CN105096721B - 一种透明相似材料隧道模型模具及铺设方法 - Google Patents

Abstract

一种透明相似材料隧道模型模具及铺设方法，属于隧道模型模拟试验装置及方法。该模型模具各面板之间采用螺钉连接，过滤板置于模具内的底部面板之上，内部隔板的上端部通过两颗螺钉与顶部面板连接，堵头与前部面板的隧道开挖孔之间为螺纹连接，阀门与底部面板的排液孔之间为管螺纹连接。铺设方法为采用一次大批量拌料和真空吸料的方式使模型材料的脱气伴随浇注过程自动连续地进行。优点：模具六面全透明，能“全场”测量模型不同方位的内部位移；克服激光散斑存在的问题；模型加载方向与人工散斑面延展方向垂直，不会引起散斑面的畸变；模具成本低廉并可多次重复使用，拆装方便，技术经济效果明显；既省时省力又最大限度地确保了模型铺设的质量。

Description

一种透明相似材料隧道模型模具及铺设方法

技术领域

本发明涉及一种模拟试验装置及模型铺设方法，尤其适用于隧道工程模型的建模与内部可视化试验。

背景技术

对于模型试验的位移测量，与机械式和电感式测量技术相比，光学测量技术具有非接触式(对被测对象无干扰)全场量测、抗电磁等干扰的能力强、测试精度高等明显的优越性，因而得到了越来越广泛的应用。尤其是与新兴的透明相似材料模型试验相结合，可以直观而精确地测量模型内部的位移场，为全面准确地获取模型的位移场分布及演化规律创造了空前的利好条件。

目前在光学测量透明相似材料模型内部位移的试验中，最常用的方法是采用线状激光剖切模型待测面以在该面上形成激光散斑，采用数码相机按一定时间间隔采集该激光散斑面的图像，经相关软件分析处理后即可得到该面的位移场分布及随时间的演化情况。然而，激光散斑的方法存在一些明显不足。(1)激光对人眼伤害大，尤其是需要大功率激光的情况下，如稍有不慎即可致人眼盲，因而安全性较差。(2)激光散斑面的图像很容易受到散斑面与相机之间的模型材料干扰，尤其是模型透明度不佳和材料颗粒较细的情况下，造成测量准确度降低。(3)由于激光散斑与周围模型材料的对比度较弱，在高速位移的条件下获得的图像质量较差，也会造成测量精度降低。(4)激光强度随传播距离的增加而急剧减小，使得激光散斑面的光强分布不均，这也会影响测量精度。

为克服激光散斑存在的不足，可采用人工制斑的方法。该方法是在模型铺设的过程中事先在待测面上均匀地铺设较薄的一层深颜色颗粒，实验时用亮度恒定的普通光源均匀地(各部分光强一致)照亮该观测面即可获得高质量的散斑图像。这种方法虽然克服了激光散斑的不足，但对模型模具及铺设过程提出了更高的要求，而且现有的透明相似材料隧道模型试验模具都不便于模型内部人工散斑面的铺设，更未见能铺设两个正交散斑面的模具。

在透明相似材料模型的铺设方面，过去采用的方法都是将一定量的搅拌好的悬浮液倒入模具再进行抽真空脱气，不断重复此过程直至模具铺设完毕。这种方法存在三个明显缺陷：(1)为提高脱气质量，每次倒入模具的悬浮液要尽量少，相应地完成模型铺设所需重复的步骤就很多，建模速度极慢。(2)每次倒入模具的悬浮液的搅拌均匀度无法保证完全一致，而且相邻两次操作之间有较长的时间间隔，容易在相邻两次铺设的材料之间形成层理面，影响试验结果。(3)脱气过程要么采用一个容积大到足够容纳整个模具的真空箱，要么利用模具自身密封性来直接脱气，对于前者需要反复多次将整个装有相似材料的模具搬入搬出真空箱，费时费力；对于后者需要反复多次拆装模具，不仅费时费力而且容易损坏模具而影响其密封性。

发明内容

本发明的目的是要提供一种透明相似材料隧道模型模具及铺设方法，解决现有技术安全性较差、测量精度低的问题，便于直观而准确地获得隧道横断面和纵剖面的位移场分布及演化过程。

