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

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

沈翔^1,2,3,,
袁大军^1,2,3, ,,
曹宇陶^1,2,3,
高振峰^1,2,3

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
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出版历程
- 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

Experiments on Material Proportions for Simulating Sandy Layer in Deep Sea

SHEN Xiang^{1,2,3
,},
YUAN Dajun^{1,2,3
, ,},
CAO Yutao^1,2,3,
GAO Zhenfeng^1,2,3

摘要

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%.
- 材料配比 /
- 正交试验设计 /
- 盾构隧道 /
- 力学参数
Abstract: In order to obtain the material proportions that can simulate the sandy layer in the deep sea of Qiongzhou Strait, using on the orthogonal experiment method, the physical and mechanical parameters of different material proportions were analyzed with four control factors of barite powder/standard sand, binder concentration, silicon ratio and gypsum content. Firstly, standard sand or barite powder is used as aggregate, petroleum jelly and silicone oil as binders and gypsum powder as modifier. Secondly, 25 groups of material proportions were designed on the basis of orthogonal experiment principle, and types of tests of density, direct shear, compression and seepage were performed to obtain physical and mechanical indices such as weight density, internal friction angle, cohesion force, compression modulus, and permeability coefficient. Through the range analysis and significance analysis, the influence of control factors on the material parameters was explored, and a multivariate linear regression analysis of test results was carried to eliminate outliers. The results show that the weight density is most affected by the ratio of barite powder to standard sand; gypsum content is the leading factor to control the compression modulus; the internal friction angle and cohesion force have no major controlling factors; and the proportion of barite powder mainly affects the permeability coefficient. The appropriate material proportions for the sandy layer in deep sea environment are barite powder /standard sand of 0.4), binder concentration of 4.5%, silicon ratio of 3∶1, and gypsum content of 3%.
- material proportions /
- orthogonal experiment design /
- shield tunnel /
- mechanical parameter

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图 1 试验结果异常点检测

Figure 1. Outlier detection for test results

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图 2 相似材料配比流程

Figure 2. Flow chart of determining material proportion

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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/ （× 10⁻⁶ cm•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/m³

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/ ( ×10⁻⁶ cm•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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