CN115359706B - 用于模拟复杂地质的模型系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的是岩石工程力学领域的一种用于模拟复杂地质的模型系统，包括岩体模型、水压模块、喷护模块和温控模块；所述岩体模型包括原岩体、裂隙带和开挖体；所述水压模块包括供水箱和供水钢管；所述喷护模块包括浆液罐和注浆管；所述温控模块包括电阻丝和隔热层。本发明通过在岩体模型中设置裂隙带和温控模块来精确模拟岩体状态，使之与现实工程岩体性质更为接近，同时结合水压模块实现岩体模型的精准调压与精准供水，喷护模块实现岩体模型的锚杆支护与水泥浆液喷护模拟，可有效揭示复杂环境中地质体开挖后的真实变形破坏特征，有利于复杂地质环境下的边坡工程或地下工程岩体开挖后的力学特性的精确研究。

Description

用于模拟复杂地质的模型系统
技术领域
本发明涉及岩石工程力学领域，尤其涉及一种用于模拟复杂地质的模型系统。
背景技术
对于边坡工程或地下工程而言，相似模拟试验是探寻岩体开挖后，地质体的应力或位移规律的主要研究方式之一。地质体在开挖后的变形破坏特性与工程安全和进度密切相关，对指导后续工程岩体的开挖支护具有重要指导意义。学者以往通过相似模拟的研究，已取得了重大进展，但对于具备多种复杂地质因素的相似模拟研究，仍具有一定的局限性，主要表现在：1，对于海拔或埋深跨度较大的地质体，岩体变温效应明显，但以往的研究较少开展相关研究，尤其对降温岩体鲜有研究，若同一模型中同时出现升、降温则更未涉及；2，天然裂隙的存在，会明显影响岩体的力学特性，以往相似模型试验较少考虑，或即使考虑也将天然裂隙作为一种规则的形状进行研究，较少对不规则裂隙形态开展相关研究；3，水压对于边坡岩体或地下洞室岩体作用明显，以往较少对定点区域开展水压渗透研究；4，以往的相似模拟研究，较少对水泥浆液的喷护效果进行研究，从而弱化了支护的作用。以往试相似模型试验的限制主要体现在没有可用于制作涉及温度、水压、裂隙及支护的地质模型制作设备及方法，这也限制了对多种复杂因素耦合作用下大型开挖地质体的力学特性的研究。
发明内容
为克服现有岩体模拟试验存在的上述不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种可用于模拟复杂地质的模型系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
用于模拟复杂地质的模型系统，包括岩体模型、水压模块、喷护模块和温控模块；
所述岩体模型包括原岩体、裂隙带和开挖体，所述裂隙带和开挖体根据实际工程情况等比缩小后分布在原岩体内，所述开挖体从原岩体的一端贯穿至另一端；
所述水压模块包括供水箱和供水钢管，所述原岩体侧面设有贯通至开挖体的通孔，所述供水钢管的前端紧密插接在通孔内，后端与供水箱相连，所述供水钢管前端的侧壁上设有多个喷射孔；
所述喷护模块包括浆液罐和注浆管，所述注浆管穿接在供水钢管内，并可沿供水钢管轴线前后移动，注浆管的前端设有注浆盘，所述注浆盘为中空结构，其外径与供水钢管的内径相当，注浆盘同时作为供水钢管前端的封堵端盖，所述注浆盘靠近注浆管的一端及侧面设有注浆孔；
所述温控模块包括电阻丝和隔热层，所述电阻丝设置在开挖体下方的原岩体内，所述隔热层包裹在开挖体上方的原岩体周围。
进一步的是，所述原岩体的制备过程是，首先选取工程现场实际地质岩体，并通过撵磨设备撵磨为小颗粒或粉末状，然后与石英砂、膨润土、粘结剂和云母片混合塑造而成。
进一步的是，所述原岩体的塑造过程采用3D打印设备完成。
进一步的是，所述裂隙带通过在原岩体塑造过程中预留缝隙而形成。
