用于地质力学模型试验预留洞室的模型体制作装置及方法

1.本发明涉及一种地下工程试验装置，具体地说，是一种模型试验中制作预留洞室模型体的装置及操作方法。


背景技术：

2.物理模型试验是地下工程研究的一种重要研究手段，尤其是对地质环境复杂、施工难度大的重大工程，模型试验能先于设计与施工提供试验数据的优越性将更加凸显。
3.地质力学模型试验大多针对模型体分层、整体填筑，按照先“先加载、后开挖”的原则进行。而在深部洞室分区破裂、岩盐储气库等模型试验研究中，常常需要在填筑相似材料的同时预先留出洞室，后续对预留洞室的模型体进行研究。而目前对于不同洞型、不同尺寸的预留洞室的模型体研究较少，主要是因为模型试验中预留洞室的洞型和尺寸不易控制，导致制作的预留洞室的模型体与实际工程相差较大，相似性较差。
4.目前，国内外关于地质力学模型试验断层体制作的试验装置和操作方法的研究现状如下：
5.申请号201110337973.0的发明专利公开了一种用于真三维模型试验的立体洞腔成型方法及装置，该装置可实现符合实际工程的立体洞腔三维地质力学模型的制作，但是该装置操作过程比较复杂，只适用于洞腔一次成型，且成型后还要用相似材料封闭预留孔，难免造成局部洞型不规则。
6.申请号201110287254.2的发明专利公开了一种地质力学模型试验隐埋洞室的定位与成型方法，该装置可实现不同形态、不同直径的隐埋洞室的空间精确定位，但是该方法在模型材料整体压实完成后一次性拔模成腔取出木制模具，对隐埋洞室的扰动将很难避免。
7.申请号201110067678.8的发明专利公开了一种地下工程模型试验内埋洞室的成腔装置，但是该装置需要销杆和环箍进行固定和拆卸，操作较为复杂，且对于预留圆形洞室的模型试验岩体的制作应用性较差。
8.申请号201910936500.9的发明专利公开了一种混凝土竖井井筒模型制作装置，该装置通过约束内桶体和外桶体的位置实现混凝土浇筑的一次成型，无法实现在模型体的制作过程中对相似材料分层压实的效果。


