CN102507899A - 一种模拟开挖引起围岩(土)变形的实验方法及其实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种模拟开挖引起围岩(土)变形的实验方法，该实验方法采用竖直铸板法，其最主要特点是原位铸成的模板无初始应变能，不同深度上模板材料的物理、力学性质因固化压力不同而具有差异性，从而能够体现出地质体固化时压力随深度变化的条件对开挖后变形的影响，用这种方法模拟开挖引起的围岩变形位移场与实测结果比较符合；本发明有效地克服了传统水平铸板法当模板竖立后其内部体应变能和剪应变能的存在而造成模拟开挖引起的位移场和实际开挖不相符合的弊病。

Description

一种模拟开挖引起围岩(土)变形的实验方法及其实验装置
技术领域
本发明涉及一种模拟实验方法，特别涉及一种模拟开挖引起围岩(土)变形的实验方法。
背景技术
可以说，已经处在工程状态的地质体，都曾经历过开挖阶段。开挖就会引起周围地质体的变形，不同的开挖引起的变形不同。比如说，露天开挖会引起开挖坑外围的地表下沉，但是现有的模拟方法采用的是水平浇铸模板固化以后再竖直进行开挖。这种实验方法得到的结果会出现坑外地表上升的现象，这样的模拟结果显然是不符合实际的。由于传统的弹性理论认为，开挖前的地质体中存在着常驻性的自重体积力的作用，在一个半无限体中全场都出现了负的体应变，即不同深度上的每一个单元都处于被压缩状态从而积累了体应变能，因此挖去较上面的任何部分，其较下部分就会产生向上回弹变形。
广义的水平固化法，还包括常用的小模块固化法，模块作为模型体的基本单元，在平置模具内进行固结组成被开挖体。由于模块高度很小，固结过程中的自重体积力很小，接近于无压。由于在模型中堆砌高度比每个模块的高度大得多，因此，将模型架竖立进行开挖时，每个模块所受的实际压力都大于它们在各自单独固结状态下的压力，于是，从堆砌体的第二层开始，往下的所有模块单元都会在开挖前产生压缩变形，于此同时，堆砌体从竖直到开挖就已经储存了弹性变形势能，因此，开挖任意较上部分，下剩部分就会发生回弹变形，每个参照点就会出现竖直向上的位移分量，因此不能正确模拟出开挖引起的位移场。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有的模拟开挖方法中由于铸模方法存在弊端而使得实验结果与实际不符的不足，从而提供一种有效的开挖引起位移场的模拟方法及其模拟装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：为解决上述技术问题，一种模拟开挖引起围岩(土)变形的实验方法，该方法包括以下步骤：
(1)将实验装置安装完毕后竖直放置在水平台面上，装置开口朝上；
(2)把重量比为3∶5∶12的明胶、甘油和水的混合物加热至熔融状态，待其温度下降到快要凝固的一个较低温度时，倒入实验装置内；
(3)待装置内的液体固化成一个具有光弹性的软材料模板时，将装置平放，先将较上面的一块玻璃板与其下的模板分离，然后按照实验模型设计的开挖条件，用薄刀片沿开挖线切去模板的被开挖部分，并在较上面玻璃板下表面涂抹甘油后安装复位，再翻转装置用同样方法分离另一块玻璃板并涂抹甘油后安装复位，最后使装置重新恢复竖直状态；
(4)模型在自重体积力的作用下会呈现出开挖引起的变形，用描图法可以对比开挖前、后的不同从而得到开挖引起的围岩变形。
本发明的一种模拟开挖引起围岩(土)变形的实验装置，包括：两块相同的矩形玻璃板，所述两块玻璃板之间用相同厚度的三根木板支撑矩形的三个边。
所述两块玻璃板均经过钢化处理，且边缘设有螺丝插孔。
所述两块玻璃板与木板用固定螺丝旋紧固定。
本发明所产生的有益效果是：本发明一种模拟开挖引起围岩(土)变形的实验方法及其实验装置，采用了竖直铸板法进行模型体的制备，克服了以往水平铸板法的模型材料在物理力学性质上不具有深度上差异并导致不能正确反映实际位移方向和相对大小的不足，本实验方法不但能够准确反映地质体固化时压力随深度的变化规律，而且能够较好的保持原来围岩物理力学性状随深度变化的规律，如模板中没有初始应变能，因而开挖不会引起挖坑外地表上升等。
本发明的目的、特征及优点将通过优选的实施例结合附图加以说明。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明。
图1为本发明模拟开挖引起围岩(土)变形的实验装置的一实施例总体结构正视图；
图2为本发明模拟开挖引起围岩(土)变形的实验装置的一实施例总体结构侧视图；
附图标示：
玻璃板1                  固定螺丝2                     木板3
具体实施方式
参照附图，将详细叙述本发明的具体实施方案。
制作一模拟开挖引起围岩(土)变形的实验装置，如图1和图2所示；将玻璃板1和木板3通过固定螺丝2安装成深槽样式的实验装置，木板3夹于两块玻璃板1之间，安装好以后将装置开口朝上放置于室内一水平台面上。如果木板3接口处有缝隙，应加塞薄木楔封堵。另外，最好在两玻璃板外侧沿固定螺丝2分布方向加装与内撑木板宽度相当的外压木条，以降低固定螺丝2处的应力集中程度。
利用上述实施例制作的模拟开挖引起围岩(土)变形的实验装置进行现场实验时的具体步骤如下：
(1)将重量比为3∶5∶12的明胶、甘油和水的混合物放入一个容器中，用热水加热此容器，使混合物熔融，持续半小时后停止加热，待熔融体降至接近凝固点的一个较低温度时将其倒入实验装置内；
(2)待装置内的液体固化成一个具有光弹性的软材料模板时，将装置平放，先将较上面的一块玻璃板与其下的模板分离，然后按照实验模型设计的开挖条件，用薄刀片沿开挖线切去模板的被开挖部分，并在较上面玻璃板下表面涂抹甘油后安装复位，再翻转装置用同样方法分离另一块玻璃板并涂抹甘油后安装复位，最后使装置重新恢复竖直状态；
(3)模型在自重体积力的作用下会呈现出开挖引起的变形，用描图法可以对比开挖前、后的不同从而得到开挖引起的围岩变形。
根据本发明模拟自重体积力作用下开挖引起围岩(土)变形的实验方法，不仅可以进行模型体的光弹性测量，也可以研究结构面的力学效应。更重要的是有效地避免了用传统方法模拟露天开挖会引起周围地面上升的现象出现，并且能在较高程度上反映岩(土)体各部位位移矢量的方向和相对大小，经过多次实验证明，此方法操作简单，结果可靠。

