基于正交试验的煤岩相似材料最优配比研究

目的 为了探寻煤岩相似材料最优配比,方法 以赵固一矿煤样的自然视密度、单轴抗压强度、弹性模量为模拟指标,采用正交设计法开展相似材料配比试验。选用碳酸钙、水泥、细河砂、煤粉、蒸馏水为原料,以骨料与胶结剂质量比、胶结剂成分间质量比、骨料成分间质量比和掺水率为控制因素,按照4因素3水平正交配比方案制备了9组相似材料。结果 试验结果表明：不同配比下相似材料物理力学参数变化较大,各因素对模拟指标影响规律性强,且骨胶比对相似材料各模拟指标起控制作用,自然视密度、单轴抗压强度、弹性模量均随骨胶比增加而显著下降。通过多元线性回归分析得到相似材料最优配比为碳酸钙∶水泥∶河砂∶煤粉∶水=1∶4∶0.9∶5.8∶3.3,经验证,使用该配比制作的试样在物理力学参数、单轴压缩曲线和破坏形态上能够很好地模拟原煤。结论 该研究采用理论与试验相结合的方法寻找最优配比有效可行,可为煤岩相似材料领域研究提供一定借鉴。     

基于多元回归分析的地质力学模型试验中相似材料的快速配比研究

在地质力学模型试验中,为获得相似材料的快速配比,通过正交设计试验配制了相似材料,对相似材料进行称重和单轴压缩变形试验,分别得到密度、弹性模量和抗压强度.对试验所得数据进行为了极差分析和方差分析,得到各因素的敏感性和显著性.为了快速获得各因素的配比方案,通过运用Matlab软件对试验所得数据进行多元线性回归分析构建数学模型,设因素A、B、C为X1、X2、X3,密度、弹性模量和抗压强度为Y1、Y2、Y3,得到3个关于X和Y的经验方程,能够根据给定密度、弹性模量和抗压强度算出所需各种原材料的含量.通对试验数据对所得经验方程进行了精度检验,所得结果误差较小,说明所得数学模型符合要求.     

模拟岩石机械破碎的相似材料的选择及其配比

根据模拟岩石机械破碎应满足的相似条件,通过大量的试验,本文研究了三种不同原料配成的相似材料,以及相似材料的配比和其力学指标、强度特征等的关系。研究结果表明:选用石膏、水泥和砂配制相似材料,只要配比合适,可以模拟采矿工程中常见岩石(石灰岩、砂岩、页岩等)的机械破碎。     

基于固气耦合的煤岩-瓦斯二相介质相似材料及其力学特性

含瓦斯煤是具有多孔特性和气固耦合特性的二相介质复合材料。为了精准模拟含瓦斯煤的物理力学属性,基于相似准则和主控参数相似比尺,进行了80余组材料配比试验和力学参数试验,研制了煤岩-瓦斯二相介质相似材料。对比了相似材料和原煤的相似性,并基于新材料进行了三维煤与瓦斯突出相似模拟试验。主要结论如下：1）煤粉和腐殖酸钠水溶液为骨料和胶结剂配制的煤岩相似材料的弹塑性参数和吸附性参数均与原煤相似;2）适当体积比的CO2和N2二元混合气体的膨胀能和CH4膨胀能一致,CO2和N2二元混合气体可作为CH4相似气体,且安全性高;3）研制的煤岩-瓦斯二相介质相似材料与含瓦斯原煤的物理力学参数具有高度相似性,实现了气固耦合特性模拟;4）三维物理模拟试验再现了石门揭煤引发煤与瓦斯突出现象,得到与现场接近的突出孔洞形态和突出粉煤质量,验证了相似材料的合理性,也为进一步研究煤与瓦斯突出规律,监测突出前兆信息提供了科学手段。     

