CN111795876A - 一种应用于岩土工程实验的pva薄壳体溶解生成溶洞的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于岩土工程实验的PVA薄壳体溶解生成溶洞的方法。该方法包括：根据实验要求，确定试样尺寸，用水溶性聚乙烯醇材料构造实体模型，形成溶洞的初步薄壳试样；在溶洞模型靠近顶部与底部位置预留孔洞处接入管道；按照配比方案配置岩块相似材料混合物；将混合物分层摊铺夯实，将溶洞模型预先埋入到混合材料中；岩石相似材料硬化后，通过溶洞试样顶部管道将水注入试样内部进行溶解，达到饱和程度后将水由底部管道排出；循环注排水直至模型完全溶解，形成中空溶洞；向中空溶洞内加入充填物，形成不同类型的溶洞试样；将管道取出后填堵，形成带溶洞的完整岩石试样。该方法可用于需要制备含有不规则溶洞的岩石试样。

Description

一种应用于岩土工程实验的PVA薄壳体溶解生成溶洞的方法

技术领域

本发明涉及土木工程实验相关技术领域，具体涉及一种应用于岩土工程实验的PVA薄壳体溶解生成溶洞的方法。

背景技术

随着地下空间开发利用的迫切需求，越来越多的地下建筑与结构在我国西南地区修建。我国西南地区分布着广泛的岩溶，因此溶洞成为地下工程开发建设过程中常见的地质灾害。岩体的完整性和连续性因溶洞的存在而遭到破坏，强度和稳定性大大降低。同时，由于溶洞的空间几何形态、充填物的性质和充填量与空间拓扑关系的不同，导致了岩体的强度、应力分布、变形特性存在明显的差异性。因此，亟需开展、加强有关溶洞赋存岩体力学性质及其破坏机理的基础研究工作。目前国内外学者对于溶洞等地质灾害的数值模拟已经较为深入，但由于真实的溶洞常常发育为不规则形状，有的内部还充填一定的物质，目前岩土工程室内实验在较为真实地模拟原状岩石中溶洞的形状、空间位置、填充情况等方面还没有比较完备的制作方法。在室内实验研究方面，虽然有研究人员进行了不规则溶洞生成方法的研究，但总体上对于溶洞仍处于较为简单的模拟阶段，一般只能采取规则的形状如球体和椭圆体对溶洞进行模拟，进行充填物填充的溶洞相关研究也较为空白。

目前实验中制备的溶洞存在着对溶洞位置定位不精确、溶洞大小的精度控制不足、不能充分考虑溶洞的空间形状、溶洞是岩石试块形成后通过掏空处理得到，制备的溶洞与天然存在的溶洞相似性较差、制备的工艺过于复杂和成本较高等问题。

《岩土工程学报》2018年第40卷第5期《岩溶隧道承压隐伏溶洞突水模型试验与数值分析》中提出采用新型溶洞生成方法，主要包括球囊固定溶洞位置、夯实填筑体、预留转相接口、高温加热钢管以及提取球囊残留物，最终完成溶洞制备。该方法存在的不足如下：1、仅能利用球囊模拟球型溶洞，无法对其他形状的溶解进行模拟；2、需对模型进行高温加热和提取残留物，涉及试验工具多，工艺复杂。

博士学位论文《复杂形态溶洞精细化表征及其对盾构隧道施工围岩稳定性的影响研究》中提到通过3D打印预制真实形态溶洞模型，并固定到溶洞预设位置；然后分层埋设溶洞，并锤击夯实周边相似材料至密实；其次，将竖向钢管与填筑土层垂直安放，填筑相似材料至指定高度；最后，待溶洞模型成型后，向溶洞内注入适量纯净水，水溶性３Ｄ打印材料将遇水消解。该方法存在无法将水体排出和填充各种充填物的不足，也存在未采用薄壳体模型代替实体模型以降低模型打印成本的缺点。