Claims (4)

1.一种模拟开挖引起围岩(土)变形的实验方法，该方法包括以下步骤：
(1)将实验装置安装完毕后竖直放置在水平台面上，装置开口朝上；
(2)把重量比为3∶5∶12的明胶、甘油和水的混合物加热至熔融状态，待其温度下降到快要凝固的一个较低温度时，倒入实验装置内；
(3)待装置内的液体固化成一个具有光弹性的软材料模板时，将装置平放，先将较上面的一块玻璃板与其下的模板分离，然后按照实验模型设计的开挖条件，用薄刀片沿开挖线切去模板的被开挖部分，并在较上面玻璃板下表面涂抹甘油后安装复位，再翻转装置用同样方法分离另一块玻璃板并涂抹甘油后安装复位，最后使装置重新恢复竖直状态；
(4)模型在自重体积力的作用下会呈现出开挖引起的变形，用描图法可以对比开挖前、后的不同从而得到开挖引起的围岩变形。
2.一种按权利要求1所述的模拟开挖引起围岩(土)变形的实验装置，包括：两块相同的矩形玻璃板(1)，所述两块玻璃板(1)之间用相同厚度的三根木板(3)支撑矩形的三个边。
3.按权利要求2所述的模拟开挖引起围岩(土)变形的实验装置，其特征在于，所述两块玻璃板(1)均经过钢化处理，且边缘设有螺丝插孔。
4.按权利要求2所述的模拟开挖引起围岩(土)变形的实验装置，其特征在于，所述两块玻璃板(1)与木板(3)用固定螺丝(2)旋紧固定。
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