CN102346051B - 一种用于模型试验地层产状定位的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于模型试验地层产状定位的装置与方法，它结构简单，使用方便，模拟逼真，可用于模型试验的模型体倾斜填料岩层产状控制装置，在模型体堆填夯实过程中人为控制相似材料层面的产状及层厚，实现模型试验倾斜填料以模拟不同地质情况，还可以实现不同岩性夹层的制作，有利于模型试验中模拟地下工程中地层倾斜、软弱夹层等实际地层情况。它包括主定位板以及通过纵向转轴I和纵向转轴II安装在主定位板两端的副定位板A和副定位板B，从而调节主定位板及两副定位板间的倾角；主定位板上部设有水平定位轴A和水平定位轴B，两者与模型架连接；在主定位板下部设有主滑杆，主滑杆以及水平定位轴A和水平定位轴B均安装在各自的直线轴承内。
Description
技术领域
本发明涉及一种地质力学技术，尤其是一种用于模型试验地层产状定位的装置与方法。
背景技术
随着我国经济、科学技术的发展及交通运输事业的腾飞，开发利用地下空间越来越体现出巨大经济效益和社会效益，我国地下空间开发利用正在向现代化、科学化的方向发展。随着地下工程的数量不断增加，规模不断增大，很多学者正在通过多种方式，研究地下工程设计和施工方法的优化，进行施工过程力学规律的探索。其中，模型试验是研究地下工程施工过程规律的有效方法之一。
模型试验是根据相似理论，将实际工程转换为室内模型进行试验模拟的。但现在的地下工程模型试验中存在明显的弱点，在做地质力学相似模型试验的基本模型时，相似材料一般采用简化的分层水平填铺，即将实际工程中的地层产状简化为水平走向。这样难以满足模型试验与实际工程的几何相似，不能反映地层产状对工程的影响。但是，在实际工程中，地层产状对工程建设往往是不可忽略的。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有的模型试验技术的不足，提供一种用于模型试验地层产状定位的装置与方法，它结构简单，使用方便，模拟逼真，可用于模型试验的模型体倾斜填料岩层产状控制装置，可以在模型体堆填夯实过程中人为控制相似材料层面的产状及层厚，实现模型试验倾斜填料以模拟不同地质情况，还可以实现不同岩性夹层的制作，有利于模型试验中模拟地下工程中地层倾斜、软弱夹层等实际地层情况。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种用于模型试验地层产状定位的装置，它包括主定位板以及通过纵向转轴I和纵向转轴II安装在主定位板后侧两端且走向与主定位板平行的副定位板A和副定位板B，从而调节主定位板及两副定位板间的倾角；主定位板上部设有水平定位轴A和水平定位轴B，两者与模型架连接；在主定位板下部设有主滑杆，主滑杆以及水平定位轴A和水平定位轴B均安装在各自的直线轴承内。
所述主定位板、副定位板A和副定位板B由高强度钢材制成。
所述主定位板由主定位板A和主定位板B拼合而成，通过主滑杆调节水平尺寸。
所述副定位板由副定位板A和副定位板B组成，用于当模拟地层走向与开挖轴向方向成一定角度时，密封装置与模型体侧壁间的空隙，其中该角度为模拟的地层走向与开挖轴向方向间夹角的范围是0°～50°。当模拟地层走向与开挖轴向方向不一致时，主定位板A和主定位板B两侧与模型体之间会有一定的空隙，此时松开纵向转轴I和纵向转轴II，将副定位板A和副定位板B沿主定位板A和主定位板B转出，实现装置与模型体侧壁的密封。
所述倾角为20～90°。
一种用于模型试验地层产状定位的装置的方法，包括以下步骤：
A.确定地层走向，根据模型体尺寸，调节主滑杆，将两个水平定位轴与模型体连接，按实际地层走向，调节两个水平定位轴，保证主滑杆的方向与实际地层走向相同；
