CN111678753A - 一种地下洞室模拟实验装置及实验方法 - Google Patents

一种地下洞室模拟实验装置及实验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种地下洞室模拟实验装置及实验方法,其装置包括支撑底架、重力补偿机构和一对调节支架;所述调节支架对称安装于所述支撑底架上,且能够相对所述支撑底架移动或固定;所述重力补偿机构包括压板和施力组件,所述压板设于两个所述调节支架间,所述施力组件安装于所述压板上部且能够对压板施加压力。本发明所提供的装置结构简单、尺寸可调、顶部配重均匀、使用方便,所提供的实验方法操作简单、效率高、精度高。

Description

一种地下洞室模拟实验装置及实验方法
技术领域
本发明属于地质工程技术领域,具体涉及一种地下洞室模拟实验装置及实验方法。
背景技术
近年来我国经济建设飞速发展,对能源、交通及水利水电工程发展需求不断增加,一大批重要基础设施需要建设完善,其中地下工程占有举足轻重的地位。随着地下工程规模的逐步加大,其施工及开挖后的稳定性问题日益凸显,这也促成了地下洞室模型实验的发展。地下洞室模拟实验也解决了众多实际工程中的难题,尤其是水利水电工程地下洞室建设面临的复杂地质条件,更需要进行地下洞室模拟实验来指导帮助工程的顺利施工。
随着水利水电工程规模的增长,与其相对应的地下洞室规模也向着高边墙、大跨度进行发展,开挖过程中的围岩稳定性问题获得重视,特别是面对复杂的地质条件,因此需要通过地下洞室模拟实验提供实际施工的指导和参考。但是现有的地下洞室模拟实验中一般采用后期开挖成洞的方式,这样的成洞方式存在很多问题,比如不容易控制成洞位置和尺寸,洞室形态不稳定,开挖过程不可以失误,分部开挖时对洞室本身扰动较大,影响实验效果等。在现有地下洞室模拟实验中,一般采用固定尺寸的实验架,在模拟不同尺寸需求的洞室时需要制作新的实验架,实验效率低且成本高;此外,在一些实验中需要增加模型顶部配重以模拟真实重力效应,现有的顶部配重存在配重分布不均的现象,影响实验模型的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足,提供一种地下洞室模拟实验装置及实验方法,其装置结构简单、尺寸可调、顶部配重均匀、使用方便,其实验方法操作简单、效率高、精度高。
本发明提供了如下的技术方案:
一种地下洞室模拟实验装置,包括支撑底架、重力补偿机构和一对调节支架;所述调节支架对称安装于所述支撑底架上,且能够相对所述支撑底架移动或固定;所述重力补偿机构包括压板和施力组件,所述压板设于两个所述调节支架间,所述施力组件安装于所述压板上部且能够对压板施加压力。
优选的,所述施力组件包括安装于所述调节支架顶部的两个定滑轮、设于两个定滑轮之间的升降滑轮、绕过定滑轮和升降滑轮的承压皮带以及设于承压皮带两端的配重块,所述升降滑轮通过连接块与所述压板相连。
优选的,所述调节支架包括主板、垂直固定于主板两侧的侧板以及固定于主板底部的滑移架,所述滑移架卡设于所述支撑底架上且能够相对所述支撑底架移动或固定。
优选的,所述主板下部与所述滑移架间连接有倾斜设置的斜撑。
优选的,两个所述主板的顶部对称设有滑轮杆,所述滑轮杆端部安装有所述定滑轮。
优选的,还包括分别固定于所述调节支架两侧的第一挡板和第二挡板;所述第一挡板和第二挡板均由若干单元板依次排列而成;所述调节支架的两侧设有自上而下均匀分布的调节孔,所述第一挡板和所述第二挡板的各单元板分别与调节支架两侧的调节孔一一对应安装。
优选的,还包括安装于所述支撑底架下方的防滑底座,所述防滑底座包括横梁、与横梁固接的支腿以及设于支腿底部的防滑垫,所述横梁固定于所述支撑底架的底部。
一种地下洞室模拟实验方法,包括以下步骤:
根据实验要求制作若干洞室块体模型;
将调节支架移动到实验要求的尺寸位置,并与支撑底架固定安装;
向两个调节支架间注入围岩相似材料,并在设计位置铺设洞室块体模型;
当围岩相似材料达到设计高度后将顶部处理平整,获得实验模型,此时将重力补偿机构的压板居中放置于实验模型的顶部中央,并以施力组件对其施加压力;
待实验模型达到设计强度后,将洞室块体模型按开挖顺序依次抽出,模拟地下洞室的真实开挖过程,观测围岩的应力及位移变化。
优选的,洞室块体模型的制作方法,包括以下步骤:
在块体的模具内壁贴一层薄膜,注入围岩相似材料并在材料内留下牵引绳;
