基于正交设计的模型试验相似材料的配比试验研究

发布时间：2016-08-16 16:13

  本文关键词：基于正交设计的模型试验相似材料的配比试验研究，由笔耕文化传播整理发布。

第37卷第1期2012年

1月煤炭学报

JOURNALOFCHINACOALSOCIETY

Vol．37Jan．

No．12012

文章编号：0253－9993（2012）01－0044－06

基于正交设计的模型试验相似材料的配比试验研究

1，21223

董金玉，杨继红，杨国香，伍法权，刘红帅

（1.华北水利水电学院，河南郑州450011；2.中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院工程地质力学重点实验室，北京地震局工程力学所，黑龙江哈尔滨150080）

100029；3.中国

要：在前人相似材料研究的基础上，应用正交设计方法，以（铁粉+重晶石粉）/骨料、铁粉/（铁

黏结剂浓度、石膏含量为4个因素，每个因素设置5个水平，设计了25组材料配比粉+重晶石粉）、摘

方案，进行了称重、单轴压缩、劈裂和直剪试验，获得了不同配比相似材料的密度、抗压强度、抗拉强

度、弹性模量、泊松比、内摩擦角和黏聚力等物理力学性质指标。试验结果表明：不同配比相似材料的物理力学参数分布的范围较大，能够满足不同性质岩体模型试验对岩体相似材料的要求；采用极差分析法分析了各因素的敏感性，发现（铁粉+重晶石粉）/骨料对试件密度、内摩擦角起主要控制作用，黏结剂浓度对试件的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、黏聚力起主要控制作用；并作出了各因素对相似材料物理力学参数影响的直观分析图，分析了各因素对相似材料参数的影响规律。关键词：正交设计方法；相似材料；极差分析法；敏感性；直观分析图中图分类号：TD315.3文献标志码：A

Researchonsimilarmaterialproportioningtestofmodeltest

basedonorthogonaldesign

2

DONGJin-yu1，，YANGJi-hong1，YANGGuo-xiang2，WUFa-quan2，LIUHong-shuai3

（1.NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower，Zhengzhou150080，China）

450011，China；2.KeyLaboratoryofEngineeringGeomechanics，Instituteof

GeologyandGeophysicsChineseAcademyofSciences，Beijing100029，China；3.InstituteofEngineeringMechanics，ChinaEarthquakeAdministration，Haerbin

Abstract：Onthebasisofpreviousresearchofsimilarmaterial，theweightratioofironorepowderplusbaritepowdertoaggregates，theweightratioofironorepowdertoironorepowderplusbaritepowder，adhesiveconcentrationandgypsumcontentwereselectedasfourfactors，andeveryfactorhadfivevariablelevels．Accordingtotwentyfiveschemesofmaterialmixtureratiodesignedbyorthogonaldesignmethod，laboratoryuniaxialcompressiontest，splittestcom-anddirectsheartestwereconducted．Physicalandmechanicalindexesofsimilarmaterialsuchasunitweight，pressivestrength，tensilestrength，elasticmodulus，poissonratio，internalfrictionangleandcohesionwereobtainedun-derdifferentmaterialmixtureratios．Thetestsresultsshowthatphysicalandmechanicalindexesofsimilarmaterialva-ryinalargerangeandcanmeettheneedsforrocksimilarmaterialindifferentphysicalmodeltestofrockslope．Thesensitivityofeveryfactorwasanalyzedbyusingextremumdifferencemethod．Theresultsshowthattheweightratioofironorepowderplusbaritepowdertoaggregateshascontroleffectondensityandinternalfrictionangleofthespeci-men，andadhesiveconcentrationhascontroleffectoncompressivestrength，tensilestrength，elasticmodulusandcohe-sionofthespecimen．Therelationshipbetweenfactorsandparametersofsimilarmaterialwerestudiedbydirectanaly-sischartsofthefactorsaffectingphysicalandmechanicalindexesofthematerial．