基于固气耦合的煤岩–瓦斯二相介质相似材料及其力学特性

含瓦斯煤是具有多孔特性和固气耦合特性的二相介质复合材料,为了精准模拟含瓦斯煤的物理力学属性,基于相似准则和主控参数相似比尺,进行了80余组材料配比试验和力学参数试验,研制了煤岩-瓦斯二相介质相似材料。对比了相似材料和原煤的相似性,并基于新材料进行了3维煤与瓦斯突出相似模拟试验。主要试验结果如下:1)以煤粉和腐殖酸钠水溶液为骨料和胶结剂配制的煤岩相似材料的弹塑性参数与原煤相似,通过调节材料配比,可以配制不同弹塑性参数的相似材料。相似材料的吸附性与原煤也具有一致性;2)CO_2和N_2二元混合气体的膨胀能介于CO_2和N_2之间,气体膨胀能比例系数与CO_2体积分数呈二次函数关系,CO_2体积分数为45%的混合气体的膨胀能与CH_4的膨胀能一致;CO_2和N_2二元混合气体可作为CH_4相似气体,且比CH_4安全性高;3)研制的煤岩-瓦斯二相介质相似材料与含瓦斯原煤的物理力学参数均具有高度相似性,实现了固气耦合特性模拟;4)3维物理模拟试验再现了石门揭煤引发煤与瓦斯突出现象,得到与现场接近的突出孔洞形态和突出粉煤质量,验证了相似材料的合理性,也为进一步研究煤与瓦斯突出规律,监测突出前兆信息提供了科学手段。     

铁晶砂胶结类岩石材料的参数敏感性分析

为了得到高重度、低强度、低模量的岩石相似材料模型,采用正交试验设计的方法对铁晶砂胶结类岩石试样材料参数进行敏感性分析。以骨料含量,铁粉:重晶石粉,(铁粉+重晶石粉):粗石英:细石英以及水泥:石膏为4因素3水平,相应设计了9组不同材料的配比方案对胶结试样进行研究。通过单轴压缩试验得到不同配合比材料岩样的单轴抗压强度、弹性模量和峰值应变等力学参数。利用极差分析,得到以下结果:(铁粉+重晶石粉):粗石英:细石英对人工制备岩样的密度和弹性模量有较显著影响;骨料含量对岩样的单轴抗压强度有较显著影响;铁粉:重晶石粉对岩样的峰值应变有较显著影响;其他因素的影响不是很明显。     

考虑动应力动应变关系及剪切波速相似的模型软岩配制方法

根据振动台模型试验的相似设计原理,结合某地下工程底部软岩性质,利用重晶石粉、黏土、石膏等材料,研制了一种可以有效模拟原型软岩动力特性的相似材料。开展正交试验,通过对数据进行极差和方差分析,得到重晶石粉、黏土、石膏等原材料含量对相似材料密度、初始剪切模量及参考应变的影响规律,并基于正交试验结果,进行软岩相似材料的最终配比试验。结果表明:相似材料中重晶石粉对相似材料的密度起主要控制作用,参考应变值随石膏含量的增加而增大,随黏土含量的增加而减小,相似材料的初始剪切模量随黏土含量的增加而减小,随重晶石粉和石膏含量的增加而增大。配制的软岩相似材料可以很好地模拟原型软岩动应力动应变关系和剪切波速特性。     

沥青砂混合料新型软岩相似材料的试验研究

在地质力学模型材料研究的基础上,根据相似理论,通过大量的力学试验和数据分析,最终研制出一种模拟软岩特性的相似材料。该相似材料是用硬质沥青作为胶结剂,砂和锌粉作为骨料,橡胶粉作为调节剂混合而成的。对相似材料进行了常规的单轴压缩、劈裂拉伸和直剪试验,测定了该相似材料在不同配比下的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、内聚力、摩擦角等参数;并研究了养护时间对相似材料力学性能的影响。结果表明:该相似材料能很好地满足相似材料的选材要求,其物理力学参数变化范围大,破坏现象与软岩的非常相似,是模拟软岩的理想材料。     