在模型试验中对充填性质的溶洞还没有比较好的制作方法，因此迫切需要一种比较完备的制备含有溶洞岩体试样的方法。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种应用于岩土工程实验的PVA薄壳体溶解生成溶洞的方法。

本发明提供的应用于岩土工程实验的PVA薄壳体溶解生成溶洞的方法，利用水溶性聚乙烯醇材料生成溶洞模型，置入由岩性相似材料制备而成的岩石模型内部，再用水溶解溶洞模型从而达到掏空岩石模型内部从而构造溶洞。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

本发明提供的一种应用于岩土工程实验的PVA薄壳体溶解生成溶洞的方法，包括如下步骤：

（1）根据试验要求，确定试样的尺寸大小，得到三维溶洞数字模型，使用水溶性聚乙烯醇制备初步薄壳体模型（利用水溶性聚乙烯醇作为材料进行实体模型构造）；在所述初步薄壳体模型的顶部和底部预留孔洞（构造模型时预留）；

（2）将塑料管伸入所述初步薄壳体模型的孔洞中，在塑料管与孔洞之间做防水处理，得到溶洞模型；

（3）根据岩块试样与模型的几何相似比、强度相似比以及弹性模量相似比，确定岩块模型的骨料、胶结材料的配比方案，按照配比方案制备岩块相似材料混合物；

（4）在模型箱中，将步骤（3）所述岩块相似材料混合物分层摊铺夯实，根据溶洞所在的位置将步骤（2）所述溶洞模型埋入岩块相似材料混合物中；

（5）硬化岩块相似材料混合物，关闭溶洞模型底部的塑料管，通过溶洞模型顶部的塑料管将水注入溶洞模型内，进行溶解处理（达到一定饱和程度后将水由底部管道排出），然后打开溶洞模型底部的塑料管，将溶解液由溶洞模型底部的塑料管排出；

（6）循环步骤（5）的溶解处理至溶洞模型完全溶解，从溶洞模型底部的塑料管排出溶解液，形成中空溶洞；

（7）将溶洞模型底部的塑料管取出后填堵，然后从溶洞模型顶部的塑料管往所述中空溶洞内填充充填物，得到溶洞试样；

（8）将溶洞模型顶部的塑料管取出后填堵，形成带溶洞的完整岩石试样。

进一步地，步骤（1）所述水溶性聚乙烯醇的醇解度为75-78，所述水溶性聚乙烯醇为常温可溶材料。

进一步地，步骤（1）所述初步薄壳体模型的外部轮廓为溶洞的外表面形态；所述初步薄壳体模型内部中空；所述初步薄壳体模型的厚度为5mm~10mm。

进一步地，步骤（2）中，塑料管与初步薄壳体模型之间的间隙用防水浆料填塞，防止水从间隙漏出。塑料管外表面涂抹油性物质，油性物质便于塑料管从岩性相似材料混合物中抽离。

进一步地，步骤（5）所述溶解处理的温度为20℃~30℃。

步骤（5）中，先关闭底部管道排水阀门，自顶部管道注满水后经过一段时间，待水溶液达到一定浓度后开启底部管道排水阀门排水。

进一步地，步骤（5）所述溶解处理的时间根据溶洞模型的体积不同而不同，由于模型体积因实验目的而定所以变化较大，此处时间覆盖范围较广，至少需要8-10个小时。

进一步地，步骤（6）中，往最后一次排出的溶解液中滴加1-2滴碘液，如果出现蓝色团粒状透明体，说明溶洞模型尚未完全溶解，则需要继续进行溶解处理，如果碘液在最后一次溶解液中均匀扩散（如色泽能均匀扩散），则溶洞模型完全溶解，无须继续进行溶解处理。

步骤（7）中，可以由顶部管道向中空溶洞内填充不同的充填物，形成不同类型的溶洞试样。

步骤（7）中根据模拟目标充填物体积和密度计算填充量，经由顶部管道投入或注入。

优选地，步骤（7）所述充填物为纯净水、土颗粒、岩石碎屑中的一种及以上。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