Keywords：orthogonaldesignmethod；similarmaterial；extremumdifferenceanalysis；sensitivity；directanalysischart

收稿日期：2011－02－01责任编辑：王婉洁

基金项目：国家自然科学基金青年基金资助项目（40702055）；汶川地震地质灾害调查评价资助项目（1212010914029）；华北水利水电学院高

层次人才引进项目：E－mail：dongjy0552@126.com作者简介董金玉（1977—），男，河南济源人，副教授，博士。Tel：0371－69127353，

第1期董金玉等：基于正交设计的模型试验相似材料的配比试验研究

表1

Table1

相似材料正交设计水平

45

根据相似理论，选择并配制合适的相似材料，进行模型试验。相似材料的选择和配制对材料的物理并对模型试验的结果起着力学性质具有很大的影响，

决定性的作用。关于相似材料的选择，已进行了大量

［1－9］

。其中张强勇等［4－8］研制了由铁矿的研究工作

粉、重晶石粉、石英砂、石膏粉和松香酒精溶液拌合而

要满足成的混合材料（IBSCM）。选定相似材料之后，

Orthogonaldesignlevelofsimilarmaterial

%

水平组数12345

（铁粉+重晶石粉）/骨料

60708090100

铁粉/（铁粉+重晶石粉）

010203040

黏结剂浓度510152025

石膏含量（占总量）

02468

试验所需物理力学参数的相似材料配比尚需进行大

量的试验，选择何种试验设计方法就显得较为重要。试验设计方法主要有全因素试验、正交试验设计和均匀试验设计等。

本文在张强勇等相似材料研究的基础上，应用正交试验方法设计了相似材料的试验方案，进行了不同配比材料的室内物理力学指标试验，得到了不同配比相似材料的物理力学参数，并通过极差分析法，分析了各因素对物理力学参数的敏感性和影响规律。

注：铁粉、重晶石粉、石英砂、石膏、松香的总质量为1000g，搅拌需要的酒精为50g。

表2

Table2

试验组数1

相似材料配比方案

%

Testschemesofsimilarmaterial

铁粉/（铁粉+重晶石粉）

010203040010203040010203040010203040010203040

黏结剂浓度510152025101520255152025510202551015255101520

（铁粉+重晶石粉）/骨料

6060606060707070707080808080809090909090100100100100100

石膏含量（占总量）

0246846802802462468068024

1相似材料配比正交设计方案

正交试验法是用于多因素试验的一种方法，它是

2345678910111213141516171819202122232425

从全面试验中挑选出部分有代表的点进行试验，这些代表点具有均匀和整齐的特点。正交试验设计是部分因子设计的主要方法，效率很高，试验中把所要考察的结果称为指标，把要考察的对试验指标可能有影响的因素简称为因素，把每个因素在试验中要比较的具体条件称为水平。假定设计一个试验，安排k个因t2，，…，tn。子，作n次试验，因子的水平数分别为t1，若此试验满足2个条件：①每一因子的不同水平在试验中出现相同次数（均衡性）；②任意两因子的不则这同水平组合在试验中出现相同次数（正交性），个试验称为正交试验。正交试验法采用正交表安排试验，既能使试验点分布得很均匀，又能减少试验次数

［10－15］

。

参照张强勇等的研究成果，本次试验选取的材料以铁矿粉、重晶石粉、石英砂为骨料，松香酒精为黏结材料，石膏为调节材料。其中铁矿粉为黑龙江通化铁比重可达到4.3，重晶石粉为焦作壮丽精矿厂生产，

醇化工有限公司生产，目格为300～400目，石英砂规酒精纯度为95%。在试验设计中，格为40～70目，

以（铁粉+重晶石粉）/骨料（A）、铁粉/（铁粉+重晶石粉）（B）、黏结剂浓度（松香/（松香+酒精））（C）、石B，C，D），膏含量（D）作为正交设计的4个因素（A，每个因素设置5个水平，见表1。试验选用6因素5水平的正交设计方案L25（56），其材料配比方案见表2。

