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模拟深海环境砂土地层的材料配比试验研究

沈翔,袁大军,曹宇陶,高振峰

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沈翔, 袁大军, 曹宇陶, 高振峰. 模拟深海环境砂土地层的材料配比试验研究[J]. 江南娱乐网页版入口官网下载安装学报, 2020, 55(3): 628-634. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180285
引用本文: 沈翔, 袁大军, 曹宇陶, 高振峰. 模拟深海环境砂土地层的材料配比试验研究[J]. 江南娱乐网页版入口官网下载安装学报, 2020, 55(3): 628-634.doi:10.3969/j.issn.0258-2724.20180285
SHEN Xiang, YUAN Dajun, CAO Yutao, GAO Zhenfeng. Experiments on Material Proportions for Simulating Sandy Layer in Deep Sea[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(3): 628-634. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180285
Citation: SHEN Xiang, YUAN Dajun, CAO Yutao, GAO Zhenfeng. Experiments on Material Proportions for Simulating Sandy Layer in Deep Sea[J].Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(3): 628-634.doi:10.3969/j.issn.0258-2724.20180285

模拟深海环境砂土地层的材料配比试验研究

doi:10.3969/j.issn.0258-2724.20180285
基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金资助(2017YJS151);国家重点基础研究发展计划(973计划)(2015CB057802)
详细信息
    作者简介:

    沈翔(1991—),男,博士研究生,研究方向为隧道与地下工程,E-mail:xshenbjtu@126.com

    通讯作者:

    袁大军(1961—),男,教授,博士,研究方向为隧道与地下工程,E-mail:djyuan603@163.com

  • 中图分类号:V221.3

Experiments on Material Proportions for Simulating Sandy Layer in Deep Sea

    • 摘要:为了研究可近似模拟琼州海峡深海环境下砂土地层的相似材料,基于正交试验法,以重晶石粉/标准砂、黏结剂浓度、凡硅比和石膏含量作为4个控制因素,对不同配比相似材料的物理力学参数的变化规律进行了分析. 首先确定标准砂、重晶石粉作为骨料,凡士林和硅油作为黏结剂,石膏粉作为调节剂,其次基于正交试验原理设计25组相似材料配比,分别进行密度试验、直剪试验、压缩试验以及渗流试验,得到了重度、内摩擦角、黏聚力、压缩模量以及渗透系数等物理力学指标,通过极差和显著性分析,研究了各个控制因素对材料参数的影响规律,并对25组试验结果进行了去异常点的多元线性回归分析. 研究结果表明:相似材料重度受重晶石粉/标准砂比值的影响最大,石膏的比例是控制压缩模量的主要因素,内摩擦角和黏聚力无主要控制因素,重晶石粉的比重主要控制着渗透系数的大小;适用于深海环境砂土地层条件下的相似材料配比为重晶石粉/标准砂0.4,黏结剂浓度4.5%,凡硅比3∶1,石膏含量3%.

    • 图 1试验结果异常点检测

      Figure 1.Outlier detection for test results

      图 2相似材料配比流程

      Figure 2.Flow chart of determining material proportion

      表 1原型砂土与模型相似材料物理力学参数

      Table 1.Mechanical parameters of prototype sand and model materials

      项目 重度/(kN•m−3 压缩模量/MPa 黏聚力/kPa 内摩擦角/(°) 渗透系数/(× 10−6cm•s−1
      原型 17.8~20.1 35.30~66.80 13.00~25.10 25.3~32.1 100~600
      模型 17.8~20.1 1.30~2.55 0.48~0.93 25.3~32.1 19~115
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      表 2相似材料配比方案

