相似模拟试验和数值模拟在岩土工程中的应用及实际案例

相似模拟与模型试验在岩土工程中的应用相似模拟与模型试验在岩土工程中的应用 相似模拟与其它一样是社会生产发展的必然产物 由于社会生产的不断发展 岩土工 程所提出的问题日益复杂和繁琐 用数学方法很难得到精确的解析解 只能作一些假设与 简化再求解 因而带来一些误差 于是人们不得不通过实验的方法来探求那些靠数学方法 无法研究的复杂现象的规律性 但是直接的实验的方法有很大的局限性 其实验的结果只 能推广到与实验条件完全相同的实际问题中去 这种实验方法常常只能得出个别量的表面 规律性关系 难以抓住现象的内在本质 相似模拟 正是为解决这些问题而产生的 它不 直接的研究自然现象或过程的本身 而是研究与这些自然现象或过程相似的模型 它是理论与实际密切相结合的科学研究方法 是解决一些比较复杂的生产工程问题的一种 有效方法 一 相似模拟与模型试验的方要研究内容一 相似模拟与模型试验的方要研究内容 它是研究自然界相似现象的一门科学 它提供了相似判断的方法 并用于指导模型试 验 整理试验结果 并把试验结果用于原型的理论基础 二 相似常数二 相似常数 设 c 表示相似常数 x 表示原型中的物理量 表示模型中的物理量 则 x i i i x x c 其中表示第 个物理量所对应的相似常数 i ci 物理量包含于现象之中 而表示现象的物理量 一般都不是孤立的 互不关联的 而 是 处在自然规律所决定的一定关系中 所以说各种相似常数之间也是相互关联的 在许多的 情况下这种关联表现为数学方程的形式 下面举例说明 设两个物体受力与运动相似 则它们的质点的运动方程和力学方程均可用同一方程描述 即 原型的运动方程与物理方程 dt ds v dt dv mf 模型的运动方程与物理方程 t d sd v t d vd mf 因为两个物体的现象相似 其对应物理量互成比例 即 s c s s t c t t t c v v m c m m f c f f 联合得到 1 c c cc s tv 1 c cc cc vm tf 由 可以说明 各相似常数不是任意选择的 它们之间是相互关联的 三 相似三定理三 相似三定理 1 相似第一定理 相似第一定理是指出两个相似物体之间物理量的关系 具体可以归纳为二点 一 相似现象可以用完全相同的方程组来表示 二 用来表征这些现象的一切物理量在空间相 对应的各点在时间上相对应的各瞬间各自互成一定比例关系 2 相似第二定理 相似第二定理描述了物理体系中各个物理量之间的关系 相似准则之间的函数关系 关系式 准则方程 0 211 n f 关系式的性质 对于彼此相似的现象 关系式相同 关系式中的项在模型试验中有自变项与应变项之分 自变项是由单值条件的 物理量所组成的定性准则 应变项是包含非单值条件的物理量的非定性准则 若能做到原型与模型中的自变项相等 由应变项与自变项之间的关系式可 以得到应变项 然后推广到原型中去 作为工程设计的各种参数 3 相似第三定理 相似第三定理是解决两个同类物理现象满足什么样的条件才能相似的问题 第一条件 由于相似现象服从同一的自然规律 因此 可被完全相同的方程能所描述 第二条件 具有相同的文字方程式 其单值条件相似 并且从单值条件导出的相似准 则 的数值相等 所谓的单值条件是指从一群现象中 根据某一个现象的特性 把这个具体的现象从一 群现象中区分出来的那些条件 单值条件中的物理量又称为单值量 单值条件包括几何条 件 物理条件 边界条件和初始条件 4 相似三定理之间的关系 相似第一和第二定理是从现象已经相似这一基础上出发来考虑问题 第一定理说明了 相似现象各物理量之间的关系 并以相似准则的形式表示出来 第二定理指出了各相似准 则之间的关系 便于将一现象的实验结果推广到其它现象 相似第三定理直接同代表具体 现象的单值条件相联系 并且强调了单值量相似 所以显于出了科学上的严密性 是构成 现象相似的充要条件 是一切模型试验应遵守的理论指导原则 