B.确定地层倾角，根据实际地层的倾角，调节主定位板A和主定位板B与副定位板A和副定位板B间的倾角，保证该倾角与实际地层相同，并将各定位板底部固定在下面的相似材料中；
C.实现各定位板与模型体密闭，通过纵向转轴I和纵向转轴II，调节两侧副定位板A和副定位板B的角度，保证地层走向与开挖轴向方向在0°～50°范围时，各定位板两侧与模型体能够密闭；
D.堆填相似材料，根据实际工程中的地层密度，在各定位板一侧填铺相似材料，根据各定位板的位置和相似材料的密度，计算填料的重量，沿各定位板，将相似材料夯实到预定的体积，从而控制模型体中相似材料填铺的密实度。
E.待相似材料充分干燥后，松开水平定位轴A和水平定位轴B，将装置定位到新的位置，进行新一层相似材料的填铺。
本发明按照实际工程中的地层产状，模型体采用分层倾斜铺相似材料的堆填方式，并沿倾斜面夯实相似材料；相似材料铺设时，将各定位板产状与岩层产状一致，利用各水平定位轴将装置固定在模型体上；根据实际岩层厚度，通过相似原理换算后，确定堆填相似材料的体积，在各定位板的一侧堆填相似材料，并沿倾斜面进行夯实，夯实到预定位置为止；待模型体充分干燥后，将整个装置进行整体平移，从而成功构造了模型试验中一层倾斜走向的地层产状。
本发明研究了模型试验中地层产状定位的方法，解决了地层产状为倾斜走向和不同岩性夹层的模拟问题。在模型试验相似材料堆填过程中精确定位地层产状，准确控制夹层厚度，与前人研究相比，与工程实践更接近，所得出的地质力学形似模型试验研究成果适用范围更广。
本发明解决了地层产状为倾斜走向和不同岩性夹层的模拟问题，具有以下优点：
1、能成功的在相似模型试验中模拟倾斜走向的地层产状；实现精确控制地层的走向和倾角；
2、能成功的在相似模型试验中模拟不同岩性夹层，实现准确控制夹层厚度；
3、能实现在相似材料的铺设过程中，根据实际工程中的地层密度，通过控制填铺相似材料的重量和定位板位置，控制模型体中相似材料填铺的密实度；
4、可以实现沿地层倾斜走向的结构面进行相似材料的夯实，真正模拟出地层的各向异性的特征。
附图说明
图1是本发明副定位板收起的结构示意图；
图2是本发明副定位板展开的结构示意图；
其中1.主定位板A；2.主定位板B；3.副定位板A；4.副定位板B；5.水平定位轴A；6.水平定位轴B；7.主滑杆；8.定位板直线轴承；9.定位轴直线轴承，10.纵向转轴I，11.纵向转轴II。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1、图2中，一种用于模型试验地层产状定位的装置，包括主定位板A 1、主定位板B 2、副定位板A 3、副定位板B 4，主定位板A 1、主定位板B 2上有主滑杆7，两侧有可通过纵向转轴I10和纵向转轴II11控制的副定位板A 3、副定位板B 4，各定位板通过水平定位轴A 5、水平定位轴B 6与模型架连接，主滑杆7和水平定位轴A 5、水平定位轴B 6上分别安装有定位板直线轴承8、定位轴直线轴承9。
所述各定位板由高强度钢材制成。
所述主定位板A 1、主定位板B 2由两块钢板拼合而成，通过主滑杆7调节水平尺寸。
所述水平定位轴A 5、水平定位轴B 6将各定位板与模型体连接，控制模型试验模拟的地层产状。
所述副定位板由副定位板A3和副定位板B4组成，用于当模拟地层走向与开挖轴向方向成一定角度时，密封装置与模型体侧壁间的空隙，其中该角度为模拟的地层走向与开挖轴向方向间夹角，范围是0°～50°。当模拟地层走向与开挖轴向方向不一致时，主定位板A1和主定位板B2两侧与模型体之间会有一定的空隙，此时松开纵向转轴I10和纵向转轴II11，将副定位板A3和副定位板B4沿主定位板A1和主定位板B2转出，实现装置与模型体侧壁的密封。
所述装置能模拟倾角在20～90°的所有地层。
一种用于模型试验地层产状定位的方法，包括以下步骤：
