CN104297011B - 高脆性透明类岩石材料试件中洞室的成型和空间定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高脆性透明类岩石材料试件中洞室的成型和空间定位方法，包括预置洞室模具的制作和洞室的定位、成型，利用调好的类岩石树脂材料，依据试件模具和洞室模具浇铸制作出不同形式的节理岩体地下洞室试件。包括蹄型和圆形的两种洞室模具，模具由PVC材料做的软橡皮构成。通过对洞室模具在试件模具的位置、大小定位，在材料浇入试件模具后，经过仔细的温度控制和特定的脱模技术，便可制作出优质的节理岩体地下洞室试件。本发明的类岩石透明地下洞室结构，使试件易于观察节理岩体地下洞室在受压后裂隙扩展和破裂规律。可以定性的确定地下洞室的位置和大小，解决了洞室试验中变形不易观察，洞室大小、位置不易控制的难题。

Description

高脆性透明类岩石材料试件中洞室的成型和空间定位方法

技术领域

本发明涉及一种岩石力学相似试验透明材料模型中含节理岩体地下洞室的成型和空间定位方法。

背景技术

节理岩体地下洞室的力学破坏过程和内部的裂隙扩展一直是工程地质方面研究的重点和难点。能够观察到洞室的力学破坏整个过程和规律是试验研究的关键点。选用一种高透明性的类岩石材料，在此材料中预置形成所需的洞室来模拟实际的工程地质条件，能够准确地定位洞室和观察到节理岩体地下洞室的受力变形特征。

地下洞室模型试验于20世纪70年代末期80年代初期得到了空前的发展和广泛的应用,也是由于工程地下工程的需要而发展起来的。到目前为止，国内外很多学者都对地下工程模型试验进行研究，利用砂浆等材料进行地下洞室模型试验，通过光弹性法、激光散斑、照相法、CCD画像处理法、光学照相法等取得试验结果。他们所采用的材料均属于砂浆型材料非透明性材料，地下洞室的破坏形态等试验结果只能通过应力砖及仪器等设备间接的反应，难于观察内部破坏的全过程，从而影响实验结果的准确性和真实性。可见，多年来实时观察洞室变化规律的试验一直都存在较严重的不足。

因岩体工程中洞室周边普遍含有许多节理和断面，它们强烈地影响着洞室的变形特性。所以节理岩体洞室的破坏规律一直是岩石力学研究的重点内容之一。目前，室内试验则是研究节理岩体洞室的主要研究手段。室内试验洞室的成型通常是在铸好岩体后再挖洞室，所以洞室在岩体中的定位、洞室的大小和洞室与节理的相对位置是试验成功与否的关键。由于利用透明类岩石材料模拟实际工程中节理岩体洞室的技术有相当难度，预置洞室并能较好的实现洞室与节理相对位置的试验，尚未有人做过。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种塑性好、易于成型、易于脱模的高脆性透明类岩石材料试件中洞室的成型和空间定位方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种高脆性透明类岩石材料试件中洞室的成型和空间定位方法，包括：

A、软橡皮洞室模具的制备

软橡皮洞室模具是由PVC材料制备的一种表面光滑，易于切割的软橡皮，高低温条件下物理性质不发生改变；

软橡皮洞室模具的制作步骤为：

(1)材料选取

预置洞室选取PVC软橡皮材料，与其他材料(如金属，玻璃树脂等)相比，PVC软橡皮塑性好，切割后表面光滑，切割易成型，不与浇注树脂相容，方便试件凝固后模具脱模；

(2)模型切割

将选好的材料按设计要求切割、粘合出所需尺寸的圆柱形洞室模具和/或蹄型洞室模具；

B、洞室定位和成型

(1)试件模具即是预置洞室的定位装置，在试件模具底侧板面和左右两侧板面上画出洞室在各板面的投影点；利用强力胶将步骤A制备的软橡皮洞室模具竖直粘于底侧板面上的投影点上，起到准确定位的效果，能够预置出不同大小形态，位置的洞室；

(2)软橡皮洞室模具的可塑性好，利用针线牵引在洞室的周围预设各种位置的节理，包括贯通节理、非贯通节理以及与洞轴向夹角不同的节理，形成符合工程地质条件的节理岩体地下洞室；具体如下：

在试件模具左右两侧板面的投影点以及软橡皮洞室模具相对应处分别钻出两个小孔，然后用柔软的棉线顺次穿过每个小孔和软橡皮洞室模具，用来固定节理从而脱模后形成洞室的贯穿节理；

(3)量取和配置类树脂材料，浇注试件；浇注时为避免洞室模具周边有气泡，应顺着洞室模具将树脂材料流入试件模具；待试件具有一定强度后先将试件模具除去，然后用凿子慢慢将洞室模具取出，将试件洗净、除污；

