一种泥质砂岩类相似材料制备方法及系统与流程

本技术属于泥质砂岩类相似材料制备，具体涉及一种用于室内测试泥质砂岩类地层中桩或锚杆侧摩阻力的泥质砂岩类相似材料制备方法及系统。

背景技术：

1、在岩土工程领域中，了解地下地层的物理和力学性质对于设计和建设基础设施至关重要。为了真实模拟实际地层中的情况，通常需要使用岩石相似材料进行室内测试。这些相似材料必须能够准确地模拟实际地层的物理和力学性质，包括岩石的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、密度等。对于泥质砂岩类地层，其特定的力学性质需要被模拟，以确保测试的准确性，为现场工程桩或锚杆的设计提供科学依据。

2、然而，目前对泥质砂岩类相似材料的制备方法较为欠缺，制备的相似材料难以匹配这些性质。

技术实现思路

1、本技术实施例的目的是提供一种泥质砂岩类相似材料制备方法及系统，其依据原状岩石的矿物组成成分，采用岩石相似材料制备泥质砂岩类相似材料试样，采取智能优化算法计算确定泥质砂岩类相似材料最优配合比回归分析得出泥质砂岩相似材料的混合料和试样的各物理量与组成成分之间的经验函数关系式，最后基于智能优化算法计算确定泥质砂岩类相似材料最优配合比，再根据室内试验需要的物理量值进行相似材料的制备，从而可以解决背景技术中涉及的至少一个技术问题。

2、为了解决上述技术问题，本技术是这样实现的：

3、本技术实施例提供了一种泥质砂岩类相似材料制备方法,包括以下步骤：

4、步骤s1，确定目标地层，从目标地层采取原状岩石试样，测试其各物理量原始值；

5、步骤s2，根据室内模拟试验的相似比，利用相似理论导出模拟试验中各物理量模拟值；

6、步骤s3，对原状岩石试样进行岩矿鉴定，分析确定原状岩石试样的矿物成分，然后再确定泥质砂岩相似材料组成成分；

7、步骤s4，设计泥质砂岩类相似材料配合比试验方案，配制泥质砂岩类相似材料的混合料，并测试不同配合比混合料的稠度和凝结时间；

8、步骤s5，评估稠度是否满足要求，若否，则返回执行步骤s4；若是，则执行步骤s6；

9、步骤s6，将满足要求的混合料放入模具中制作试样，将制作的试样密封养护一段时间后，测试试样各物理量值，回归分析得出泥质砂岩相似材料的混合料和试样的各物理量与组成成分之间的经验函数关系式；

10、步骤s7，基于智能优化算法计算确定泥质砂岩类相似材料最优配合比；

11、步骤s8，计算最优配合比下的混合料制作的试样的各物理量测试值与利用相似理论导出的各物理量模拟值之间的误差值，基于计算的误差值对泥质砂岩类相似材料的配合比进行微调。

12、作为本技术的一种限定，步骤s1中，采用以下方法确定目标地层：

13、调查实际工程中桩或锚杆的直径，根据现场工程实际情况，确定出需要测试泥质砂岩类地层中桩或锚杆的侧摩阻力的目标地层，并计算上覆地层压力。

14、作为本技术的一种限定，步骤s1中，物理量值包括原状岩石试样的干密度、弹性模量、单轴抗压强度和抗拉强度；步骤s2中，物理量模拟值包括室内模拟试验中的桩或锚杆的直径取值、上覆地层压力取值、干密度取值、弹性模量取值、单轴抗压强度取值、抗拉强度取值，其中，为桩或锚杆直径相似比，为上覆地层压力相似比，为干密度相似比，为弹性模量相似比， 为单轴抗压强度相似比，为抗拉强度相似比。