A.确定地层走向，根据模型体尺寸，调节主滑杆7，将两个水平定位轴A5、水平定位轴B6与模型体连接，按实际地层走向，调节水平定位轴A5、水平定位轴B6，保证主滑杆7的方向与实际地层走向相同；
B.确定地层倾角，根据实际地层的倾角，调节各定位板的角度，保证各定位板的倾角与实际地层相同，并将各定位板底部固定在下面的相似材料中；
C.实现装置与模型体密闭，通过纵向转轴I10、纵向转轴II11，调节两侧副定位板A3、副定位板B4的角度，保证地层走向与开挖轴向方向在0°～50°范围时，副定位板A3、副定位板B4两侧与模型体密闭；
D.堆填相似材料，根据实际工程中的地层密度，在各定位板一侧填铺相似材料，沿各定位板进行夯实，通过控制填铺相似材料的重量和水平定位轴A5、水平定位轴B6的位置，控制模型体中相似材料填铺的密实度。
E.待相似材料充分干燥后，松两水平定位轴，平移各定位板到预定位置，进行新一层相似材料的填铺。
Claims (6)
1.一种用于模型试验地层产状定位的装置，其特征是，它包括主定位板以及通过纵向转轴I（10）和纵向转轴II（11）安装在主定位板后侧两端且走向与主定位板平行的副定位板A（3）和副定位板B（4），从而调节主定位板及两副定位板间的倾角；主定位板上部设有水平定位轴A（5）和水平定位轴B（6），两者与模型架连接；在主定位板下部设有主滑杆（7），主滑杆（7）以及水平定位轴A（5）和水平定位轴B（6）均安装在各自的直线轴承内。
2.如权利要求1所述的用于模型试验地层产状定位的装置，其特征是，所述主定位板、副定位板A（3）和副定位板B（4）由高强度钢材制成。
3.如权利要求1所述的用于模型试验地层产状定位的装置，其特征是，所述主定位板由主定位板A（1）和主定位板B（2）拼合而成，通过主滑杆（7）调节水平尺寸。
4.如权利要求2所述的用于模型试验地层产状定位的装置，其特征是，所述副定位板由副定位板A（3）和副定位板B（4）组成，用于当模拟地层走向与开挖轴向方向成一定角度时，密封装置与模型体侧壁间的空隙，其中该角度为模拟的地层走向与开挖轴向方向间夹角，范围是0°~50°；当模拟地层走向与开挖轴向方向不一致时，主定位板A（1）和主定位板B（2）两侧与模型体之间会有一定的空隙，此时松开纵向转轴I（10）和纵向转轴II（11），将副定位板A（3）和副定位板B（4）沿主定位板A（1）和主定位板B（2）转出，实现装置与模型体侧壁的密封。
5.如权利要求1或4所述的用于模型试验地层产状定位的装置，其特征是，所述倾角为20~90°。
6.一种采用权利要求1所述的用于模型试验地层产状定位的装置的方法，其特征是，包括以下步骤： A. 确定地层走向，根据模型体尺寸，调节主滑杆（7），将两个水平定位轴与模型体连接，按实际地层走向，调节两个水平定位轴，保证主滑杆（7）的方向与实际地层走向相同； B. 确定地层倾角，根据实际地层的倾角，调节主定位板A（1）和主定位板B（2）与副定位板A（3）和副定位板B（4）间的倾角，保证该倾角与实际地层相同，并将各定位板底部固定在下面的相似材料中； C. 实现各定位板与模型体密闭，通过纵向转轴I（10）和纵向转轴II（11），调节两侧副定位板A（3）和副定位板B（4）的角度，保证地层走向与开挖轴向方向在0°~50°范围时，各定位板两侧与模型体能够密闭； D. 堆填相似材料，根据实际工程中的地层密度，在各定位板一侧填铺相似材料，根据各定位板的位置和相似材料的密度，计算填料的重量，沿各定位板，将相似材料夯实到预定的体积，从而控制模型体中相似材料填铺的密实度； E. 待相似材料充分干燥后，松开水平定位轴A（5）和水平定位轴B（6），将装置定位到新的位置，进行新一层相似材料的填铺。
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