研究生课程论文封面
（2013—2014学年第二学期）友谊天长地久歌词
论文题目：研究固液耦合试验相似材料的发展 姓名： 杨浩魏 学号： 211302020037 年级： 研13 级 习惯于英语 专业： 矿业工程 学院： 能源科学与工程学院 |
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课程名称： 相似理论与相似试验
课程类型： 选修课
授课教师： 魏世明
学时： 36 学分：水龙吟辛弃疾 2.0
批阅意见：虾片怎么做
固液耦合试验相似材料的研究进展
杨浩魏
(河南理工大学能源科学与工程学院,河南 焦作454003)
摘 要:固液耦合是液体流场与应力场的耦合作用，重点在于了解固体介质与液体介质之间的力学耦合规律。国内外不少机构和学者对固液耦合相似材料进行探索，从以往的仅关注相似材料的力学强度，到后来注重相似材料的亲水性、塑性和水理性的相似毛泽东思想活的灵魂。本人认为液体在地下岩石中渗透，还存在浮力和水化性，这些因素同样也对岩石的强度存在一定影响。
关键词:固液耦合；相似材料；研究进展
Rearch progress of solid-liquid coupling experiment’s similar materials
YANG Hao-wei
(School of Energy Science and Engineering, Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，China)
Abstract: Solid-liquid coupling is liquid flow field and stress field coupling effect, which is focud on understanding the mechanical coupling between solid media and liquid media. From the past only focud on mechanical strength of similar materials, and then pay attention to the similar material of rational similar hydrophilicity, plasticity and water, many institutions and scholars at home and abroad make some studies of solid-liquid coupling similar material.I think the factors that is the fluid buoyancy and hydration in the rock epage also have a certain influence on the strength of the rock.
Key words：Solid-liquid coupling ; Similar materials; Rearch progress
1 引言
固液耦合是指岩体工程中流体(液体)与固体(岩体，煤体等)间的相互作用，由于流体的流动与岩体的变形和破坏产生耦合，因此它主要是研究岩体破裂后引起渗透性的演变及其力学行为受到的影响[1]。固液耦合问题的研究辐射到许多工程技术研究领域，如采矿工程，石油工程，土木工程，环境工程，地下工程，水利水电工程等[2]，因此，成功地研究和运用
固液耦合规律可以有效地控制地下水免受核废料污染、潜水溃流、地表沙漠化、地表沉陷，地下结构稳定性破坏等。但以往对这方面的研究都是以理论方法或者数值模拟方法进行，这些都是理想化的模拟，许多模拟结果往往不能很好地反映成岩地质体在工程状态下的实际情况，并且常常出现某些定性错误，而在试验方面研究甚少。由于开挖引起位移场的模型试验，大都是以自重体积力为主要外力条件的模拟试验，事实上在固-液两相的情况下与该模拟试验条件是有很大差别的。如果仍采用一般原始的模拟方法，的确不能反映岩体在工程状态下的实际情况，也不是真正的固液耦合相似模拟，不能实现固液两相模拟的原因主要是没有找到合适的两相相似模拟材料来制作固液耦合相似模型，因此研究固液耦合试验材料是必要的，也为进一步进行固液耦合研究打下了基础[3]。
2 固液耦合相似材料的研究
固液两相相似模拟试验中，相似材料的选取是前提。模拟岩石的相似理论，即模拟岩石材料在多相耦合状态下应遵循的相似准则及应具有的性质。适合用作地下工程相似模型试验的材料必须具有容重大、强度低[4]，且能模拟原型的塑性、水理性、孔隙率、水化性等特点。
2.1 探索阶段
对于与固液两相有关的如在富含水沙层下、水体下和水体上开采等研究课题有必要开展固液两相相似模拟研究。不少研究单位曾试图采用固液两相模拟试验进行相关课题研究，但是由于缺乏相应的固液耦合相似材料而未能实现。煤炭科学院西安分院研究奥灰承压水开采时曾作过该项研究，但因没有找到合适模拟材料和解决试验的关键技术而未能成功；西安科技学院在20世纪90年代初也作过固液相似模拟试验，但也未取得理想结果[3]。固态模拟试验通常主要采用沙、石膏和大白粉等模拟材料，但这些材料遇水易崩解，因而固液两相模拟试验首先要研制非亲水的模拟材料，即模型材料需选择非亲水性有机胶凝材料作为胶凝剂进行制模。
2.2 非亲水模拟材料阶段
乌克兰科学院曾采用沙、石蜡油、石墨混合物作相似材料模拟发生在泥质岩石层的底膨，其模型比例为1∶100[5]。长江水利水电科学研究院也以石蜡油做胶凝剂，模拟强度较低、变形较大的塑性破坏型岩体和泥化夹层[6]，因为石蜡油适合于模拟塑性破坏型岩体。W.R.
