專利名稱：用于真三維模型試驗的立體洞腔模型成型方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于真三維模型試驗的立體洞腔模型成型方法及裝置。
背景技術(shù)：
隨著地下資源開發(fā)的大力發(fā)展，地下結(jié)構(gòu)在水電、交通、資源、能源領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，同時地下洞室工程的施工安全也受到越來越多關(guān)注和重視。隨著地下工程埋深的加大和工程規(guī)模的提高，擬建地下工程區(qū)域巖體的工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件也日益復雜，為有效評價大型地下工程施工開挖圍巖穩(wěn)定性，需要通過開展三維地質(zhì)力學模型實驗進行地下洞室開挖圍巖穩(wěn)定性的分析與評價，以有效揭示深埋地下洞室圍巖的力學特征與變形破壞規(guī)律。目前國內(nèi)外關(guān)于立體洞腔模型的制作是一個難點，成為制約三維地質(zhì)力學模型試驗技術(shù)進步的瓶頸。對于具有洞口的、形狀較單一的地下洞穴如鐵路/公路隧道、煤礦巷道等，一般采用制作實心模型而后人工開挖，使隧道成型的方式解決。而對于諸如地下水封洞室、石油儲備庫、天然氣儲備庫、CO2地下儲存、核廢料地下儲存庫等洞穴，具備橢球狀、鴨梨狀等立體形狀，其尺寸上窄下寬且不具有開放式洞口，因此用常規(guī)的預(yù)置實心模型而后人工開挖洞室的方式無法實現(xiàn)洞腔的成型，成為制約地質(zhì)力學模型試驗技術(shù)對立體型地下洞室進行有效模擬的障礙。目前國內(nèi)相關(guān)洞腔模型制作方法的研究現(xiàn)狀如下
(1)《四川大學學報》2001年第3期介紹了一種拱壩模型制作方法。該方法采用砌筑結(jié)構(gòu)，模型成型后進行人工開挖的方式，無法對立體洞腔進行有效成型。(2)《巖土力學》2004年第11期介紹了一種砌筑模型制作方法，該方法采用砌筑結(jié)構(gòu)，模型成型后進行人工開挖的方式，無法對立體洞腔進行有效成型。(3)《施工技術(shù)》2005年第11期介紹了一種石膏相似材料的模型試驗。該方法采用砌筑結(jié)構(gòu)，模型成型后進行人工開挖的方式，無法對立體洞腔進行有效成型。(4)《巖石力學與工程學報》2006年第9期介紹了一種分叉隧道模型制作方法，該方法采用人工夯實成型，模型成型后進行人工開挖的方式，無法對立體洞腔進行有效成型。(5)《巖石力學與工程學報》2010年第1期介紹了一種預(yù)置相似材料塊體砌筑模型的方法。采用模型成型后進行人工開挖的方式，無法對立體洞腔進行有效成型。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種形狀模擬準確、位置精確、 成型迅速、設(shè)備簡單、施工操作簡便的一種用于真三維相似材料模型試驗的立體洞腔模型成型方法及其裝置。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種用于真三維相似材料模型試驗的立體洞腔模型成型方法，步驟為
1)制作與擬成型洞腔尺寸一致的蠟質(zhì)模型(蠟?zāi)?，在其體內(nèi)預(yù)置加熱棒與導液管；
2)將蠟質(zhì)模型包裹在乳膠囊內(nèi)；
3)在模型反力架內(nèi)鋪設(shè)相似材料，以壓制三維相似材料模型；當模型體填筑至洞腔底部位置時，將外部裹有乳膠囊的蠟質(zhì)模型置于擬成型洞腔的相應(yīng)位置；
4)在蠟質(zhì)模型周圍鋪設(shè)模型相似材料，繼續(xù)壓制三維模型，直至使蠟質(zhì)模型完全置于整個三維模型體內(nèi)，并在洞腔頂部預(yù)留孔；
