基于正交设计的模型试验相似材料的配比试验研究

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/（铁粉+重晶石粉）、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。     

透明岩石相似材料配比试验研究

针对传统岩石相似材料不透明而导致内部变形破裂过程无法直接观测的难题，使用透明材料制作相似模型是有效的解决方法。采用E-44型环氧树脂作为骨料，三乙醇胺作为固化剂，外加酒精松香饱和溶液（RSS）调节脆性，应用全面试验方法，研究了环氧树脂与三乙醇胺质量比和RSS含量对透明岩石相似材料密度、单轴抗压强度、峰值应变、弹性模量、抗拉强度、黏聚力和内摩擦角的影响规律。研究结果表明：环氧树脂与三乙醇胺质量比对材料抗压强度、弹性模量、抗拉强度、黏聚力和内摩擦角起主导作用，而RSS含量对相似材料的密度和峰值应变起主导作用。密度和峰值应变与环氧树脂与三乙醇胺质量比呈正相关，与RSS含量呈负相关。在环氧树脂与三乙醇胺质量比为3∶1时，试件的抗压强度与RSS含量呈负相关，而在其他比例时，抗压强度变化不显著。试件的弹性模量和内摩擦角与环氧树脂与三乙醇胺质量比呈正相关，在环氧树脂与三乙醇胺的质量比为3∶1时，试件的弹性模量和内摩擦角与RSS含量呈负相关，在其他比例时，则与RSS含量呈正相关。抗拉强度和黏聚力随着RSS含量的增加而降低，随着环氧树脂与三乙醇胺质量比的增加而先增加后减少。在同一环氧树脂与三乙醇胺质量比...     

深长隧道突水突泥模型试验相似材料的研制

为了研究岩溶隧道突水突泥发生机理,根据模型试验相似理论,以宜万铁路野三关隧道为原型,借鉴前人研究成果,研制出一种新型相似材料。运用正交试验设计原理共设计了16组相似材料配比试验,并对制作的试件进行了单轴抗压强度、弹性模量、单轴抗拉强度、容重、内摩擦角及黏聚力等物理力学指标测试。采用极差分析法进行各因素对各指标的敏感性分析,作出了各因素与各物理力学指标的直观关系图,并找出它们之间的影响规律,再结合水对试样的影响,根据实际情况调整相似材料配比,以满足突水突泥模型试验的要求。     

基于响应面法的页岩相似材料配比试验研究

为高效选取页岩相似材料配比,使用水泥和石膏为胶结材料,河砂和重晶石粉为骨料配制页岩相似材料,采用响应面法进行试验设计及数据分析,以砂胶比(骨料质量/胶结材料质量)、水泥含量(水泥质量/胶结材料质量)、重晶石含量(重晶石粉质量/骨料质量)3个因素作为控制因素,以密度、单轴抗压强度和弹性模量作为目标响应,分别建立了相似材料密度、单轴抗压强度、弹性模量与各配比因素间的多元非线性回归模型。对因素进行了方差分析和响应面分析,研究表明,砂胶比、水泥含量、重晶石含量对相似材料密度、单轴抗压强度、弹性模量均有显著影响,且砂胶比和水泥含量对密度、单轴抗压强度、弹性模量有显著的交互影响,砂胶比和重晶石含量对密度有显著的交互影响,水泥含量和重晶石含量对单轴抗压强度、弹性模量有显著的交互影响。确定了用于页岩相似材料配比的经验方程,并进行了试验验证。研究证明,响应面法在相似材料配比试验应用中具有较好的适用性和有效性。     

软弱围岩相似材料力学特性实验研究

为了研究软弱围岩力学特性,在相似三定律基础上选择以河砂、重晶石粉、橡胶粉为骨料,石膏、石蜡油为胶结剂配制相似材料,对相似材料进行单轴抗压、抗拉以及抗剪试验,测定了相似材料在不同配比下的抗压强度、弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角;分析了不同含量原材料以及养护时间对相似材料力学性质的影响。结果表明:当骨胶比为6∶1∶0.06,骨料比为5∶4.5∶0.5,养护时间为7 d时的相似材料,与原岩的力学性质具有较好的一致性,能更好地满足相似材料的选材要求,是一种比较理想的软岩相似材料。     