技术实现要素：

9.本发明的目的是为克服上述现有装置和技术的不足，提供一种简单的、造价低廉的预留洞室的模型体的制作装置和操作方法。
10.为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
11.第一方面，本发明提供了一种用于地质力学模型试验预留洞室的模型体制作装置，包括底座、十字内撑和多段圆柱形侧板；每段圆柱形侧板包括四个平行边弧形柱侧板和四个直角扇形柱侧板，四个平行边弧形柱侧板和四个直角扇形柱侧板的高度相等，平行边
弧形柱侧板和直角扇形柱侧板交替拼接在一起组成所述的圆柱形侧板；相邻的圆柱形侧板之间插装在一起，最底层的圆柱形侧板底部插装在底座上，圆柱形侧板内部插装所述的十字内撑。
12.第二方面，本发明还提出了一种利用上面所述的用于地质力学模型试验预留洞室的模型体制作装置进行预留洞室的模型体制作方法，步骤如下：
13.1)固定底座位置，再插接第一段平行边弧形柱侧板和直角扇形柱侧板并安装第一段十字内撑；
14.2)根据第一段平行边弧形柱侧板和直角扇形柱侧板的高度，按照确定的材料配比计算、称重、搅拌均匀相似材料；
15.3)将搅拌均匀的相似材料倒入模型架内，每次填筑三分之一的相似材料，并采用压实工具进行初步压实；在第三次填筑完相似材料后，以成型压力进行压实，最后风干养护即可完成第一段模型体的制作；
16.4)可依照步骤1)～步骤3)完成剩余段相似材料的填筑，填至模型体的顶部；
17.5)待到模型体最后风干养护完成以后，可在十字内撑和平行边弧形柱侧板接触部位滴入润滑油从而将十字内撑取出，进而将平行边弧形柱侧板和直角扇形柱侧板一段段地取出。至此，预留洞室的模型体即制作完成。
18.本发明有如下有益效果：
19.(1)本发明的每一段圆柱形侧板分别包括四个平行边弧形柱侧板和四个直角扇形柱侧板，大小也分别相等，平行边弧形柱侧板和直角扇形柱侧板交替拼接在一起组成一段密闭的圆环形的柱侧板。分别采用四个平行边弧形柱侧板和直角扇形柱侧板作为模板的作用有二：一是四个平行边弧形柱侧板和四个直角扇形柱侧板在水平面上组成一个完整的圆环，可使模型材料在压实过程中不会渗入侧板内部，二是分别采用四个平行边弧形柱侧板和直角扇形柱侧板交替拼接可以消除“边角效应”，即平行边弧形柱侧板可以沿其弧形中心直径方向自由移动和转动，便于其安装和拆卸；
20.(2)平行边弧形柱侧板和直角扇形柱侧板在高度方向上分段，可以为液压千斤顶等压实装置留出空间以便于对相似材料进行分层压实。
21.(3)上下相邻的平行边弧形柱侧板之间、上下相邻的直角扇形柱侧板之间设有凹槽和凸起，使平行边弧形柱侧板和直角扇形柱侧板插接在一起，保证侧板在压实相似材料过程中不会发生水平侧移，同时在拆除平行边弧形柱侧板和直角扇形柱侧板的时候插接部位可以起到支点的作用，可以轻松翘起平行边弧形柱侧板和直角扇形柱侧板且不对模型体预留洞室的内壁产生扰动。
22.(4)本发明涉及的预留洞室的模型体制作装置构造简单、造价低廉、便于安装拆卸，可满足不同洞型和尺寸预留洞室的模型体的制作要求
23.(5)本发明提出的预留洞室的模型体的制作方法简单易学、方便实用，在地质力学模型试验中推广应用前景广阔。
附图说明
24.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。
25.图1为模型试验预留洞室的模型体制作装置示意图；
26.图2为模型架装置示意图(以圆筒形为例)；
27.图3为平行边弧形柱侧板和直角扇形柱侧板插接示意图；
28.图4为十字内撑拼接示意图；
29.图5为最顶层的平行边弧形柱侧板示意图；
30.图6为最顶层的直角扇形柱侧板示意图；
31.图中，1.底座；2.直角扇形柱侧板；3.平行边弧形柱侧板；4.侧板预留孔；5.十字内撑；6.模型架装置。
具体实施方式
32.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域普通技术人员通常理解的相同含义。
33.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
34.为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
35.名词解释部分：本发明中所述的“高强”是指有机玻璃板的硬度指标在平均洛氏硬度值85度以上，以便制作断层时能提供足够的强度和刚度。