5)將內(nèi)置于蠟質(zhì)模型體內(nèi)的加熱棒通電，使蠟質(zhì)模型逐漸熔化；
6)通過導液管將熔化的蠟液排出模型體外，直至最終排放干凈；
7)將加熱棒、導液管、乳膠囊從預(yù)留孔依次取出，并用相似材料封閉預(yù)留孔，使立體洞腔模型最終成型。所述乳膠囊由乳膠灌注而成，其形狀尺寸與蠟質(zhì)模型完全一致。乳膠囊隔熱性能良好，其作用為在蠟質(zhì)模型導熱熔化過程中防止熔液與模型體材料接觸，以免對材料特性造成干擾。所述加熱棒由不銹鋼制成，其通過導線與外部電源相連，用于洞腔成型后蠟質(zhì)洞腔模型的熔化。所述導液管由聚四氟乙烯材料制成的細導管，具備良好隔熱性，其在模型外部與抽液泵相連，用于將熔化的蠟液排出模型體外。所述抽液泵為電動式抽液泵，通過導液管將熔化的蠟液抽取并排出模型體外。所述立體洞腔成型裝置由蠟質(zhì)模型、乳膠囊、加熱棒、導液管、抽液泵、導線以及電源構(gòu)成。蠟質(zhì)模型由石蠟熔化而成，其形狀、尺寸與洞腔模型完全一致，用于擬建洞腔的成型。蠟質(zhì)模型制作過程中，將不銹鋼加熱棒和聚四氟乙烯制成的導液管預(yù)置在其內(nèi)部。加熱棒為不銹鋼制成，具有通電導熱的作用。其溫度可達60-80。C，足以使其接觸的蠟質(zhì)模型熔化。加熱棒通過導線與蠟質(zhì)模型外部的電源相連，其通電后可將蠟質(zhì)模型逐漸熔化。導液管由聚四氟乙烯管，具有良好隔熱性與耐高溫的性能，其在模型外部與抽液泵相連，是將熔化的蠟液排出模型體外的通道。抽液泵為電動式，與電源相連，其通電后通過導液管將熔化的蠟液抽取并排出模型體外。乳膠囊由乳膠灌注而成，其形狀尺寸與蠟質(zhì)模型完全一致， 其隔熱性能良好將制成的蠟質(zhì)模型裹入乳膠囊中，以防止其熔化時蠟液侵入模型材料體內(nèi)而造成干擾。本發(fā)明具有如下優(yōu)點
(1)保證了洞腔模型體的洞腔位置精確、形狀尺寸準確符合實際工程，使模型滿足設(shè)計要求；
(2)設(shè)備簡單易制，操作方便、高效、快捷；
(3)可針對不同形狀、不同尺寸的各種立體洞腔，也可應(yīng)用于形狀單一的隧道等地下結(jié)構(gòu)，具備應(yīng)用范圍廣泛的優(yōu)點；
(4)該發(fā)明方法可廣泛應(yīng)用于水電、交通、能源、礦山等領(lǐng)域地下工程地質(zhì)力學模型制作，應(yīng)用范圍廣泛。


圖1為立體洞腔模型制作流程圖2為立體洞腔模型成型裝置及其成型詳細過程圖中，1.蠟質(zhì)洞腔模型，2.乳膠囊，3.加熱棒，4.導線，5.導液管，6.抽液泵，7.電源， 8.相似材料模型。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。如圖1、2所示，一種真三維模型試驗的三維洞腔模型制作方法及其設(shè)備。制作方法步驟為
1)制作與擬成型洞腔尺寸一致的蠟質(zhì)模型(蠟質(zhì)模型)1，在其體內(nèi)預(yù)置加熱棒與導液管5;
2)將蠟質(zhì)模型1包裹在乳膠囊2內(nèi)。3)在模型反力架9內(nèi)鋪設(shè)相似材料，以壓制三維相似材料模型8。當模型體8填筑至洞腔底部位置時，將外部裹有乳膠囊的蠟質(zhì)模型1置于擬成型洞腔的相應(yīng)位置；
4)在蠟質(zhì)模型1周圍鋪設(shè)模型相似材料，繼續(xù)壓制三維模型8，直至使蠟質(zhì)模型1完全置于整個三維模型體8內(nèi)，并在洞腔頂部預(yù)留直徑2 5cm開孔，一般直接選取3cm ；
5)將內(nèi)置于蠟質(zhì)模型1體內(nèi)的加熱棒通電，加熱棒3溫度保持在60°C左右。由于蠟的熔點在58°C，故在該溫度下將緩慢熔化；
6)同時開啟電動抽液泵6，使熔化的蠟液通過導液管5緩慢排出模型體外，直至最終排放干凈；