进一步的是，所述裂隙带中设有填充体，所述填充体以粉末状石蜡为原料，通过3D打印而成，并在填充体中部预埋有可发热的微小中空钢管，所述填充体在原岩体的塑造过程中埋设在裂隙带所在位置，并保证可发热的微小中空钢管穿出原岩体。
进一步的是，所述开挖体也通过单独的模型塑造或3D打印而成，在原岩体的塑造过程中先预留出开挖体所在空腔，然后通过组装粘接的方式将开挖体填充到原岩体中。
进一步的是，所述水压模块的供水钢管与供水箱的连接部位设有第一压力表，所述喷护模块的注浆管与浆液罐的连接部位设有第二压力表。
进一步的是，所述供水钢管的喷射口处设有微型电磁阀。
进一步的是，所述注浆管的后端穿过供水钢管后通过软管与浆液罐相连，所述注浆管的后端设有把手，注浆管与供水钢管的穿接处设有密封机构。
进一步的是，所述注浆盘上靠近注浆管一端的注浆孔的喷射方向为向外扩散形式，保证其喷出的浆液不会进入供水钢管。
本发明的有益效果是：通过在岩体模型中设置裂隙带和温控模块来精确模拟岩体状态，使之与现实工程岩体性质更为接近，同时结合水压模块实现岩体模型的精准调压与精准供水，喷护模块实现岩体模型的锚杆支护与水泥浆液喷护模拟，可有效揭示复杂环境中地质体开挖后的真实变形破坏特征，有利于复杂地质环境下的边坡工程或地下工程岩体开挖后的力学特性的精确研究。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图。
图2是本发明供水钢管的结构示意图。
图3是本发明注浆管的结构示意图。
图中标记为，1-岩体模型，2-水压模块，3-喷护模块，4-温控模块，11-原岩体，12-裂隙带，13-开挖体，14-填充体，15-可发热的微小中空钢管，21-供水箱，22-供水钢管，23-喷射孔，24-第一压力表，25-微型电磁阀，31-浆液罐，32-注浆管，33-注浆盘，34-注浆孔，35-第二压力表，36-把手，41-电阻丝，42-隔热层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
如图1-3所示，本发明用于模拟复杂地质的模型系统，包括岩体模型1、水压模块2、喷护模块3和温控模块4；
所述岩体模型1包括原岩体11、裂隙带12和开挖体13，所述裂隙带12和开挖体13根据实际工程情况等比缩小后分布在原岩体11内，所述开挖体13从原岩体11的一端贯穿至另一端；
所述水压模块2包括供水箱21和供水钢管22，所述原岩体11侧面设有贯通至开挖体13的通孔，所述供水钢管22的前端紧密插接在通孔内，后端与供水箱21相连，所述供水钢管22前端的侧壁上设有多个喷射孔23；
所述喷护模3块包括浆液罐31和注浆管32，所述注浆管32穿接在供水钢管22内，并可沿供水钢管22轴线前后移动，注浆管32的前端设有注浆盘33，所述注浆盘33为中空结构，其外径与供水钢管22的内径相当，注浆盘33同时作为供水钢管22前端的封堵端盖，所述注浆盘33靠近注浆管32的一端及侧面设有注浆孔34；
所述温控模块4包括电阻丝41和隔热层42，所述电阻丝41设置在开挖体13下方的原岩体11内，所述隔热层42包裹在开挖体13上方的原岩体11周围。
本发明主要是通过在岩体模型1中设置裂隙带12和温控模块4来精确模拟岩体状态，使之与现实工程岩体性质更为接近，同时结合水压模块2实现岩体模型1的精准调压与精准供水，喷护模块3实现岩体模型1的锚杆支护与水泥浆液喷护模拟，可有效揭示复杂环境中地质体开挖后的真实变形破坏特征，有利于复杂地质环境下的边坡工程或地下工程岩体开挖后的力学特性的精确研究。
整个系统的制作及试验过程如下：