      Table 2.Test schemes of material proportions

      试验工况 重晶石粉/
      标准砂
      黏结剂
      浓度/%
      凡硅比 石膏
      含量/%
      1 0 2.0 1.0∶1.0 1.5
      2 0 3.5 1.5∶1.0 3.0
      3 0 5.0 2.0∶1.0 4.5
      4 0 6.5 2.5∶1.0 6.0
      5 0 8.0 3.0∶1.0 7.5
      6 0.25 2.0 1.5∶1.0 4.5
      7 0.25 3.5 2.0∶1.0 6.0
      8 0.25 5.0 2.5∶1.0 7.5
      9 0.25 6.5 3.0∶1.0 1.5
      10 0.25 8.0 1.0∶1.0 3.0
      11 0.50 2.0 2.0∶1.0 7.5
      12 0.50 3.5 2.5∶1.0 1.5
      13 0.50 5.0 3.0∶1.0 3.0
      14 0.50 6.5 1.0∶1.0 4.5
      15 0.50 8.0 1.5∶1.0 6.0
      16 0.75 2.0 2.5∶1.0 3.0
      17 0.75 3.5 3.0∶1.0 4.5
      18 0.75 5.0 1.0∶1.0 6.0
      19 0.75 6.5 1.5∶1.0 7.5
      20 0.75 8.0 2.0∶1.0 1.5
      21 1.00 2.0 3.0∶1.0 6.0
      22 1.00 3.5 1.0∶1.0 7.5
      23 1.00 5.0 1.5∶1.0 1.5
      24 1.00 6.5 2.0∶1.0 3.0
      25 1.00 8.0 2.5∶1.0 4.5
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      表 3相似材料配比试验结果

      Table 3.Experimental results of material proportions

      试验工况 重度/
      (kN•m−3
      压缩模
      量/MPa
      内摩擦
      角/(°)
      黏聚
      力/kPa
      k20/
      (× 10−6cm•s−1
      1 17.5 2.22 28.3 0.26 701.00
      2 17.8 2.93 26.7 14.66 24.80
      3 17.7 2.52 26.0 14.14 15.10
      4 16.4 1.91 20.7 25.14 525.00
      5 16.6 6.25 25.6 0.52 439.00
      6 19.0 1.82 29.6 0.74 2 330.00
      7 18.8 8.28 34.9 0.83 123.00
      8 19.1 4.08 35.4 0.01 69.20
      9 19.5 2.28 35.8 2.30 16.20
      10 19.0 1.82 31.4 4.73 1.87
      11 20.2 5.15 27.2 18.25 45.40
      12 20.5 2.53 36.1 0.21 1.18
      13 19.4 2.29 34.3 0.87 24.90
      14 19.1 5.44 33.7 0.41 4.50
      15 18.7 3.34 25.7 1.01 96.40
      16 21.0 1.85 37.2 0.63 3.90
      17 20.3 5.11 37.3 1.13 109.00
      18 20.5 1.90 33.2 0.98 6.20
      19 19.3 3.24 31.3 0.61 0.85
      20 20.2 1.03 30.2 0.67 0.17
      21 21.3 14.64 27.2 3.50 140.00
      22 21.0 7.43 23.1 34.30 0.57
      23 20.8 1.00 32.3 1.57 0.47
      24 20.6 2.16 34.4 1.92 0.46
      25 19.9 1.74 30.4 2.73 0.42
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      表 4重度极差分析

      Table 4.Range analysis of weight density kN/m 3

      水平 重晶石粉/
      标准砂
      黏结剂浓度 凡硅比 石膏含量
      1 17.2 19.8 19.4 19.7
      2 19.1 19.7 19.1 19.6
      3 19.6 19.5 19.5 19.2
      4 20.3 19.0 19.4 19.1
      5 20.7 18.9 19.4 19.2
      极差 3.5 0.9 0.4 0.5
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      表 5压缩模量极差分析

      Table 5.Range analysis of compression modulus MPa

      水平 重晶石粉/
      标准砂
      黏结剂浓度 凡硅比 石膏含量
      1 3.17 5.14 3.76 1.81
      2 3.66 5.25 2.46 2.21
      3 3.75 2.36 3.83 3.32
      4 2.62 3.00 2.42 6.01
      5 5.39 2.84 6.11 5.23
      极差 2.77 2.89 3.69 4.20
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      表 6内摩擦角极差分析

