CN111537299A - 一种关于相似物理模型的岩层微扰动连续开挖方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种关于相似物理模型的岩层微扰动连续开挖方法，包括模型建立和模拟开挖。本发明的方法通过加入云母粉进一步降低了开挖时对模型整体的扰动以及使其能够应用到连续开挖场合，进一步减小了实验误差，减少模型的制作数量，从而节省实验材料；降低了开挖时对人员的技术要求，开挖方法操作更简单，减少材料的消耗，开挖精度更高，容易实现实验设计尺寸。

Description

一种关于相似物理模型的岩层微扰动连续开挖方法
技术领域
本发明属于地下岩石施工试验领域，具体涉及一种关于相似物理模型的岩层微扰动连续开挖方法。
背景技术
对于岩土地址方面的科研人员来说，砌筑相似物理模型并在模型内部开挖是经常碰到的问题。目前我国研究人员在进行岩体类相似物理模型实验过程中，其对硐室、巷道以及采空区等的开挖采用的方法主要有两个：
方法一：在整个模型砌筑完成后再利用工具开挖出不需要的部分岩体(采空区、硐室以及巷道空间位置处的岩体)达到开挖目的。此方法对开挖人员力度以精准度掌握要求较高，力度过大或过小都可能使得开挖结果不理想，从而影响实验结果。力度过大可能使得岩体内部扰动较大，容易引起大的裂缝，从而造成实验结果的偏差，甚至会导致整体模型报废不可使用，造成不必要的材料浪费；力度过小则会使得开挖尺寸大小偏差，也会影响实验结果，开挖的方法也容易出现偏差，导致开挖后的硐室尺寸和实验设计出现偏差，从而造成实验结果的偏差，甚至会导致整个模型报废不可使用，造成不必要的材料浪费。
方法二：模型砌筑过程中，在相应空间位置处放置一个较为柔软的盒子并充满细砂，提前占据需要挖采空区、硐室以及巷道所在的空间，等到模型砌筑完成后，再割破盒子漏出细沙，取出盒子达到开挖目的。相比方法一，此方法能够减少开挖时对模型的扰动，但由于盒子的外边面与模型直接接触，在漏完细沙撤出盒子时仍然会对模型内部有一定的扰动。而且需要注意的是，此方法不能实现连续的开挖，如某一岩体相似模型研究中，需要探究明白底下开挖需要距离地表多远才可以保证底下开挖不会引起地表的塌陷，即需要确定安全的隔离层厚度(地表与地下硐室之间的岩层厚度)，此时如果采用方法二，则需要砌筑很多个在不同深度位置开挖的岩体相似模型，这需要大量的材料去砌筑模型，成本高。
以上两种方法开挖精度不高、且容易造成整体模型的扰动破坏影响实验结果。方法一对开挖技术的要求较高，容易导致开挖的硐室尺寸不合实验设计和对模型整体产生扰动，影响实验结果，甚至报废模型，制作的材料成本大。方法二相比方法一减少了开挖技术要求以及开挖时对模型整体的扰动，但仍然有一定的扰动存在影响实验结果，且在对于很多需要连续开挖的场合时，此方法的材料消耗同样较大。
鉴于以上原因，特提出本发明。
发明内容
为了解决现有技术存在的以上问题，本发明提供了一种关于相似物理模型的岩层微扰动连续开挖方法，本发明的方法降低了开挖时对模型整体的扰动影响，可以实现连续开挖，减少模型的制作数量，节省实验材料。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种关于相似物理模型的岩层微扰动连续开挖方法，包括模型建立和模拟开挖，所述的模型建立包括如下步骤：
(1)确定模型的大小、形状和模型内盒子的大小和放置位置；
(2)从模型底灌浆至确定好的盒子的底面位置，停止灌浆，将装满细沙的盒子表面粘上云母粉放在盒子的底面位置处，继续灌浆，至灌浆高度为盒子的顶面所在的平面上；
(3)确定第一次开挖的岩体，从模具的两侧向中间继续灌浆，当两侧灌浆靠近第一次开挖的岩体的两侧面时，在第一次开挖的岩体的两侧面分别垂直放置一个薄木板，薄木板的底面与盒子的顶面处于一个平面上；
(4)在两个薄木板的中间以及两侧同时灌浆至第一开挖的岩体的顶面的高度，在两块薄木板中间铺设一层云母粉，抽出两块薄木板，在空隙处填满云母粉；
(5)确定第n次开挖的岩体，重复步骤(3)和(4)，继续灌浆，直至步骤(1)中确定的模型的大小和形状；
所述的模拟开挖，包括如下步骤：
(a)建立的模型风干后，将所述的盒子割开，抽出盒子，模拟首次巷道或硐室的开挖，观察围岩移动变形情况；
(b)按照第一开挖的岩体周围云母粉铺设的位置，用刀子把云母粉所在的平面割开，第一次开挖结束，观察围岩移动变形情况；