本发明的目的是这样实现的：该模型模具包括：顶部面板、前部面板、侧部面板、后部面板、底部面板、过滤板、内部隔板、堵头和阀门；上述所有面板均采用透明有机玻璃制作，各面板之间采用螺钉连接，过滤板置于模具内的底部面板之上，内部隔板的上端部通过两颗螺钉与顶部面板连接，堵头与前部面板的隧道开挖孔之间为螺纹连接，阀门与底部面板的排液孔之间为管螺纹连接。

所述的底部面板的上表面刻有一定深度的凹槽，用于汇集经过滤板渗透的液体并与排液孔导通。

所述的内部隔板7的中部对称线上钻有两个对称的深度小于板厚的螺纹孔，用于安设螺钉以作为拆除内部隔板时的操作手柄。

所述的堵头由大小二个圆柱体顺序连接而成。

所述的过滤板上有孔，孔径小于试验所用透明相似材料骨料的最小粒径。

铺设方法为：将各面板上的螺钉孔位对称布置；装配时各连接部位均涂抹密封剂；利用模具的气密性对模型材料进行脱气；采用一次大批量拌料和真空吸料的方式使模型材料的脱气伴随浇注过程自动连续地进行；其步骤如下：

步骤一：将模具的各透明有机玻璃面板及内部隔板用螺钉进行装配，在底部面板与内部隔板之间插入过滤板；将底部面板前侧的排液孔通过排气管路与真空泵的吸风口相连；采用开有穿孔的橡胶塞将隧道开挖孔堵紧，把输送透明相似材料的管路即吸料管路的一端通过橡胶塞的孔洞伸入模具内部靠近面板一侧，深度至接近后部面板的位置，另一端插入搅拌好的透明相似材料悬浮液中；

步骤二：开动真空泵通过排气管路对模具内部空间进行排气，借此透明相似材料悬浮液将通过吸料管路被吸入模具内；吸入模具内的悬浮液借助自流和人工晃动而确保上部自由面的平整；当材料充填到预定位置时关闭真空泵，完成模型第①部分的铺设；

步骤三：用干净的散斑面喷洒管路替换吸料管路，将其一端插入彩色粉末中，另一端伸入模具内距悬浮液上表面一定高度的位置，开动真空泵将彩色粉末吸入并均匀喷洒一层较薄的散斑面S1；

步骤四：将喷洒彩色散斑面的管路换为吸料管路并重复步骤二铺设模型的第②部分，为防止新吸入的悬浮液对彩色散斑面造成破坏，将管路的出料口尽量靠近散斑面；

步骤五：把模具转动90度角使侧部面板位于上部并依次拆去面板和内部隔板，及时将顶部面板上用于连接隔板的两个螺纹孔密闭，重新装上侧部面板；关闭第一排液孔处的阀门，将排气管路从该阀门卸下并连接到第二排液孔的阀门；用散斑面喷洒管路替换吸料管路，重复步骤三的方法均匀喷洒一层较薄的散斑面S2；

步骤六：重新将散斑面喷洒管路换为吸料管路，在散斑面S2上部铺设模型的第③部分，之后，拆去排气管路和吸料管路并用堵头把隧道开挖孔堵实即完成了模型的铺设过程。

有益效果，由于采用了上述方案，在模具内设置一个分隔板来实现模型内部两个正交散斑面的铺设，利用模具的气密性对模型材料进行脱气；采用一次大批量拌料和真空吸料的方式使模型材料的脱气伴随浇注过程自动连续地进行。采用模具及配套铺设方法，充分满足了在模型内部人工铺设两个正交散斑面的要求，克服了传统“搅拌——倒入——脱气”多次循环铺设方法的明显缺陷，巧妙地实现了“一次大批量搅拌、浇注与脱气过程自动同时且连续进行”，既省时省力又最大限度地确保了模型铺设的质量。

