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高填土涵洞相似材料模型试验与数值模拟主要内容：依据相似理论，采用正交试验和增加局部试验相结合的方法在最少的试验次数下确定相似材料的配比，得出材料配比用量与力学指标的关系。根据现场资料，满足几何相似条件，制作相似材料涵洞模型。相似材料模型试验是用与原型力学性质相似的材料，按一定关系制成模型，它具有原型结构的全部或主要特征。只要设计的模型满足相似指标，则通过模型试验获得的数据和结果可以直接推算到相应的原型结构上去。相似材料模型试验中模型制作选用的相似材料及其最佳配比是进行模型试验的前提，相似材料的确定是根据材料力学参数的相似指标来判定的。相似常数之间必定满足一定的组合关系，当这相似常数的组合关系式等于1时，两个系统相似。这种等于1的约束各相似常数关系式指标称为相似指标。只要设计的模型满足相似指标，则可以由模型模拟反映出原型的力学状态，这样确定相似指标成为模拟的关键。初次根据L9(34)正交表安排试验，考虑砂膏比、用水量、膏土比、养护条件4个因素，以抗压强度相似指标为判定准则，在小范围增加试验，进行二次试验；在二次试验中权衡各指标相似程度，得到满足相似要求的材料配比。分析初次试验数据，在抗压强度指标符合较好的范围增加5组配比，此次试验忽略对相似指标影响最小的养护条件，全部采用烘干养护，砂的级配与初次试验相同。相似材料原料的选择1胶结材料胶结材料是决定相似材料性质的主要原料。在选择胶结材料时，主要依据欲配制的相似材料及相似材料模型的物理力学性质，这些性质主要包括以下几点。1、强度强度是选择胶结材料时应首先考虑的因素。如要配制强度高的相似材料，胶结材料应选择水泥、石膏或合成树脂等，它们可以配制出单轴抗压强度为30-50MP的相似材料，甚至更高。若要配制强度较低的相似材料，可选用石灰、粘土、松香、碳酸钙等作为胶结材料，用这些原料可容易地配制出单轴抗压强度小于1MPa的相似材料。也可以选择两种或两种以上胶结材料混合的相似材料，其强度范围一般很广，但要经过试验研究才能确定。2、抗压抗拉强度比值抗压强度和抗拉强度的比值是反应相似材料力学特性的重要参数。根据欲模拟的原型材料的物理力学性质的不同，对相似材料的抗压-抗拉强度比值也有不同的要求。一般情况下，欲模拟的原型材料抗压-抗拉强度比值较大时，应选用水泥、石灰、碳酸钙等作为胶结材料，用这种材料作为胶结材料可以方便地配制出抗压一抗拉强度比值为10^20的相似材料。若欲配制出抗压-抗拉强度比值较小的相似材料时，则应使用石膏等作为相似材料胶结材料，这时可容易地配制出抗压抗拉强度比值在10以下的相似材料，甚至可配制出抗压一抗拉强度比值为4左右的相似材料。当采用混合胶结材料时，能够配制出抗压-抗拉强度比值范围较广的相似材料。3、力学性质相似材料的力学性质，是指脆性的、弹性的、塑性的还是弹塑性的等等。相似材料的力学性质要和所模拟的原型材料的力学性质相似。在实际使用中，由于需要考虑其他影响因素的要求，故必须综合各方面要求，以合理选择胶结材料。在配制相似材料时，往往很难只用某一种胶结材料就能配制出符合要求的相似材料，这时必须使用两种或者两种以上的胶结材料才能满足试验要求，即使用混合胶结材料。3.1充填材料充填材料是影响相似材料的另一个重要因素，尤其是对相似材料的密度、晶体颗粒组成等起决定性的作用。1、密度相似材料模型试验中，对相似材料模型的密度往往有专门要求，为了得到符合密度要求的相似材料，除了使用模型成型工艺来调控外，主要采用改变充填材料密度的方法。充填材料的密度决定着相似材料的密度，为了进一步控制相似材料的密度，还可使用添加剂来控制。