专利名称：地质力学模型试验隐埋洞室的定位与成型方法
技术领域：
本发明涉及一种地质力学模型试验隐埋洞室的定位与成型方法，主要涉及一种在能源、资源和国防工程领域的深部地下工程地质力学模型试验中隐埋洞室的定位与成型方法。
背景技术：
近年来，我国经济发展越来越迅速，对基础设施建设的要求不断提高。随着国民经济的不断发展，一大批水电、交通、能源、国防等领域的大型地下工程陆续开工建设。地下工程因其隐蔽性和复杂性一方面需要借助理论研究，另一方面需要借助模型试验进行研究。地质力学模型试验在基本满足相似原理的条件下可以真实再现施工过程和运营过程中原型洞室所处力学环境的连续变化。模型试验可以有效研究地下工程结构的稳定性，优化设计施工和运营方案并对数值仿真模拟结果进行验证，对于大型复杂地下工程具有重要意义。针对一些水电和能源工程中隐埋的地下洞室，如何实现隐埋洞室的定位和成型是这些大型地下工程模型试验能否成功的关键。目前，国内外对地下工程模型试验隐埋洞室的成型方法的研究现状如下(1)《武汉水利水电大学学报》1994年第1期介绍了一种用预制块砌筑洞室的方法。该法用预制块按洞室的形状和尺寸雕成芯块砌入预定的部位，试验时取出芯块形成洞室。此法不足之处在于洞腔内壁容易形成接缝，预制块之间物理力学参数不连续，对试验结果影响较大。(2)《岩土力学》2009年第12期介绍了一种盐岩储气库的模型试验方法，该法在模具内浇筑原材料，最后将表面修平成型，用来模拟洞腔的水平截面。该方法只能用来模拟洞室的部分截面，无法研究整个洞室在运营过程中的受力和变形情况。(3)申请号为02U9366. χ的中国专利公开了一种实体模型试验中隐蔽洞室开挖的方法及专用设备，采用三级逐级传递的定位方法，将绝对坐标系下的绝对定位系统转变为相对定位系统，并设计了专用的开挖设备。该法进行隐蔽洞室开挖要在前一级开挖洞室的基础上进行定位，且无法进行变截面洞室的开挖。(4)申请号为201110067678. 8的发明专利提出一种地下工程试验模型隐埋洞室的成腔装置，但该专利没有介绍模型隐埋洞腔的定位与成型方法。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种模型试验隐埋洞室精确定位、快速成型的地质力学模型试验隐埋洞室的定位与成型方法。为实现上述目的，本发明采用下述技术方案一种地质力学模型试验隐埋洞室的定位与成型方法，包括以下步骤1)、制作洞腔木模根据模型隐埋洞室尺寸，采用优质实木制作与洞腔形状一致的洞腔木模；
2)、定位洞腔在洞腔木模顶部中间固定一根定位钢杆，定位钢杆上攻有精密螺纹，通过定位螺栓将定位钢杆与模型架上设置的钢制横梁连接，通过平移横梁和旋转定位螺栓上下移动定位钢杆，实现洞腔的精确定位；3)、制作压板根据洞腔木模的空间尺寸，制作高强压板，高强压板中间留有圆形孔洞，孔洞外侧设置至少一个钢制套环，钢制套环是高强压板切割而成的同心圆环，模型材料压实过程中，通过分层拆卸和加装钢制套环始终保证洞室木模同一层面压板圆形孔洞的内直径与洞腔木模的外截面尺寸相匹配；4)、分层压料将搅拌均勻的模型材料沿洞腔木模由下往上分层摊铺，然后采用带有钢制套环的高强压板分层压实模型材料，直至模型材料填埋压实到洞腔木模顶部；在模型材料分层压实过程中，需要根据洞腔木模的外截面尺寸分层拆卸或加装钢制套环；5)、拔模成腔模型压实成型后，通过扳手旋转定位螺栓，带动定位钢杆向上移动， 从而将固定在定位钢杆上的洞腔木模拔出，最后形成模型隐埋洞腔。