但是在一些复杂的现象中 很难确定现象的单值条件 仅能借经验判断何为系统最主 要的参量 或者虽然知道单值量 但是很难做到模型和原型由单值量组成的某些相似准则 在数值上的一致 这使得相似第三定理真正的实行 并因而使模型试验结果带来近似的性 质 一 一 同类相似与异类相似 同类相似是指相似的物体是同类物质 模型与原型的全部物理量相等 物理本质一致 区别在于各物理量的大小比例不同 异类相似是指相似的物体不同类 仅因为对应量都遵 循相同的方程式 具有数学上的相似性 五 相似准则的导出方法五 相似准则的导出方法 相似准则的导出方法有三种 定律分析法 方程分析法和因次分析法 从理论上说 三种方法可以得到同样的结果 只是用不同的方法对物理现象作数学上的描述 但是作为 三种不同的方法 又有各自的适用条件 1 三种方法的介绍 定律分析 这种方法是建立在全部现象的物理定律已知的基础上的 通过剔除次要因 素 从而推算出数量足够的 反映现象实质的项 这种方法的缺点上 1 流于就事论事 看不出现象的变化过程和内在联系 故作为一种方法 缺乏典型 意义 2 由于必须找出所有的物理定理 所以对于未能掌握其全部机理的 较为复杂的物 理现象 运用这种方法是不可能的 甚至无法找到近似解 3 常常有一些物理定理 对于所讨论的问题表面上看去关系不密切 但又不宜于妄 加剔除 而必须通过实验找出各个定律间的制约关系 决定其重要因素 这实际 问题的解决带来不便 优点 对于模型制作有指导性意义 方程分析法 根据已知现象的微分或积分方程推出项 此方法的的优点 1 结构严密 能反映出现象的本质 故可望得到问题的可靠性结论 2 分析程序明确步骤易于检查 3 各种成份的地位一览无遗 有利于推断 比较和校验 缺点 对现象的机理不清楚 没有建立方程的问题 无法解决 因次分析法 是根据正确选定参量 通过因次分析法考察各参量的因次 求出和定 理一致的函数关系式 并据此进行相似现象的推广 因次分析法的优点 对于一切机理尚 未彻底弄清 规律也未充分掌握的现象来说 尤其明显 它能帮助人们快速地通过相似性 实验核定所选参量的正确性 并在此基础上不断加深人们对现象机理和规律性的认识 以上各种方法 日前应用最广泛的是因次分析法 但是也不排除将各种方法结合使用 的可能性 六 相似准则导出方法的解题步骤六 相似准则导出方法的解题步骤 1 三种方法的解题步骤 1 1 定律分析法的步骤定律分析法的步骤 分析现象 抓住主要矛盾 排除次要因素 写出主要矛盾的物理表达式 作等效变化 转化为具有相同因次的物理量 两两作比值 求出相似准则 2 2 方程分析法 方程分析法 通常的方程分析法有 相似转换法和积分类比法 相似转换法的步骤 写出现象的基本微分方程 写出全部的单值条件 并令其二现象相似 将微分方程按不同现象写出 进行相似转换 求出相似准则 积分类比法的步骤 写出现象的基本微分方程和全部的单值条件 用方程的任一项 除其它各项 进行积分类比转换 求出相应的准则 3 3 因次分析法因次分析法 因次分析法一般分为两种 指数分析法和矩阵分析法 这两种方法的基本原理一样 运 算步骤稍有不同 指数分析法主要用于现象的物理量较少的情况 而矩阵分析法主要用于 现象物理量较多的情况 指数分析法 列出相似准则的表达式 根据方程两边因次相等列出物理量参数的方程 K 个 设物理量有 M 个 任选其中的 M K 个物理量为已知量 将这 M K 个物理量 依次用 M K 个单位向量代入方程 得到 M K 组解 把这 M K 组解代入相似准则的表达式中 可以得出 M K 个独立的相似准则 矩阵分析法 矩阵分析法与指数分析法的基本原理一样 矩阵分析法把线性方程组的求解用矩阵的 求 解来代替 其运算步骤不再此重复 2 证明指数分析法解出的独立项的广泛代表意义 例设某现象由 5 个物理量 A1 A2 A3 A4 A5 组成 这 5 个基本物理的独立因次为 L M N 物理量的表达式 