CN102496325B - 变截面立体洞腔模型制作模具及压制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变截面立体洞腔模型制作模具及方法，其中模具包括模腔，在模腔内上端为压力驱动装置，在模腔内还设置有套环式压制装置，该套环式压制装置包括承压板以及套环组件，套环组件包括m个内孔逐渐缩小的套环，在承压板的中心设置有不小于立体洞腔模型最大横截面的孔，所述的m个套环依此可拆分的连接在承压板的孔内，所述的套环个数m为：当立体洞腔模型为上下对称结构，则m=n/2-1；当立体洞腔模型横截面为单一变化时，则m=n-1，其中n·h=H，n为立体洞腔模型总共压制的次数，H为立体洞腔模型的高度，h为每层压制的高度。该装置及方法具有高效快捷，设备操作简单、经济，洞腔形状模拟准确、成型速度快等优点，有效保证了三维地质力学模型实验的高质量进行。

Description

变截面立体洞腔模型制作模具及压制方法

技术领域

本发明涉及一种用于变截面立体洞腔模型制作的套环式压制装置及方法。

背景技术

随着地下资源开发的大力发展，地下结构在水电、交通、资源、能源领域得到广泛应用，同时地下洞室工程的施工安全也受到越来越多关注和重视。随着地下工程埋深的加大和工程规模的提高，拟建地下工程区域岩体的工程地质条件和水文地质条件也日益复杂，为有效评价大型地下工程施工开挖围岩稳定性，需要通过开展三维地质力学模型实验进行地下洞室开挖围岩稳定性的分析与评价，以有效揭示深埋地下洞室围岩的力学特征与变形破坏规律。

目前国内外关于变截面立体洞腔模型的制作是一个难点，成为制约地质力学模型试验技术进步的瓶颈。对于具有洞口、形状较简单且横截面不变化的地下洞穴如铁路/公路隧道、煤矿巷道等，一般采用制作实心立体模型而后人工开挖洞穴的方式解决。而对于诸如地下水封洞室、石油储备库、天然气储备库、CO₂地下储存库、核废料地下储存库等变截面立体洞穴，常具有椭球状、鸭梨状等立体形状，其截面半径随洞腔高度而变化，尺寸上窄下宽，故用常规预置实心模型而后人工开挖的方式无法实现，只能采用预置洞腔模具，然后压制成型的方法。而采用常规的压制工具无法解决变截面立体洞腔模型的压制。这成为开展变截面立体洞腔三维模型试验的障碍。

目前国内相关洞腔模型制作方法的研究现状如下：

（1）《四川大学学报》2001年第3期介绍了一种拱坝模型制作方法。该方法采用砌筑结构，模型成型后进行人工开挖的方式，无法制作变截面立体洞腔体三维模型。

（2）《岩土力学》2004年第11期介绍了一种砌筑模型制作方法，该方法采用砌筑结构，模型成型后进行人工开挖的方式，无法制作变截面立体洞腔体三维模型。

（3）《施工技术》2005年第11期介绍了一种石膏相似材料的模型试验。该方法采用砌筑结构，模型成型后进行人工开挖的方式，无法制作变截面立体洞腔体三维模型。

（4）《岩石力学与工程学报》2006年第9期介绍了一种分叉隧道模型制作方法，该方法采用人工夯实成型，模型成型后进行人工开挖的方式，无法制作变截面立体洞腔体三维模型。