所述钢制套环的数量根据洞腔木模的空间形状确定。等截面的洞腔木模(如圆柱体)，只需一个钢制套环；对变截面的洞腔木模(如椭球体)，需根据木模空间尺寸设置多个同心、不同直径的能够拆卸钢制套环，多个钢制套环之间通过内孔销钉连接，通过拆装不同直径的钢制套环能够改变压板中间圆形孔洞的直径。本发明采用制作与洞腔形状一致的洞腔木模，在洞腔木模顶部中间固定一根攻有精密螺纹的定位钢杆，采用定位螺栓将定位钢杆与模型架上的钢制横梁连接。通过平移钢制横梁和旋转定位螺栓可实现隐埋洞腔的精确定位。使用带有不同直径钢制套环的高强压板分层压实模型材料，通过旋转定位螺栓上移定位钢杆，将木模拔出形成模型隐埋洞腔。本发明具有如下有益效果(1)通过平移钢制横梁及上移和下移定位钢杆，实现模型隐埋洞腔的精确定位。(2)模型分层压实过程中，通过拆卸或加装钢制套环，能方便制作变截面空间尺寸的模型洞腔。(3)通过旋转定位螺栓上移定位钢杆，可快捷方便地拔出木模，形成模型隐埋洞腔，有效保证洞室形状规则、内壁光滑、洞周材料均勻密实。(4)该发明可广泛应用于交通、水电、能源、矿山、国防等领域的地下工程地质力学模型试验，可实现各种形状和尺寸的隐埋洞腔的快速成型，大大提高了洞室成型的精度和准确度。
图1为模型隐埋洞腔定位装置示意图；图2为模型高强压板结构示意图；图3是图2的横向断面结构示意图；图中，1.洞腔木模；2.定位钢杆；3.精密螺纹；4.定位螺栓；5.钢制横梁；6.高强压板；7.钢制套环；8.内孔销钉；9.模型架；10.模型材料。
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。
图1中，在洞腔木模1顶部中间固定一根定位钢杆2，在定位钢杆2上攻有精密螺纹3，并通过定位螺栓4将定位钢杆2与设在模型架9上的钢制横梁5连接。平移钢制横梁 5和旋转定位螺栓4上下移动定位钢杆2，可实现内埋洞腔的精确定位。图2、3中，高强压板6中间留有圆形孔洞，孔洞外侧设置多个同心、不同直径可以拆卸的钢制套环7，钢制套环7之间通过内孔销钉8连接在一起，钢制套环7由高强压板6 切割而成的若干同心圆环组成。通过增减钢制套环7可以改变压板中间圆形孔洞的直径。一种地下工程模型试验隐埋洞室的定位与成型方法，包括以下步骤1、制作木模根据模型隐埋洞室尺寸，采用优质实木制作与洞腔形状一致的木制模具1。2、定位洞腔在洞腔木模1顶部中间固定一根定位钢杆2，定位钢杆2上攻有精密螺纹3，通过定位螺栓4将定位钢杆2与模型架9上设置的钢制横梁5连接。通过平移横梁 5和旋转定位螺栓4上下移动定位钢杆2，实现隐埋洞腔的精确定位。3、制作压板根据木模1的空间尺寸，制作高强压板6，高强压板6中间留有圆形孔洞，孔洞外侧设置多个同心、不同直径的可以拆卸的钢制套环7，钢制套环7之间通过内孔销钉8连接在一起。洞室同一层面的圆形孔洞的内直径与洞腔木模1的外截面尺寸一致， 模型材料压实过程中，通过分层拆卸和加装钢制套环7始终保证洞室木模同一层面压板圆形孔洞的内直径与洞腔木模1的外截面尺寸相匹配。