(4)脱模后试件放入恒温为70℃恒温鼓风干燥箱养护48小时，这样就完成地下节理岩体洞室的全部制作过程。

所述蹄型洞室采用强力胶将PVC软橡皮材质的半圆柱黏贴于一PVC软橡皮材质的长方体的一侧面上形成一个整体。

所述软橡皮洞室模具在放置前先确定好洞室的空间位置，然后在50°左右温度下放置一天，待胶完全凝固后，利用强力胶将所述洞室模具竖直粘于底侧板面上的投影点上。

所述试件模具包括由5块完全透明的有机玻璃板组成一上部开口的方形盒体，并通过有机绝缘硅脂密封形成一个整体。

本发明是在岩石力学研究领域中，将PVC材料制作的软橡皮运用于研制地下洞室模型试件。PVC制作的软橡皮在高温和低温情况下具有良好的弹性和体积及形状不变性，在试件的浇筑过程中表面光滑不与试件材料相容，并且容易切割，在试件的整个制作过程中软橡皮的物理性质和化学性质不会改变。将软橡皮切割成需要的洞室形状固定于试件模具中，然后浇筑类岩石树脂材料，最后待温度控制结束，经过脱模技术将软橡皮从试件中取出，即形成了脆性透明类节理岩体洞室试件。

洞室模具和空间定位技术。洞室的模具即是形成试件洞室的装置，由一个完整的PVC材料切割和粘合而成需要的洞室形状和大小。根据实验需要切取给定大小的洞室，通过在试件模具的底部涂抹强力胶将洞室固定于试件模具中，起到准确定位洞室位置和大小的效果，然后在50°左右温度下放置一天后，浇筑树脂可以制作出不同形态的地下洞室岩体试件。

本发明的类地下洞室结构，配合前人发明的类岩石材料和配套模具(CN 103773056A)，使试件易于观察节理岩体地下洞室在受压后裂隙扩展和破裂规律。如此制备出的试件结构，可以定性的确定地下洞室的位置和大小，解决了洞室试验中变形不易观察，洞室大小不易控制的难题。比前人多年来的工程地质结构模型试验有了重大的进步和突破。

本发明应用的洞室成型技术具有易定位、易于成型、易于观察节理岩体地下洞室破裂规律等特点；洞室模具结构简单、脱模方便，洞室大小形态容易控制；洞室定位技术能够准确的定位预置洞室和成型准确洞室形态；解决了可以实时观察到节理岩体洞室力学破坏规律的关键技术，对前人的工作大大推进了一步。

附图说明

图1是尺寸不同的洞室模具；

图2a、图2b分别是洞室模具的定位不同方位图；

图3a、图3b是待拆模的洞室试件不同方位图；

图4a、图4b是已制作完成的节理岩体地下洞室试件不同方位图；

图5a、图5b是含节理非贯穿洞室破坏过程不同方位图，即本发明的效果图；

图6a、图6b、图6c是含节理贯穿洞室破坏不同方位图，即本发明的效果图。

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。

实施例1：贯通型蹄型贯穿节理洞室试件制作如下：制作10mm*10mm*7mm的方形软橡皮一块，10mm*7mm的半圆柱一块，通过强力胶形成一个整体(如图1中的蹄型洞室)，以此来确定洞室的大小；将蹄型洞室用强力胶粘于底部面板，在胶粘前在试件模具底侧板面和左右两侧板面上画出洞室在各板面的投影点，以此来确定好洞室的空间位置，然后在50°左右温度下放置一天，待胶完全凝固。在尺寸为50mm*100mm的处于对面的两块板上，用小型钻机分别钻出两个小孔，然后用柔软的棉线顺次穿过每个小孔和软橡皮，用来固定节理从而脱模后形成洞室的贯穿节理(如图2b中所示)。然后给洞室模具涂上脱模剂，方便试件制作完成后洞室的成型和透明性。

接着，量取和配置类树脂材料，浇注试件。

试件原材料包括CY-39型树脂和YS-T31型的固化剂，两者的质量比100:34或体积比100:41；具体步骤为：

(1)材料称量

按照配合设计要求称量好试验原材料：树脂和固化剂；

(2)材料拌合

将树脂和固化剂按配合比倒入搅拌筒中，用玻璃棒不断搅拌使之充分混合形成混合料，搅拌时应着重注意容器底部及侧壁位置的材料，应使该部位材料也充分混合，然后放入真空箱中做除气泡处理半小时；