（5）《岩石力学与工程学报》2010年第1期介绍了一种预置相似材料块体砌筑模型的方法。采用模型成型后进行人工开挖的方式，无法制作变截面立体洞腔体三维模型。

（6）公开号为201010502838的专利公布了一种制作地质力学模型的分层拆卸压实实验装置，该装置仅可用于压制不含洞腔的实心模型体，无法制作变截面立体洞腔体三维模型。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种成型迅速、形状准确、设备简单、施工操作简便的变截面立体洞腔模型制作模具及压制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种变截面立体洞腔模型制作模具，包括模腔，在模腔内上端为压力驱动装置，其特征在于：在所述的模腔内还设置有套环式压制装置，该套环式压制装置包括承压板以及套环组件，所述的套环组件包括m个内孔逐渐缩小的套环，在所述的承压板的中心设置有不小于立体洞腔模型最大横截面的孔，所述的m个套环依此可拆分的连接在承压板的孔内，所述的套环个数m为：当立体洞腔模型横截面为单一变化时，则m=n-1；当立体洞腔模型为上下对称结构，则m=n/2-1，其中n为立体洞腔模型总共压制的次数，H为立体洞腔模型的高度，h为每层压制的高度，n·h=H。

所述承压板的中间孔为圆孔，圆孔直径与拟成型洞腔的最大直径相等，在圆孔内表面设有螺栓连接孔，所述的套环组件与承压板采用螺栓连接。

所述套环组件的各层套环通过变截面螺栓依次相连。

所述变截面螺栓的螺杆直径依次阶梯式减小，各段螺栓杆长度分别与承压板及各层套环内部的连接孔长度相等。

采用变截面立体洞腔三维模型制作模具压制变截面立体洞腔的方法，其特征在于：

步骤为：

1）将含孔承压板组装完整，利用其压制模型至拟成型洞腔底部位置；

2）将洞腔模具置于压制模型的适当位置；

3）在洞腔周围添加一层材料，采用套环式压式装置将其压实；

4）通过拆卸变截面螺栓卸下一层套环，然后用次一级的变截面螺栓将承压板其余部分重新组装，进行下一层相似材料模型的压制；重复上述过程压制模型，直至洞腔中部；

5）当模型压制高度超过洞腔最大直径截面时，需把第4）步中拆卸下的套环依次与套环式承压板重新组装，以压制洞腔最大直径截面以上部分模型；压制模型直至洞腔顶部，以完成整个洞腔模型的制作，同时使洞腔保持半径为2～5cm的开口；

6）将洞腔模具从洞口取出；

7）用相似材料封堵洞口，并将腔顶以上部分整个模型压制完毕。

本发明套环式压制装置由含孔承压板、套环与变截面螺栓构成。含孔承压板外边界尺寸与所压制整个模型体尺寸一致，中间开挖有圆孔，圆孔直径与拟成型变截面洞腔的最大直径D相等。所述各个套环的内径d_m分别与其相对应压制层（即当m=k时）的洞腔截面直径D_k（k为压制的某层，1≤k≤n）相一致。（当m=k时，对于单一变化洞腔，有d_m=D_k；而对于上下对称结构洞腔，当压制至中间截面前，即1≤k≤n/2时，d_m=D_k；当压制至中间截面之上，即n/2≤k≤n时，有d_m=D_n-k）。相邻套环之间通过变截面螺栓固定。通过将套环式压制装置套入洞腔模具外并与其紧密接触，来实现对腔外模型体的压制。套环可通过变截面螺栓依次拆卸。随着模型体压制高度的逐步升高，通过依次拆卸套环可增大套环式压制装置的内径，从而与洞腔模型随高度升高而增大的直径相适应，以压制该层模型。重复该过程，直到达到洞腔模具最大直径的高度处；然后利用变截面螺栓将拆卸下的套环依次重新组装至含孔承压板内，通过减小套环式压制装置的内径，与变截面立体洞腔模型的直径相适应，以压制洞腔最大截面上部的模型。直至模型体最终压制完成。所述变截面螺栓为变截面结构，其螺杆直径依次阶梯式减小，各段螺栓杆长度分别与承压板及各层套环内的连接孔长度相等。变截面螺栓分多级，次级的变截面螺栓分别由上级变截面螺栓截去最大直径段螺杆取得。通过各级变截面螺栓可实现将某级套环拆卸后，套环式压制装置其余部分的高效、便捷组装，保证了套环之间以及套环与含孔承压板之间的有效固定连接。

