天然岩石结构面具有非均一性、各向异性，并且很难找到表面形态完全相同的结构面，另外，由于原型试验取样困难，因而难以实现可重复的结构面直剪试验。采用模拟材料开展结构面的直剪试验，不但能克服上述缺点，而且能够模拟结构面所处的地质环境、荷载作用方式及破坏特征等，因此成为岩石结构面力学性质研究的重要手段［127］。Patton（1966）［25］、Einstein等（1983）［128］、郭志（1996）［129］、任伟中等（1983）［130］采用石膏模拟材料，李海波等（2006）［47］、沈明荣等（2010）［7］、周辉等（2015）［49］、Wang等（2017）［111］采用水泥砂浆试件，Bandis等（1981）［131］采用重晶石、铝土、砂土与水等组成的模型材料，分别对结构面抗剪强度及剪切变形等方面进行了研究。杜时贵等（2010）［127］专门对上述材料进行了研究，并研制了以高强水泥、硅粉、高效减水剂、标准砂、水等原料混合而成的模拟材料。

由于本书主要研究结构面表面形态对其时间效应的影响及时间效应作用机理，因此使用模拟材料更能得到具有规律性的成果。本试验所需要的天然岩石的模拟材料，既要求其能够具有岩石的基本性质，又要求其力学性质具有比较明显的时间效应，而水泥砂浆作为一种人工类岩材料，其结构与岩石相似，并且性质稳定，可重复性强，制作配比较为简单，因而使用最为广泛。

试验样品中水泥砂浆选用325号水泥，标准砂和水，配合比为2∶4∶1，搅拌均匀后将其置于圆柱形模具中，充分振捣，成型拆模，在标准养护室中养护28天。为了了解其物理力学性质，对其进行了基本物理力学性质试验，试验方法见《工程岩体试验方法标准》（GB／T 50266—2013）。试验结果列于表2.1，强度包络线如图2.2所示，单轴抗压强度试验的破坏方式为脆性破坏。

表2.1　水泥砂浆基本力学参数

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图2.2　三轴试验结果

为了确认模拟材料本身是否具有明显的时间效应，对其进行了不同加载速率条件下的三轴剪切试验，如图2.3所示，加载速率从0.4%／min到0.004%／min的变化过程中，三轴压缩强度由36.80MPa降至25.96MPa，并且剪切曲线也有了显著的变化。当加载速率较高时，峰值强度较为明显，应力降较大，相应的变形较小，而当加载速率降低时，峰值越来越不明显，应力降也越来越不明显，相应的变形越来越大。上述试验表明该材料具有显著的时间效应。

图2.3　不同加载速率条件下应力－变形曲线（围压为2MPa）