CN118209420A - 一种固废材料承载变形的判定方法、系统、设备和介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固废材料承载变形的判定方法、系统、设备和介质，其涉及充填开采工程技术领域。包括：获取固废材料的散体试样，对散体试样进行筛分得到多个粒径，测出各粒径实验前的质量；将散体试样进行压实实验得到散体试样的应力应变关系曲线，计算直线部分的斜率k；对压实实验后的散体试样进行筛分得到多个粒径，测出各粒径实验后的质量，绘制各粒径实验前后的质量配比图，计算散体试样的相对破碎率B r 和实测分形维数；构建宏观应变的关系式，将散体试样的实测分形维数代入关系式得到固废材料的宏观应变，进而判定固废材料的承载变形程度。本发明能够解决宏观观测法缺乏细致处的观察的问题，所获得的固废材料变形结果更加准确。
Description
技术领域
本发明涉及充填开采工程技术领域，特别涉及一种固废材料承载变形的判定方法、系统、设备和介质。
背景技术
随着经济的不断发展，对于矿山开采不再只专注于效能，开采后的环境保护也被逐渐重视。煤矿充填开采作为绿色开采的重要组成部分，近年来也随之得到了飞速发展。固废材料，例如煤矸石等，是矿井充填材料的主要组成，固废材料承载变形的研究是充填开采经济与环保评价的重要依据。
现有技术中，对于固废材料承载变形的测定方法主要为宏观观测法，其具体流程包括：根据研究目的和任务，确定需要观测的目标和合适的观测点。根据观测目标和观测点的要求，安装相应的观测设备，按照一定的时间间隔，对观测点进行定期的观测和记录。对观测所得的数据进行整理、分析和处理，提取有用的信息，判断目标的变形情况和发展趋势。
上述现有技术所存在的缺陷是：宏观观测法获取的是固废材料的整体数据，缺乏细致处的观察，忽略了裂纹启裂对充填材料力学行为的重要影响，导致所获得的固废材料变形结果不准确。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种固废材料承载变形的判定方法、系统、设备和介质。
本发明实施例提供一种固废材料承载变形的判定方法，包括：
获取固废材料的散体试样，对散体试样进行筛分得到多个粒径试样，测出各粒径试样实验前的质量；
将散体试样进行压实实验得到散体试样的应力应变关系曲线，计算应力应变关系曲线中直线部分的斜率k；对压实实验后的散体试样进行筛分得到多个粒径试样，测出各粒径试样实验后的质量；
绘制各粒径试样实验前的质量和各粒径试样实验后的质量的质量配比图，并根据质量配比图计算散体试样的相对破碎率Br和实测分形维数；
基于应力应变关系曲线中直线部分的斜率k、相对破碎率Br和分形维数D的标准化方程，构建宏观应变的关系式，将散体试样的实测分形维数代入关系式得到固废材料的宏观应变，进而判定固废材料的承载变形程度。
另外的，所述固废材料的散体试样的粒径为10-20mm。
另外的，所述计算应力应变关系曲线中直线部分的斜率k，其公式为：
其中，di为粒径，M(di)为小于粒径di的颗粒质量，MT为试样总质量，dmax为最大粒径。
另外的，所述根据质量配比图计算散体试样的相对破碎率Br，其公式为：
其中，Bt为初始级配曲线、破碎后级配曲线和粒径为0.074mm的竖直线所围成的面积；Bp为初始级配曲线、粒径为0.074mm的竖直线、质量百分比为100%横线以及横轴所围成的面积。
另外的，所述根据质量配比图计算散体试样的分形维数D，其标准化方程为：
其中，D为分形维数，k为应力应变关系曲线的斜率，di为粒径，M(di)为小于粒径di的颗粒质量，MT为试样总质量，dmax为最大粒径。
另外的，所述构建宏观应变的关系式，其公式为：
其中，ε为宏观应变，为孔隙率，x为应力，Br为相对破碎率，D为分形维数。
另外的，一种固废材料承载变形的判定系统，包括：
获取模块，用于获取固废材料的散体试样，对散体试样进行筛分得到多个粒径试样，测出各粒径试样实验前的质量；
计算模块，用于将散体试样进行压实实验得到散体试样的应力应变关系曲线，计算应力应变关系曲线中直线部分的斜率k；对压实实验后的散体试样进行筛分得到多个粒径试样，测出各粒径试样实验后的质量；
测定模块，用于绘制各粒径试样实验前的质量和各粒径试样实验后的质量的质量配比图，并根据质量配比图计算散体试样的相对破碎率Br和实测分形维数；
代入模块，用于基于应力应变关系曲线中直线部分的斜率k、相对破碎率Br和分形维数D的标准化方程，构建宏观应变的关系式，将散体试样的实测分形维数代入关系式得到固废材料的宏观应变，进而判定固废材料的承载变形程度。
另外的，一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述固废材料承载变形判定方法的步骤。