本发明具有如下优点：

(1)实现了变截面洞腔模型的压制，改进了真三维模型制作工艺；

(2)设备简单易制，操作方便；

(3)采用套环与主体钢板相连的设计，通过套环的拆卸，可高效、快捷地实现对变截面洞腔的压制；

(4)采用变截面螺栓的设计，可方便实现套环拆卸后对套环式压制装置其余部分的组装，高效地实现由于洞腔直径变化下模型的压制；

(5)可针对不同形状、不同尺寸的变截面洞腔或不变截面洞腔如形状简单的隧道等，具备应用范围广泛的优点；

(6)该发明方法可广泛应用于水电、交通、能源、矿山等领域地下工程地质力学模型制作，应用范围广泛。

附图说明

图1为套环式压制装置压制洞腔模型过程图； 

图2为套环式压制装置俯视图；

图3为套环式压制装置侧视图；

图4为变截面螺栓结构图。

图中，1.套环式压制装置，2.承压板，3.套环组件，4.变截面螺栓，5.洞腔模具，6.模型体，7.模型反力架，8.油压千斤顶，9模腔。

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。

如图1、2所示，一种真三维模型试验的变截面立体洞腔三位模型的制作模具，包括模腔9，在模腔9内上端为压力驱动装置油压千斤顶8，在模腔9内还设置有套环式压制装置1，该套环式压制装置1包括承压板2、套环组件3以及变截面螺栓4。承压板2为中空的钢板，外边界尺寸与所压制整个模型体尺寸一致，中间开挖有圆孔，圆孔直径与拟成型变截面洞腔的最大直径D相等。所述各个套环3的直径分别与其相对应压制层的洞腔截面直径d_k（k为压制层数）相一致。相邻套环3之间通过变截面螺栓4固定。通过将套环式压制装置1套入洞腔模具5外并与其紧密接触，来实现对腔外模型体6的压制。套环3可通过变截面螺栓4依次拆卸。随着模型体6压制高度的逐步升高，通过依次拆卸套环3可增大套环式压制装置1的内径，从而与洞腔模型随高度升高而增大的直径相适应，以压制该层模型。重复该过程，直到达到洞腔模具5最大截面直径的高度处；然后利用变截面螺栓4将拆卸下的套环3依次重新组装至含孔承压板2内，通过减小套环式压制装置1的内径，与变截面立体洞腔模型5的直径相适应，以压制洞腔最大截面上部的模型。直至模型体6最终压制完成。所述变截面螺栓4为变截面结构，其螺杆直径依次阶梯式减小，各段螺栓杆长度分别与承压板2及各层套环3内的连接孔长度相等。变截面螺栓4分多级，次级的变截面螺栓分别由上级变截面螺栓截去最大直径段螺杆取得。通过各级变截面螺栓4可实现将某级套环3拆卸后，套环式压制装置1其余部分的高效、便捷组装，保证了套环3之间以及套环3与含孔承压板2之间的有效固定连接。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

步骤为：

1）用全组合的承压板压制模型6至拟成型洞腔的腔底位置；

2）将洞腔模具5置于压制模型的适当位置。准确定位洞腔，并固定；

3）在洞腔周围铺设高为h（h由模型材料特性确定）的相似材料，然后将套环式压式装置置于模型体上，使其内表面恰好与洞腔模具外表面接触，将腔外材料压实；

4）压制模型过程中，随着模型高度的升高，洞腔尺寸的变化，调节套环式装置来压制模型。通过拆卸变截面螺栓4取下一层套环，再用次一级的变截面螺栓4将套环式压制装置2其余部分重新组装，然后在洞腔周围铺设高为h的相似材料。通过拆卸套环3从而增大套环式承压装置的内径，以与该层高内变截面立体洞腔模型5的直径相适应。保证此时套环式压制装置1内表面与洞腔模具外表面恰好接触，以进行该层模型的压制。通过油压千斤顶对压制板施加额定压力，以对其下的相似材料进行有效压实，形成模型。