      Table 6.Range analysis of internal friction angle (°)

      水平 重晶石粉/
      标准砂
      黏结剂浓度 凡硅比 石膏含量
      1 25.45 29.90 29.94 32.54
      2 33.42 31.62 29.12 32.80
      3 31.40 32.24 30.54 31.40
      4 33.84 31.18 31.96 28.34
      5 29.48 28.66 32.04 28.52
      极差 7.97 3.58 2.92 4.46
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      表 7黏聚力极差分析

      Table 7.Range analysis of cohesion force kPa

      水平 重晶石粉/
      标准砂
      黏结剂浓度 凡硅比 石膏含量
      1 10.34 4.68 8.14 1.00
      2 1.72 10.23 3.72 4.56
      3 4.15 3.51 7.16 3.83
      4 0.81 6.07 5.74 6.29
      5 8.80 1.93 1.67 10.74
      极差 9.53 8.30 6.47 9.74
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      表 8渗透系数极差分析

      Table 8.Range analysis of permeability coefficient × 10 −6cm/s

      水平 重晶石粉/
      标准砂
      黏结剂浓度 凡硅比 石膏含量
      1 341 224 143 144
      2 88 109 71 11
      3 34 108 37 72
      4 24 53 120 178
      5 28 23 146 111
      极差 317 201 109 167
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      表 9多因素显著性分析

      Table 9.Multivariate significance analysis

      参数 重晶石粉/
      标准砂
      黏结剂浓度 凡硅比 石膏含量
      重度 0.875 −0.270 0.28 −0.143
      压缩模量 0.165 −0.330 0.224 0.512
      内摩擦角 0.266 −0.092 0.222 −0.393
      黏聚力 −0.184 −0.156 −0.176 0.242
      渗透系数 −0.332 −0.304 −0.109 0.030
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      表 10多元线性回归分析系数表

      Table 10.Coefficients of multivariate linear regression analysis

      i ${\beta _{0,i}}$ ${\beta _{1,i}}$ ${\beta _{2,i}}$ ${\beta _{3,i}}$ ${\beta _{4,i}}$
      1 18.87 3.29 −16.93 0.05 −8.93
      2 0.26 1.37 −45.67 0.93 70.93
      3 30.94 3.38 −19.47 1.41 −83.33
      4 7.54 −2.08 −64.25 −2.18 141.35
      5 246.91 −275.73 −1 168.62 11.12 675.61
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      表 11多元线性回归分析系数(不含异常点)

      Table 11.Multiple linear regression analysis coefficients (excluding abnormal points)

      i ${\beta _{0,i}}$ ${\beta _{1,i}}$ ${\beta _{2,i}}$ ${\beta _{3,i}}$ ${\beta _{4,i}}$
      1 19.66 3.05 −20.88 −0.07 −12.88
      2 0.15 1.11 −43.49 1.06 66.57
      3 30.94 1.92 −7.29 1.77 −71.15
      4 7.29 −3.68 −50.94 −0.56 32.21
      5 −133.31 −161.60 732.50 68.10 2 576.70
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      表 12参考组配比

      Table 12.Material proportion of reference group

      参考组 重晶石粉/
      标准砂
      黏结剂浓度/% 凡硅比 石膏含量/%
      1 0.50 5.0 3∶1 3
      2 0.45 5.5 3∶1 3
      3 0.40 4.5 3∶1 3
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      表 13参考组试验结果

      Table 13.Test results of reference group

      参考组 重度/
      (kN•m−3
      压缩模
      量/MPa
      内摩擦
      角/(°)
      黏聚力/
      kPa
      k20/
      ( ×10−6cm•s−1
      1 19.4 2.29 34.3 0.87 24.9
      2 19.2 1.89 32.1 0.81 36.8
      3 18.9 2.01 31.7 0.63 52.1
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    • 收稿日期:2018-09-05
    • 修回日期:2018-10-24
    • 网络出版日期:2018-10-31
    • 刊出日期:2020-06-01

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