36.正如背景技术所介绍的，现有技术中地质力学模型试验大多针对模型体分层、整体填筑，按照先“先加载、后开挖”的原则进行。而目前对于深部洞室分区破裂、岩盐储气库等模型试验研究中不同洞型、不同尺寸的预留洞室的模型体研究较少，主要是因为模型试验中预留洞室的洞型和尺寸不易控制，导致制作的预留洞室的模型体与实际工程相差较大，相似性较差。为了解决如上的技术问题，本技术提出了一种用于地质力学模型试验预留洞室的模型体制作装置与操作方法。下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
37.如图1所示，本实施例公开的用于地质力学模型试验预留洞室的模型体制作装置，包括底座1、十字内撑5和三段圆柱形侧板；每段圆柱形侧板包括四个平行边弧形柱侧板3和四个直角扇形柱侧板2，且平行边弧形柱侧板3和直角扇形柱侧板2交替拼接在一起组成所述的圆柱形侧板；所述的圆柱形侧板底部固定在底座上，圆柱形侧板内部插装所述的十字内撑5；上、下相邻的平行边弧形柱侧板之间通过凹槽和凸起配合，上、下相邻的直角扇形柱侧板之间通过凹槽和凸起配合。
38.本实施例中，在中间层和底层的每个平行边弧形柱侧板3和直角扇形柱侧板2的顶部预留有凹槽，底部预留凸起，且所述的每段平行边弧形柱侧板3和直角扇形柱侧板2可以通过顶部凹槽和底部凸起插接在一起，以保证在压实相似材料过程中平行边弧形柱侧板3和直角扇形柱侧板2不会出现水平侧移。在顶层的每个平行边弧形柱侧板3和直角扇形柱侧
板2的底部预留凸起，顶部平齐，不再设置凹槽，如图5和图6所示。
39.本实施例中，平行边弧形柱侧板3和直角扇形柱侧板2的材质为高强有机玻璃，平行边弧形柱侧板3和直角扇形柱侧板2在高度方向上分段且每一段的平行边弧形柱侧板和直角扇形柱侧板高度相等，目的在于为安置液压千斤顶留出空间，便于其压实相似材料。
40.本实施例中，每段平行边弧形柱侧板和直角扇形柱侧板底部留出的凸起和上部留出的凹槽也分别相同，不同分段的平行边弧形柱侧板和直角扇形柱侧板对应插接在一起，目的在于提高平行边弧形柱侧板和直角扇形柱侧板的刚度，使相似材料在压实过程中侧板不会产生水平偏移。
41.本实施例中，十字内撑5分段拼接在平行边弧形柱侧板和直角扇形柱侧板的内部且十字内撑的圆弧形头部安装在平行边弧形柱侧板的中间位置，目的在于对平行边弧形柱侧板起到支撑作用，平行边弧形柱侧板进而限制直角扇形柱侧板的滑移。
42.本实施例中，十字内撑5的圆弧形表面和平行边弧形柱侧板内侧表面宜光滑，在模型体压实风干以后，在十字内撑的圆弧形表面和平行边弧形柱侧板内侧表面接触部位滴入润滑油，目的在于方便取出十字内撑。
43.本实施例中，平行边弧形柱侧板3和直角扇形柱侧板2在高度方向上分成三段，目的在于方便安置液压千斤顶以实现对相似材料进行加压密实。
44.本实施例中，每段各有四个分别相同的平行边弧形柱侧板3和直角扇形柱侧板2。平行边弧形柱侧板3和直角扇形柱侧板2交替相连组成一段完整的圆柱形侧板，平行边弧形柱侧板3和直角扇形柱侧板2的尺寸和形状取决于实际预留洞室模型体的要求。
45.平行边弧形柱侧板3和直角扇形柱侧板2的材料优选采用高强有机玻璃板。
46.图2中，模型架6是模型试验中盛放相似材料的容器(为了便于观察到内部结构，图1中模型架6只取一半演示)，其目的在于为加载模型体提供侧限。圆筒形模型架6是例示性的，用于地质力学模型试验预留洞室的模型体的制作装置可以适用于任意形式的模型架。
47.图4中，十字内撑5也分为三段，与每段的平行边弧形柱侧板和直角扇形柱侧板的高度对应相等。在制作预留洞室的模型体时，先把十字内撑5安装在平行边弧形柱侧板3和直角扇形柱侧板2内部，再进行填料、压实、风干等过程。十字内撑5起支撑作用。
48.本实施例基于上述的用于地质力学模型试验预留洞室的模型体制作装置，还提供了一种用于地质力学模型试验预留洞室的模型体制作方法，包括以下步骤：
49.1)首先固定底座1位置，再插接第一段平行边弧形柱侧板3和直角扇形柱侧板2并安装第一段十字内撑5，此时可用橡皮筋临时箍住侧板顶端；
50.2)根据第一段平行边弧形柱侧板3和直角扇形柱侧板2的高度，按照确定的材料配比计算、称重、搅拌均匀相似材料；
51.3)将搅拌均匀的相似材料倒入模型架6内，每次填筑三分之一的相似材料，并采用压实工具进行初步压实；在第三次填筑完相似材料后，以成型压力进行压实，最后风干养护即可完成第一段模型体的制作；
52.4)可依照步骤1)～步骤3)完成第二、三段相似材料的填筑，填至模型体的顶部；
53.5)待到模型体最后风干养护完成以后，可在十字内撑5和平行边弧形柱侧板3接触部位滴入润滑油从而将十字内撑5取出，进而将平行边弧形柱侧板3和直角扇形柱侧板2一段段地取出。至此，预留洞室的模型体即制作完成。
54.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。