岩石隧道渗流模型试验相似材料的研制及应用

为提高岩石隧道渗流场分析的合理性,通过大量以控制渗透系数为核心的配比试验,提出适用于岩石隧道渗流模型试验的围岩、注浆圈及初衬等新型相似材料及其原料配比.试验以黏土、细砂和玻璃纤维为原料配制围岩相似材料,以水泥和炭渣配制注浆圈相似材料,由多层编织土工布模拟初衬相似材料.结果表明:随细砂含量加大,围岩相似材料渗透系数呈非线性增长,稳定性逐渐降低,改变玻璃纤维的含量对其渗透系数影响不明显;注浆圈相似材料渗透系数值随炭渣含量增加近于线性增长,2.5 m水头下的试验值较1.35 m水头时更大;随着编织土工布叠加层数增加,初衬相似材料平均渗透系数呈快速减小并逐渐收敛的趋势,且单次渗透系数测试结果也趋于稳定;相同隧道排水量时,二衬外拱底处水压力远大于拱顶,逐步减小隧道排水量后,拱顶水压力值上升幅度大于拱底,调水阀接近闭合时,拱顶和拱底位置的水压力接近初始水压力.研制的相似材料工作性能稳定,并成功应用于工程渗流试验中.     

石英云母片岩结构特征及其物理模拟

石英云母片岩为典型片理岩石,以其特有的片理构造区别于层理或层状岩石,造成其破坏机制区别于常规意义上的层理或层状岩石.由于石英云母片岩石遇水易崩解,片理面倾角变化剧烈,造成系统多角度定向取样难度大,岩石变异性大,进一步导致其力学试验难以系统开展,而通过相似材料物理模拟试验定性探究岩石力学特性及行为方式是岩石力学领域经常采用的研究方法.首先,采用电镜扫描和偏光显微镜揭示石英云母片岩的结构和构造特征,并根据室内试验结果,从宏观及细观角度对石英云母片岩的变形破坏机制进行分析;其次,为较好模拟和体现片理构造特征发明一种制作片理岩石相似材料的装置和方法,并制作获得了相应的物理模拟材料.最后,通过不同片理面倾角单轴和三轴试验,研究此相似材料的力学行为、破坏特征及力学参数随片理面倾角和围压的变化规律.基于物质结构表观分析和力学试验结果对比验证所制作片理岩石相似材料装置的可靠性、方法的可行性及材料本身的相似性.     

Rock parameters inversion for estimating the maximum heights of two failure zones in overburden strata of a coal seam

In order to enter effective parameters of rock mass in a numerical model, the relationships between mechanical parameters of rock and rock mass were obtained by an inversion method and an orthogonal test, given our measurements of the maximum heights of two failure zones in the Longdong coal mine.Using the maximum heights of the caving zone and the water-conducting fractured zone as test indices the modulus of elasticity, the Poisson ratio, cohesion and tension strength as test factors and different values of reduction enhancement factors as test levels, an orthogonal test was designed to obtain an optimum simulation scheme. From the analysis of different values of reduction enhancement factors which affect the test indices, an optimum factor combination for modification of parameters could be inferred. By using modified parameters in our numerical simulation, the maximum heights oftbe caving zone and the water-conducting fractured zone in the extensive Xiyi area were determined as 15.06 m and 36.92 m. These values were almost the same as those obtained by similar material simulation (8.5 m and 37.0 m) and empirical prediction (8.4 m and 34.4 m). These results indicate that the modification of parameters is a rational method.     

基于3维离散元颗粒流的土石混合体大型直剪试验模拟分析

为能更好的揭示土石混合体的剪切特性与力学行为,以新疆博乐地区某土石坝心墙料为研究对象,选取了3种不同含石量的室内混合料试样,通过导入随机多面体模板建立真实块体颗粒模型,并进行了不同含石量在不同围压下的的三维颗粒流土石混合体室内大型直剪试验模拟,研究了含石量对试样抗剪强度的影响,分析了土石混合体在剪切过程中的体积变化以及不同含石量下土石混合体的力链网络分布。结果表明：模拟结果与室内试验的拟合度较好,二者具有良好的一致性;含石量对土石混合体的剪切特性有显著影响,含石量越高,土石混合体的抗剪强度越大;在相同法向应力下,试样的剪胀量随着含石量的增加而增大,低含石量试样表现出一定的“软化特性”,高含石量试样表现出“硬化特性”;不同含石量的土石混合体力链网络分布表现为各向异性,随着含石量的增加,强力链数目增多,分布更加集中,试样整体较为稳定,土石混合体在宏观上表现出更高的剪切强度。该研究可以更好的理解土石混合体的细观力学机理,可为相关岩土力学模拟提供参考依据。     