本发明解决了现有技术安全性较差、测量精度低的问题，便于直观而准确地获得隧道横断面和纵剖面的位移场分布及演化过程，达到了本发明的目的。

优点：

(1)模具六面全透明，能“全场”测量模型不同方位的内部位移。

(2)易于在模型内部铺设1～2个人工散斑面，克服激光散斑存在的问题。

(3)模型加载方向与人工散斑面延展方向垂直，不会引起散斑面的畸变。

(4)通过模具底部设置的排液阀门可调控模型内部的液体含量，以模拟不同的工况条件。

(5)模具容易实现全密封，以便对其内部的透明相似材料进行脱气，从而避免气泡对模型透明度的影响。

(6)模具成本低廉并可多次重复使用，拆装方便，技术经济效果明显。

(7)巧妙地实现了“一次大批量搅拌、浇注与脱气过程自动同时且连续进行”，既省时省力又最大限度地确保了模型铺设的质量。

附图说明：

图1-1是本发明的主视结构图。

图1-2是图1-1的右视结构图。

图1-3是图1-1的俯视结构图。

图2-1是本发明的底部面板主视结构图。

图2-2是图2-1的右视结构图。

图2-3是图2-1的仰视结构图。

图3-1是本发明的内部隔板主视结构图。

图3-2是图3-1的右视结构图。

图3-3是图3-1的俯视结构图。

图4-1是本发明堵头的主视结构图。

图4-2是图4-1的右视结构图。

图5是本发明的模型铺设顺序结构图。

图6-1是模型铺设系统示意图。

图6-2是模型第①部分铺设示意图。

图6-3是散斑面S1铺设示意图。

图6-4是模型第②部分铺设示意图。

图6-5是散斑面S2铺设示意图。

图6-6是模型第③部分铺设示意图。

图中，1.顶部面板；2.前部面板；3-1、3-2.侧部面板；4.后部面板；5.底部面板；6.过滤板；7.内部隔板；8.隧道开挖孔；9-1.第一排液孔；9-2.第二排液孔；10.堵头。

具体实施方式

实施例1：该模型模具包括：顶部面板1、前部面板2、侧部面板3-1和3-2、后部面板4、底部面板5、过滤板6、内部隔板7、堵头10和阀门；上述所有面板均采用透明有机玻璃制作，各面板之间采用螺钉连接，过滤板6置于模具内的底部面板5之上，内部隔板7的上端部通过两颗螺钉与顶部面板1连接，堵头10与前部面板2的隧道开挖孔8之间为螺纹连接，阀门与底部面板5的排液孔之间为管螺纹连接；所述的排液孔为第一排液孔9-1和第二排液孔9-2。

所述的底部面板5的上表面刻有一定深度的凹槽，用于汇集经过滤板6渗透的液体并与第一排液孔9-1、第二排液孔9-2导通，其结构示意图如附图2-1所示。

所述的内部隔板7的中部对称线上钻有两个对称的深度小于板厚的螺纹孔，用于安设螺钉以作为拆除内部隔板时的操作手柄，其结构示意图如附图3-1所示。

所述的堵头10由大小二个圆柱体顺序连接而成，其结构示意图如附图4-1所示。

所述的过滤板6上有孔，孔径小于试验所用透明相似材料骨料的最小粒径。

铺设方法为：将各面板上的螺钉孔位对称布置；装配时各连接部位均涂抹密封剂；利用模具的气密性对模型材料进行脱气；采用一次大批量拌料和真空吸料的方式使模型材料的脱气伴随浇注过程自动连续地进行。

具体的工作过程：如附图5所示，要在模型内部铺设相互正交的两个人工散斑面S1和S2，可将模型分为①、②、③三个部分并按附图6所示的步骤依次进行。

步骤一：将模具的各透明有机玻璃面板1、2、3-1、3-2、4、5及内部隔板7用螺钉进行装配，在底部面板5与内部隔板7之间插入过滤板6；将底部面板前侧的排液孔9-1通过排气管路与真空泵的吸风口相连；采用开有穿孔的橡胶塞将隧道开挖孔8堵紧，把另一条用于输送透明相似材料的管路(吸料管路)的一端通过橡胶塞的孔洞伸入模具内部靠近面板3-1一侧，深度至接近后部面板4的位置，另一端插入搅拌好的透明相似材料悬浮液中；在所有接缝处都需要涂抹密封剂以防止渗漏。装配好的模型铺设系统如附图6-1所示。

步骤二：开动真空泵通过排气管路对模具内部空间进行排气，借此透明相似材料悬浮液将通过吸料管路被吸入模具内；吸入模具内的悬浮液借助自流和人工晃动而确保上部自由面的平整。当材料充填到预定位置时关闭真空泵，完成模型第①部分的铺设，如附图6-2所示。

