CN102508316A - 用于真三维模型试验的立体洞腔模型成型方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于真三维模型试验的立体洞腔模型成型方法及装置。洞腔成型采用体内蜡质模型熔化抽液成型法，具体方法是：制作与拟成型洞腔尺寸一致的蜡质模型，在蜡质模型体内预置加热棒与导液管；将蜡质模型包裹在乳胶囊内；将外部裹有乳胶囊的蜡质模型置于拟成型洞腔的相应位置，并在洞腔顶部预留孔；加热棒通电，使蜡质模型逐渐熔化并将蜡液抽出模型体外；将加热棒、导液管与乳胶囊通过预留孔依次取出，然后用相似材料封闭预留孔，使模型最终成型。通过该方法最终制作成尺寸准确、位置精确、形状符合实际工程的立体洞腔三维地质力学模型。该方法具有高效、快捷、经济、设备操作简单、洞腔成型速度快等优点。

Description

用于真三维模型试验的立体洞腔模型成型方法及装置
技术领域
本发明涉及一种用于真三维模型试验的立体洞腔模型成型方法及装置。
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。
目前国内外关于立体洞腔模型的制作是一个难点，成为制约三维地质力学模型试验技术进步的瓶颈。对于具有洞口的、形状较单一的地下洞穴如铁路/公路隧道、煤矿巷道等，一般采用制作实心模型而后人工开挖，使隧道成型的方式解决。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、核废料地下储存库等洞穴，具备椭球状、鸭梨状等立体形状，其尺寸上窄下宽且不具有开放式洞口，因此用常规的预置实心模型而后人工开挖洞室的方式无法实现洞腔的成型，成为制约地质力学模型试验技术对立体型地下洞室进行有效模拟的障碍。
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，无法对立体洞腔进行有效成型。
（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，无法对立体洞腔进行有效成型。
（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，无法对立体洞腔进行有效成型。
（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，无法对立体洞腔进行有效成型。
（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，无法对立体洞腔进行有效成型。
 