对于原岩体11的制作过程，为了能最大程度还原实际工程岩体情况，制作时首先选取工程现场实际地质岩体，并通过撵磨设备撵磨为小颗粒或粉末状，然后与石英砂、膨润土、粘结剂和云母片混合塑造而成。石英砂、膨润土和粘结剂的添加量应尽量满足还原到与实际岩体相似的结构强度。具体的塑造过程可以采用模型制作大体结构，然后人工修边的方式。优选方案是采用3D打印设备来制作，打印的原材料就是岩体粉末与石英砂、膨润土和粘结剂混合而成，在不同岩层分割处，添加适当云母片。
对于裂隙带12的制作，可以通过在原岩体11塑造过程中预留缝隙而形成。但考虑预留空间可能导致岩体整体结构强度发生变化。因此优选方案是，在所述裂隙带12中设有填充体14，所述填充体14以粉末状石蜡为原料，根据裂隙带12实际形状通过3D打印而成，并在填充体14中部预埋有可发热的微小中空钢管15，所述填充体14在原岩体11的塑造过程中埋设在裂隙带12所在位置，并保证可发热的微小中空钢管15穿出原岩体11。当整个岩体模型制作完成后，通过加热可发热的微小中空钢管15，使蜡熔化，然后利用可发热的微小中空钢管15将蜡液吸出，从而形成裂隙带12。该方式形成的裂隙带12能够精确的还原实际岩体中裂隙带12的形成过程，同时周围原岩体11的破坏特性也能够很好的体现出来。
对于温控模块4，其目的是模拟实际工程中岩体的温度情况，因为一般越靠近地心岩体温度越高，因此将电阻丝41设置在原岩体11下方。隔热层42主要起隔热作用，可以采用目前比较先进的仿生降温材料制作，目的是降低室内温度向岩体模型1传导。
对于开挖体13，也通过单独的模型塑造或3D打印而成，为了方便后续去除开挖体13，在原岩体11的塑造过程中先预留出开挖体13所在空腔，然后通过组装粘接的方式将开挖体13填充到原岩体11中，粘接过程也应尽量还原岩体原始连接强度。具体过程可以是原岩体11以开挖体13底面作为分型面组合粘接而成，这样便能很好设置空腔，以及粘接开挖体13。
对于供水钢管22，其作用一方面是可以模拟锚杆，另一方面是通过供水钢管22向原岩体11中注入压力水，从而模拟地下水压情况，因此，为了控制具体的水压值，在所述水压模块2的供水钢管22与供水箱21的连接部位设有第一压力表24。同时为了控制混凝土浆液的喷涂压力，在所述喷护模块3的注浆管32与浆液罐31的连接部位设有第二压力表35。
根据不同的地质情况，地下水的部位和体量也会不同，因此，为了更加精确的对特定部位进行冲水，在所述供水钢管22的喷射口23处设有微型电磁阀25。
对于注浆管32，为了方便前后移动，从而提高喷涂效果，所述注浆管32的后端穿过供水钢管22后通过软管与浆液罐31相连，所述注浆管32的后端设有把手36，注浆管32与供水钢管22的穿接处设有密封机构，在注浆管32前后移动的过程中保证供水钢管22不会漏水。为了提高浆液喷涂范围，所述注浆盘33上靠近注浆管32一端的注浆孔34的喷射方向为向外扩散形式，保证其喷出的浆液不会进入供水钢管22。
采用上述模型系统进行模拟试验的过程是：首先制作好岩体模型1，然后熔化填充体14，并利用可发热的微小中空钢管15将蜡液吸出，形成裂隙带12，之后根据实际工程中洞室周围岩体的温度来控制室内温度，并启动电阻丝41对岩体模型1进行加热，期间可用红外测温仪检测岩体温度，温度稳定后，去除开挖体13，然后在岩体模型1侧面钻设通孔，根据实际工程需要研究的部位，可在岩体模型1上钻设多个通孔，之后在通孔中插入供水钢管22，保证供水钢管22与岩体模型1紧密连接，然后再根据实际工程地下水体分布及水压情况，开启特定部位的微型电磁阀25，往通孔内注入压力水，保压特定时间后，关闭微型电磁阀25，最后移动注浆管32，使注浆盘33伸入到去除开挖体13后的空腔内，对开挖临空面进行浆液喷涂。待每个通孔都处理完成后，便可以开始后续的变形破坏特征及力学特性的研究了。