另外的，一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述固废材料承载变形判定方法的步骤。
本发明实施例提供的上述一种固废材料承载变形的判定方法、系统、设备和介质，与现有技术相比，其有益效果如下：
通过对固废材料的散体试样进行压实实验得到应力应变关系曲线，计算应力应变关系曲线中直线部分的斜率k，根据各粒径试样在压实实验前后的质量配比图计算散体试样的相对破碎率Br和实测分形维数，基于应力应变关系曲线中直线部分的斜率k、相对破碎率Br和分形维数D的标准化方程，构建宏观应变的关系式，将实测分形维数代入关系式得到固废材料的宏观应变。其中，宏观观测法获取的是固废材料的整体数据，没有对于固废材料承载变形过程中细致处的数据进行统计，忽略了形变后固废材料所产生的裂纹对充填材料力学行为的影响，导致得到的变形结果不准确。
本发明通过压实实验模拟固废材料的形变得到应力应变关系曲线，复刻裂纹启裂对充填材料力学行为的影响；对压实实验前后的散体实验进行称重得到质量配比图，进而计算相对破碎率Br和实测分形维数；再根据应力应变关系曲线中直线部分的斜率k、相对破碎率Br和分形维数D的标准化方程构建宏观应变的关系式，其能够解决宏观观测法缺乏细致处的观察的问题，将实测分形维数输入宏观应变的关系式得到固废材料的宏观应变，进而判定固废材料的承载变形程度，提高固废材料变形判定结果的准确性。
附图说明
图1为一个实施例中提供的一种固废材料承载变形的判定方法的流程图；
图2为一个实施例中提供的一种固废材料承载变形的判定方法的压实实验过程图；
图3为一个实施例中提供的一种固废材料承载变形的判定方法的斜率示意图；
图4为一个实施例中提供的一种固废材料承载变形的判定方法的散体轴向应变与应力演化关系曲线图；
图5为一个实施例中提供的一种固废材料承载变形的判定方法的相对空隙率与散体轴向应变变化之间的关系曲线图；
图6为一个实施例中提供的一种固废材料承载变形的判定方法的破碎率与散体轴向应变之间的关系曲线图；
图7为一个实施例中提供的一种固废材料承载变形的判定方法的分形维数与散体轴向应变之间的关系曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一个实施例中，提供的一种固废材料承载变形的判定方法，如图1所示，该方法包括：
S1：获取固废材料的散体试样，对散体试样进行筛分得到多个粒径，测出各粒径实验前的质量；
S2：将散体试样进行压实实验，如图2所示，得到散体试样的应力应变关系曲线，计算应力应变关系曲线中直线部分的斜率k；
S3：对压实实验后的散体试样进行筛分得到多个粒径，测出各粒径实验后的质量，绘制各粒径实验前后的质量配比图，计算散体试样的相对破碎率Br和实测分形维数；
为了定量表征钙质砂的颗粒破碎程度，采用Hardin提出的颗粒相对破碎率理论，其表达式为：
式中，Bt为初始级配曲线、破碎后级配曲线和粒径为0.074mm的竖直线所围成的面积；Bp为初始级配曲线、粒径为0.074mm的竖直线、质量百分比为100%横线以及横轴所围成的面积。
根据分形几何理论,S. W. TBrLER 等建立了计算粗粒土分形维数的标准化方程:
式中:di为粒径，M(di)为小于粒径di的颗粒质量,kg; MT为试样总质量, kg；P(di )为小于粒径di的其它颗粒质量, kg; dmax为试样组内最大粒径, mm ;D为分形维数。
对上式两边同时取对数，得:
通过拟合方程将直线部分用斜率k表示,得:
k指的是以为y轴（因变量），以/>为x轴（自变量），所绘制图像的近似直线部分的斜率，如图3所示。其中，D为分形维数。
S4：基于应力应变关系曲线中直线部分的斜率k、相对破碎率Br和分形维数D的标准化方程，构建宏观应变ε的关系式：
其中，ε为宏观应变，为应力，x为孔隙率，Br为相对破碎率，D为分形维数。
S5：将散体试样的实测分形维数代入关系式得到固废材料的宏观应变ε，进而判定固废材料的承载变形程度。
一个实施例中，提供的一种固废材料承载变形的判定系统，该系统包括：
获取模块，用于获取固废材料的散体试样，对散体试样进行筛分得到多个粒径试样，测出各粒径试样实验前的质量。
计算模块，用于将散体试样进行压实实验得到散体试样的应力应变关系曲线，计算应力应变关系曲线中直线部分的斜率k；对压实实验后的散体试样进行筛分得到多个粒径试样，测出各粒径试样实验后的质量。
测定模块，用于绘制各粒径试样实验前的质量和各粒径试样实验后的质量的质量配比图，并根据质量配比图计算散体试样的相对破碎率Br和实测分形维数。
代入模块，用于基于应力应变关系曲线中直线部分的斜率k、相对破碎率Br和分形维数D的标准化方程，构建宏观应变的关系式，将散体试样的实测分形维数代入关系式得到固废材料的宏观应变，进而判定固废材料的承载变形程度。