（1）本发明提供的应用于岩土工程实验的PVA薄壳体溶解生成溶洞的方法，保证了溶洞模型生成的天然相似性，模拟了岩石模型中的溶洞本质上为从岩体中掏空的空间部分，符合实际工程岩体的情况；

（2）本发明提供的应用于岩土工程实验的PVA薄壳体溶解生成溶洞的方法，可针对不同几何形态、不同尺寸大小、不同充填物的性质和充填量的各种溶洞的初始模拟，具备应用范围广泛的优点；

（3）本发明提供的应用于岩土工程实验的PVA薄壳体溶解生成溶洞的方法，采用薄壳体制备试样并注水由内往外溶解，极大地减少了构造材料，加快了溶解速度，省时省力，降低了成本；

（4）本发明提供的应用于岩土工程实验的PVA薄壳体溶解生成溶洞的方法，采用顶部管道注水与底部管道排水的方法，有利于在水溶液饱和时及时和方便地更换纯净水，以最快的速率进行溶解；

（5）本发明提供的应用于岩土工程实验的PVA薄壳体溶解生成溶洞的方法，环保无污染，所用材料均为易获取材料，部分辅助工具如注水和排水管道可循环使用；

（6）本发明提供的应用于岩土工程实验的PVA薄壳体溶解生成溶洞的方法，通过顶部管道可以方便地向溶洞内投放各种类型的充填物，填充完毕后可以封闭管道，达到基本完全模拟具有一定充填物的溶洞岩石试样；

（7）本发明提供的应用于岩土工程实验的PVA薄壳体溶解生成溶洞的方法，可广泛应用于房建、交通、水电、矿山等领域的含溶洞地质灾害的研究，应用范围广泛。

附图说明

图1为本发明中含溶洞岩体模型和溶洞模型溶解示意图；

其中，1 .模型箱；2 .中空溶洞模型；3 .顶部管道；4 .底部管道。

具体实施方式

以下结合实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在目前实验中制备的溶洞存在着对溶洞位置定位不精确、溶洞大小的精度控制不足、不能充分考虑溶洞的空间形状、溶洞是岩石试块形成后通过掏空处理得到，制备的溶洞与天然存在的溶洞相似性较差、制备的工艺过于复杂和成本较高等问题的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种应用于岩土工程实验的PVA薄壳体溶解生成溶洞的方法。

该方法包括：

(1)选择适用于打印溶洞的水溶性聚乙烯醇原材料；

(2)根据试验要求，确定试样的大小，以结合钻探、物探和三维扫描等方法的结果为依据，预先在三维制图软件中构建出实验所需的三维溶洞数字模型。该模型的特点为：外部轮廓为溶洞的外表面形态、具有一定厚度、内部中空和顶部与底部有预留孔洞。根据该三维数字模型进行实体模型的构造；考虑到构造模型的难度，可将该模型分为上下两部分分别构造，后期进行拼接；

(3)根据岩块试样与模型的几何相似比、强度相似比、弹性模量相似比等，确定岩块模型的骨料、胶结材料的配比方案；配比物质组成包括重晶石粉、石英砂、石膏、水泥、水和硼砂等；

(4)对岩块相似材料的配合比进行称量并拌合均匀，将混合材料倒入预制模型箱内，分层摊铺夯实，将注水和排水管道位置预留，根据溶洞存在的位置将溶洞模型预先埋入到混合材料中，管道外部涂抹脱离剂，继续摊铺夯实直至岩石模型达到设计高度；