钢制套环7的个数根据洞腔木模1的空间形状确定。对等截面的洞腔木模1 (如圆柱体)，只需一个钢制套环7 ；对变截面的洞腔木模1 (如椭球体)，需根据木模1空间尺寸设置多个钢制套环7。4、分层压料将搅拌均勻的模型材料10沿洞腔木模1由下往上分层摊铺，然后采用带有钢制套环7的高强压板6分层压实模型材料10，直至模型材料10填埋压实到洞腔木模1顶部。在模型材料10分层压实过程中，需要根据木模1的外截面尺寸分层拆卸或加装钢制套环7。5、拔模成腔模型压实成型后，通过扳手旋转定位螺栓4，带动定位钢杆2向上移动，从而将固定在定位钢杆2上的腔体木模1拔出，最后形成模型隐埋洞腔。
权利要求
1.一种地质力学模型试验隐埋洞室的定位与成型方法，其特征是，包括以下步骤1)、制作洞腔木模根据模型隐埋洞室尺寸，采用优质实木制作与洞腔形状一致的洞腔木模；2)、定位洞腔在洞腔木模顶部中间固定一根定位钢杆，定位钢杆上攻有精密螺纹，通过定位螺栓将定位钢杆与模型架上设置的钢制横梁连接，通过平移横梁和旋转定位螺栓上下移动定位钢杆，实现洞腔的精确定位；3)、制作压板根据洞腔木模的空间尺寸，制作高强压板，高强压板中间留有圆形孔洞， 孔洞外侧设置至少一个的钢制套环，钢制套环是由高强压板切割而成的同心圆环；模型材料压实过程中，通过分层拆卸和加装钢制套环始终保证洞室木模同一层面压板圆形孔洞的内直径与洞腔木模的外截面尺寸相匹配；4)、分层压料将搅拌均勻的模型材料沿洞腔木模由下往上分层摊铺，然后采用带有钢制套环的高强压板分层压实模型材料，直至模型材料填埋压实到洞腔木模顶部，在模型材料分层压实过程中，需要根据洞腔木模的外截面尺寸分层拆卸或加装钢制套环；5)、拔模成腔模型压实成型后，通过扳手旋转定位螺栓，带动定位钢杆向上移动，从而将固定在定位钢杆上的洞腔木模拔出，最后形成模型隐埋洞腔。
2.如权利要求1所述的地质力学模型试验隐埋洞室的定位与成型方法，其特征是，所述步骤3)中钢制套环的数量根据洞腔木模的空间形状确定，等截面的洞腔木模，只需一个钢制套环；对变截面的洞腔木模，根据木模空间尺寸设置多个同心、不同直径的能够拆卸钢制套环，多个钢制套环之间通过内孔销钉连接，通过拆装不同直径的钢制套环能够改变压板中间圆形孔洞的直径。
全文摘要
本发明涉及一种地质力学模型试验隐埋洞室的定位与成型方法，1)制作与洞腔形状一致的木制模具，在洞腔木模顶部中间固定一根定位钢杆，通过定位螺栓将定位钢杆与模型架上的钢制横梁连接，通过平移钢制横梁和旋转定位螺栓上下移动定位钢杆实现隐埋洞腔的精确定位。2)根据洞腔木模的空间形状，制作带有同心、不同直径钢制套环的高强压板，使用高强压板分层压实模型材料。3)通过旋转定位螺栓上移定位钢杆，将木模拔出形成模型隐埋洞室。本发明能快捷方便地制作不同形态、不同直径的模型隐埋洞室，实现隐埋洞腔的空间精确定位，减少洞腔成型过程对洞周模型材料的干扰，有效保证洞室形状标准、内壁光滑、洞周材料均匀密实。
文档编号E21D13/02GK102444410SQ20111028725
公开日2012年5月9日 申请日期2011年9月23日 优先权日2011年9月23日
发明者刘健, 向文, 张强勇, 曹冠华, 李术才, 段抗, 蔡兵, 许孝滨, 贾超 申请人:山东大学