(c)按照第n开挖的岩体周围云母粉铺设的位置，用刀子把云母粉所在的平面割开，第n次开挖结束，观察围岩移动变形情况，直至观察到所需的围岩移动变形情况，连续开挖结束。
进一步的，所述的云母粉的粒径为70-90目。
进一步的，所述的云母粉的粒径为80目。
本发明中选择上述粒径的云母粉，粒径较小，撒上云母粉后会出现较薄的分层从而便于后续开挖。
进一步的，步骤(2)中盒子表面通过缠绕反向的胶带粘住云母粉。
进一步的，步骤(4)两块薄木板中间铺设的云母粉的厚度为1.5-2.5mm。
进一步的，步骤(4)两块薄木板中间铺设的云母粉的厚度为2mm。
本发明中云母粉的铺设的厚度以及面积相对于模型来说，都很少，所以其对模型的整体性的影响可以忽略不计。
进一步的，步骤(5)中第n次开挖的岩体时，每次薄木板底面所在的平面均为第n-1次开挖的岩体的顶面所在的平面。
本发明中可以实现连续多次的开挖，第二次、第三次、第四次……第n次开挖，每一次模拟开挖后的灌浆高度均与预先设计好的此次开挖后顶面的高度，灌浆方向，薄木板放置方式与放置位置都与前面步骤一样，每次薄木板底面所在平均均为前一次开挖后的顶面所在的平面。
进一步的，步骤(a)中模型风干的时间为2-4天。
进一步的，步骤(a)中模型风干时间为3天。
进一步的，所述的n为大于1的整数。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的方法通过加入云母粉进一步降低了开挖时对模型整体的扰动以及使其能够应用到连续开挖场合，进一步减小了实验误差，减少模型的制作数量，从而节省实验材料；降低了开挖时对人员的技术要求，开挖方法操作更简单，减少材料的消耗，开挖精度更高，容易实现实验设计尺寸。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的一种模型的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
实施例1
如图1所示，长方体ABCD-EFGH模拟原始岩体体积，即为本所要建立的模型，长方体efgh-ijkl表示初次开挖的岩体，长方体ijkl-qrst表示需要连续开挖的岩体，本实施例中以连续两次开挖为例进行解释说明，初次开挖的岩体用等大小的盒子代替，本实施例中的盒子采用装满细沙并封好口的纸盒子，盒子的外表面缠绕反向的胶带，并在其表面撒上云母粉，云母粉的粒径为80目，利用胶带的粘性粘上一层的云母粉，使抽出时更方便。
本实施例的一种关于相似物理模型的岩层微扰动连续开挖方法，包括模型建立和模拟开挖，所述的模型建立包括如下步骤：
(1)模型如表1所示ABCD-EFGH长方体，盒子所放置的位置为efgh-ijkl长方体；
(2)从模型底面灌浆至确定好的盒子的底面位置，也就是面abcd，停止灌浆，在此找准盒子底面的位置，也是就是面efgh，将装满细沙的盒子表面粘上云母粉放在盒子的底面efgh位置处，继续灌浆，至灌浆高度为盒子的顶面所在的平面ijkl上；
(3)确定第一次开挖的岩体，继续灌浆，灌浆高度为第一次开挖后顶面的高度也就是面mnop，从模具的两侧向中间继续灌浆，当两侧灌浆靠近第一次开挖的岩体的两侧面时，两侧面是指面milp左侧面和njko右侧面，两侧面分别垂直放置一个薄木板，薄木板的底面与盒子的顶面处于一个平面上，也就是面ijkl；
(4)在两个薄木板的中间以及两侧同时灌浆至第一开挖的岩体的顶面的高度，保持薄木板两侧受力均匀，稳定其位置，在两块薄木板中间铺设一层厚度为2mm的云母粉，抽出两块薄木板，在空隙处填满云母粉；
(5)继续灌浆，此时灌浆高度为第二次开挖的岩体的顶面的高度，也就是面qrst，灌浆方向与步骤(3)相同，薄木板的放置方式与放置位置与步骤(3)相同，薄木板底面所爱平面为第一次开挖的岩体的顶面，也就是面mnop；在薄木板中间，以及两侧同时灌浆至第二次开挖的岩体的顶面的高度，也就是面qrst，在两块薄木板中间铺设一层厚度为2mm的云母粉，抽出两块薄木板，在空隙处填满云母粉，得到所述的模型。
所述的模拟开挖，包括如下步骤：
(a)建立的模型风干后，三天拆模，将所述的盒子割开，抽出盒子，模拟首次巷道或硐室的开挖，观察围岩移动变形情况；
(b)按照第一开挖的岩体周围云母粉铺设的位置，用刀子把云母粉所在的平面割开，从临空面到第一次铺设的云母粉之间的岩体垮落，第一次开挖结束，观察围岩移动变形情况；
