专利名称：一种大型地质力学模型的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种大型地质力学模型的制作方法，具体是采用预制标准模块砌筑成型的方法。
背景技术：
随着交通基础建设的快速发展和地下资源开发的大力发展，地下结构在水电、交通、资源、能源领域得到广泛应用，同时地下洞室工程的施工安全也受到越来越多关注和重视。随着地下工程埋深的加大和工程规模的提高，拟建地下工程区域岩体的工程地质条件和水文地质条件也日益复杂，为有效评价大型地下工程施工开挖围岩稳定性，需要依靠模型实验进行地下洞室围岩稳定性的分析与评价，以有效揭示深埋洞室围岩的力学特征与变形破坏规律。
由于模型体积巨大，目前国内外通常分层制作，即采用分层浇铸法或夯实器夯实法对其进行制作。传统方法导致出现一系列缺点用分层浇铸法制作模型时，相似材料被密封于模型架内，内部的胶结剂难以挥发，使得浇筑的材料层上表面已达强度指标，而其内部却潮湿、软弱，相邻两层材料分层，影响模型整体的力学参数，最终使模型体不符合设计要求；而夯实法难以保证各个不同部位受力均匀相等，因此严重影响模型体的均匀性和参数的真实性。除此之外，分层法制作模型时，模型底层在已达到强度标准的情况下，其上覆材料压实过程中仍然受到超压作用而进一步压缩，导致材料参数增大、元件埋设位置出现偏差，影响了模型测量数据的准确性。因此，亟需开发一种针对大型地质力学模型的制作工艺及与之相适应的测量元件埋设方法。目前国内相关大型三维模型制作方法的研究现状如下
(I)《四川大学学报》2001年第3期介绍了一种拱坝模型制作方法。该方法采用钢模浇筑成型，胶结剂难以挥发，无法保证模型整体结构的均匀性和力学性能上的一致性。(2)《水力发电学报》2004年第I期介绍了一种水电站硐室模型制作方法。该方法采用浇筑成型，胶结剂难以挥发，无法保证模型整体结构的均匀性和力学性能上的一致性。(3)《岩石力学与工程学报》2006年第9期介绍了一种分叉隧道模型制作方法，该方法采用人工夯实成型，无法保证模型整体结构的均匀性和力学性能上的一致性。(4)申请号为200810056625. 4的中国专利介绍了一种击实功复合作用函数逆向控制原理的模型制作方法。该方法采用击实器夯实，且材料置于模型体内，胶结剂难以挥发，导致分层现象产生，无法保证模型体的均匀性和力学性能上的一致性。(5)申请号为201010503227. X的中国专利介绍了一种分层压实风干的模型制作方法。该方法采用大面积的分层压制模型，导致尺寸效应；且材料置于模型体内，胶结剂难以挥发，导致分层现象，无法保证模型体的均匀性和力学性能上的一致性；埋设在下面的测量元件，在继续压制过程中导致发生偏移，使设计的测量部位失真，影响了模型测量数据的准确性。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种结构均匀且力学参数符合设计要求、施工操作简便的一种地质力学模型制作方法。为实现上述目的，本发明采用下述技术方案
一种大型地质力学模型的制作方法，其特征在于步骤为
第一步、压制预制标准模块
1)将称重的模型材料敷设在模具内，预制模块材料重量为^，其中、为模型体设计容重，h,h分别为预制标准模块与模型体宽度.AiJi
分别为预制标准模块与模型体长度'hJt分别为预制标准模块与模型体高度；n为预制标 准模块的个数；
2)在设计位置放置成孔杆并按设计压力压制模块成型；
3)将压制完的预制模块养护至设计强度；
4)取出成孔杆，安装测量元件；
第二步、将压制成型的预制标准模块分别编号并制作由标准模块拼装成模型的设计图
纸；
第三步、按照设计图纸依次采用粘结剂将预制标准模块砌筑成型；
第四步、将测量元件上的测量线引出模型体，并与测量设备相连。所述预制标准模块的重量竓.d y不大于20Kg。所述压实模型的施力源采用三轴压缩仪，所述压实力与相似材料试件力学参数测试压制力保持一致，保证了预制模块的强度与设计强度相同。为保证模型体力学参数(如
弹性模量E、抗压强度CF抗拉强度、泊松比#等)达到设计值，即与模型材料实验室力
学参数测试值相等，预制模块压制时的压实应力与实验室内压制标准试件时的压实应力相
等，故预制模块压制力为预制模块横截面积~ 4 % (式中&为实验室标准材料试件压制
应力)。所述压制模具为刚性板构成的钢制箱体。所述粘结剂为与相似材料试件制作相同的溶剂，保证了预制块与粘结面之间的力
学性质一致。本发明具有如下技术优势
(1)小块体的均匀压实保证了模型体的均匀性，消除了尺寸效应影响，使模型力学参数满足设计要求；
(2)小块体的制作，解决了由于模型体摊铺夯实造成的溶剂难以挥发，模型强度难以成形的缺点，消除了分层现象，有效保证了模型体的力学参数达到强度设计值；
(3)块体堆砌时用同配比材料作胶结剂黏接，故接缝性能与模型块体相同，较好地保证模型材料在力学性能上的一致性；
(4)埋设元件时通过预设埋设孔等工序，保证了测量元件的顺利埋设。在标准模块体内埋设元件，保证了测量元件的布设位置准确不发生偏差，使其测量准确，并保护测量元件不受损害；(5)模块可标准化规模生产，该方法操作方便、高效、快捷；可广泛应用于水电、交通、能源、矿山等领域地下工程地质力学模型制作，应用范围广泛。