2试验结果总体分析

通过对25组不同配比材料试件进行称重、单轴

劈裂和直剪试验，得到了各组材料的密度、抗压压缩、

强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、内摩擦角和黏聚力等物理力学性质指标，见表3。

46

煤

表3

Table3

密度/（g·cm－3）

2.482.502.472.402.402.542.512.482.652.612.522.722.652.652.502.782.672.842.692.832.752.652.912.792.88

炭学报2012年第37卷

相似材料配比正交试验结果

Orthogonalexperimentresultsofsimilarmaterialratio

抗拉强度/MPa

0.0210.0990.1020.1230.1960.0520.0940.1200.2160.0270.0750.1740.2230.0220.0440.1220.1330.0280.0370.1090.1730.0230.0650.0750.096

弹性模量/MPa

38.137124.460102.940193.909253.13272.872138.735177.707388.41534.984144.948289.777301.30282.670120.352262.076212.95833.175196.464169.621248.99142.847119.047215.836214.209

泊松比0.210.120.150.210.120.090.140.060.200.040.050.230.130.160.220.150.070.060.190.130.280.170.200.130.13

内摩擦角/（°）

30.1434.8239.2934.1434.7632.7436.2325.3428.3028.6622.3532.4731.0026.2434.0032.0030.8022.5620.0032.7218.4316.6829.9926.5824.46

黏聚力/MPa0.1150.2940.3690.4160.5920.2840.3960.5360.7110.2030.4300.5300.5740.2740.1650.3640.4010.2960.3110.1700.4420.3020.2520.2800.290

试验12345678910111213141516171819202122232425

抗压强度/MPa

0.2600.8531.0501.3341.4960.6771.0761.2383.7350.2660.7271.8971.9350.2380.4181.3101.8650.2260.6681.2831.6340.1770.7580.9641.217

通过对试验总体结果进行分析，发现相似材料的

3

抗压强度分布在密度分布在2.40～2.91g/cm，

0.260～3.735MPa，抗拉强度分布在0.021～0.223MPa，弹性模量分布在38～388MPa，内摩擦角分布在16°～40°，黏聚力分布在0.115～0.711MPa，相似材料的试验结果基本可以覆盖大部分岩体材料

模型试验对相似材料的要求范围。同时，可以根据某一模型试验对相似材料物理力学参数的要求，从正交试验结果中（表3）选择满足或近似满足相似要求的材料配比。

每个水平求均值和极差，结果见表4，从中可以看出，A因素（（铁粉+重晶石粉）/骨料）的极差最大，其次是D因素（石膏含量），再次是B因素（铁粉/（铁粉+重晶

各因素对密度的敏感石粉））和C因素（黏结剂浓度），

性由大到小为A—D—B—C，这说明对于密度的控制

A因素（（铁粉+重晶石粉）/骨料）起主要作用。

表4

Table4

密度极差分析

g/m3

水平

（铁粉+重晶石粉）/骨料

2.452.562.612.762.800.35

铁粉/（铁粉+重晶石粉）2.612.612.672.632.650.06

黏结剂浓度2.642.632.622.652.620.03

石膏含量（占总量）2.722.662.642.602.550.17

Extremumdifferenceanalysisofdensity

3各因素敏感性分析

直观分析法是通过对每一因素的极差来分析问

组数12345极差

极差大小反映了该因素选取不同水平变动对指标题，

的影响大小。根据正交试验理论，将各个因素相同水极差是在各水平之和中由最大值减去最小值平平均，求得，极差大说明此因素的不同水平产生的差异较大，是重要因素，对试验结果影响明显。下面通过极差分析法对各因素对材料物理力学性质的影响进行敏感性分析。3.1