7)關(guān)閉電源7并將加熱棒3、導液管5、乳膠囊2從預(yù)留孔依次取出，并用相似材料封閉開孔，使立體洞腔模型最終成型。所述立體洞腔成型裝置由蠟質(zhì)模型1、乳膠囊2、加熱棒3、導線4、導液管5、抽液泵 6以及電源7構(gòu)成。蠟質(zhì)模型1由石蠟熔化而成，其形狀、尺寸與洞腔模型完全一致，用于擬建洞腔的成型。蠟質(zhì)模型1制作過程中，將加熱棒3和聚四氟乙烯制成的導液管5預(yù)置在其內(nèi)部。加熱棒3為不銹鋼制成，具有通電導熱的作用。其溫度可達60-80。C，足以使其接觸的蠟質(zhì)模型1熔化。加熱棒3通過導線4與蠟質(zhì)模型1外部的電源7相連，其通電后可將蠟質(zhì)模型7逐漸熔化。導液管5由聚四氟乙烯管，具有良好隔熱性與耐高溫的性能，其在模型外部與抽液泵6相連，是將熔化的蠟液排出模型體外的通道。抽液泵6為電動式，與電源7相連，其通電后通過導液管5將熔化的蠟液抽取并排出模型體外。乳膠囊2由乳膠灌注而成，其形狀尺寸與蠟質(zhì)模型完全一致，其隔熱性能良好將制成的蠟質(zhì)模型1裹入乳膠囊2 中，以防止其熔化時蠟液侵入模型材料體內(nèi)而造成干擾。
權(quán)利要求
1.一種用于真三維模型試驗的立體洞腔模型成型方法，其特征在于步驟為1)制作與擬成型洞腔尺寸一致的蠟質(zhì)模型，在蠟質(zhì)模型體內(nèi)預(yù)置加熱棒與導液管；2)將蠟質(zhì)模型包裹在乳膠囊內(nèi)；3)在三維相似材料模型壓制過程中，將外部裹有乳膠囊的蠟質(zhì)模型置于擬成型洞腔的相應(yīng)位置；4)在蠟質(zhì)模型周圍鋪設(shè)模型相似材料，來壓制三維模型，直至使蠟質(zhì)模型完全置于整個三維模型體內(nèi)，并在洞腔頂部預(yù)留孔；5 )將內(nèi)置于蠟質(zhì)模型體內(nèi)的加熱棒通電，使蠟質(zhì)模型逐漸熔化；6)通過導液管將熔化的蠟液抽出模型體外，直至最終排放干凈；7)將加熱棒、導液管與乳膠囊通過預(yù)留孔依次取出，然后用相似材料封閉預(yù)留孔，使模型最終成型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的立體洞腔模型成型方法，其特征在于所述的預(yù)留孔的直徑為2 5cm。
3.一種用于權(quán)利要求1所述的立體洞腔模型成型方法的裝置，其特征在于包括蠟質(zhì)模型、乳膠囊、加熱棒、導液管、電源以及抽液泵，所述的加熱棒和導液管設(shè)置在蠟質(zhì)模型內(nèi)，加熱棒外部與電源連接，導液管外部與所述的抽液泵連接，所述的乳膠囊包裹在蠟質(zhì)模型內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于真三維模型試驗的立體洞腔模型成型方法及裝置。洞腔成型采用體內(nèi)蠟質(zhì)模型熔化抽液成型法，具體方法是制作與擬成型洞腔尺寸一致的蠟質(zhì)模型，在蠟質(zhì)模型體內(nèi)預(yù)置加熱棒與導液管；將蠟質(zhì)模型包裹在乳膠囊內(nèi)；將外部裹有乳膠囊的蠟質(zhì)模型置于擬成型洞腔的相應(yīng)位置，并在洞腔頂部預(yù)留孔；加熱棒通電，使蠟質(zhì)模型逐漸熔化并將蠟液抽出模型體外；將加熱棒、導液管與乳膠囊通過預(yù)留孔依次取出，然后用相似材料封閉預(yù)留孔，使模型最終成型。通過該方法最終制作成尺寸準確、位置精確、形狀符合實際工程的立體洞腔三維地質(zhì)力學模型。該方法具有高效、快捷、經(jīng)濟、設(shè)備操作簡單、洞腔成型速度快等優(yōu)點。
文檔編號G01V9/00GK102508316SQ20111033797
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月1日
發(fā)明者倪小東, 張強勇, 李術(shù)才, 王媛, 陳旭光 申請人:河海大學