基于正交设计的模型试验相似材料的配比试验研究

摇第37卷第1期煤摇摇炭摇摇学摇摇报Vol.37摇No.1摇摇2012年1月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYJan.摇2012摇摇摇文章编号: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董金玉1,2,杨继红1,杨国香2,伍法权2,刘红帅3(1郾华北水利水电学院,河南郑州摇450011;2郾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,北京摇100029;3郾中国地震局工程力学所,黑龙江哈尔滨摇150080)摘摇要: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。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郾3摇摇摇文献标志码:A收稿日期:2011-02-01摇摇责任编辑:王婉洁摇摇基金项目: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摇摇作者简介:董金玉(1977—),男,河南济源人,副教授,博士。Tel:[phone],E-mail:dongjy0552@126郾comResearchonsimilarmaterialproportioningtestofmodeltestbasedonorthogonaldesignDONGJin鄄yu1,2,YANGJi鄄hong1,YANGGuo鄄xiang2,WUFa鄄quan2,LIUHong鄄shuai3(1郾NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou摇450011,China;2郾KeyLaboratoryofEngineeringGeomechanics,InstituteofGeologyandGeophysicsChineseAcademyofSciences,Beijing摇100029,China;3郾InstituteofEngineeringMechanics,ChinaEarthquakeAdministration,Haerbin摇150080,China)Abstract:Onthebasisofpreviousresearchofsimilarmaterial,theweightratioofironorepowderplusbaritepowdertoaggregates,theweightratioofironorepowdertoironorepowderplusbaritepowder,adhesiveconcentrationandgypsumcontentwereselectedasfourfactors,andeveryfactorhadfivevariablelevels.Accordingtotwentyfiveschemesofmaterialmixtureratiodesignedbyorthogonaldesignmethod,laboratoryuniaxialcompressiontest,splittestanddirectsheartestwereconducted.Physicalandmechanicalindexesofsimilarmaterialsuchasunitweight,com鄄pressivestrength,tensilestrength,elasticmodulus,poissonratio,internalfrictionangleandcohesionwereobtainedun鄄derdifferentmaterialmixtureratios.Thetestsresultsshowthatphysicalandmechanicalindexesofsimilarmaterialva鄄ryinalargerangeandcanmeettheneedsforrocksimilarmaterialindifferentphysicalmodeltestofrockslope.Thesensitivityofeveryfactorwasanalyzedbyusingextremumdifferencemethod.Theresultsshowthattheweightratioofironorepowderplusbaritepowdertoaggregateshascontroleffectondensityandinternalfrictionangleofthespeci鄄men,andadhesiveconcentrationhascontroleffectoncompressivestrength,tensilestrength,elasticmodulusandcohe鄄sionofthespecimen.Therelationshipbetweenfactorsandparametersofsimilarmaterialwerestudiedbydirectanaly鄄sischartsofthefactorsaffectingphysicalandmechanicalindexesofthematerial.Keywords:orthogonaldesignmethod;similarmaterial;extremumdifferenceanalysis;sensitivity;directanalysischart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摇摇根据相似理论,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力学性质具有很大的影响,并对模型试验的结果起着决定性的作用。关于相似材料的选择,已进行了大量的研究工作[1-9]。其中张强勇等[4-8]研制了由铁矿粉、重晶石粉、石英砂、石膏粉和松香酒精溶液拌合而成的混合材料(IBSCM)。选定相似材料之后,要满足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。1摇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个因子,作n次试验,因子的水平数分别为t1,t2,…,tn。若此试验满足2个条件:淤每一因子的不同水平在试验中出现相同次数(均衡性);于任意两因子的不同水平组合在试验中出现相同次数(正交性),则这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矿厂生产,比重可达到4郾3,重晶石粉为焦作壮丽精醇化工有限公司生产,目格为300~400目,石英砂规格为40~70目,酒精纯度为95%。在试验设计中,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)、石膏含量(D)作为正交设计的4个因素(A,B,C,D),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。表1摇相似材料正交设计水平Table1摇Orthogonaldesignlevelofsimilarmaterial%摇水平组数(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(占总量)160050270101023802015449030206510040258摇摇注: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摇相似材料配比方案Table2摇Testschemesofsimilarmaterial%摇试验组数(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(占总量)16005026010102360201544603020656040258670010477010156870202089703025010704052118001581280102001380202521480305415804010616900202179010254189020561990301082090401502110002562210010582310020100241003015225100402042摇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、单轴压缩、劈裂和直剪试验,得到了各组材料的密度、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,见表3。54煤摇摇炭摇摇学摇摇报2012年第37卷表3摇相似材料配比正交试验结果Table3摇Orthogonalexperimentresultsofsimilarmaterialratio试验密度/(g·cm-3)抗压强度/MPa抗拉强度/MPa弹性模量/MPa泊松比内摩擦角/(毅)黏聚力/MPa12郾480郾2600郾02138郾1370郾2130郾140郾11522郾500郾8530郾099124郾4600郾1234郾820郾29432郾471郾0500郾102102郾9400郾1539郾290郾36942郾401郾3340郾123193郾9090郾2134郾140郾41652郾401郾4960郾196253郾1320郾1234郾760郾59262郾540郾6770郾05272郾8720郾0932郾740郾28472郾511郾0760郾094138郾7350郾1436郾230郾39682郾481郾2380郾120177郾7070郾0625郾340郾53692郾653郾7350郾216388郾4150郾2028郾300郾711102郾610郾2660郾02734郾9840郾0428郾660郾203112郾520郾7270郾075144郾9480郾0522郾350郾430122郾721郾8970郾174289郾7770郾2332郾470郾530132郾651郾9350郾223301郾3020郾1331郾000郾574142郾650郾2380郾02282郾6700郾1626郾240郾274152郾500郾4180郾044120郾3520郾2234郾000郾165162郾781郾3100郾122262郾0760郾1532郾000郾364172郾671郾8650郾133212郾9580郾0730郾800郾401182郾840郾2260郾02833