5）重复上述过程，对于截面单一变化结构，直至洞腔顶部；而对于上下对称结构，则直至洞腔中心，然后需把第4步中拆卸下的套环3依次重新组装至承压板2。通过依次重新组装套环3，从而减小套环式承压装置的内径，与变截面立体洞腔模型5的该层直径相适应，以压制洞腔最大截面处上部的模型。直至洞腔顶部，以完成整个变截面立体洞腔模型5的制作；

6）模型压制完成后，使洞腔保持半径为3cm的开口，将洞腔模具从洞口取出；

7）封堵洞口，埋设相关测量仪器并将腔顶以上部分整个模型压制完毕。

设整个洞腔模型制作过程共需压制n层，每层压制层高为h。以洞腔中心为分界线，上下各需压制n/2层。由于洞腔高度为H，则有关系式n·h=H。

针对椭球体、球体等上下对称结构，套环式压制装置1上套环的个数为n/2-1（对于鸭梨状等截面单调变化结构洞腔，套环式压制装置1上套环个数则为n-1）。该设计使得当模型压制至洞腔最大直径处时（上下对称结构为第n/2层，截面单调变化结构为第n层），所有套环恰好拆卸完毕，仅靠承压板上中间圆洞与洞腔模具接触即可。各个套环的宽度由洞腔形状确定。定义最大截面处圆心为原点，x_n为原点至洞腔表面的坐标。当压制第k（k<n）层时，与洞腔模具接触的圆环宽度为（x_k-x_k-1）。

Claims (6)

1.一种变截面立体洞腔模型制作模具，包括模腔，在模腔内上端为压力驱动装置，其特征在于：在所述的模腔内还设置有套环式压制装置，该套环式压制装置包括承压板以及套环组件，所述的套环组件包括m个内孔逐渐缩小的套环，在所述的承压板的中心设置有不小于立体洞腔模型最大横截面的孔，所述的m个套环依次可拆分的连接在承压板的孔内，所述的套环个数m为：当立体洞腔模型为上下对称结构，则m= n/2-1；当立体洞腔模型横截面为单一变化时，则m=n-1，其中n·h=H，n为立体洞腔模型总共压制的次数，H为立体洞腔模型的高度，h为每层压制的高度。

2.根据权利要求1所述的变截面立体洞腔模型制作模具，其特征在于：所述承压板的中间孔为圆孔，圆孔直径与拟成型洞腔的最大直径相等，在圆孔内表面设有螺栓连接孔，所述的套环组件与承压板采用螺栓连接。

3.根据权利要求1或2所述的变截面立体洞腔模型制作模具，其特征在于：所述套环组件的各层套环通过变截面螺栓依次相连。

4.根据权利要求3所述的变截面立体洞腔模型制作模具，其特征在于：所述变截面螺栓的螺杆直径依次阶梯式减小，各段螺栓杆长度分别与承压板及各层套环内部的连接孔长度相等。

5.根据权利要求1或2所述的变截面立体洞腔模型制作模具，其特征在于：所述的压力驱动装置为油压千斤顶。

6.采用权利要求1所述的变截面立体洞腔三维模型制作模具压制变截面立体洞腔的方法，其特征在于：

步骤为：

1）将含孔承压板组装完整，利用其压制模型至拟成型洞腔底部位置；

2）将洞腔模具置于压制模型的适当位置；

3）在洞腔周围添加一层材料，采用套环式压制装置将其压实；

4）通过拆卸变截面螺栓卸下一层套环，然后用次一级的变截面螺栓将承压板其余部分重新组装，进行下一层相似材料模型的压制；重复上述过程压制模型，直至洞腔中部；

5）当模型压制高度超过洞腔最大直径截面时，需把第4）步中拆卸下的套环依次与套环式承压板重新组装，以压制洞腔最大直径截面以上部分模型；压制模型直至洞腔顶部，以完成整个洞腔模型的制作，同时使洞腔保持半径为2～5cm的开口；

6）将洞腔模具从洞口取出；

7）用相似材料封堵洞口，并将腔顶以上部分整个模型压制完毕。

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