一个实施例中，提供的一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述固废材料承载变形判定方法的步骤。
一个实施例中，提供的一种存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述固废材料承载变形判定方法的步骤。
实施例1
1、制取10-20mm粒径的散体试样。试样组数10组，其中有效数据需采集5个；
2、实验前对试样拍照记录，并对实验前试样进行筛分，测出个粒径的质量。
3、将试样放置到压实器具进行实验，测取散体完整的应力应变关系曲线，提取散体应变、应力，并绘制图像，如图4所示。
4、将实验后的试样拍照记录，通过ImageJ软件测出空隙率，并绘制应变与空隙率之间的图像，如图5所示；
将实验后的试样再次进行筛分，测出试验后的各粒径质量，并绘制各粒径配比图，计算相对破碎率Br ，并绘制应力与破碎率之间的图像，如图6所示；
通过具体实施方法S3中的分形维数计算方法，算出各应力下的分形维数，并绘制应力与分形维数之间的图像，如图7所示。
5、将试验获取数据ε，，x，Br，D进行拟合代入方程，可以得到散体裂纹变化诱发的破碎率、分形维数与宏观应变之间关系。
6、对于实验数据取值见表1：
表 1
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种固废材料承载变形的判定方法，其特征在于，包括：
获取固废材料的散体试样，对散体试样进行筛分得到多个粒径试样，测出各粒径试样实验前的质量；
将散体试样进行压实实验得到散体试样的应力应变关系曲线，计算应力应变关系曲线中直线部分的斜率k；对压实实验后的散体试样进行筛分得到多个粒径试样，测出各粒径试样实验后的质量；
绘制各粒径试样实验前的质量和各粒径试样实验后的质量的质量配比图，并根据质量配比图计算散体试样的相对破碎率Br和实测分形维数；
基于应力应变关系曲线中直线部分的斜率k、相对破碎率Br和分形维数D的标准化方程，构建宏观应变的关系式，将散体试样的实测分形维数代入关系式得到固废材料的宏观应变，进而判定固废材料的承载变形程度。
2.如权利要求1所述的一种固废材料承载变形的判定方法，其特征在于，所述固废材料的散体试样的粒径为10-20mm。
3.如权利要求1所述的一种固废材料承载变形的判定方法，其特征在于，所述计算应力应变关系曲线中直线部分的斜率k，其公式为：
其中，di为粒径，M(di)为小于粒径di的颗粒质量，MT为试样总质量，dmax为最大粒径。
4.如权利要求1所述的一种固废材料承载变形的判定方法，其特征在于，所述根据质量配比图计算散体试样的相对破碎率Br，其公式为：
其中，Bt为初始级配曲线、破碎后级配曲线和粒径为0.074mm的竖直线所围成的面积；Bp为初始级配曲线、粒径为0.074mm的竖直线、质量百分比为100%横线以及横轴所围成的面积。
5.如权利要求1所述的一种固废材料承载变形的判定方法，其特征在于，所述根据质量配比图计算散体试样的分形维数D，其标准化方程为：
其中，D为分形维数，k为应力应变关系曲线的斜率，di为粒径，M(di)为小于粒径di的颗粒质量，MT为试样总质量，dmax为最大粒径。
6.如权利要求1所述的一种固废材料承载变形的判定方法，其特征在于，所述构建宏观应变的关系式，其公式为：
其中，ε为宏观应变，为应力，x为孔隙率，Br为相对破碎率，D为分形维数。
7.一种固废材料承载变形的判定系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取固废材料的散体试样，对散体试样进行筛分得到多个粒径试样，测出各粒径试样实验前的质量；
计算模块，用于将散体试样进行压实实验得到散体试样的应力应变关系曲线，计算应力应变关系曲线中直线部分的斜率k；对压实实验后的散体试样进行筛分得到多个粒径试样，测出各粒径试样实验后的质量；
测定模块，用于绘制各粒径试样实验前的质量和各粒径试样实验后的质量的质量配比图，并根据质量配比图计算散体试样的相对破碎率Br和实测分形维数；
代入模块，用于基于应力应变关系曲线中直线部分的斜率k、相对破碎率Br和分形维数D的标准化方程，构建宏观应变的关系式，将散体试样的实测分形维数代入关系式得到固废材料的宏观应变，进而判定固废材料的承载变形程度。
8.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-6中任一项所述的固废材料承载变形判定方法的步骤。
9.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-6中任一项所述的固废材料承载变形判定方法的步骤。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |