CN111089766B - 基于可溶性空腔盐块的任意封闭溶腔制作设备与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于可溶性空腔盐块的任意封闭溶腔制作方法，属于岩土试验领域，包括步骤：S1：可溶性空腔盐块模具制作；S2：可溶性空腔盐块制备材料配比确定；S3：可溶性空腔盐块制备；S4：岩溶模型试验中的封闭溶腔生成。还提供一种基于可溶性空腔盐块的任意封闭溶腔制作设备，包括内模具、多片模片，以及箍环，多片模片相配合，将内模具包裹在内，所述箍环用于固定模片。通过本发明，可溶性空腔盐块制作方便，制作过程中定量化能保证成品质量较高，可满足试验要求，试验过程中操作方便可行；通过使用不同规格的模具控制溶洞尺寸和形状，方便开展溶洞各项参数对地下工程的影响研究。

Description

基于可溶性空腔盐块的任意封闭溶腔制作设备与方法

技术领域

本发明属于岩土试验领域，涉及一种基于可溶性空腔盐块的任意封闭溶腔制作设备与方 法。

背景技术

岩溶地貌在中国分布十分广泛，按含可溶岩地层分布面积计，中国岩溶地貌面积约达 344.4万km²，占国土面积的1/3；按碳酸盐岩出露面积计，约90.7万km²，也接近国土面积的1/10。 溶洞作为一种不良地质现象，对工程的影响十分显著，溶蚀的空隙会导致结构松散，降低岩 石强度；溶沟溶槽的产生使地基基岩不平整，造成地基的不均匀性；包气带中与地表接近部 位发生岩溶还会产生漏斗，其塌落的突然性会威胁地表的建筑物与构筑物。

通过相似理论转换，室内模型试验可以直观且准确地模拟实际工程，是目前开展研究的 主要手段之一，同样地，针对岩溶问题开展室内模型试验研究也不失一种有效的研究方法。 有关岩溶的室内模型试验主要难点在于如何实现相似材料中溶洞的生成，更进一步地，如何 按照试验人员需求生成特定尺寸、特定形状、特定位置的溶洞，以进一步开展溶洞参数对地 下工程的影响研究，是开展岩溶模型试验的关键问题。

当前有关岩溶的模型试验中，溶洞的生成主要有以下几种方法：①设计平面应变模型试 验，避开溶洞生成难题；②预埋充气气囊，通过破坏气囊形成溶洞；③用冰、石蜡等高温可 融材料制作溶腔盐块，通过加热融化流出形成溶洞；④用盐岩等可溶性材料制作溶腔盐块， 通过充水溶化流出形成溶洞。

①设计平面应变模型试验，避开溶洞生成难题

该方法是通过设计平面应变模型试验，缩小模型箱一个方向的尺寸，进而可通过箱体留 孔的方式便于生成溶洞，这种方法通常用PVC管来模拟溶洞。该方法实施方便，但局限性同 样明显，避开溶洞生成问题导致无法真实模拟溶洞，会带来试验与实际的误差，同时无法考 虑三维溶洞对地下工程的影响。

②预埋充气气囊，通过破坏气囊形成溶洞

该方法是先将气囊充气，预埋入相似材料中，同时埋入管道，等材料成型后设法通过管 道破坏气囊后取出。该方法可考虑三维情况下溶洞对地下工程的影响，但存在的主要问题在 于气囊只能模拟球状溶洞，其他形状的模拟质量难以保证，而即使是球状溶洞，也难以保证 在周围材料的挤压下不发生变形，而实际工程中溶洞形状各异，仅考虑成球状略显片面。

③用冰、石蜡等高温可融材料制作溶腔盐块，通过加热融化流出形成溶洞

该方法是预先将水、液体石蜡倒入模具中，凝固形成各种形状后，预埋入相似材料中， 再加热使其融化，通过预留管道流出形成溶洞。通过该方法可以形成各种形状与尺寸的溶洞， 且形态控制较好，但冰融化速度较快，相似材料还未凝固冰已经开始融化，增加了周围相似 材料的含水率，改变了配比进而改变材料性质，同时融化后体积缩小，相似材料还未凝固， 可能向内挤压改变溶洞形状；石蜡融化时间可控，可手动控制加热时间来控制融化时间，但 容易凝固在管道中从而堵塞管道，影响试验进行，而在管道内一路埋设加热元件无论从经费 还是尺寸上来说显然是不现实的，因此该方法只适用于体量较小的模型试验，最好是平面应 变试验，方便石蜡流出。

④用盐岩等可溶性材料制作溶腔盐块，通过充水溶化流出形成溶洞

有一些学者同样提出了采用可溶性材料制作溶腔盐块，这些可溶性材料主要有盐岩、水 溶性PVA树脂材料等。用盐岩制作溶腔盐块的主要问题在于，盐岩成分不好控制，盐类矿物 种类多，同时可能还存在白云石、粘土矿物、氧化铁等混入物，其性质以及溶化过程中对相 似材料的尚不明确，一些较大颗粒还可能堵塞管道，影响试验；水溶性PVA树脂材料对溶解 温度有要求，在80-90℃的水中溶解效果较好，水溶液具有很好的粘接性和成膜性，在用于试 验中一方面高温水操作具有一定危险性，长期接触高温水也会影响相似材料性质，另一方面 在溶液排出过程中溶液容易积聚在管道中，影响试验，而且3D打印设备昂贵，试验成本较高。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于可溶性空腔盐块的任意封闭溶腔制作设备与 方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一方面，本发明提供一种基于可溶性空腔盐块的任意封闭溶腔制作方法，包括以下步 骤：

S1：可溶性空腔盐块模具制作；

S2：可溶性空腔盐块制备材料配比确定；

S3：可溶性空腔盐块制备；

S4：岩溶模型试验中的封闭溶腔生成。

进一步，所述步骤S1具体包括：考虑溶洞形状为球状、正方体、长方体或圆柱体，以此设计模具形状；为使盐块制作成空心，相应模具包括内外两个形状相似，大小不同的子模具，其中外模具采用几部分拼接而成，内模具为一个整体；模具材料为透明亚克力材料。

进一步，所述步骤S2中，选定用于制作可溶性空腔盐块的材料以及配比为：细盐:淀粉: 水＝30:1:3。

进一步，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S31：按照配比称取材料，混合并搅拌均匀；

S32：先将配好的材料倒入拼装好的外模具中填筑底面并控制底面厚度，过程中压实保 证一定的密实度；

S33：将内模具放置于合适位置以保证盐块四周厚度满足要求，在外模具和内模具之间 放入配好的材料直至达到预定高度，过程中压实保证一定的密实度；

S34：小心取出内模具，向空腔内倒入细沙直至达到材料高度；

S35：填筑可溶性盐块顶部，并压实找平；

S36：连同模具一起放入烘箱中，温度设定100摄氏度，烘2小时以上，取出冷却，小心脱模；

S37：用电钻在可溶性盐块上钻两个小孔，放净里面的细沙，制备完成。

进一步，所述步骤S4具体包括以下步骤：

S41：将两根特氟龙细管插入预先在可溶性盐块表面钻出的两个孔中，其中一根插到顶 部作为出水管，另一根插到底部作为进水管，埋入模型箱中，浇筑相似材料；

S42：待相似材料硬化后，通过进水管向空腔内充水，直至出水管有水流出，表明空腔 内部已充满水，不断注水以保持空腔内充满水；

S43：大于预设时间后，可溶性盐块完全溶化，随进水管流出，岩溶模型试验中的封闭 溶腔形成。

进一步，步骤S43中，所述预设时间为1小时。

另一方面，本发明提供一种配合上述方法使用的基于可溶性空腔盐块的任意封闭溶腔制 作设备，包括内模具、多片模片，以及箍环，所述多片模片相配合，将内模具包裹在内，所 述箍环用于固定模片。

进一步，所述内模具为半球形，所述模片有四片，组合形成包裹内模具的球状，所述模 片上设有用于固定箍环的凹槽，所述箍环包括两个通过螺栓固定的半环形。

进一步，所述内模具为长方体，所述模片包括四片侧模片和一片底模片，所述侧模片和 底模片组合形成长方体，所述箍环为与底模片组合成的长方体相配合的长方形框架，还包括 用于底座和压实筒，所述压实筒为横截面长宽小于底模片组合形成的长方体横截面长宽，大 于内模具横截面长宽的长方形框架，用于压实放入模具内的盐块，所述侧模片的中部为变截 面，用于固定箍环。

进一步，所述内模具为圆柱体，所述模片包括三片侧模片和一片底模片，所述侧模片和 底模片组合形成圆柱体，所述箍环为与底模片组合形成的圆柱体配合的圆环形，还包括底座 和压实筒，所述压实筒的横截面直径小于底模片组合形成的圆柱体直径，大于内模具横截面 直径的圆柱筒体，用于压实放入模具内的盐块，所述侧模片的中部为变截面，用于固定箍 环。

本发明的有益效果在于：

(1)可溶性空腔盐块制作方便，制作过程中定量化能保证成品质量较高，可满足试验 要求，且试验过程中操作方便可行；

(2)通过使用不同规格的模具可以很好地控制溶洞尺寸和形状，方便开展溶洞各项参 数对地下工程的影响研究；

(3)可溶性空腔盐块原材料便宜易寻，试验完成后丢弃物无毒无污染，环境效益好。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某 种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发 明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详 细描述，其中：

图1为本发明关系图；

图2为球体模具详图；

图3为长方体模具详图；

图4为圆柱体模具详图；

图5为可溶性空腔盐块制备材料配制示意图；

图6～图11为可溶性空腔盐块制作过程详图(以圆柱体为例)；

图12为封闭溶腔生成示意图；

图13为封闭溶腔示意图。

附图标记：模片11,、内模具12、箍环13、侧模片21、底模片22、箍环23、底座24、 内模具25、压实筒26、侧模片31、底模片32、箍环33、底座34、内模具35、压实筒36。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露 的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加 以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精 神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本 发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明 的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表 实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理 解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中， 需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或 位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是 指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中 描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示，本发明分为4个部分：

(1)可溶性空腔盐块模具制作

制作用于制备可溶性空腔盐块的模具，首先试验中通常考虑溶洞形状为球体，其他规则 形状如正方体、长方体、圆柱体等也可列入考虑范围中；其次，为溶化方便，盐块需要制作 成空心，为此一套模具由内外两个形状相似，大小不同的模具组成，外模具采用几部分拼接 而成，内模具为一个整体；最后，确定模具材料为亚克力材料，受压不易变形，同时透明材 料便于观察制作盐块的质量。

本实施例中分别定制用于制作球体、长方体、圆柱体形状的模具，正方体可溶性空腔盐 块可用长方体模具制作，故不再单独定制。

模具示意图如图2～4所示，图2为制作球体形状可溶性空腔盐块模具，共由4片模片11、 1个内模具12、2个箍环13组成，模片11设槽，方便上箍环13固定，两个箍环13采用螺栓拧紧固定；图3为制作长方体和正方体形状可溶性空腔盐块模具，共由4片侧模片21、1 片底模片22、1个箍环23、1个底座24、1个内模具25、1个压实筒26组成，侧模片21中 部设计成变截面，方便上箍环23固定；图4为制作圆柱体形状可溶性空腔盐块模具，共由3 片侧模片31、1片底模片32、1个箍环33、1个底座34、1个内模具35、1个压实筒36组 成，侧模片31中部设计成变截面，方便上箍环33固定。

(2)可溶性空腔盐块制备材料配比确定

确定可溶性空腔盐块制备材料的配比，材料需要同时满足以下几个条件：①材料具有一 定的承载能力；②材料溶水性较强；③材料在相似材料硬化过程中保持稳定，综合以上条件， 经过几组配比的性能测试，选定用于制作可溶性空腔盐块的材料以及配比为：细盐:淀粉:水 ＝30:1:3，混合物经过加热之后满足上述要求。

