CN102691511B - 地下工程试验模型内埋洞室的成腔装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种地下工程试验模型内埋洞室的成腔装置，包括中芯轴和若干弓形块体，所述若干相配合的弓形块体通过定位装置设置于中芯轴外部共同组成一椭球体空腔结构。使用时，先将成腔装置固定在设计位置，当模型材料分层填埋到装置相应位置时分别将销杆和环箍取出。当材料分层填埋到洞口时将中芯轴抽出，然后再抽出任意一块B型弓形块体即可将其它块体全部取出，从而在模型内部形成内置洞腔。本发明解决了内置洞腔无法开挖成型的技术难题，具有结构简单，成本低廉，易于组装、拆卸方便、可重复使用等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种成腔装置，尤其是一种在能源、资源和国防工程领域的深部地下工程试验模型中内埋洞室的成腔装置。
背景技术
目前近年来，随着国民经济的持续发展和西部大开发战略的实施，水利、水电、能源、交通、国防等大型工程的开发已成为我国经济建设的重点。许多大型水利水电工程、能源工程、交通工程以及国防工程正在逐步兴建。这些大型工程建设项目涉及许多有关岩体强度破坏、变形失稳以及加固处理的问题。对于这些复杂的问题，一方面要借助理论分析、计算机数值模拟方法去研究；另一方面，更多要借助地质力学模型试验手段来解决。地质力学模型试验在基本满足相似原理的条件下能更真实地反映地质构造和工程结构的空间关系。
如何在地质力学模型试验中实现内埋洞室的成腔问题是许多大型地下隐埋工程地质力学模型试验能否成功的关键。目前，关于地质力学模型试验洞室的成腔方法主要有人工开挖和预制块砌筑两种方法。人工开挖主要使用钻机人工钻凿形成洞室，人工开挖难以控制开挖断面形状，并且对于模型内部的内埋洞室无法采用人工开挖方法成腔。预制块砌筑成腔易造成洞腔内壁形成接缝，对试验结果影响较大。
目前国内外对试验模型洞室的成腔装置的研究现状如下：
（1）《岩石力学与工程学报》2004年第2期介绍了一种隐蔽开挖模拟系统，包括隐蔽开挖三级定位系统、微型步进式掘进机和隐蔽洞室内窥系统。该系统要在开挖出主洞室的基础上进行隐埋洞室的开挖，对于特殊形态的洞室该系统难以精确控制其形状。
（2）《岩石力学与工程学报》2008年第8期介绍了高地应力下洞室稳定性的地质力学模型试验研究，其洞室开挖采用钻机人工钻凿，开挖时配备内窥可视摄像系统实时监控深埋洞室群开挖掘进过程。该钻机只能用于通透洞室的开挖且其开挖断面形状固定。
（3）《岩石力学与工程学报》2009年第9期介绍了深部巷道模型试验开挖的人工钻凿方法，使用钻机进行全断面分步开挖。该方式适用于地下通透式开挖，所成巷道截面形状一致，无法在隐埋洞室的成腔中使用。
（4）《岩土力学》2009年第12期介绍了一种盐岩储气库的模型试验，该试验在模具内浇筑原材料最后将表面修平成型，用来模拟腔体的水平截面。该模具只能用来进行平面应变问题的研究无法进行内埋洞室的成腔。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种结构简单，成本低廉，易于组装、拆卸方便、可重复使用的地下工程试验模型内埋洞室的成腔装置。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种地下工程试验模型内埋洞室的成腔装置，包括中芯轴和若干弓形块体，所述若干相配合的弓形块体通过定位装置设置于中芯轴外部共同组成一椭球体空腔结构。
所述定位装置包括位于中芯轴和弓形块体上相对应的定位销孔，以及定位销杆和环箍，若干相配合的弓形块体通过穿过芯轴和弓形块体上的定位销孔的定位销杆设置于中芯轴外部，椭球体空腔结构外部最大横截面处套有可拆卸的不锈钢环箍。
所述弓形块体包括横截面为楔状的A型弓形块体和B型弓形块体，所述定位销孔设置于每个A型弓形块体和B型弓形块体的中间位置以上部位。
所述A型弓形块体的横截面内侧弧长小于外侧弧长，其横截面为变截面，横截面尺寸由中间向两端逐渐减小。
所述B型弓形块体的内侧弧长大于外侧弧长；其横截面形状为轴对称，横截面左右两边与过圆心的直径成12°夹角。
所述环箍采用不锈钢材料制作，中芯轴、定位销杆和弓形块体均采用木材制作。