铁矿床物理模型相似材料正交配比试验

以河砂、碳酸钙、石膏和重晶石为相似材料,应用正交设计方法,以骨料质量与胶结材料质量比、碳酸钙质量与石膏质量比、重晶石粉质量与骨料质量比为控制因素,制定了三因素五水平的试验方案。通过室内力学试验,在获取不同方案的密度、抗压强度、弹性模量等力学指标测试的基础上,分析了力学指标影响因素,得出了相似材料配比与力学指标关系方程。结果表明:重晶石含量对相似材料密度起控制作用;抗压强度力学指标主控因素是骨料质量与胶结材料质量比;相似材料的弹性模量力学指标受骨料质量与胶结材料质量比影响最大,其次为重晶石含量,受碳酸钙质量与石膏质量比影响最小。采用MATLAB程序进行多元线形回归得出,相似材料配比与力学指标关系方程可用于相似材料模型试验配比的确定。     

某铁矿全尾砂胶结充填材料配比试验研究

针对某铁矿分段空场嗣后充填采矿法应用的材料设计实际问题,全面开展了全尾砂胶结充填材料配比试验研究。通过单轴抗压强度试验、剪切试验、单轴承压变形试验,获得了不同浓度、不同砂灰比下的充填体单轴抗压强度、弹性模量、内摩擦角及粘聚力,为采矿安全稳定性分析确定了基本技术参数。     

某铁矿全尾砂胶结充填材料配比试验研究

针对某铁矿分段空场嗣后充填采矿法应用的材料设计实际问题,全面开展了全尾砂胶结充填材料配比试验研究。通过单轴抗压强度试验、剪切试验、单轴承压变形试验,获得了不同浓度、不同砂灰比下的充填体单轴抗压强度、弹性模量、内摩擦角及粘聚力,为采矿安全稳定性分析确定了基本技术参数。     

石灰岩相似材料力学性能试验研究

石灰岩分布广泛,是工程施工常见的岩石种类.针对石灰石相似模型试验的需要,采用水泥石膏材料,对石灰石相似材料开展了试验研究.相似材料试验的条件设置包括３种水泥石膏比、３种砂胶比以及３种水固比,总共有２７种配比.对不同配比的相似材料试件开展了单轴抗压试验、巴西劈裂法试验、直剪试验、霍普金斯杆试验,测得了不同配比相似材料的抗压强度、抗拉强度、内聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比及动态抗压强度等力学参数.基于试验数据,分析了水固比、砂胶比、水泥石膏比对水泥石膏相似材料的力学强度变化规律.结合实测的石灰岩力学参数,分析了石灰岩相似模型试验的材料适用配比.     

应变软化对巷道围岩稳定性影响及敏感性分析

采用正交数值模拟试验的方法,研究了破碎岩体强度软化对巷道变形与破坏的影响。选取残余黏聚力、残余内摩擦角、残余剪胀角等因素,进行3因素4水平的正交数值模拟试验。研究结果表明:黏聚力劣化是影响巷道围岩稳定性最敏感的因素,当残余黏聚力低于某一临界值后,巷道表面位移和破坏范围均迅速增大;内摩擦角劣化对巷道稳定性有显著影响;剪胀角劣化对巷道稳定性影响较小。     

直墙半圆拱形巷道变形破坏影响因素分析

通过对巷道变形破坏特征进行分析,选取侧压系数λ、围岩垂直压力p、岩体的黏聚力C、岩体的内摩擦角φ、岩体的单轴抗拉强度σ_t等5个主控因素,经过正交试验设计,研究它们对直墙半圆拱形巷道的变形破坏影响程度。试验结果表明:对直墙半圆拱形巷道围岩塑性区体积的影响大小为内摩擦角侧压系数垂直应力黏聚力抗拉强度;对直墙半圆拱形巷道综合变形量影响大小为抗拉强度内摩擦角侧压系数黏聚力垂直应力。     