(3)可溶性空腔盐块制备

制备可溶性空腔盐块，为描述方便，示意图全部采用剖面图表示，以制备圆柱体空腔盐 块为例。首先，按照配比称取材料，混合并搅拌均匀，如图5所示；其次，先将配好的材料 倒入拼装好的外模具中填筑底面并控制底面厚度，过程中压实保证一定的密实度，如图6所 示；再次，将内模具放置于合适位置以保证盐块四周厚度满足要求，在外模具和内模具之间 填入配好的材料直至达到预定高度，过程中压实保证一定的密实度，如图7所示；然后，小 心取出内模具，向空腔内倒入细沙直至达到材料高度，如图8所示；随后，填筑可溶性盐块 顶部，并压实找平，如图9所示；然后，连同模具一起放入烘箱中，温度设定100度，烘2h， 取出冷却，小心脱模。脱完模的盐块如图10所示；最后，用电钻在可溶性盐块上钻两个小孔， 放净里面的细沙，制备完成，完成后的盐块如图11所示。

(4)岩溶模型试验中的封闭溶腔生成

生成岩溶模型试验中的封闭溶腔，为描述方便，示意图采用剖面图表示，以生成圆柱体 封闭溶腔为例。首先，将两根特氟龙细管插入预先在可溶性盐块表面钻出的两个孔中，一根 插到顶部作为出水管，一根插到底部作为进水管，埋入模型箱中，浇筑相似材料；然后，待 相似材料硬化后，通过进水管向空腔内充水，直至出水管有水流出，表明空腔内部已充满水， 不断注水以保持空腔内充满水，如图12所示；足够长时间后(大于1h)，可溶性空腔盐块完 全溶化，随进水管流出，岩溶模型试验中的封闭溶腔形成，形成的封闭溶腔如图13所示。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施 例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进 行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求 范围当中。

Claims (2)

1.一种基于可溶性空腔盐块的任意封闭溶腔制作方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：可溶性空腔盐块模具制作；考虑溶洞形状为球状、正方体、长方体或圆柱体，以此设计模具形状；为使盐块制作成空心，相应模具包括内外两个形状相似，大小不同的子模具，其中外模具采用几部分拼接而成，内模具为一个整体；模具材料为透明亚克力材料；

S2：可溶性空腔盐块制备材料配比确定；选定用于制作可溶性空腔盐块的材料以及配比为：细盐:淀粉:水=30:1:3；

S3：可溶性空腔盐块制备；步骤S3具体包括以下步骤：

S31：按照配比称取材料，混合并搅拌均匀；

S32：先将配好的材料倒入拼装好的外模具中填筑底面并控制底面厚度，过程中压实保证一定的密实度；

S33：将内模具放置于合适位置以保证盐块四周厚度满足要求，在外模具和内模具之间放入配好的材料直至达到预定高度，过程中压实保证一定的密实度；

S34：小心取出内模具，向空腔内倒入细沙直至达到材料高度；

S35：填筑可溶性盐块顶部，并压实找平；

S36：连同模具一起放入烘箱中，温度设定100摄氏度，烘2小时以上，取出冷却，小心脱模；

S37：用电钻在可溶性盐块上钻两个小孔，放净里面的细沙，制备完成；

S4：岩溶模型试验中的封闭溶腔生成；所述步骤S4具体包括以下步骤：

S41：将两根特氟龙细管插入预先在可溶性盐块表面钻出的两个孔中，其中一根插到顶部作为出水管，另一根插到底部作为进水管，埋入模型箱中，浇筑相似材料；

S42：待相似材料硬化后，通过进水管向空腔内充水，直至出水管有水流出，表明空腔内部已充满水，不断注水以保持空腔内充满水；

S43：大于预设时间后，可溶性盐块完全溶化，随进水管流出，岩溶模型试验中的封闭溶腔形成。

2.根据权利要求1所述的基于可溶性空腔盐块的任意封闭溶腔制作方法，其特征在于：步骤S43中，所述预设时间为1小时。

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