iii TMLAi 5 4 3 2 1 i 相似准则的表达式 vuzyx AAAAA54321 因为项为零 故有 对于 L 0 54321 VUZYX 对于 M 0 54321 VUZYX 对于 T 0 54321 VUZYX 固定 U V 这两个参数 设 U 0 V 1 则可以得出一组解 设为 X X1 Y Y1 Z Z1 但若设 U 0 V N 则方程得出另一组解 设为 X X2 Y Y2 Z Z2 这两组解之间存在着如下关系 即 2 1 1X N X 2 N 1 Y1Y 2 1 1Z N Z 由上式可知 这个相似准则和前一个相似准则只差方次关系 又因为相似准则可以通 过加 减 乘 除 幂运算等进行相互变换 故这两个相似准则实为同一个无因次量群 设 U 1 V 0 则可以得出一组解 设为 X X3 Y Y3 Z Z3 但若设 U 1 V 1 则方程得出另一组解 设为 X X4 Y Y4 Z Z4 这两组解之间存在着如下关系 即 2 31 4 XX X 2 Y3Y1 Y4 2 31 4 ZZ Z 故 U 1 V 1 的相似准则可以用 U 0 V 1 和 U 1 V 0 的相似准则表示 所以说 U 0 V 1 和 U 1 V 0 的相似准则可以表示 U V 为任何实数的相似准则 3 三种方法解题 1 1 定律分析法 定律分析法 已知一个简支梁受有大小为 4KN M 均布荷载 简支梁的跨度为 4M 截面的高为 0 5M 宽为 0 4M 跨中截面的最大正应力为 480 求当梁的跨度为 2M 截面尺寸相同受 2 MKN 均布荷载为 2KN M 时的跨中截面的最大正应力 跨中弯矩的公式 M 8 2 ql 最大正应力公式 2 6 bh M 解 由最大正应力公式可以推出 6 2 bh M 又因为 2 8 ql M 所以 2 2 ql bh 由得 m 22 22 m m mmm q lql bhb h 又因为截面的尺寸相同所以可以简化为 22 m m m q lql 所以 60 2 2 m m m q l ql 2 MKN 2 2 方程分析法 方程分析法 以弹性力学中的极坐标的平面应力问题为例说明 1 写出现象的基本微分方程 1 静力学平衡方程 1 0 2 1 0 f f 2 几何方程 1 1 1 1111 1 11 1 2 3 4 5 1 1 1 1 1 U l EE l U E E cu c c c c c c cc c c c cccc cE c c c c cclm c c ll lUl U EE 1 uu 1 uuu 3 物理方程 1 1 2 1 E E E 4 边界条件 2 个 lm 另外一个类似 2 写出全部的单值条件 并令其二现象相似 1 几何单值条件相似 l c c U U c U 式中 分别表示长度相似常数 应变相似常数和位移相似常数 l cc U c 说明不为单值条件 且为无因次量 2 物理单值条件相似 c E E c E c 式中 分别表示泊松比相似常数 弹性模量相似常数和容重相似常数c E cc 3 位移边界条件相似 c c 式中 表示应力的相似常数 为面力的相似常数c q c 3 将微分方程按不同现象写出 第二现象的静力平衡方程 只写一个 另一个类似 1 0f 几何方程 只写一个 其它类似 u 物理方程 只写一个 其它类似 1 E 边界条件 只写一个 lm 4 进行相似转化 将有关的相似系数代入得 对平衡方程 111 1 111 1 0 lll ccc cf ccc 这了保证与原型方程的一致 必须使得 即 lll ccc c ccc 1 l c c c 从另外的一个方程也可以得到这个结果 对几何方程 1 1 1 U l cu c c 为了保持与原方程的一致 可得 即 U l c c c 1 l U c c c 从另外的二个方程也可以得到这个结果 对物理方程 1111 1 1 E cccc cE 为了保持与原方程的一致 可得 EE c c c c cc 