煤岩体的低强度相似材料正交配比试验研究

 本文采用正交试验的方法对煤岩体的低强度相似材料配比进行研究。选用砂子、碳酸钙、石膏配制满足煤岩体力学性质的低强度相似材料。砂胶比、胶结物比例和容重对相似材料的单轴抗压强度均有较显著影响。对试验结果的分析表明,能够利用试验结果的回归曲线方程对给定单轴抗压强度数值的低强度相似材料进行较准确的配比选择。     

基于特征分离原则的大比例砂土类缩尺模型相似材料配比研究

为了获得砂土类大比例缩尺模型相似材料配比,选取福建厦蓉高速漳州段原型砂土作为骨料,石英砂、滑石粉为填充材料,膨润土为添加剂。基于特征分离原则及正交设计方法,进行了3因素5水平共25组固结压缩和直接剪切试验,得到了不同配比相似材料的力学参数值。结果表明:1)基于特征分离原则的试验配比基本能满足大比例模型试验对砂土类相似材料的要求。2)砂土和滑石粉含量与砂土、石英砂和滑石粉总重的比值对材料黏聚力和内摩擦角起主要控制作用,而滑石粉含量与砂土和滑石粉总重的比值对材料的压缩模量起主要控制作用。3)当滑石粉的含量分别占砂土和滑石粉总含量的4%和6%时,对黏聚力和压缩模量的影响均达到峰值;而掺入膨润土可以降低压缩模量,当膨润土掺量为3%时,黏聚力达到最小值;添加石英砂可以降低内摩擦角,而对其他指标影响呈现无规律波动。成果可为其他砂土类大比例缩尺模型相似材料的配制提供参考。     

龄期对膏体充填材料力学特性的影响

为研究膏体充填体强度力学特性随龄期的变化规律,在充分考虑现场膏体充填体具体配比及养护环境的基础上,采用现场取芯制备实验试件并依据抗拉强度及单轴抗压强度计算试样内摩擦角及黏聚力,并进行回归分析。结果表明,充填材料的内摩擦角约为24°~36°,与龄期相关性弱;抗拉强度、单轴抗压强度、黏聚力均表现出随龄期增长并最终维持在1个稳定值的特性,且初期强度发展快,随后增速平缓。但因井下充填体处于一定的应力环境中,对充填体有一定的压实作用,整体强度较实验室制备试样偏高。     

岩体力学参数敏感性正交数值模拟试验

采用正交数值模拟试验方法研究了岩体力学参数对巷道围岩变形与破坏的影响.选择弹性模量（弹模）、泊松比、黏聚力、内摩擦角、抗拉强度、剪胀角等6个因素、5个水平的正交试验方法进行了相关的数值模拟试验.试验结果表明：黏聚力是影响巷道变形与破坏最敏感也是最重要的参数.随着黏聚力的加大,巷道围岩表面移近量及屈服范围均显著减小;内摩擦角对巷道围岩屈服范围有着明显的影响;弹模对巷道围岩表面移近量有着明显影响;泊松比、抗拉强度和剪胀角的影响相对较小.     

岩体力学参数敏感性正交数值模拟试验

采用正交数值模拟试验方法研究了岩体力学参数对巷道围岩变形与破坏的影响.选择弹性模量(弹模)、泊松比、黏聚力、内摩擦角、抗拉强度、剪胀角等6个因素、5个水平的正交试验方法进行了相关的数值模拟试验.试验结果表明:黏聚力是影响巷道变形与破坏最敏感也是最重要的参数.随着黏聚力的加大,巷道围岩表面移近量及屈服范围均显著减小;内摩擦角对巷道围岩屈服范围有着明显的影响;弹模对巷道围岩表面移近量有着明显影响;泊松比、抗拉强度和剪胀角的影响相对较小.     

