模拟含水地层相似材料的力学特性及配比试验研究

发布时间：2017-07-03 14:20

  本文关键词：模拟含水地层相似材料的力学特性及配比试验研究

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【摘要】：物理模型试验是岩石力学与工程中常用的研究手段和方法,其中的关键之处在于相似材料的研制。传统的物理模型试验不考虑模拟岩体中孔隙(或裂隙)水,然而近年来,随着水体下或富水地层中地下工程建设规模的增大,对地下水问题越来越重视。因此,如何在物理模型试验中模拟地下水的作用也成为了模型试验中的新课题。模型试验的关键则是相似材料原材料种类的选择以及其配比,在原材料的选择上,不仅要满足传统相似条件,而且在水理特性上要达到相似。本论文在此背景下,针对新型相似材料原材料的选取以及新型相似材料配比确定方法,开展了大量的配比试验,研发出能模拟特定砂岩物理力学性质和水理性质的新型相似材料,对该种相似材料的基本物理力学性质及水理特性随配比变化规律进行了研究。本论文所研发的相似材料胶结材料选择透水混凝土,骨料为橡胶颗粒和重晶石粉,试验方法采用正交试验设计法,对相似材料试样的体积、重量、含水量、单轴抗压强度及渗透系数进行3因素4水平控制,共计16组试验来进行相似材料配比试验,从而得到相似材料的物理力学性质及水理性质与各项指标的回归关系,并针对具体的工程实例给出试验所需相似材料配比。本文主要研究成果具体如下：(1)通过试验数据研究可知,在使用相似材料模拟岩石的疏排水上,透水混凝土是一种较好的胶结材料,而橡胶颗粒作为骨料能很好的模拟疏干排水的过程,重晶石粉也能起到调节试件密度的作用。三者的混合料不仅遇水不会发生崩解,同时也能模拟出部分砂岩的水理特性。(2)通过此试验可得各项指标随3个试验因素(骨胶比、橡胶颗粒粒径、重晶石粉与橡胶颗粒的比值)的变化规律,如下：①骨胶比：随软化系数、含水率、渗透系数成正比关系；对密度、单轴抗压强度、弹性模量成反比关系；②橡胶颗粒粒径：随单轴抗压强度、软化系数、含水率、渗透系数成正比关系；对弹性模量成反比关系；③重晶石粉/橡胶颗粒：随密度、单轴抗压强度、弹性模量成正比关系；对软化系数、含水率、渗透系数成反比关系；④密度与橡胶颗粒粒径无显著的相关性。(3)通过各因素的直观分析以及关系图,可以看出各因素与相似材料性质参数均可用线性关系描述。拟合得到一个三个自变量六个变量的超定方程组。此方程组能够反映出各个参数随各因素的变化规律。这其中,橡胶颗粒粒径对密度的影响无明显的规律性。(4)本文给出的试验数据与回归方程,能够很好的应用于具体的工程实例,并且能够得出实例中所需的相似材料原材料配比。在今后的透水混凝土和橡胶颗粒以及重晶石粉作为混合料的相似材料配比试验中可以采用上述经验方程根据欲得到的材料水理特性参数值进行配比设计。同时,本论文的研究成果为今后透水混凝土和橡胶颗粒以及重晶石粉组成的新型相似材料的研究提供了一定的参考依据。
【关键词】：模型试验 固-流耦合相似材料 正交试验设计 配比设计 回归分析
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU45
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 1 绪论12-24
• 1.1 选题背景及研究意义13-16
• 1.1.1 选题背景13-14
• 1.1.2 研究意义14-16
• 1.2 国内外研究现状16-21
• 1.2.1 相似材料的原材料选择17-20
• 1.2.2 相似材料的配比研究20-21
• 1.3 本文主要的研究内容及思路21-23
• 1.3.1 研究内容21-22
• 1.3.2 研究思路和技术路线22-23
• 1.4 创新点23-24
• 2 固-流耦合相似准则推导及相似原材料介绍24-34
• 2.1 固-流耦合相似理论及准则推导24-26
• 2.1.1 相似基本理论24-25
• 2.1.2 固-流耦合理论25-26
• 2.2 相似材料原材料的简介26-31
• 2.2.1 相似材料的选择原则26-27
• 2.2.2 相似材料原材料的选择27-31
• 2.3 新型固-流耦合相似材料的原材料31-34
• 2.3.1 胶结材料-透水混凝土31-32
• 2.3.2 骨料32-34
• 3 不同配比含水层相似材料力学特性及配比确定方法34-72
• 3.1 试验设计方法34-35
• 3.1.1 试验设计基本理论34
• 3.1.2 试验设计的有效性34-35
• 3.2 正交试验方案设计35-41
• 3.2.1 正交试验设计方法35-36
• 3.2.2 正交试验设计方法的优点36
• 3.2.3 正交试验设计方案36-41
• 3.3 试验过程41-50
• 3.3.1 模具41-42
• 3.3.2 试件的制作步骤42-44
• 3.3.3 试件物理力学性质的测定44-50
• 3.4 正交试验结果分析50-70
• 3.4.1 正交试验结果整理及分析方法50-53
• 3.4.2 正交试验结果数据整理53-59
• 3.4.3 正交试验结果极差分析59-65
• 3.4.4 正交试验结果回归分析65-70
• 3.5 配比确定方法70-72
• 4 工程应用研究72-78
• 4.1 工程概况72-73
• 4.2 试验参数设计73-74
• 4.3 各因素可行性分析74
• 4.4 试验配比值74-75
• 4.5 试验验证75-78
• 5 结论与展望78-82
• 5.1 结论78-80
• 5.2 展望80-82
• 参考文献82-86
• 附录A MATLAB程序代码86-88
• 作者简历88-92
• 学位论文数据集92

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