步骤三：用另一根干净的散斑面喷洒管路替换吸料管路，将其一端插入彩色粉末中，另一端伸入模具内距悬浮液上表面一定高度的位置，开动真空泵将彩色粉末吸入并均匀喷洒一层较薄的散斑面S1，如附图6-3所示。此步骤需要注意调节粉末的吸入速度，以确保散斑面的厚度和分布都尽量均匀。

步骤四：将喷洒彩色散斑面的管路换为吸料管路并按步骤二的方法铺设模型的第②部分，如附图6-4所示。需要注意的是，为防止新吸入的悬浮液对彩色散斑面造成破坏，应将管路的出料口尽量靠近散斑面。

步骤五：把模具转动90度角使侧部面板3-2位于上部并依次拆去面板3-2和内部隔板7，及时将顶部面板上用于连接隔板7的两个螺纹孔密闭，重新装上侧部面板3-2；关闭第一排液孔9-1处的阀门，将排气管路从该阀门卸下并连接到第二排液孔9-2的阀门；用散斑面喷洒管路替换吸料管路，按步骤三的方法均匀喷洒一层较薄的散斑面S2，附图6-5所示。

步骤六：重新将散斑面喷洒管路换为吸料管路，在散斑面S2上部铺设模型的第③部分，如附图6-6所示。之后，拆去排气管路和吸料管路并用堵头10把隧道开挖孔8堵实即完成了模型的铺设过程。将模具站立放置并拆去上部面板1后即可对模型进行固结加载等后续操作。

Claims (2)

1.一种透明相似材料隧道模型模具，其特征是：该模型模具包括：顶部面板、前部面板、侧部面板和、后部面板、底部面板、过滤板、内部隔板、堵头和阀门；上述所有面板均采用透明有机玻璃制作，各面板之间采用螺钉连接；过滤板置于模具内的底部面板之上，底部面板的上表面刻有凹槽，用于汇集经过滤板渗透的液体并与排液孔导通；内部隔板的上端部通过两颗螺钉与顶部面板连接，内部隔板的中部对称线上钻有两个对称的深度小于板厚的螺纹孔，用于安设螺钉以作为拆除内部隔板时的操作手柄。

2.如权利要求1所述的一种透明相似材料隧道模型模具的铺设方法，其特征是：将各面板上的螺钉孔位对称布置；装配时各连接部位均涂抹密封剂；利用模具的气密性对模型材料进行脱气；采用一次大批量拌料和真空吸料的方式使模型材料的脱气伴随浇注过程自动连续地进行；其步骤如下：

步骤一：将模具的各透明有机玻璃面板及内部隔板用螺钉进行装配，在底部面板与内部隔板之间插入过滤板；将底部面板前侧的排液孔通过排气管路与真空泵的吸风口相连；采用开有穿孔的橡胶塞将隧道开挖孔堵紧，把输送透明相似材料的管路即吸料管路的一端通过橡胶塞的孔洞伸入模具内部靠近面板一侧，深度至接近后部面板的位置，另一端插入搅拌好的透明相似材料悬浮液中；

步骤二：开动真空泵通过排气管路对模具内部空间进行排气，借此透明相似材料悬浮液将通过吸料管路被吸入模具内；吸入模具内的悬浮液借助自流和人工晃动而确保上部自由面的平整；当材料充填到预定位置时关闭真空泵，完成模型第部分的铺设；

步骤三：用干净的散斑面喷洒管路替换吸料管路，将其一端插入彩色粉末中，另一端伸入模具内距悬浮液上表面一定高度的位置，开动真空泵将彩色粉末吸入并均匀喷洒一层较薄的散斑面S1；

步骤四：将喷洒彩色散斑面的管路换为吸料管路并重复步骤二铺设模型的第部分，为防止新吸入的悬浮液对彩色散斑面造成破坏，将管路的出料口尽量靠近散斑面；

步骤五：把模具转动90度角使侧部面板位于上部并依次拆去面板和内部隔板，及时将顶部面板上用于连接隔板的两个螺纹孔密闭，重新装上侧部面板；关闭第一排液孔处的阀门，将排气管路从该阀门卸下并连接到第二排液孔的阀门；用散斑面喷洒管路替换吸料管路，重复步骤三的方法均匀喷洒一层较薄的散斑面S2；

步骤六：重新将散斑面喷洒管路换为吸料管路，在散斑面S2上部铺设模型的第部分，之后，拆去排气管路和吸料管路并用堵头把隧道开挖孔堵实即完成了模型的铺设过程。