活性粉末混凝土基本力学性能指标取值

为促进活性粉末混凝土在工程中的应用,收集整理与活性粉末混凝土相关的文献．提出以边长70.7 mm立方体抗压强度标准值为依据的活性粉末混凝土强度等级划分方法．对活性粉末混凝土立方体抗压强度尺寸效应、轴心抗压强度、轴心抗拉强度、弹性模量、峰值压应变和极限压应变等基本力学性能指标进行分析,获得了活性粉末混凝土相关力学性能指标之间的换算关系,并基于一次二阶矩法推导得出活性粉末混凝土的材料分项系数．     

高水材料结石体抗压强度环境效应试验研究

借助MTS力学试验系统、SEM电子扫描电镜和X射线衍射等分析设备,对在不同环境下高水速凝结石体的主要物理力学指标、结构特征及内部物质组成进行测试,研究高水结石体强度特征的环境效应。结果表明：高水结石体在不同PH值水环境中强度差异并非由其物质成分变化引起的,PH值主要通过影响结石体的微观结构而使其体现出不同的强度特征;空气环境中,结石体抗压强度值、变形常数及泊松比均大幅减小,力学性质差;水环境中,PH值=5.5时试样的抗压强度值最大,变形常数和泊松比在不同PH值环境中均减小,泊松比呈现随环境酸度或碱度的增大而迅速减小的趋势;不同环境中结石体应力-应变关系曲线相似,应力增长较快且体现蠕变特性。     

高填土涵洞相似材料模型试验与数值模拟

依据相似理论,采用正交试验和增加局部试验相结合的方法在最少的试验次数下确定相似材料的配比,得出材料配比用量与力学指标的关系。根据现场资料,满足几何相似条件,制作相似材料涵洞模型。在模型上逐层填土、分级加载来模拟实际施工过程。以盖板涵为例,测出模型关键部位的应变、应力结果。把模型试验的结果按照相似指标推算出原型结构的应力分布。用有限元软件ANSYS进行涵洞受力全过程的数值模拟,并将数值模拟结果与模型试验、模型试验推算出的原型结构应力数据加以对比。结果表明,模型试验和有限元数值模拟二者可以互相印证,对实际工程设计具有参考意义。     

新型岩石相似材料的研制

在研究了国内外近几十年岩土工程中常用的相似材料的研究现状,并分析了它们优缺点的基础上.通过试验测定不同水灰比和橡胶粉取代率时,改性水泥砂浆的表观密度、抗压强度、弹性模量和劈拉强度等物理力学性能的变化情况,总结这些物理参数随橡胶粉取代率、水灰比的变化规律,获得一种新型岩石相似材料.结果证明,这种新型岩石相似材料能很好地满足相似材料的选材要求,是一种比较理想的岩石相似材料,值得在其他模型试验中推广.     

高填土涵洞相似材料模型试验与数值模拟

依据相似理论,采用正交试验和增加局部试验相结合的方法在最少的试验次数下确定相似材料的配比,得出材料配比用量与力学指标的关系。根据现场资料,满足几何相似条件,制作相似材料涵洞模型。在模型上逐层填土、分级加载来模拟实际施工过程。以盖板涵为例,测出模型关键部位的应变、应力结果。把模型试验的结果按照相似指标推算出原型结构的应力分布。用有限元软件ANSYS进行涵洞受力全过程的数值模拟,并将数值模拟结果与模型试验、模型试验推算出的原型结构应力数据加以对比。结果表明,模型试验和有限元数值模拟二者可以互相印证,对实际工程设计具有参考意义。     

冷再生材料路用性能的试验分析

目的研究废旧沥青路面材料的冷再生利用．方法通过系统的室内试验对水泥稳定废旧沥青混合料的物理力学性质进行了分析与评定，对无侧限抗压强度、抗压回弹模量、劈裂强度等主要力学性能进行了研究．结果实验表明，当水泥含量达到5％时，冷再生材料的无侧限抗压强度达到现行规范中规定的要求，抗压回弹模量、劈裂强度达到常用的无机结合料稳定基层材料相应指标的数值，同时冷再生材料也具有较强地抗冲刷性能．结论对于试验所用冷再生材料，只要科学合理地进行配合比设计，同时再生剂含量达到5％以上时，冷再生材料可以将之运用于沥青路面基层之中．