复杂环境下新型流固耦合相似材料的研制及应用

基于流固耦合相似理论,推导考虑高地应力和高渗透压作用下的渗透系数、渗流量、流速和渗压的相似准则.在充分调研相似材料和大量试验的基础上,研制一种以铁精粉、重晶石粉、石英砂为骨料,白水泥为胶结剂,硅油为调节剂的新型流固耦合相似材料,并开展配比正交试验和各因素的敏感性分析.将测试结果进行拟合分析,获得材料各参数的经验配比公式,并应用到香炉山引水隧洞工程中,获得隧道开挖过程中洞周围岩位移、应力和渗压的变化规律,以验证相似材料的可靠性.研究结果表明:所制得的流固耦合相似材料的参数受相似材料成分配比影响,影响材料饱和抗压强度、弹性模量、抗拉强度和黏聚力的主控因素是白水泥,而影响材料密度、内摩擦角和渗透系数的主控因素是骨料比.铁精粉质量分数越大,密度越大;随白水泥质量分数增加,抗压强度先减小后增大,在质量分数为0.5％时抗压强度出现拐点;随白水泥质量分数增大,弹性模量先减小,在质量分数达0.5％时增大;随白水泥质量分数增大,饱和抗拉强度先缓慢上升,并在白水泥质量分数为0.5％时出现拐点,之后急剧上升;随白水泥质量分数增加,黏聚力先缓慢增加,当白水泥质量分数为1.0％时增加趋势变大;随铁精粉质量分数增加,内摩擦角先增大后减小,总体呈增大趋势,在铁精粉质量分数为25％处出现拐点;随铁精粉质量分数增加,渗透系数呈现减小趋势,随硅油质量分数增大,渗透系数同样呈减小趋势.