所述椭球体空腔结构上的A型弓形块体和B型弓形块体按照依次间隔的顺序排列镶嵌组合在一起。
所述中芯轴为倒六棱锥台结构，其底面为部分椭球面；中芯轴每个锥面与顶面夹角都为89°，其横截面为变截面正六边形，中芯轴横截面尺寸由上到下逐渐变小。
使用时，先将成腔装置固定在设计位置，当模型材料分层填埋到装置相应位置时分别将销杆和环箍取出。当材料分层填埋到洞口时将中芯轴抽出，然后再抽出任意一块B型弓形块体即可将其它块体全部取出，从而在模型内部形成内置洞腔。本发明解决了内置洞腔无法开挖成型的技术难题。
本发明具有如下优点：
（1）构造简单、操作方便、价格低廉。所使用的中芯轴和弓形块体都是由木材加工而成，价格低，很具有经济优势。
（2）组装、拆卸方便。整个装置只是通过定位销杆和环箍紧固，因此，在组装成型和抽拔成腔的时候节省了时间、提高了试验效率。
（3）木模采用楔形结构，容易抽拔成型，抽拔所形成的腔体形状规则、内壁光滑。
（4）装置可以重复使用，降低了试验成本。洞腔形成后取出的块体还可重新组装成型进行新的模型试验。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是成腔装置的横截面图；
图3是中芯轴结构示意图；
图4是A型弓形块体正视图；
图5是A型弓形块体侧视图；
图6是A型弓形块体横截面图；
图7是B型弓形块体正视图；
图8是B型弓形块体侧视图；
图9是B型弓形块体横截面图；
其中，1.中芯轴，2.A型弓形块体，3.B型弓形块体，4.定位销杆，5.环箍，6.定位销孔。
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1-9所示，中芯轴1上设有18个定位销孔6，中芯轴1与环绕在周围的A型弓形块体2和B型弓形块体3组成椭球体空腔结构，弓形块体包括A型弓形块体2和B型弓形块体3两种共18块，按照ABA的顺序环绕在中芯轴1周围。每个弓形块体上都设有定位销孔6并通过定位销杆4固定在中芯轴1上。在椭球体空腔结构外部中间最大截面处设有尺寸可调节的环箍5将所有块体箍紧。
中芯轴1为倒六棱锥台形式，其底面为部分椭球面，中芯轴每个锥面与顶面夹角都为
89°，其横截面为变截面正六边形，横截面尺寸由上到下逐渐变小。
A型弓形块体2和B型弓形块体3上设有定位销孔6，定位销杆4穿过A型弓形块体2和B型弓形块体3上和中芯轴6上的定位销孔6将二者固定在一起。A型弓形块体2的横截面为变截面，A型弓形块体2的横截面尺寸由弓形块中间向两端逐渐减小。B型弓形块体3的横截面形状为轴对称，其横截面左右两边与过圆心的直径成12°夹角。左右两块A型弓形块体2与中间的B型弓形块体3镶嵌在一起形成横截面为1/6圆环的中空球体。
Claims (4)
1.一种地下工程试验模型内埋洞室的成腔装置，其特征在于：包括中芯轴和若干弓形块体，所述若干相配合的弓形块体通过定位装置设置于中芯轴外部共同组成一椭球体空腔结构；
所述定位装置包括位于中芯轴和弓形块体上相对应的定位销孔，以及定位销杆和环箍，若干相配合的弓形块体通过穿过中芯轴和弓形块体上的定位销孔的定位销杆设置于中芯轴外部，椭球体空腔结构外部最大横截面处套有可拆卸的不锈钢环箍；
所述弓形块体包括横截面为楔状的A型弓形块体和B型弓形块体，所述定位销孔设置于每个A型弓形块体和B型弓形块体的中间位置以上部位；
所述A型弓形块体的横截面内侧弧长小于外侧弧长，其横截面为变截面，横截面尺寸由中间向两端逐渐减小；
所述B型弓形块体的内侧弧长大于外侧弧长；其横截面形状为轴对称，横截面左右两边与过圆心的直径成12°夹角。
2.根据权利要求1所述的地下工程试验模型内埋洞室的成腔装置，其特征在于：所述环箍采用不锈钢材料制作，中芯轴、定位销杆和弓形块体均采用木材制作。
3.根据权利要求1所述的地下工程试验模型内埋洞室的成腔装置，其特征在于：所述椭球体空腔结构上的A型弓形块体和B型弓形块体按照依次间隔的顺序排列镶嵌组合在一起。
4.根据权利要求1所述的地下工程试验模型内埋洞室的成腔装置，其特征在于：所述中芯轴为倒六棱锥台结构，其底面为部分椭球面；中芯轴每个锥面与顶面夹角都为89°，其横截面为变截面正六边形，中芯轴横截面尺寸由上到下逐渐变小。
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