Jacoby 和 H.Schmeling采用甘油、熔融石蜡等模拟地幔对流和板块的驱动作用[7]；C.Kincaid 和 P.Olson采用石蜡、矿物油、石膏等半塑性混合材料和水分别作为岩石圈和软流圈来模拟板块俯冲碰撞这一动力学过程[8]；顾大钊为研究水体下安全采煤，采用主要成分为与不同数量的锭子油或机油和煤油混合在一起，最大粒度为0.25mm的粉状耐火黏土模拟隔水层[9]；龚召熊以石蜡油做胶凝剂，模拟强度较低、变形较大的塑性破坏型岩体和泥化夹层[10]；李勇等用铁精粉、重晶石粉、石英砂、松香酒精溶液等材料配制岩土工程相似材料[11]。
图1非亲水模型试件和碎块
Fig.1 Specimen of model test and the piece with non-cloability in water
如比较典型的是张杰和侯忠杰对基岩层的“固–液”耦合相似材料及配比开展了相关研究[3]。为了控制材料的强度和塑性破坏，应采用弱胶结性胶结剂，并适当增加其脆性。从多种高分子胶粘剂中筛选，其中石蜡为最佳材料。选用低熔度优质石蜡，这种材料具有低脆性， 适合于作小比例模型[4]。通过试验，此胶凝剂制作的模型试件具有良好的非亲水性能。虽然石蜡没有固定熔点，但在试验允许温度下仍呈固态，其性能稳定，不会影响试验精度，又价廉易得，是一种合适的胶结剂。将采用石腊为胶结剂制作的试件置于水中浸泡两天后进行力学参数测试，测试结果表明，其力学参数与未浸泡的试件基本相同，不受湿度的影响。图1为浸泡2d后的模型试件和破碎块。图中模型试件的破碎块在水中浸泡2d后仍不崩解，这表明模型试件的确能模拟岩石的力学性质。特别是能实现模拟涌水沿裂隙而下时，断裂岩块形状保持不变的要求，这对固-液两相耦合模拟试验是非常重要的。以上试验说明所筛选的非亲水性相似材料可以满足两相试验条件。
2.3 渗流性模拟材料阶段
胡耀青、赵阳升和杨栋经过大量的试验研究，系统开展固流耦合相似模拟理论、研制固流耦合相似模拟设备，研制固流耦合相似材料与模拟技术，以揭示同时考虑固体应力场和渗流场作用的规律。对底板典型的岩层进行了固流耦合作用下相似材料的配比实验，主要材料为水泥、砂子、石子、石膏、滑石粉、克晒赢，对于软弱隔水层，如铝土泥岩，采用红胶泥来模拟。试件做成直径50 mm，高100mm 的圆柱试件，分别进行强度及渗透实验，直到选出合理的为止[12]。
2.4 水理性模拟材料阶段
图 2 力学试验中的模型试件
Fig.2 Simulation specimens in mechanical tes
以往的模拟研究主要开发了非亲水材料，而缺少对水理性的相似材料研究。为了更好地实现黏土隔水层强度、塑性、水理性相似，提高隔水层模拟的准确性，选取多种原料进行正交试验对比，确定最佳的原料。黄庆享、张文忠和侯志成运用石英砂和膨润土作骨料，硅油和凡士林作胶结剂，按一定比例配制黏土隔水层相似材料，不仅模拟了隔水层的强度，而且模拟了隔水层的塑性和水理性，取得了较好的效果。图2为正交力学试验中的模型试件，图3为模型试件的亲水性试验。图 3 模型试件的亲水性试验
Fig.3 Hydrophobic test of simulation specimens
(1) 骨料通过对多组试验数据处理，骨料确定为石英砂和膨润土。在相同的相对密度下，石英砂比粗砂粒的内摩擦角较小，颗粒粒径大的粗砂粒的强度高，故应选用磨圆度好、粒径小的石英砂作为骨料，控制相似材料的强度。膨润土具有低渗透性、低扩散性、强膨胀性、强自封闭性和强自愈合能力。鉴于隔水层的黏土矿物含量高，具有较强的延性和水理性，可使开采形成的裂隙易于闭合并产生隔水特性，选择具有低渗透性、强膨胀性特征的膨润土作为骨料的另一组分，实现隔水层的变形和水理性模拟。(2) 胶结剂胶结剂经过多组试验确定为硅油和凡士林。硅油具有较大黏度，不错的封闭性。凡士林化学惰性好、黏附性好、亲油性和高密度，凡士林极具防水性，不易和水混合等特点。
通过多组试验发现凡士林对提高材料的力学性能(塑性变形)优于硅油，而硅油对提高材料的渗透性能(非亲水性)效果好，故确定为两者的组合[13]最美的秋天。
2.5 多孔介质相似材料的研制阶段
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为研究地下结构与富水多孔岩体的相互作用问题，韩涛、杨维好和杨志江等根据模型试验相似理论和配制岩体固液耦合相似材料的要求，研制出了一种多孔介质固液耦合相似材料。试验中选择中粗砂、透水混凝土增强剂、水泥和水按一定比例拌合压制而成，中粗砂选用质地坚硬、级配良好的河砂，砂作为骨料，其细度模数在2.7～3.0之间。水泥采用 P.O.42.5普通硅酸盐水泥，水泥和透水混凝土增强剂作为胶凝材料[14]。
3 固液耦合相似材料的发展趋势
固液耦合相似材料的研究从单纯地考虑岩石的强度特征，到后来地不仅考虑岩石的强度特征，而且更关注固体介质（岩石、煤体等）与液体介质（水）之间的亲水性、渗流性、塑性、水理性、吸水率等特征，已经由原来的仅考虑单因素发展为现在分析固液的多因素作用。随着固液耦合相似模拟试验的发展，一些更能反应原型力学性质的新的相似模拟材料还会不断的被研究发现。尽管张杰和侯忠杰研究出了亲水性固液耦合相似材料，胡耀青、赵阳升和杨栋在做试验时考虑了水在岩体中的渗透性，黄庆享、张文忠和侯志成研制出了具有塑性和水理性固液耦合相似材料，韩涛、杨维好和杨志江等在做试验时分析了富水多孔岩石吸水率的影响，但是这些试验并没有综合考虑这些因素的共同作用的模拟，而且忽
视了水的化学性及水的浮力的作用，这是在以后固液耦合相似材料研究过程中应加强的部分。