压实,使围岩相似材料紧密贴合模具;
待块体在模具内定型并达到实验强度后,脱模取出,即可获得洞室块体模型。
优选的,洞室块体模型脱模取出后在原有薄膜层外包裹一层锡箔纸,铺设洞室块体模型时,相邻块体的锡箔纸叠加面上均匀涂抹一层凡士林。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
(1)本发明提供的地下洞室模拟实验装置,调节支架对称安装于支撑底架上且能够相对支撑底架移动或固定,可以根据实验需求,将调节支架移动至合适的位置,固定后进行模拟实验,提高了实验效率,降低了成本;
(2)本发明提供的地下洞室模拟实验装置,重力补偿机构包括压板和施力组件,当施力组件对安放于实验模型顶部的压板施加压力时,实验模型受力均匀,提高了实验的精确度;
(3)本发明提供的地下洞室模拟实验装置,结构简单,使用方便;
(4)本发明提供的地下洞室模拟实验方法,根据实验要求制作若干洞室块体模型并铺设于实验模型中,实验时将洞室块体模型拉出即可,不需另外开挖,成洞位置和成洞尺寸可控,实验精度高;
(5)本发明提供的地下洞室模拟实验方法,通过重力补偿机构对实验模型施压,模拟真实重力情况,操作方便,实验效率和精度高。
附图说明
图1是地下洞室模拟实验装置的结构示意图;
图2是未安装第一挡板和第二挡板时地下洞室模拟实验装置的结构示意图;
图3是洞室块体的结构示意图;
图4是使用地下洞室模拟实验装置进行实验时的主视结构示意图;
图5是滑轮组调节原理示意图;
图中标记为:1、支撑底架;2、防滑底座;21、横梁;22、支腿;3、滑移架;4、调节支架;41、主板;42、侧板;5、调节孔;6、斜撑;7、第一挡板;8、第二挡板;9、升降滑轮;10、定滑轮;11、配重块;12、承压皮带;13、连接块;14、压板;15、滑轮杆;16、防滑垫;17、围岩相似材料;18、洞室块体模型。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要说明的是,在本发明的描述中,术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
如图1-2所示,一种地下洞室模拟实验装置,包括支撑底架1、重力补偿机构和一对调节支架4;调节支架4对称安装于支撑底架1上,且能够相对支撑底架1移动或固定;重力补偿机构包括压板14和施力组件,压板14设于两个调节支架4间,施力组件安装于压板14上部且能够对压板14施加压力。
施力组件包括安装于调节支架4顶部的两个定滑轮10、设于两个定滑轮10之间的升降滑轮9、绕过定滑轮10和升降滑轮9的承压皮带12以及设于承压皮带12两端的配重块11,升降滑轮9通过连接块13与压板14相连,通过调节配重块11的重量,可以改变压板14对实验模型所施加的力。
调节支架4包括主板41、垂直固定于主板41两侧的侧板42以及固定于主板41底部的滑移架3,滑移架3卡设于支撑底架1上且能够相对支撑底架1移动或固定。主板41下部与滑移架3间连接有倾斜设置的斜撑6,能够增强调节支架4的结构强度。两个主板41的顶部对称设有滑轮杆15,滑轮杆15端部安装有定滑轮10,结构稳定性高。
本实施例提供的地下洞室模拟实验装置,还包括分别固定于调节支架4两侧的第一挡板7和第二挡板8;第一挡板7和第二挡板8均由若干单元板依次排列而成;调节支架4的两侧设有自上而下均匀分布的调节孔5,第一挡板7和第二挡板8的各单元板分别与调节支架4两侧的调节孔5一一对应安装,第一挡板7和第二挡板8安装后,调节支架4的位置即可固定。
本实施例提供的地下洞室模拟实验装置,还包括安装于支撑底架1下方的防滑底座2,防滑底座2包括横梁21、与横梁21固接的支腿22以及设于支腿22底部的防滑垫16,横梁21固定于支撑底架1的底部。
实施例2
一种地下洞室模拟实验方法,包括以下步骤:
步骤一、如图3所示,根据实验要求制作7个洞室块体模型,下部为6个尺寸相同长方块体,顶部为1个近半圆柱状块体,具体步骤为:在块体的模具内壁贴一层薄膜,注入围岩相似材料并在材料内留下牵引绳,方便实验时将各洞室块体模型顺利抽出;压实,使围岩相似材料紧密贴合模具;待块体在模具内定型并达到实验强度后,脱模取出,即可获得洞室块体模型,在洞室块体模型原有薄膜层外包裹一层锡箔纸,进一步降低块体表面粗糙度及摩擦系数;