即 1c 1 E c c c 从另外的二个方程也可以得到这个结果 对边界条件 11 cclm 为了保持与原方程的一致 可得 1 c c 5 求出相似准则 1 2 ll lUl U 3 4 EE 5 与弹性力学的直角坐标系下的相似准则的比较可知是一样的 这同时也说明了相似准 则与坐标系的选取没有任何关系 3 3 因次分析法 因次分析法 设有半平面体 在其直边界上受有集中力 取单位厚度的部分来考虑 影响力 F 作用 点正下方 h 深处的正应力的参量有 F 与边界法线成角 设单位厚度上所受有力为 F 埋深 h 解 取基本因次 M L T 此问题独立的相似准则 m 4 3 1 A1 A2 A3 A4 F h M 1 1 0 0 L 1 0 1 0 T 2 2 0 0 根据因次和谐原则得 A1 A2 0 A1 A3 0 2A1 A2 0 固定 A1 1 则可以得到 A2 1 A3 1 所以 F h 此问题的弹性力学解析解为 2 cos F h 相似准则与原问题的解保持了一致性 FLAC3D 3 00 Itasca Consulting G roup Inc M inneapolis M N USA Step 794 M odel Perspective 12 58 39 Thu Jun 09 2005 Center X 2 132e 014 Y 2 731e 001 Z 6 525e 001 Rotation X 50 000 Y 0 000 Z 0 000 Dist 4 398e 002M ag 1 25 Ang 22 500 Surface M agfac 0 000e 000 Interface L ocations B lock G roup z1 z2 z3 z4 z5 jingbi 图 1 井筒模拟图 FLAC3D 3 00 Itasca Consulting G roup Inc M inneapolis M N USA Step 794 M odel Perspective 13 06 52 Thu Jun 09 2005 Center X 2 132e 014 Y 1 874e 001 Z 7 244e 001 Rotation X 50 000 Y 0 000 Z 0 000 Dist 4 398e 002M ag 1 95 Ang 22 500 B lock C ontour of SZ Z Stress 6 2274e 005 to 6 0000e 005 6 0000e 005 to 5 5000e 005 5 5000e 005 to 5 0000e 005 5 0000e 005 to 4 5000e 005 4 5000e 005 to 4 0000e 005 4 0000e 005 to 3 5000e 005 3 5000e 005 to 3 0000e 005 3 0000e 005 to 2 5000e 005 2 5000e 005 to 2 0000e 005 2 0000e 005 to 1 5000e 005 1 5000e 005 to 1 0000e 005 1 0000e 005 to 5 0000e 004 5 0000e 004 to 6 9826e 001 Interval 5 0e 004 图 2 z 方向受力图 中盛上行开采相似模拟实验报告中盛上行开采相似模拟实验报告 1 1 相似模拟实验的目的相似模拟实验的目的 根据横向课题 近距离煤层群上行复采薄煤层可行性研究 的研究需要 并结合现场 的实际要求 针对山西汾西矿业中盛煤矿的煤层地质赋存条件 进行近距离煤层群上行开 采的三维相似材料模拟实验 主要研究目的是 主要研究目的是 分析 10 煤开采对上部 9 7 煤层的影响 判断上部煤层的整体性及可采性 测定 10 煤开采过程中上部煤层的应力变化规律和位移变化 分析极近距离煤层 群上行开采的卸压特征 实验时间 实验时间 