图I为模型制作流程图。图2为本发明预制标准模块压制图。图中，I.压制模具，2.预制模块，3.成孔杆。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1、2所示，
一种大型地质力学模型的制作方法，步骤为
I)按实验确定的配合比配制材料并将称重的材料敷设在压制模具I内。所述预制模块2材料重量为ivAAcry (式中7为模型体设计容重)。为保证施工方便，所述预制标准模
块2个数《的确定需保证预制模块重量知-drk0-y不大于20Kg。预制模块成方形，其长、宽
和高尺寸均为20cm左右，考虑到拟制模型体尺寸一般为Im左右方形，故需压制的预制模块2总量n约为100-200块。2)材料置入压制模具I平摊铺匀，在设计位置放置成孔杆3以制作元件安置孔。所述成孔杆3为直径略大于拟埋设测量元件的圆杆，以使成孔杆拔出后预留的埋设槽足够测量元件置入；将压制模具I置于压力机上，按设计压力值进行压实，预制模块2压制时的压实应力与实验室内压制标准试件时的压实应力相等。3)养护压制完的预制模块2。将压制完的预制模块2拆卸，采用吹风器加速压实完的模型的风干，使模型材料内的酒精等溶剂有效挥发，使模型强度达标。4)取出成孔杆3，按设计标高将测量元件置于埋设孔内，孔壁与测量元件之间的空隙采用配比相同但酒精含量较高，即较湿的相似材料将测量孔填埋并轻轻压实；
5)进行下一个压制预制模块2——养护——埋设元件——压制预制模块的循环，直至完成所有预制模块的压制；
6)将压制成型的预制模块2分别编号，并将各预制模块的砌筑次序，如位于同一高度的模块2摆放次序与各层模块2砌筑次序制作成设计图纸；
7)将预制模块2按照设计图纸依次砌筑，砌筑过程中采用粘结剂粘结预制块2，直至整个模型砌筑完成；
8)将测量元件上的测量线引出模型体，并与模型体之外的测量设备相连。所述预制模块2数量、尺寸由拟制模型体的体积确定。所述预制标准模块尺寸为拟制模型体的体积的 C,力预制的标准块个数)，即h = bjn , dti=dfn , A0 =A/ 。(式
中分别为预制标准块与模型体宽度；分别为预制标准块与模型体长度；
分别为预制标准块与模型体高度；n为预制标准块的个数)。所述预制模块材料重量为h.dn.h.Y (式中为模型体设计容重)。所述预制标准模块个数《的确定需保证预制模块2重量知-drk0-Y不大于20Kg。模型体等分成若干份标准块2模型，每个标准模块2依次编号。所述压实模型的施力源采用三轴压缩仪，所述压实力与相似材料试件力学参数测试压制力相同，保证了预制模块2的强度与设计强度保持一致。为保证模型体力学参数(如
弹性模量E、抗压强度0丨、抗拉强度$、泊松比#等)达到设计值，即与模型材料实验室力
学参数测试值相等，预制模块压制时的压实应力与实验室内压制标准试件时的压实应力相
等，故预制模块压制力为预制模块横截面积％ - % (式中&为实验室标准材料试件压制
应力)。所述压制模具I为刚性板构成的钢制箱体。所述粘结剂为与相似材料试件制作相同的溶剂，如松香的酒精溶液、石蜡溶液，保证了预制模块2与粘结面之间的力学性质一致。
权利要求
1.一种大型地质力学模型的制作方法，其特征在于 步骤为 第一步、压制预制标准模块 1)将称重的模型材料敷设在模具内，预制模块材料重量为 其中Y为模型体设计容重，分别为预制标准模块与模型体宽度；4 W分别为预制标准模块与模型体长度'hJt分别为预制标准模块与模型体高度；n为预制标准模块的个数； 2)在模型材料的设计位置放置成孔杆，并按设计压力压制模块成型； 3)将压制完的预制模块养护至设计强度； 4)取出成孔杆，安装测量元件； 第二步、将压制成型的预制标准模块分别编号并制作由标准模块拼装成模型的设计图纸； 第三步、按照设计图纸依次采用粘结剂将预制标准模块砌筑成型； 第四步、将测量元件上的测量线引出模型体，并与测量设备相连。
2.根据权利要求I所述的大型地质力学模型的制作方法，其特征在于所述预制标准模块的重量知.不大于20Kg。
3.根据权利要求I或2所述的大型地质力学模型的制作方法，其特征在于所述粘结剂为与相似材料试件制作过程的溶剂相同。
全文摘要
本发明公开了一种大型地质力学模型的制作方法，步骤为第一步、压制预制标准模块第二步、将压制成型的预制标准模块分别编号并制作由标准模块拼装成模型的设计图纸；第三步、按照设计图纸依次采用粘结剂将预制标准模块砌筑成型；第四步、将测量元件上的测量线引出模型体，并与测量设备相连。地质力学模型预制标准模块砌筑成型法改进了大型真三维地质力学模型的制作工艺，克服了现有的地质力学模型制作过程中由于分层压制导致的围岩严重分层和预埋测量元件的偏位现象，提高了模型制作质量。该方法具有高效、快捷、经济、设备操作简单、模型实体均匀、可规模标准化生产等优点，有效保证了三维地质力学模型实验的高质量进行。
文档编号B28B3/00GK102663950SQ20121009744
公开日2012年9月12日 申请日期2012年4月6日 优先权日2012年4月6日
发明者陈旭光 申请人:河海大学