(3)浇注成型和养护

把试件模具置于工作台上，将步骤(2)制备并处理的混合料用玻璃棒引流入模具中浇注成型；浇注时为避免洞室模具周边有气泡，应顺着洞室模具将树脂材料流入试件模具，浇注后将试件模具放入真空箱中做除气泡处理20～25分钟，然后放入18℃恒温鼓风干燥箱养护36～40小时；当具备了大于50MPa力学强度后即拆去试件模具(如图3b)；然后用凿子慢慢将洞室模具取出，将试件洗净、除污。脱模后试件放入恒温为70℃恒温鼓风干燥箱养护48小时，这样就完成地下节理岩体洞室的全部制作过程，得到的节理岩体洞室试件如图4a。

试件模具包括由5块完全透明的有机玻璃板组成一上部开口的方形盒体，并通过有机绝缘硅脂密封形成一个整体。

实施例2：

与实施例1不同的是采用如图1所示的圆型洞室，其余与实施例1相同。

一般工程模型试验都是应用注浆等方法，其材料不具有透明性，大多试验成果只能同过传感仪、测试仪等设备间接的反应洞室的变化规律，并且只能反应特定点的力学特性，不能够给出整个破裂的形态和清晰的内部破裂图片；而且多数试验都是在注浆整个岩体后再行挖洞，这样的洞室不但位置定位不准确而且洞室形态不好控制，挖出的洞室与实际相差甚远，不能够真实的反应实际工程，并且节理与洞室的相对位置不好控制。而本发明的采用PVC软橡皮材料应用于节理岩体洞室试件制作后易于成型和定位，再辅以预置的节理片就可制作成符合工程地质条件的节理岩体地下洞室。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种高脆性透明类岩石材料试件中洞室的成型和空间定位方法，其特征是，包括：

A、软橡皮洞室模具的制备

软橡皮洞室模具是由PVC材料制备的一种表面光滑，易于切割的软橡皮，高低温条件下物理性质不发生改变；

软橡皮洞室模具的制作步骤为：

(1)材料选取

预置洞室选取PVC软橡皮材料，PVC软橡皮塑性好，切割后表面光滑，切割易成型，不与浇注树脂相容，方便试件凝固后模具脱模；

(2)模型切割

将选好的材料按设计要求切割、粘合出所需尺寸的圆柱形洞室模具或蹄型洞室模具；

B、洞室定位和成型

(1)试件模具即是预置洞室的定位装置，在试件模具底侧板面和左右两侧板面上画出洞室在各板面的投影点；利用强力胶将步骤A制备的软橡皮洞室模具竖直粘于底侧板面上的投影点上，起到准确定位的效果，能够预置出不同大小形态，位置的洞室；

(2)软橡皮洞室模具的可塑性好，利用针线牵引在洞室的周围预设各种位置的节理，包括贯通节理、非贯通节理以及与洞轴向夹角不同的节理，形成符合工程地质条件的节理岩体地下洞室；具体如下：

在试件模具左右两侧板面的投影点以及软橡皮洞室模具相对应处分别钻出两个小孔，然后用柔软的棉线顺次穿过每个小孔和软橡皮洞室模具，用来固定节理从而脱模后形成洞室的贯穿节理；

(3)量取和配置类树脂材料，浇注试件；浇注时为避免洞室模具周边有气泡，应顺着洞室模具将树脂材料流入试件模具；待试件具有一定强度后先将试件模具除去，然后用凿子慢慢将洞室模具取出，将试件洗净、除污；

(4)脱模后试件放入恒温为70℃恒温鼓风干燥箱养护48小时，这样就完成地下节理岩体洞室的全部制作过程。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述蹄型洞室采用强力胶将PVC软橡皮材质的半圆柱黏贴于一PVC软橡皮材质的长方体的一侧面上形成一个整体。

3.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述软橡皮洞室模具在放置前先确定好洞室的空间位置，然后在50°左右温度下放置一天，待胶完全凝固后，利用强力胶将所述洞室模具竖直粘于底侧板面上的投影点上。

4.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述试件模具包括由5块完全透明的有机玻璃板组成一上部开口的方形盒体，并通过有机绝缘硅脂密封形成一个整体。

5.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述配置的类树脂材料的原材料包括CY-39型树脂和YS-T31型的固化剂，两者的质量比100:34或体积比100:41；具体步骤为：

(1)材料称量

按照配合设计要求称量好试验原材料：树脂和固化剂；

(2)材料拌合

将树脂和固化剂按配合比倒入搅拌筒中，用玻璃棒不断搅拌使之充分混合形成混合料，搅拌时应着重注意容器底部及侧壁位置的材料，应使该部位材料也充分混合，然后放入真空箱中做除气泡处理半小时；

(3)浇注成型和养护

把试件模具置于工作台上，将步骤(2)制备并处理的混合料用玻璃棒引流入试件模具中浇注成型；浇注后将试件模具放入真空箱中做除气泡处理20～25分钟，然后放入18℃恒温鼓风干燥箱养护36～40小时；当具备了大于50MPa力学强度后即拆去试件模具。