3D 相似模型于 2011 年 11 月日开始铺设 历时日完成 2011 年 11 月日 进行模拟开挖实验 主要实验设备 主要实验设备 3D 模拟实验台 7V14 数据自动采集系统及数据处理系统 位移计和应力传感器 压力盒和直角应变花 照相机 实验原型基本条件 实验原型为山西汾西矿业中盛煤矿 7 9 10 煤层 1 7 煤层 位于太原组中部 K4与 K3石灰岩之间 下距 9 煤层 19 50 26 30m 平均 22 60m 煤层厚 0 10 1 95m 平均 1 11m 一般含 0 1 层夹石 局部达 2 层 结构简单 属不稳 定的局部可采煤层 顶板一般为泥岩 底板多为中粒砂岩 2 9 煤层 位于太原组下部 下距 10 煤层 4 80 7 83m 平均 6 45m 煤层厚 0 1 10m 平均 0 90m 不含夹石 结构简单 该煤层可采范围分布于井田中东部 可采面积 2 139km2 属较稳定的局部可采煤层 顶板为石灰岩 底板一般为泥岩 3 10 煤层 位于太原组下部 下距 11 煤层 6 76 13 82m 平均 11 20m 煤层厚 0 85 2 62m 平均 1 86m 一般含 0 1 层夹石 局部达两层 结构简单 顶板一般为泥岩 底板为泥岩 或细粒砂岩 属全区稳定可采煤层 该煤层于原矿区内已大部采空 仅西南部有小部分未 开采地段 复采煤层特征见表 1 所示 表 1 复采煤层特征表 煤层厚度 m 煤层间距 m 煤 层 号 最小 最大 平均 最小 最大 平均 夹石 层数 顶板岩性 底板岩性 稳定程度 可采程度 7 0 10 1 95 1 11 0 1 层 局部 2 层 泥岩 中粒砂岩 不稳定 局部可采 19 50 26 30 22 60 9 0 1 10 0 90 0 石灰岩 泥岩 较稳定 局部可采 10 0 85 2 62 1 86 4 80 7 83 6 45 0 1 层 局部 2 层 泥岩 泥岩或细粒砂岩 稳定 全区可采 煤层综合柱状图如图 1 所示 地质时代 累厚层厚 柱 状标志层备 注 石 炭 系 C 太 原 组 C 岩 状 K 4 5 6 K 10 9 K 7 石灰岩 8 煤层 七尺 深灰色泥岩及砂质泥岩 煤层 青三尺 深灰色泥岩及砂质泥岩 中部夹 一层中细粒砂岩层 上部有二层 煤线 8 煤厚0 1 0 3m K石灰岩 煤层 腰渣 中央一层0 4 0 8夹石 65 75 煤层 拉它子 灰色泥岩及砂质泥岩 石灰岩 煤层 灰三尺 煤层 灰四尺 为主采煤层 灰色中粒砂岩 灰色泥岩及沙质泥岩 灰色泥岩 中部有一层中粒砂岩 底部为泥岩及沙质泥岩 7 腰碴 1 00 9 50 0 60 0 90 5 00 6 50 0 60 1 00 10 0 11 0 0 2 00 8 00 9 00 4 00 6 00 0 10 1 95 3 00 5 00 4 00 6 00 8 00 9 00 7 50 9 50 0 90 4 80 7 83 0 85 2 62 灰色中粒砂岩及砂质泥岩 t3 28 3623 31 4 T 3 2 图 1 煤层综合柱状图 2 2 相似模拟实验相似模拟实验 2 1 模型相似比模型相似比 本实验采用中国矿业大学 北京 的三维试验台 实验台尺寸为 长 宽 高为 3000mm 200mm 1800mm 设几何相似比为 L 50 1 设容重比为 1 6 1 要求模拟与 实体所有各对应点的运动情况相似 即要求各对应点的速度 加速度 运动时间等都成一 定比例 所以 要求时间比为常数 即 7 07 Lt a 式中 时间相似比 t 试验采用平面应变条件 各岩层在相似模型中的厚度为 2000 50 40 0mm 6400 50 128 0mm LHM aLL 11 LHM aLL 22 900 50 18 0mm 8000 50 160 0mm LHM aLL 33 LHM aLL 44 8000 50 160 0mm 4000 50 80 0mm LHM