(5)含溶洞岩石模型硬化凝固成型；

(6)关闭底部管道排水阀门，自顶部管道注满水后经过一段时间，待水溶液达到一定浓度后开启底部管道排水阀门排水；

(7)按模型体积估算溶解时间，取出少量后期溶解排出的溶液，加入1~2滴碘液，如果出现蓝色团粒状透明体，说明尚未完全溶解，如色泽能均匀扩散，说明已完全溶解；

(8)循环注排水过程直至模型完全溶解，形成中空溶洞；

(9)将底部管道取出后先用上述岩性相似材料进行填堵，根据试验目的由顶部管道向中空溶洞内填充不同的充填物，充填物包括水、土样和小型岩样等，形成不同类型的溶洞试样；

(10)将顶部管道取出后用上述岩性相似材料进行填堵，形成带溶洞的完整岩石试样。

实施例1

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，具体包括：

1、选择适用于打印溶洞的水溶性聚乙烯醇原材料，用作打印溶洞的原材料，如醇解度在75-78之间的常温可溶水溶性聚乙烯醇；

2、根据试验要求，确定试样的大小，以溶洞三维扫描结果为依据，根据几何相似比，预先在三维制图软件中画出实验所需的三维溶洞数字模型，即所述中空溶洞模型2；溶洞模型的绘制可以采用CATIA、SolidWorks等软件；

3、通过模具构造或3D打印进行溶洞实体构造。打印溶洞时，将上述原料熔融后分别置于3D打印机的喷头内，通过3D打印，得到溶洞的初步试样，为节省材料和提高溶解速率，打印的溶洞可以是具有抗变形能力的内部中空的薄壳体，薄壳体的厚度为5mm，并将管道与溶洞模型顶部和底部预留孔洞组装后进行防水措施处理；

4、根据岩块试样与模型的几何相似比、强度相似比、弹性模量相似比等，确定岩块模型的骨料、胶结材料的配比方案；配比物质组成包括重晶石粉、石英砂、石膏、水泥、水和硼砂等；具体材料和比例根据所研究的工程的实际岩石性质进行配置如下。

高强石膏：水泥：石英砂：重晶石：水=0.01:0.66:0.50:0.33:0.10，硼砂作为添加剂以1wt%的浓度溶于水中。

5、在模型箱1中将岩块相似材料混合物分层摊铺夯实，具体方法如下：对岩块相似材料的配合比进行称量并拌合均匀，将混合材料分层倒入模型箱内并夯实，在倒入过程中，根据溶洞存在的位置将溶洞模型预先埋入到混合材料中，包括将模型底板管道预留至模型箱外，方便后期排水；

6、等待含溶洞岩石模型硬化凝固成型后，关闭底部管道4排水阀门，往伸出岩样的模型顶部管道3中注水将聚乙烯醇逐渐溶解。若溶解量较大，多次循环注水排水。待到达根据体积计算的基本溶解时间（10个小时）后，将水排出后加入1~2滴碘液，如果出现蓝色团粒状透明体，说明尚未完全溶解，如色泽能均匀扩散，说明已完全溶解。将底部管道取出后先用上述岩性相似材料进行填堵，避免后续充填物排出；

7、根据试验目的由顶部管道向中空溶洞内填充充填物，充填物为纯净水、粘土颗粒和岩石碎屑，并按溶洞体积的1/3、2/3和全体积进行填充，形成不同类型的溶洞试样后，将顶部管道取出后用上述岩性相似材料进行填堵，形成带溶洞的完整岩石试样。

效果分析

实施例1提供的应用于岩土工程实验的PVA薄壳体溶解生成溶洞的方法，制得的溶洞天然相似性表现如下：

①实例模型的长/宽/高或直径尺寸为5~10cm，采用3D打印而成的溶洞模型精度为0.1mm，打印分辨率较高，与试验设计的溶洞在形态上具有高度相似性；

②边摊铺岩性相似材料边埋置溶洞模型的方式保证了溶洞的位置与试验设计基本一致；

③构成模型的PVA材料在常温下完全溶解，既保证了岩性相似材料内部不存在其他物质影响后续试验结果，又避免高温改变岩性相似材料的性质；

④溶解完成后通过预留管道进行各种充填物和充填量的填充，模拟了从无充填到半充填再到全充填，填充水、土和岩石碎块的实际溶洞填充状况。

制备工艺简单表现如下：

本发明实施例提供的方法制备过程不涉及其他试验设备和方法，如避免使用加热装置对模型进行加热、避免使用抽水泵对残留物进行抽取、采用3D打印的方法避免了使用模具和手工构造溶洞模型等；

