research on the properties of water-rock coupling similar material论文

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1、清华大学硕士学位论文ResearchonthePropertiesofWater-rockCouplingSimilarMaterial专业名称：作者姓名：张恩铭指导教师：ResearchonthePropertiesofwater-rockcouplingsimilarmaterialThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofScienceinHydraulicEng

2、ineeringbyZhangEnmingThesisSupervisor:ProfessorWangEnzhiMay,2015摘要摘要对于新型的复杂的工程，仅仅进行理论计算是不够的，还需结合模型实验互相验证，而相似材料的研究是模型实验的基础。大柳塔煤矿地下水库水岩耦合模型实验的目的是模拟煤层开采后上覆岩层垮落、渗流、储水、排水的变化机理，这对相似材料性能提出了新的要求，既要求在力学性质上满足相似比的要求，也要求在水理性质上满足渗透特性的要求，以保证水岩耦合模拟的仿真性。本文首先分析计算大柳塔地下水库模型实验中对

3、相似材料提出的要求，包括力学性质的要求和水理性质的要求。力学性质的要求包括重度和抗压强度，其相似条件计算基于相似理论和弹性力学基本方程。水理性质的要求包括渗透系数、吸水率和软化系数，其计算基于相似理论和渗流力学基本微分方程以及参数等。其次选择相似材料的组分。考虑到水岩耦合相似材料的性质遇水后应保持稳定，故选择水泥作为主要胶凝物。参考其它已有的研究成果，选择凡士林和硅油作为调节相似材料水理性质的原料。在实验中，利用正交实验法确定各相似材料力学和水理性质的主要影响因素。发现重度主要受重晶石含量影响，强度主要受水泥含量

4、影响，水泥含量较少时其力学性质也受凡士林含量影响；渗透系数受水泥含量、凡士林含量、硅油含量三者的影响，软化系数则主要与水泥含量和硅油含量有关。通过大量实验和数据分析，确定了相似材料力学和水理指标与原料含量的相关关系的拟合公式，包括：重度随重晶石含量变化的拟合公式，水泥含量小于4%时的强度与水泥含量和凡士林含量的关系式，水泥含量大于5%时的强度与水泥含量和凡士林含量的关系式，渗透系数与水泥含量、凡士林含量、硅油含量三者的拟合公式，软化系数与重晶石、水泥、凡士林、硅油四种主要原料的关系式。基于上述拟合公式的计算分析，

5、结合实际煤系岩层的物理力学和水理性质，获得了各个岩性层的试验材料的相似比，为大柳塔煤矿地下水库大型水岩耦合模型实验提供了重要的相似材料配比参数。关键词：渗流力学相似理论；水岩耦合相似材料；力学性质；水理性质IAbstractAbstractThispaperanalysesthesimilarrequirementsforthematerialusedinthisexperiment.Therequirementsincludethemechanicalpropertiesofdemandsandrational

6、waterquality.Themechanicalpropertyrequirementsincludeheavyandcompressivestrengthrequirement.Thecalculationisbasedonthesimilaritytheoryandthebasicequationofelasticmechanics.Rationalwaterqualityrequirementsincludepermeabilitycoefficient,waterabsorptionandsoften

7、ingcoefficient.Thecalculationisbasedonsimilaritytheoryandthebasicdifferentialequationofseepageflowmechanics,earthpressuretheory,parameterdefinitionitself,etc.Afterdeterminingtherequirementofsimilarmaterial,wechoosethesimilarmaterialcomponents.Consideringthena

8、tureofthewater-rockcouplingsimilarmaterialinwatershouldbestable,wechoosecementasmaingellingmaterial.Referringtootherstudies,wechooseVaselineandsiliconeoilastoregulatethewaterrationalityof