地下气化煤层软岩顶板相似材料研究

为了寻找适合煤炭地下气化模型实验软岩顶板的相似材料种类及材料配比,通过岩石力学性质实验获得现场顶板软岩的相关力学参数,并根据相似原理理论,以河砂为骨料、粘土和石膏为胶结物,利用正交实验和全面实验方法分析了不同材料配比下的单轴抗压强度,并与利用相似原理处理的抗压强度进行对比研究,结果表明:石膏对相似材料抗压强度的影响作用显著,且受热易粉化,不适合作为煤炭地下气化模型实验软岩顶板相似材料的胶结物;以河砂和粘土为相似材料原料时,当两者质量比为3∶1时,通过实验测得的单轴抗压强度与经过理论计算获得的抗压强度吻合,可满足模型实验对煤层软岩顶板的力学要求。     

松软砂岩型铀矿床相似材料配比试验研究

针对松软砂岩型铀矿床在常规开采过程中存在巷道稳定性差、难以成型的问题，开展巷道开挖支护相似材料配比试验。以细砂、重晶石粉、膨润土、425普通硅酸盐水泥为原料，采用正交试验方法，获得了不同配比条件下相似材料的单轴抗压强度、密度、单轴抗拉强度等物理力学参数。研究表明，与矿岩物理力学参数接近的相似材料配比为：灰砂质量比为1∶8,m(重晶石粉)∶m(砂)为20%,m(膨润土)∶m(砂)为8%,细砂粒径-2.00 mm;得到的相似材料的关键指标(密度、单轴抗压强度和单轴抗拉强度)与矿岩比较接近，误差均在7%之内。相似材料配比试验结果能够满足相似模拟试验要求，研制的松软砂岩相似材料可为开展巷道开挖与支护相似模拟试验提供参考。     

3种砂岩变形与强度特征对比分析

为了明确3种砂岩力学行为的差异及产生差异的内在原因,利用RMT-150B岩石力学试验系统对3种砂岩进行了三轴试验,分析了3种砂岩的变形、强度和破坏特征。试验结果表明:白砂岩和红砂岩的屈服特征明显,塑性变形显著,随着围压的增大,屈服段逐渐增长,黄砂岩屈服特性不明显且受围压影响较小;砂岩的单轴抗压强度越高,围压对其强度的提高效应越显著,其中黄砂岩抗压强度受围压影响提高显著;砂岩弹性模量和变形模量受围压影响的提高程度与低围压时弹性模量和变形模量的大小成正比,且围压对黄砂岩弹性模量和变形模量的影响显著;3种砂岩的内摩擦角差值较大,而黏聚力相差较小,因而可见3种砂岩强度的差异主要是内摩擦角的不同导致的;砂岩的巴西劈裂强度为单轴抗压强度的3.5%～5.8%。3种砂岩的围压影响系数随围压增加整体按负指数关系减小,20 MPa是围压影响系数减小快慢的转折点;通过试验结果分析3种强度准则,指出幂函数Mohr强度准则能更好的反应不同围压岩石强度的非线性特征;白砂岩发生典型的缓倾角剪切破坏,破裂面为平面,红砂岩和黄砂岩在低围压下发生张剪复合破坏,在高围压时发生陡倾角剪切破坏,红砂岩的破裂面为锥面,黄砂岩的破...     

基于三鑫金铜矿的相似材料配比试验

为确定物理模拟试验相似材料的配比,以砂子、水泥和石膏为相似材料,通过正交表L9(34)分别对模拟矿石、模拟围岩进行正交配比试验,并由多元线性回归分析得出相似材料配比与物理力学指标的回归方程。结果表明:(1)砂胶比、水石比、水料比3个因素中,砂胶比对模拟材料的影响程度最大,水石比次之,水料比最弱;(2)3个因素对密度均有一定影响但不明显,单轴抗压强度随砂胶比的增大而显著减小,随水石比和水料比的增大而缓慢增大;弹性模量随砂胶比的增大而显著减小,随水石比的增大而增大;(3)回归方程能较好地适用于用砂子、水泥、石膏制备的模拟材料的单轴抗压强度和弹性模量的计算。试验结果可为确定其他模拟矿体、围岩等相似材料的配比提供参考。