相似材料模拟实验.doc

相似材料模拟实验 大 纲 模拟研究作为一种研究方法，在现代自然科学和技术的各个领域中获得了广泛应用。模拟研究有两种类型：比例增大的系统和比例缩小的系统。在采矿工程中被研究对象的尺寸往往很大，通常采用比例缩小的系统。按照所根据的原理，又可把模拟研究分为丙种类型，物理模拟和相似模拟。物理模拟规定在模型中重新建造成与真实对象中相同的物理场，只是相应于模型比例其绝对值有所改变；相似模拟是在模型中用另一种物理场去代替真实对象中的一种物理场。在采矿过程中绝大多数采用的是物理模拟法。 一．相似常数的确定 根据相似性原理，两个对应系统相似必须满足以下条件：（1）描述两个系统对应点的各物理量之间分别保持一个常数——相似常数；（2）描述两个系统对应点的动态发展规律的基本物理议程相同，或者说各相似常数间保持一定的关系，即相似准则。因此，两个系统完全相似要求的条件是很严格的。但对某一具体研究问题而言，只要把握主要的物理量和主导的相似准则就可以了，相似材料模型实验研究的问题一般是在重力场中的岩层移动与破坏规律，需要在以下几个方面保持相似关系： （一）单值条件和相似判据 1．几何相似 根据实验要求和实验台尺寸限制，确定几何相似常数为： 在设计模型时，对二维应力模型，只要求保持平面尺寸的几何相似，不要求横向（厚度）上的几何相似，但其厚度必须满足模型的稳定性。 2．运动相似 运动相似表现在时间、速度和加速度上，其相似常数为： 根据经验和实验要求，实验确定容重相似常数为：（根据相似材料而定），则重量相似比为： 3．强度相似和应力相似 根据模型和原型对应点具有相同的应力平衡微分方程，得： 凡具有与和相同量纲的物理量都要保持这一常数，故描述抗压抗拉及抗剪强度的物理量，其相似常数相同，即： 4．变形过程相似 假定系统内的每一岩层都是各向同性的，故描述变形的常数——相互独立，只有两个，即弹性模量E和泊松比，显然应取： (二)初始状态 对岩体来讲，最重要的初始状态是它的结构状态，为此需要模拟：（1）岩体结构牲；（2）结构面的分布牲；（3）结构面上的力学性质。 在模拟各种不连续结构面时，首先应当区别那些是对所研究院问题有决定性意义的结构面。对于主要结构面，应当按几何相似条件单独模拟，至于交要结构面，为简化起见，往往一并考虑在岩石本身的力学性质之内，可采取降低不连续面所在处岩石弹性模量和强度的方法来解决。 （三）边界条件相似 模型的边界条件应与原形尽量一致，使用平面模型时，应满足“平面应变”的要求，采取各种措施保证前后表面不产生变形。 模拟深部岩层时，往往用外部加载的方法来代替上部自重应力。根据理论分析，对于均质岩体，由于开挖而引起的应力重新分布的范围约为开挖空间的3~5倍。因此，用外加载方法研究问题时，模拟的范围至少应大于开挖空间的三倍以上。 二．相似材料及其配比 1．对相似材料的要求 相似材料是用来模拟原型的，对它们的要求是： （1）主要力学性质与模拟的岩层或结构相似。例如：模拟破坏过程时，应使相似材料的单向抗压与抗拉强度相似于原型材料。 （2）试验过程中材料的力学性能稳定，不易受外界条件的影响。 （3）改变材料配比，可调整材料的某些性质以适应相似条件的需要。 （4）制作方便，凝固时间短。 （5）成本低，来源丰富。 2．相似材料的分类 相似材料通常由几种材料配制而成。组成相似材料的原材料可分为两类： （1）骨料：主要有砂、尾砂、粘土、铁粉、铅丹、重晶石粉、铝粉、云母粉、软木屑、聚苯乙烯颗粒、硅藻土等。 （2）胶结材料：主要有石膏、水泥、石灰、水玻璃、碳酸钙、石腊、树脂等。 3．骨料的主要技术牲与用途 （1）砂子：宜采用d=0.21~0.12毫米的纯净细砂。 （2）粘土：宜采用比重大于2.6克/厘米3的纯粘土。用前应先干燥磨碎，并用d=0.35毫米的筛子筛分。 （3）云母粉：比重2.7克/厘米3。云母粉有两种用途。 ①作骨料：宜采用d=0.3~0.5毫米的细云母； ②作分层材料：宜采用d=1.4~5毫米的粗云母。 （4）铁粉、重晶石粉、铅丹（Pb3O4）、磁铁矿粉等，属于重骨料，用来增大相似材料的容重。 （5）软木屑、炉渣、浮石等，属于轻骨料，用来减少材料的容重。 （6）软木屑、砂子与聚苯乙烯可用来减小材料的泊松比。 （7）硅藻土，一种以硅藻化石为骨架的软弱多孔性沉积物。用作骨料时，可吸收混合物中多余的水与降低相似材料的弹性模量。 （8）铝粉，可啬材料的热传导性，有助于量测用应变计上热量的扩散与改善量测工作。 （9）尾矿来源丰富，是一种良好的骨料。由于尾矿与模拟的矿石具有大致相同 的成份，故有助于模拟原型材料的力学特性。 4.配比的选择 材料配合后的力学性质往往受原材料材料成份、质量、细度与搅拌方式等多种因素的影响。即使是同一种配比的相似材料，其力学指标也可能有若于