振动压实的大型三维岩体相似重构系统，表明过程控制制备促进了物理模拟的自动化与可重复性。

研究背景与立项依据

地下空间开发对能源、交通、水利与国防工程提出更高要求，地下环境日趋复杂。物理模拟试验依托相似原理缩尺重构原型结构的施工与破坏全过程，其前提是具有物理力学性质（容重、弹性模量E、泊松比ν、强度等）可精确调控的类岩石相似材料（rock-like analogue materials）。既有研究多聚焦配比成分对性能的影响，传统静载保压成型周期长、效率低；振动压实虽在土石混合料与水泥稳定骨料中被证实可提升干密度与回弹模量，但预加载-振动耦合作为物理模拟中的新兴工艺，缺乏系统的工艺-性能框架，预加载力P、激励频率f、振动时长t对密度ρ、抗压强度σ_c、弹性模量E、巴西抗拉强度σ_t、吸水率w的定量演化规律尚未建立。为此，研究人员在《Journal of Materials Research and Technology》报道了预加载-振动耦合类岩石材料的过程-性能建模与成型机理研究。

主要关键技术方法

研究人员采用DZ-08振动压实成型机，以重晶石粉、石英砂（20–40目）、滑石粉（1200目）、325白水泥、甲基硅油与水构成固定配比三相复合体系（固-液-气）。采用三因素五水平正交试验，因素为静表面压力P（2.1–3.3 kN）、激励频率f（5–25 Hz）、振动时长t（30–150 s），共25组，每组9个Φ50×100 mm圆柱样分别用于单轴压缩、巴西劈裂与吸水率测试，自然养护7 d。建模采用两段策略：先由正交数据建立多元线性回归经验模型，再基于振动压实理论与孔隙比e演化构建含对数项（P、t饱和效应）与二次项（f重排-过振竞争）的半理论模型；另设可动偏心块试验分离f与激振力F耦合效应。

研究结果

1. 2.
   振动压实理论与参数分析
   基于简谐位移x=A₀sin(ωt+φ₀)推导颗粒惯性力，建立上质量m₁-下质量m₂双自由度动力学方程，得传质力F_m受材料刚度k_m与阻尼c_m频率依赖控制；指出f≈材料固有频率时压实最优，F∝f²，f>25 Hz出现泌水与跳振，故限定f≤25 Hz、t=30–150 s、P=2.1–3.3 kN为安全窗口。
2. 3.
   试验方案与结果
   正交极差分析显示f为全指标主因（密度极差0.26、抗压强度2.09、E达97.16 MPa、抗拉0.233、吸水0.91%），敏感性分两类：密度/E/抗拉呈f>t>P（结构稳定导向），抗压/吸水呈f>P>t（极限承载与孔隙导向）。Table 5数据显示f=20 Hz、P=3.3 kN、t=150 s组（No.25）获ρ=2.21 g/cm³、σ_c=3.89 MPa、E=208.93 MPa、σ_t=0.547 MPa、w=1.91%，综合最优。
3. 4.
   经验回归与验证
   以P(X₁)、f(X₂)、t(X₃)对五指标线性回归，全体F检验p<0.05；X₂在所有式中显著，X₁显著作用于σ_c与E，X₃显著作用于ρ、σ_t、w。留一法验证最大相对误差ρ 6.44%、σ_c 12.50%、E 11.04%、σ_t 9.47%、w 2.62%。
4. 5.
   讨论
   6.1 频率与激振力解耦：可动偏心块试验在P=2.7 kN、t=90 s下固定f变F，证实f为主控、F为耦合放大；f=20 Hz时同向/反向/拆除偏心块三组ρ≈2.14、σ_c≈3.2 MPa，高f区低F亦可满足压实，过振（f=25 Hz）致泌水。
   6.2 半理论模型：以e=e_r-a·ln(P/P_r)-b·ln(t/t_r)+c·f-d·f²表征孔隙比，导出ρ(f_opt≈21 Hz)、E随f单调增、σ_c极值f>25 Hz（区间内单调增）、σ_t极值f≈20.5 Hz、w极小值f≈20 Hz，与试验吻合。标定模型推荐20–21 Hz为工程工艺窗口（非逐点实验验证的精确最优点）。

结论翻译与意义

研究人员得出结论：预加载-振动耦合压实中激励频率f主导类岩石相似材料全部物理力学性质；颗粒重排充分性导致结构稳定导向敏感性f>t>P，而预加载增强骨架咬合使抗压与吸水呈f>P>t；基于孔隙比的半理论模型可解释空隙压缩、重排与过振扰动竞争，标定后推荐f≈20–21 Hz同步获取高密度、高抗拉、低吸水；该工艺-性能框架成功移植至大型三维岩体相似重构系统，证明过程控制制备能提升物理模拟自动化与可重复性。该研究将相似材料设计从“配比决定性能”推进到“工艺参数可量化寻优”，为地下工程流固耦合物理模型的标准化制备提供理论与数据支撑。