Claims (9)

1.用于模拟复杂地质的模型系统，其特征是：
包括岩体模型(1)、水压模块(2)、喷护模块(3)和温控模块(4)；
所述岩体模型(1)包括原岩体(11)、裂隙带(12)和开挖体(13)，所述裂隙带(12)和开挖体(13)根据实际工程情况等比缩小后分布在原岩体(11)内，所述开挖体(13)从原岩体(11)的一端贯穿至另一端；
所述水压模块(2)包括供水箱(21)和供水钢管(22)，所述原岩体(11)侧面设有贯通至开挖体的通孔，所述供水钢管(22)的前端紧密插接在通孔内，后端与供水箱(21)相连，所述供水钢管(22)前端的侧壁上设有多个喷射孔(23)；
所述喷护模块(3)包括浆液罐(31)和注浆管(32)，所述注浆管(32)穿接在供水钢管(22)内，并可沿供水钢管(22)轴线前后移动，注浆管(32)的前端设有注浆盘(33)，所述注浆盘(33)为中空结构，其外径与供水钢管(22)的内径相当，注浆盘(33)同时作为供水钢管(22)前端的封堵端盖，所述注浆盘(33)靠近注浆管(32)的一端及侧面设有注浆孔(34)；
所述温控模块(4)包括电阻丝(41)和隔热层(42)，所述电阻丝(41)设置在开挖体(13)下方的原岩体(11)内，所述隔热层(42)包裹在开挖体(13)上方的原岩体(11)周围；
所述裂隙带(12)中设有填充体(14)，所述填充体(14)以粉末状石蜡为原料，通过3D打印而成，并在填充体(14)中部预埋有可发热的微小中空钢管(15)，所述填充体(14)在原岩体(11)的塑造过程中埋设在裂隙带(12)所在位置，并保证可发热的微小中空钢管(15)穿出原岩体(11)。
2.如权利要求1所述的用于模拟复杂地质的模型系统，其特征是：所述原岩体(11)的制备过程是，首先选取工程现场实际地质岩体，并通过撵磨设备撵磨为小颗粒或粉末状，然后与石英砂、膨润土、粘结剂和云母片混合塑造而成。
3.如权利要求2所述的用于模拟复杂地质的模型系统，其特征是：所述原岩体(11)的塑造过程采用3D打印设备完成。
4.如权利要求1所述的用于模拟复杂地质的模型系统，其特征是：所述裂隙带(12)通过在原岩体(11)塑造过程中预留缝隙而形成。
5.如权利要求1所述的用于模拟复杂地质的模型系统，其特征是：所述开挖体(13)也通过单独的模型塑造或3D打印而成，在原岩体(11)的塑造过程中先预留出开挖体(13)所在空腔，然后通过组装粘接的方式将开挖体(13)填充到原岩体(11)的空腔中。
6.如权利要求1所述的用于模拟复杂地质的模型系统，其特征是：所述水压模块(2)的供水钢管(22)与供水箱(21)的连接部位设有第一压力表(24)，所述喷护模块(3)的注浆管(32)与浆液罐(31)的连接部位设有第二压力表(35)。
7.如权利要求1所述的用于模拟复杂地质的模型系统，其特征是：所述供水钢管(22)的喷射口(23)处设有微型电磁阀(25)。
8.如权利要求1所述的用于模拟复杂地质的模型系统，其特征是：所述注浆管(32)的后端穿过供水钢管(22)后通过软管与浆液罐(31)相连，所述注浆管(32)的后端设有把手(36)，注浆管(32)与供水钢管(22)的穿接处设有密封机构。
9.如权利要求1所述的用于模拟复杂地质的模型系统，其特征是：所述注浆盘(33)上靠近注浆管(32)一端的注浆孔(34)的喷射方向为向外扩散形式，保证其喷出的浆液不会进入供水钢管(22)。
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