(c)按照第二次开挖的岩体周围云母粉铺设的位置，用刀子把云母粉所在的平面割开，从临空面到第二次铺设的云母粉之间的岩体垮落，第二次开挖结束，察到所需的围岩移动变形情况，连续开挖结束。
实施例2
本实施例的关于相似物理模型的岩层微扰动连续开挖方法与实施例1相同，不同之处在于，云母粉的粒径为70目，铺设的云母粉的厚度为1.5mm。
实施例3
本实施例的关于相似物理模型的岩层微扰动连续开挖方法与实施例1相同，不同之处在于，云母粉的粒径为90目，铺设的云母粉的厚度为2.5mm。
对比例1
本对比例建立的模型的大小、形状和模型内盒子的放置位置，大小均与实施例1相同，不同之处，只放入盒子进行灌浆得到模型，去掉步骤(3)-(5)。
将本对比例制备的模型进行开挖，开挖的方法与实施例1相同，不同之处，采用一次开挖，开挖的效果与实施例1相同。
比较实施例1和对比例1围岩移动变形情况，实施例1和对比例1基本一致，说明本发明的方法可以实现连续开挖，符合实际情况，达到了预期效果。本发明的方法通过加入云母粉进一步降低了开挖时对模型整体的扰动以及使其能够应用到连续开挖场合，进一步减小了实验误差，减少模型的制作数量，从而节省实验材料；降低了开挖时对人员的技术要求，开挖方法操作更简单，减少材料的消耗，开挖精度更高，容易实现实验设计尺寸。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种关于相似物理模型的岩层微扰动连续开挖方法，包括模型建立和模拟开挖，其特征在于，所述的模型建立包括如下步骤：
(1)确定模型的大小、形状和模型内盒子的大小和放置位置；
(2)从模型底面灌浆至确定好的盒子的底面位置，停止灌浆，将装满细沙的盒子表面粘上云母粉放在盒子的底面位置处，继续灌浆，至灌浆高度为盒子的顶面所在的平面上；
(3)确定第一次开挖的岩体，从模具的两侧向中间继续灌浆，当两侧灌浆靠近第一次开挖的岩体的两侧面时，在第一次开挖的岩体的两侧面分别垂直放置一个薄木板，薄木板的底面与盒子的顶面处于一个平面上；
(4)在两个薄木板的中间以及两侧同时灌浆至第一开挖的岩体的顶面的高度，在两块薄木板中间铺设一层云母粉，抽出两块薄木板，在空隙处填满云母粉；
(5)确定第n次开挖的岩体，重复步骤(3)和(4)，继续灌浆，直至步骤(1)中确定的模型的大小和形状；
所述的模拟开挖，包括如下步骤：
(a)建立的模型风干后，将所述的盒子割开，抽出盒子，模拟首次巷道或硐室的开挖，观察围岩移动变形情况；
(b)按照第一开挖的岩体周围云母粉铺设的位置，用刀子把云母粉所在的平面割开，第一次开挖结束，观察围岩移动变形情况；
(c)按照第n开挖的岩体周围云母粉铺设的位置，用刀子把云母粉所在的平面割开，第n次开挖结束，观察围岩移动变形情况，直至观察到所需的围岩移动变形情况，连续开挖结束。
2.根据权利要求1所述的一种关于相似物理模型的岩层微扰动连续开挖方法，其特征在于，所述的云母粉的粒径为70-90目。
3.根据权利要求2所述的一种关于相似物理模型的岩层微扰动连续开挖方法，其特征在于，所述的云母粉的粒径为80目。
4.根据权利要求1所述的一种关于相似物理模型的岩层微扰动连续开挖方法，其特征在于，步骤(2)中盒子表面通过缠绕反向的胶带粘住云母粉。
5.根据权利要求1所述的一种关于相似物理模型的岩层微扰动连续开挖方法，其特征在于，步骤(4)两块薄木板中间铺设的云母粉的厚度为1.5-2.5mm。
6.根据权利要求5所述的一种关于相似物理模型的岩层微扰动连续开挖方法，其特征在于，步骤(4)两块薄木板中间铺设的云母粉的厚度为2mm。
7.根据权利要求1所述的一种关于相似物理模型的岩层微扰动连续开挖方法，其特征在于，步骤(5)中第n次开挖的岩体时，每次薄木板底面所在的平面均为第n-1次开挖的岩体的顶面所在的平面。
8.根据权利要求1所述的一种关于相似物理模型的岩层微扰动连续开挖方法，其特征在于，步骤(a)中模型风干的时间为2-4天。
9.根据权利要求1所述的一种关于相似物理模型的岩层微扰动连续开挖方法，其特征在于，步骤(a)中模型风干时间为3天。
10.根据权利要求1所述的一种关于相似物理模型的岩层微扰动连续开挖方法，其特征在于，所述的n为大于1的整数。
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