15、作为本技术的一种限定，步骤s3中，泥质砂岩类相似材料组成成分包括骨料、胶结剂、黏土矿物、调和剂和外加剂，其中：

16、所述骨料包括粗骨料和细骨料；

17、所述粗骨料为石英砂；

18、所述细骨料为重晶石粉和铁精粉中的一种；

19、所述胶结剂为水泥和石膏中的一种或两种，其中水泥为普通硅酸盐水泥；

20、所述黏土矿物为高岭石和蒙脱石中的一种；

21、所述调和剂为水；

22、所述外加剂为甘油和石膏缓凝剂中的一种或两种。

23、作为本技术的一种限定，步骤s4中，按照正交试验设计或均匀实验设计法设计泥质砂岩类相似材料配合比试验方案，包括：

24、确定骨胶比，即粗骨料和细骨料的质量与胶结剂的质量的比值为0.5-3.0；

25、确定粗细骨料比，即粗骨料与细骨料的质量比为0.4-3.0；

26、确定黏土矿物掺入量，即占固体总质量比为5%-50%；

27、确定水胶比，即水与胶结剂的质量比为0.5-4；

28、确定外加剂掺入量，即甘油占黏土矿物质量比为0.1%-0.5%，石膏缓凝剂占石膏质量比为0%-0.5%。

29、作为本技术的一种限定，步骤s4中，采用以下方法配制泥质砂岩类相似材料的混合料：

30、依次称取相应重量的粗骨料、细骨料、胶结剂、黏土矿物，置于搅拌锅中进行干拌，干拌时间为1.5-5min ；

31、然后称取相应重量的水，分三次缓慢加入搅拌锅中进行湿拌，湿拌时间为1.5-5min 。

32、作为本技术的一种限定，步骤s6中，经验函数关系式为：

33、；

34、式中，为混合料的稠度；为凝结时间；，其中为泥质砂岩类相似材料； s为组成成分的含量（占比）；和为多项式函数。

35、作为本技术的一种限定，步骤s7中，基于智能优化算法计算确定泥质砂岩类相似材料最优配合比,具体包括如下步骤：

36、以泥质砂岩类相似材料混合料的稠度和凝结时间应满足试验操作要求，以及相似材料试样各物理量应等于根据相似理论分析导出的模拟试验中各物理量模拟值为约束条件，以试验成本目标函数，构建如下优化数学模型：

37、；

38、式中，为总成本；为目标函数；为根据市场价换算得到的第i个组成成分的价格系数；

39、采用外点惩罚函数法将优化数学模型转化为如下无约束优化函数形式：

40、；

41、式中， r为惩罚因子，由小到大且趋近于∞的数列，即； r的递推公式为，其中 c为递增系数，通常取 c =5-10；

42、采用蚁群优化搜索算法求解，可得最优解，即泥质砂岩类相似材料各组成成分的计算最优配合比为。

43、作为本技术的一种限定，在步骤s8中，误差值采用以下方法计算：

44、根据优化分析计算得到的泥质砂岩类相似材料各组成成分的最优配合比配制混合料，并测试混合料的稠度和凝结时间；

45、制作试样并测得试样的干密度、弹性模量、单轴抗压强度和抗拉强度值；

46、计算最优配合比下的混合料制作的试样的各物理量测试值与利用相似理论导出的各物理量模拟值之间的误差值，即：

47、干密度误差：；

48、弹性模量误差：；

49、单轴抗压强度误差：；

50、抗拉强度误差：。

51、本技术还提供了一种用于实现所述的方法的泥质砂岩类相似材料制备系统，包括：

52、物理量原始值测试模块，其用于确定目标地层，从目标地层采取原状岩石试样，测试其各物理量原始值；

53、物理量模拟值导出模块，其用于根据室内模拟试验的相似比，利用相似理论导出模拟试验中各物理量模拟值；

54、相似材料组成成分确定模块，其用于对原状岩石试样进行岩矿鉴定，分析确定原状岩石试样的矿物成分，然后再确定泥质砂岩相似材料组成成分；

55、混合料测试模块，其用于设计泥质砂岩类相似材料配合比试验方案，配制泥质砂岩类相似材料的混合料，并测试不同配合比混合料的稠度和凝结时间；

56、稠度评估模块，其用于评估稠度是否满足要求；

57、经验函数关系式得出模块，其用于测试试样各物理量值，回归分析得出泥质砂岩相似材料的混合料和试样的各物理量与组成成分之间的经验函数关系式；

58、最优配合比计算模块，其用于基于智能优化算法计算确定泥质砂岩类相似材料最优配合比；

59、微调模块，其用于计算最优配合比下的混合料制作的试样的各物理量测试值与利用相似理论导出的各物理量模拟值之间的误差值，基于计算的误差值对泥质砂岩类相似材料的配合比进行微调。

60、本技术实施例的有益效果在于：

61、1.采用正交试验设计或均匀试验设计法设计相似材料配合比试验方案，以混合料稠度和凝结时间是否满足规范要求为约束，配制泥质砂岩类相似材料试样，此制作方法可保证试样制作工艺满足要求；

62、2.测试试样各物理量值，基于测得的不同配合比泥质砂岩类相似材料混合料的物理量值，采用加权回归分析方法可以得到它们与各组成成分（配合比）之间的经验函数关系式；

63、3.以试验成本为目标函数，构建优化数学模型，采用智能算法计算可得到泥质砂岩类相似材料各组成成分的最优配合比，降低试验成本；

64、4.通过泥质砂岩类相似材料配合比设计，可以得到各成分与混合料物理量值之间的关系，基于相似理论，可配制备出满足室内模拟试验要求的泥质砂岩类相似材料，可用于测试泥质砂岩类地层中桩或锚杆侧摩阻力。