aLL 55 LHM aLL 66 3000 50 60 0mm 1110 50 22 0mm LHM aLL 77 8M L LH aL 8 4000 50 80 0mm 8000 50 160 0mm LHM aLL 99 LHM aLL 1010 10000 50 200 0mm 10000 50 200 0mm LHM aLL 1111 1212 MHL LL 1205 2mm 其中 M12 为最上部覆岩 M1 为最下部 10 煤 2 2 模拟岩石的力学性质模拟岩石的力学性质 根据试验目的 选择试验方案 本实验主要研究采场煤体变形及其上覆岩层的运移和 应力的变化规律以及无煤柱条件下巷道变形规律以及顶板受力分析 研究现场实测的地质 资料 根据煤岩层的分布 详细地整理了中盛煤矿各煤层顶 底板岩层物理力学性质的实 测数据 详细情况见下表 表表 2 2 模拟岩层物理力学性质表模拟岩层物理力学性质表 岩性容重抗压强度 Mpa 中粒砂岩2 6761 04 泥质砂岩2 647 石灰岩2 7068 74 7 煤1 4014 泥岩2 627 石灰岩2 7263 2 砂质泥岩2 637 石灰岩2 7356 9 煤1 4014 泥岩2 627 10 煤1 4014 2 模型岩石的强度指标计算 模型岩石的强度指标计算 逐层计算模型岩石的强度指标 由 50 1 6 得 0 L a a aaa L 由主导相似准则可推导出原型与模型之间强度参数的转化关系式 即 aaaL L c L c Hc H M H M Mc 式中 单轴抗压强度 c 根据上面的资料 可以求出煤质以及不同顶板岩层模型的单轴抗压强度及容重 c 为 M 第一层 煤模型的抗压强度及容重为 0 0 175MPa 1 6 0 875g cm3 1Mc 1M 第二层泥岩模型的抗压强度及容重为 27 0 0 34MPa 2 6 1 6 1 63g cm3 2Mc 2M 第三层 煤的模型抗压强度及容重为 0 2 17kg cm2 0 175MPa 1 6 0 875g cm3 3Mc 3M 第四层石灰岩的模型的抗压强度及容重为 56 0 7MPa 2 3 1 6 1 71g cm3 4Mc 4M 第五层砂质泥岩的模型抗压强度及容重为 37 0 0 46MPa 2 6 1 6 1 63g cm3 5Mc 5M 第六层石灰岩的模型的抗压强度及容重为 63 2 0 79MPa 2 3 1 6 1 71g cm3 6Mc 6M 第七层泥岩的模型抗压强度及容重为 27 0 0 34MPa 2 6 1 6 1 63g cm3 7Mc 7M 第八层 煤模型的抗压强度及容重为 0 0 75MPa 1 6 0 875g cm3 8Mc 8M 第九层石灰岩模型的抗压强度及容重为 68 74 0 859 MPa 2 70 1 6 1 69g cm3 9Mc 9M 第十层砂质泥岩模型的抗压强度及容重为 47 0 59MPa 2 6 1 6 1 63g cm3 10Mc 10M 第十一层中粒砂岩模型的抗压强度及容重为 61 04 0 0 76MPa 2 67 1 6 1 67g cm3 11Mc 11M 表表 3 3 相似模拟试验材料配比表相似模拟试验材料配比表 层位岩性 模拟抗压 强度 MPa 模拟 容重 g cm3 配比号配比材料 骨料 胶结料 石灰 石 膏 石 灰 土 覆岩 11中粒砂岩0 761 67 10泥质砂岩0 591 63 9石灰岩0 8591 69 87 煤0 1750 875 7泥岩0 341 63 6石灰岩0 791 71 5砂质泥岩0 461 63 4石灰岩0 71 71 39 煤0 1750 875 2泥岩0 341 63 110 煤0 1750 875 2 相似实验材料的制备 相似实验材料的制备 根据汾西矿业中盛煤矿煤岩层的实际地质资料 选择组成相似模拟材料的成分 相似 模拟材料主要由两种成分组成 骨料和胶结料 骨料在材料中所占的比重较大 