密度影响因素敏感性分析

对正交试验结果中的对试件密度影响的各因素

为了更直观地分析各因素对密度的影响，根据表4可作出各因素对密度影响的直观分析图，如图1所示。从图中可以看出，试件的密度随着铁粉+重晶石粉在骨料中的含量的增加而增大，随着石膏含量在材

第1期董金玉等：基于正交设计的模型试验相似材料的配比试验研究

47

料含量中的增加而减小，其他影响因素和试件密度的关系不是十分明显

。响的直观分析图，如图3所示。从图上可以看出，试件的抗拉强度随着黏结剂浓度的增加而增大，随着石其他影响因素和试件膏含量的增加而先减小后增大，抗拉强度的关系不是十分明显

。

图1

Fig.1

密度敏感性因素分析

Sensitivityanalysisofthefactorsaffectingdensity

图2

Fig.2

抗压强度敏感性因素分析compressivestrength表6

Table6

抗拉强度极差分析

MPa

水平组数12345极差

（铁粉+重晶石粉）/骨料

0.1080.1020.1080.0860.0860.023

铁粉/（铁粉+重晶石粉）0.0890.1050.1070.0940.0940.019

黏结剂浓度0.0240.0590.0910.1270.1880.164

石膏含量（占总量）0.1170.1090.0810.0920.0900.

036

3.2抗压强度影响因素敏感性分析

对正交试验结果中的对试件抗压强度影响的各因素每个水平求均值和极差，结果见表5，从中可以C因素（黏结剂浓度）的极差最大，看出，其次是D因素（石膏含量），再次是B因素（铁粉/（铁粉+重晶石粉））和A因素（（铁粉+重晶石粉）/骨料），各因素对抗压强度的敏感性由大到小为C—D—B—A，这说明对于试件抗压强度的控制C因素（黏结剂浓度）起主要作用。根据表5可作出各因素对试件抗压强度影响的直观分析图，如图2所示。从图中可以看出，试件的抗压强度随着黏结剂浓度的增加而增大，随着石膏含量在材料含量中的增加而减小，其他影响因素和试件抗压强度的关系不是十分明显。

表5

Table5

抗压强度极差分析strength

水平组数12345极差

（铁粉+重晶石粉）/骨料

0.9991.3981.0431.0700.9500.448

铁粉/（铁粉+重晶石粉）0.9221.1741.0411.3880.9360.466

黏结剂浓度0.2330.6751.0201.3992.1331.900

Sensitivityanalysisofthefactorsaffecting

Extremumdifferenceanalysisoftensilestrength

Extremumdifferenceanalysisofcompressive

MPa

石膏含量（占总量）1.5871.0661.0090.9380.8610.725

图3

Fig.3

抗拉强度敏感性因素分析

Sensitivityanalysisofthefactorsaffectingtensilestrength

3.4

3.3

抗拉强度影响因素敏感性分析

对正交试验结果中对试件抗拉强度影响的各因素每个水平求均值和极差，结果见表6，从中可以看C因素（黏结剂浓度）的极差最大，其次是D因素出，

（石膏含量），再次是A因素（（铁粉+重晶石粉）/骨料）和B因素（铁粉/（铁粉+重晶石粉）），各因素对抗拉强度的敏感性由大到小为C—D—A—B，这说明对于试件抗拉强度的控制C因素（黏结剂浓度）起主要作用。根据表6可作出各因素对试件抗拉强度影

弹性模量影响因素敏感性分析

对正交试验结果中对试件弹性模量影响的各因素每个水平求均值和极差，结果见表7，从中可以看C因素（黏结剂浓度）的极差最大，出，其次是B因素（铁粉/（铁粉+重晶石粉））和D因素（石膏含量），再次是A因素（（铁粉+重晶石粉）/骨料），各因素对试件弹性模量的敏感性由大到小为C—B—D—A，这说C因素（黏结剂浓度）明对于试件弹性模量的控制，

起主要作用。根据表7可作出各因素对试件弹性模量影响的直观分析图，如图4所示。从图上可以看

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