2、晶体颗粒组成相似材料主要由胶结材料和充填材料组成。胶结材料和充填材料相比，其粒度要小得多。因此，相似材料的晶体颗粒主要是由充填材料的颗粒组成，相似材料晶体颗粒的大小和级配组成也主要由充填材料控制。相似材料晶体颗粒组成情况对相似材料的力学性质有直接的影响，特别是对相似材料破坏过程的影响很大。因此，在选择充填材料时，必须根据欲模拟的原型材料的晶体颗粒组成情况来选择。3、强度充填材料对相似材料的强度也有重要影响，这是因为相似材料是胶结材料将充填材料胶结后形成的整体。因此，相似材料强度等力学性质和三种结构体有关，一是胶结材料的力学性质，二是胶结材料和充填材料颗粒之胶结面的力学性质，三是充填材料颗粒的力学性质。在配制相似材料时，一般应使用颗粒较硬、级配合理的石英砂，来配制强度较高的相似材料。若欲配制强度较低的相似材料时，则可使用粉煤灰、颗粒炉渣、炉渣粉、滑石等作为充填材料。为满足物理力学性质和原型材料相似的要求，常使用混合填料，即使用两种或两种以上的材料作为充填材料。3.2.3水在配制大多数相似材料时，需用水来拌和其它相似材料原料。水在配制相似材料中的作用主要有两个方面，一是许多胶结材料在凝结硬化时需要水，也就是水化;二是在配制相似材料和制作相似材料模型时，为满足制作工艺的要求，必须使用水。在选择所用水的质量时，主要考虑水中矿物质等元素对相似材料胶结材料的凝结硬化过程的影响。对于不同材料，其水化、硬化所持续的时间差异极大，因而在分析水质对相似材料力学性质的影响时，必须考虑其时间效应。同时，还必须考虑制作相似材料及模型所使用的时间。3.2.4添加剂添加剂是相似材料的另一个重要原料成分。根据添加剂使用目的的不同，可以将其分成以下几种不同的种类。1、增密剂为了提高相似材料的密度值，可选用铁粉、磁铁矿粉、铅丹等添加剂。使用增密剂后，一方面增大了相似材料的密度，但同时要求其和水及相似材料胶结材料等不产生化学反应，至少不应产生对相似材料力学性质不利的反应。另外，其颗粒尺寸不能影响相似材料的晶体颗粒结构，故其通常是以粉状形式加入。2、减密剂为了降低相似材料的密度，常加入锯末、浮石、软木碎块、聚苯乙烯泡沫颗粒等减密剂。在使用减密剂时，应注意其对相似材料需水量的影响，像锯末、软木碎块等材料吸水性都较强，在配制时应适当增加用水量，以确保胶结剂的硬化需水和满足制作工艺的要求。3、缓凝剂在配制以石膏为胶结材料或以石膏为主要胶结材料的相似材料时，因石膏的凝固时间相当短，一般只有几分钟到十几分钟。在如此短的时间内，很难完成相似材料试件和相似材料模型的制作过程，必须加入缓凝剂以延长相似材料的凝结时间。常用的缓凝剂有:硼砂、动物胶、磷酸氢二钠等。实际操作中，为了便于试验操作，其中应用最广泛的是硼砂。在使用硼砂作为缓凝剂时，由于所用石膏种类的不同以及硼砂纯度等的差异，在使用前应求得相似材料中石膏用量(占相似材料混合料的重量比)、硼砂浓度(占相似材料用水量的重量比)及石膏凝结时间的关系曲线。然后根据此关系确定所需的硼砂用量。在配制和制作体积较大的相似材料模型时，所需用水总量较大，加入的硼砂量也较多，这时一定要采用搅拌等方式使硼砂完全溶于水中，当水温较低时，硼砂溶解较慢，为加快硼砂溶解，可采用温水溶解。4、速凝剂在配制以水泥为胶结材料或为主要胶结材料的相似材料时，为了使相似材料提前达到所期望的强度，需使用速凝剂。国内应用最广的是红星一型速凝剂等。和使用缓凝剂一样，在使用速凝剂前也要首先求得相似材料中水泥用量、速凝剂用量、速凝效果及速凝时间之间的关系，这样才能在实际使用中收到预期的效果。5、其他添加剂除了上述添加剂外，在配制相似材料时，还需要用到某些其它添加剂，例如用碳酸钙、滑石粉、克赛因等来降低材料的强度;用粘土或其他有机材料来增加