是胶结料 胶结的对象 其物理力学性质对相似材料的性质有重要的影响 骨料主要有细砂 石英砂 岩粉等 本试验骨料采用细砂 胶结料是决定相似材料性质的主导成分 其力学性质在很大程度上决定了相似材料的 力学性质 常用的胶结材料主要有石膏 水泥 碳酸钙 石灰 高岭土 石蜡 锯末等 根据试验及地质成分 本试验胶结料采用石灰和石膏 不同胶结料与骨料混合组成不同种类的相似材料 其力学性能不同 根据已计算出的 模型的力学参数 选定骨料及胶结料进行配比试验 为了精确选定与计算参数一致的配比 经过了多次配比试验 做出了各种配比表 最后选择出满足试验要求的一种 见表 3 表表 4 4 模型铺设分层材料用量表模型铺设分层材料用量表 层号岩性 层厚 cm 分层及厚 度 cm 分层密度 Kg m3 每分层 质量 Kg 分层总 总质量 Kg 配比 Kg 每分层 用砂量 Kg 每分层 用灰量 Kg 每分层 用膏量 Kg 每分层用 水量 Kg 覆岩202 1015009001800 11中粒砂岩205 41670400 82004 10泥质砂岩165 3 21630312 961564 8 9石灰岩84 21690202 8811 2 87 煤2 21 2 2875115 5115 5 7泥岩62 31630293 4293 4 6石灰岩82 41710410 4410 4 5砂质泥岩168 21630195 61564 8 4石灰岩168 21710205 21641 6 39 煤1 81 1 887594 594 5 2泥岩12 84 3 21630312 961251 84 110 煤41 3 72875195 3195 3 合计9947 34 上覆岩层厚度约为 640m 应力为 16Mpa 根据模型的尺寸 以及预定比例 实际加载压力为 L 16 7 47 1 6 1 339Mpa 2 5 制作模型的步骤制作模型的步骤 本模型的架子的主体 是由 24 号槽钢和角钢组成 架子两边有孔 以便固定模板 模 板用厚 1 厘米的钢模板制成 为了防止装填材料时模板向外凸起 架子中部可用竖向小槽 钢加固 模型架的长度保证围岩尺寸为巷道尺寸的 10 倍以上 1 上模板 将模型后面模板全部上好 前面边砌模型边上模板 2 配料 按已计算好的各分层材料所需量 把水泥 石膏 沙子 缓凝剂及水用天 平 量杯称好 其中沙子 石膏 水泥可装在一个搅拌容器内 但需将水泥倒在石灰上面 以免与沙子中所含的水分化合而凝固 缓凝剂融解后可放入已经称量好的水中 并搅拌均 匀使无沉淀 其中 模拟煤层加墨汁 使其变黑 以便区别 3 搅拌 先将干料拌匀 再加入含缓凝剂的水中 并迅速搅拌均匀 防止凝块 4 装模 将搅拌均匀的材料倒入模子内 然后夯实 以保持所要求的容重 压紧后 的高度应基本符合计算时的分层高度 分层间撒一层云母以模拟层面 每一分层的制作工 作应在 20min 内完成 5 风干 通常在制模后一天开始风干 风干后 开始采煤 6 加重 由于考虑到地层很深 而所要研究的问题仅涉及煤巷附近一部分围岩 可 施加面力的方法来代替研究范围以外的岩石自重 2 6 监测点布置监测点布置 模型铺设总高度 120 5cm 在老顶上方依次铺设干砂 铁板 槽钢 通过液压油缸对 槽钢加压 并通过铁板 干砂均匀传递载荷 材料水灰比 材料 水 100 8 铺设模型时 每铺设 4cm 厚度材料后 进行夯实 图 9 3D 相似模拟实验台 各岩层之间加铺云母粉 图 10 为 3D 相似模拟实验台 标准尺寸为长 宽 高 300 200 180cm 模型四周采 用槽钢封闭 作为位移边界条件 模型上部采用油缸施加压力模拟上覆岩层的载荷 压力 的大小由操作控制台 图 9 中位于左侧的为控制台 调节 模型底部由两部分组成 见图 10 图中阴影部分组成的活动区和活动区以外的固定区 固定区由钢板制成 而活动区 尺寸为 180 100cm 由 90 条长 100cm 宽 2cm 的活