步骤二、将调节支架3移动到实验要求的尺寸位置,将第一挡板7和第二挡板8的单元板对应调节孔5依次安装,使调节支架3与支撑底架1相对固定;
步骤三、向两个调节支架3间注入围岩相似材料17,并在设计位置铺设洞室块体模型18,相邻块体的锡箔纸叠加面上均匀涂抹一层凡士林,既保证了堆叠组合后块体间的润滑,同时具有一定粘性,有利于保持块体组合紧密使洞室形态稳定;
步骤四、继续向上安装第一挡板和第二挡板的单元板,并持续注入围岩相似材料17直至达到设计高度,过程中需要进行压实操作,减小围岩相似材料与洞室块体模型18的空隙,压实后可以通过插片埋入模拟节理的相似材料,模拟洞室所在复杂地质条件,如图4所示;
步骤五、当围岩相似材料达到设计高度后将顶部处理平整,获得实验模型,此时将重力补偿机构的压板14居中放置于实验模型的顶部中央,以承压皮带12绕过定滑轮10和升降滑轮9,通过计算得出实验模型所需的重力补偿值,在承压皮带12两端连接配重块11,调节顶部升降滑轮9以实现滑轮组受力传导效率的改变,直至调节到实验模型所需的重力补偿值(如图5是滑轮组调节原理示意图);
步骤六、待实验模型达到设计强度后,将洞室块体模型按开挖顺序依次抽出,重力补偿机构使得整个实验过程中重力能够均匀稳定的施加,保证了实验过程的稳定性,从而模拟地下洞室的真实开挖过程,便于观测围岩的应力及位移变化,
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种地下洞室模拟实验装置,其特征在于,包括支撑底架、重力补偿机构和一对调节支架;所述调节支架对称安装于所述支撑底架上,且能够相对所述支撑底架移动或固定;所述重力补偿机构包括压板和施力组件,所述压板设于两个所述调节支架间,所述施力组件安装于所述压板上部且能够对压板施加压力。
2.根据权利要求1所述的地下洞室模拟实验装置,其特征在于,所述施力组件包括安装于所述调节支架顶部的两个定滑轮、设于两个定滑轮之间的升降滑轮、绕过定滑轮和升降滑轮的承压皮带以及设于承压皮带两端的配重块,所述升降滑轮通过连接块与所述压板相连。
3.根据权利要求2所述的地下洞室模拟实验装置,其特征在于,所述调节支架包括主板、垂直固定于主板两侧的侧板以及固定于主板底部的滑移架,所述滑移架卡设于所述支撑底架上且能够相对所述支撑底架移动或固定。
4.根据权利要求3所述的地下洞室模拟实验装置,其特征在于,所述主板下部与所述滑移架间连接有倾斜设置的斜撑。
5.根据权利要求3所述的地下洞室模拟实验装置,其特征在于,两个所述主板的顶部对称设有滑轮杆,所述滑轮杆端部安装有所述定滑轮。
6.根据权利要求1所述的地下洞室模拟实验装置,其特征在于,还包括分别固定于所述调节支架两侧的第一挡板和第二挡板;所述第一挡板和第二挡板均由若干单元板依次排列而成;所述调节支架的两侧设有自上而下均匀分布的调节孔,所述第一挡板和所述第二挡板的各单元板分别与调节支架两侧的调节孔一一对应安装。
7.根据权利要求1所述的地下洞室模拟实验装置,其特征在于,还包括安装于所述支撑底架下方的防滑底座,所述防滑底座包括横梁、与横梁固接的支腿以及设于支腿底部的防滑垫,所述横梁固定于所述支撑底架的底部。
8.一种地下洞室模拟实验方法,其特征在于,包括以下步骤:
根据实验要求制作若干洞室块体模型;
将调节支架移动到实验要求的尺寸位置,并与支撑底架固定安装;
向两个调节支架间注入围岩相似材料,并在设计位置铺设洞室块体模型;
当围岩相似材料达到设计高度后将顶部处理平整,获得实验模型,此时将重力补偿机构的压板居中放置于实验模型的顶部中央,并以施力组件对其施加压力;
待实验模型达到设计强度后,将洞室块体模型按开挖顺序依次抽出,模拟地下洞室的真实开挖过程,观测围岩的应力及位移变化。
9.根据权利要求8所述的地下洞室模拟实验方法,其特征在于,洞室块体模型的制作方法,包括以下步骤:
在块体的模具内壁贴一层薄膜,注入围岩相似材料并在材料内留下牵引绳;
压实,使围岩相似材料紧密贴合模具;
待块体在模具内定型并达到实验强度后,脱模取出,即可获得洞室块体模型。
10.根据权利要求9所述的地下洞室模拟实验方法,其特征在于,洞室块体模型脱模取出后在原有薄膜层外包裹一层锡箔纸,铺设洞室块体模型时,相邻块体的锡箔纸叠加面上均匀涂抹一层凡士林。
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