成本较低表现如下：

以实例中外半径为5cm的球体代表溶洞模型为例，采用薄壳体打印厚度为5mm的中空球体比打印非中空球体少使用材料约381cm³，按PVA材料打印价格为2.5元/cm³计算,一个外半径为5cm的球体溶洞模型成本约为350元，节约成本约为950元。

以上实施例仅为本发明较优的实施方式，仅用于解释本发明，而非限制本发明，本领域技术人员在未脱离本发明精神实质下所作的改变、替换、修饰等均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种应用于岩土工程实验的PVA薄壳体溶解生成溶洞的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）使用水溶性聚乙烯醇制备初步薄壳体模型；在所述初步薄壳体模型的顶部和底部预留孔洞；

（2）将塑料管伸入初步薄壳体模型的孔洞中，在塑料管与孔洞之间做防水处理，得到溶洞模型；

（3）根据岩块试样与模型的几何相似比、强度相似比以及弹性模量相似比，确定岩块模型的骨料、胶结材料的配比方案，按照配比方案制备岩块相似材料混合物；

（4）在模型箱中，将步骤（3）所述岩块相似材料混合物分层摊铺夯实，根据溶洞所在的位置将步骤（2）所述溶洞模型埋入岩块相似材料混合物中；

（5）硬化岩块相似材料混合物，关闭溶洞模型底部的塑料管，通过溶洞模型顶部的塑料管将水注入溶洞模型内，进行溶解处理，然后打开溶洞模型底部的塑料管，将溶解液由溶洞模型底部的塑料管排出；

（6）循环步骤（5）的溶解处理至溶洞模型完全溶解，从溶洞模型底部的塑料管排出溶解液，形成中空溶洞；

（7）将溶洞模型底部的塑料管取出后填堵，然后从溶洞模型顶部的塑料管往所述中空溶洞内填充充填物，得到溶洞试样；

（8）将溶洞模型顶部的塑料管取出后填堵，形成带溶洞的完整岩石试样。

2.根据权利要求1所述的应用于岩土工程实验的PVA薄壳体溶解生成溶洞的方法，其特征在于，步骤（1）所述水溶性聚乙烯醇的醇解度为75-78，所述水溶性聚乙烯醇为常温可溶材料。

3.根据权利要求1所述的应用于岩土工程实验的PVA薄壳体溶解生成溶洞的方法，其特征在于，步骤（1）所述初步薄壳体模型的外部轮廓为溶洞的外表面形态；所述初步薄壳体模型内部中空；所述初步薄壳体模型的厚度为5mm-10mm。

4.根据权利要求1所述的应用于岩土工程实验的PVA薄壳体溶解生成溶洞的方法，其特征在于，步骤（2）中，将塑料管与初步薄壳体模型之间的间隙用防水浆料填塞。

5.根据权利要求1所述的应用于岩土工程实验的PVA薄壳体溶解生成溶洞的方法，其特征在于，步骤（5）所述溶解处理的温度为20℃-30℃。

6.根据权利要求1所述的应用于岩土工程实验的PVA薄壳体溶解生成溶洞的方法，其特征在于，步骤（5）所述溶解处理的时间为8-10个小时。

7.根据权利要求1所述的应用于岩土工程实验的PVA薄壳体溶解生成溶洞的方法，其特征在于，步骤（6）中，往最后一次排出的溶解液中滴加1-2滴碘液，如果出现蓝色团粒状透明体，则需要继续进行溶解处理，如果碘液在最后一次溶解液中均匀扩散，则溶洞模型完全溶解，无须继续进行溶解处理。

8.根据权利要求1所述的应用于岩土工程实验的PVA薄壳体溶解生成溶洞的方法，其特征在于，步骤（7）所述充填物为纯净水、土颗粒、岩石碎屑中的一种及以上。

Images