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种形状模拟准确、位置精确、成型迅速、设备简单、施工操作简便的一种用于真三维相似材料模型试验的立体洞腔模型成型方法及其装置。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种用于真三维相似材料模型试验的立体洞腔模型成型方法，
步骤为：
1）制作与拟成型洞腔尺寸一致的蜡质模型（蜡模），在其体内预置加热棒与导液管；
2）将蜡质模型包裹在乳胶囊内；
3）在模型反力架内铺设相似材料，以压制三维相似材料模型；当模型体填筑至洞腔底部位置时，将外部裹有乳胶囊的蜡质模型置于拟成型洞腔的相应位置；
4）在蜡质模型周围铺设模型相似材料，继续压制三维模型，直至使蜡质模型完全置于整个三维模型体内，并在洞腔顶部预留孔；
5）将内置于蜡质模型体内的加热棒通电，使蜡质模型逐渐熔化；
6）通过导液管将熔化的蜡液排出模型体外，直至最终排放干净；
7）将加热棒、导液管、乳胶囊从预留孔依次取出，并用相似材料封闭预留孔，使立体洞腔模型最终成型。
所述乳胶囊由乳胶灌注而成，其形状尺寸与蜡质模型完全一致。乳胶囊隔热性能良好，其作用为在蜡质模型导热熔化过程中防止熔液与模型体材料接触，以免对材料特性造成干扰。
所述加热棒由不锈钢制成，其通过导线与外部电源相连，用于洞腔成型后蜡质洞腔模型的熔化。
所述导液管由聚四氟乙烯材料制成的细导管，具备良好隔热性，其在模型外部与抽液泵相连，用于将熔化的蜡液排出模型体外。
所述抽液泵为电动式抽液泵，通过导液管将熔化的蜡液抽取并排出模型体外。
所述立体洞腔成型装置由蜡质模型、乳胶囊、加热棒、导液管、抽液泵、导线以及电源构成。蜡质模型由石蜡熔化而成，其形状、尺寸与洞腔模型完全一致，用于拟建洞腔的成型。蜡质模型制作过程中，将不锈钢加热棒和聚四氟乙烯制成的导液管预置在其内部。加热棒为不锈钢制成，具有通电导热的作用。其温度可达60-80。C，足以使其接触的蜡质模型熔化。加热棒通过导线与蜡质模型外部的电源相连，其通电后可将蜡质模型逐渐熔化。导液管由聚四氟乙烯管，具有良好隔热性与耐高温的性能，其在模型外部与抽液泵相连，是将熔化的蜡液排出模型体外的通道。抽液泵为电动式，与电源相连，其通电后通过导液管将熔化的蜡液抽取并排出模型体外。乳胶囊由乳胶灌注而成，其形状尺寸与蜡质模型完全一致，其隔热性能良好将制成的蜡质模型裹入乳胶囊中，以防止其熔化时蜡液侵入模型材料体内而造成干扰。
本发明具有如下优点：
(1)保证了洞腔模型体的洞腔位置精确、形状尺寸准确符合实际工程，使模型满足设计要求；
(2)设备简单易制，操作方便、高效、快捷；
(3)可针对不同形状、不同尺寸的各种立体洞腔，也可应用于形状单一的隧道等地下结构，具备应用范围广泛的优点；
(4)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为立体洞腔模型制作流程图； 
图2为立体洞腔模型成型装置及其成型详细过程图；
图中，1.蜡质洞腔模型，2.乳胶囊，3.加热棒，4.导线，5.导液管，6.抽液泵，7.电源，8.相似材料模型。
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三维洞腔模型制作方法及其设备。
制作方法步骤为：
1）制作与拟成型洞腔尺寸一致的蜡质模型（蜡质模型）1，在其体内预置加热棒与导液管5；
2）将蜡质模型1包裹在乳胶囊2内。
3）在模型反力架9内铺设相似材料，以压制三维相似材料模型8。当模型体8填筑至洞腔底部位置时，将外部裹有乳胶囊的蜡质模型1置于拟成型洞腔的相应位置；
4）在蜡质模型1周围铺设模型相似材料，继续压制三维模型8，直至使蜡质模型1完全置于整个三维模型体8内，并在洞腔顶部预留直径2～5cm开孔，一般直接选取3cm；
5）将内置于蜡质模型1体内的加热棒通电，加热棒3温度保持在60oC左右。由于蜡的熔点在58oC，故在该温度下将缓慢熔化；
6）同时开启电动抽液泵6，使熔化的蜡液通过导液管5缓慢排出模型体外，直至最终排放干净；
7）关闭电源7并将加热棒3、导液管5、乳胶囊2从预留孔依次取出，并用相似材料封闭开孔，使立体洞腔模型最终成型。
所述立体洞腔成型装置由蜡质模型1、乳胶囊2、加热棒3、导线4、导液管5、抽液泵6以及电源7构成。蜡质模型1由石蜡熔化而成，其形状、尺寸与洞腔模型完全一致，用于拟建洞腔的成型。蜡质模型1制作过程中，将加热棒3和聚四氟乙烯制成的导液管5预置在其内部。加热棒3为不锈钢制成，具有通电导热的作用。其温度可达60-80。C，足以使其接触的蜡质模型1熔化。加热棒3通过导线4与蜡质模型1外部的电源7相连，其通电后可将蜡质模型7逐渐熔化。导液管5由聚四氟乙烯管，具有良好隔热性与耐高温的性能，其在模型外部与抽液泵6相连，是将熔化的蜡液排出模型体外的通道。抽液泵6为电动式，与电源7相连，其通电后通过导液管5将熔化的蜡液抽取并排出模型体外。乳胶囊2由乳胶灌注而成，其形状尺寸与蜡质模型完全一致，其隔热性能良好将制成的蜡质模型1裹入乳胶囊2中，以防止其熔化时蜡液侵入模型材料体内而造成干扰。

Claims (3)

1.一种用于真三维模型试验的立体洞腔模型成型方法，其特征在于：
步骤为：
1）制作与拟成型洞腔尺寸一致的蜡质模型，在蜡质模型体内预置加热棒与导液管；
2）将蜡质模型包裹在乳胶囊内；
3）在三维相似材料模型压制过程中，将外部裹有乳胶囊的蜡质模型置于拟成型洞腔的相应位置；
4）在蜡质模型周围铺设模型相似材料，来压制三维模型，直至使蜡质模型完全置于整个三维模型体内，并在洞腔顶部预留孔；
5）将内置于蜡质模型体内的加热棒通电，使蜡质模型逐渐熔化；
6）通过导液管将熔化的蜡液抽出模型体外，直至最终排放干净；
7）将加热棒、导液管与乳胶囊通过预留孔依次取出，然后用相似材料封闭预留孔，使模型最终成型。
2.根据权利要求1所述的立体洞腔模型成型方法，其特征在于：所述的预留孔的直径为2～5cm。
3.一种用于权利要求1所述的立体洞腔模型成型方法的装置，其特征在于：包括蜡质模型、乳胶囊、加热棒、导液管、电源以及抽液泵，所述的加热棒和导液管设置在蜡质模型内，加热棒外部与电源连接，导液管外部与所述的抽液泵连接，所述的乳胶囊包裹在蜡质模型内。
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