一种用于模拟地下开采的实验方法与流程

本发明属于工程地质技术领域，涉及一种用于模拟地下开采的三维小模型及实验方法。

背景技术：

常用的物理模拟试验方法，按照试验装置类型和对模型体施加外力作用方式的不同，大致可分为框架式模型试验、底摩擦模拟试验、离心模型试验和三维及足尺模型试验。这些物理模拟试验方法，主要用在边坡及挡土墙、地下结构及基坑开挖、地基路堤及隧洞围岩的变形、破坏现象发生的条件和机制的研究方面。虽然，物理模型试验方法在工程地质和岩石力学领域里得到了广泛的应用，但现有方法在进行物理模拟时，尚存在一些不足，具体如下：

(1)在静态模拟的条件下，模型的尺寸太大，耗时太长。至少也得两米左右高；准备一个实验，至少也得两三个月；由于模型尺寸大，成本自然也会高。

(2)以往关于开挖问题的物理模拟中，一直存在着如何实现在自重体积力作用下小模型的变形和破坏的模拟问题。要想解决这个问题，必须找到或制成一种极低强度的弹性材料，用以组建模型体，使其在小尺寸模型的开挖条件下就能够模拟出所发生的宏观变形和破裂现象。

(3)在以往的研究中，多以平面应变模型、平面应力模型及小型的立体模拟实验装置为主，这在解决模型的边界效应、加载及测试手段等问题中都存在一定的局限性。处在三维应力状态的研究对象，采用三维模拟实验较为理想。

(4)使用离心机模拟自重体积力作用下开挖引起地质体的变形、破坏，虽然也可以做到使模型小型化，但由于在模型体中不是每一点的旋转半径都相同，因此，当模型体受到惯性离心力的作用时，其中每一点的加速度并不都是相同的。另外，这种方法也不能消除弹性模型中的初始应变能，由于这个原因，从模拟的原理上说，不可能正确地模拟出开挖引起位移场中各点位移矢量的方向，并且也很难模拟出平面应变的条件。有的研究者在模型体表面粘贴塑料膜，那样做，就会在很大程度上束缚了模型体在拉张区域的变形。加之成本较高、操作不方便、并且具有一定的危险性等缺点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于模拟地下开采的实验方法，本发明的有益效果是：

(1)尺寸小。设计的模型材料具有相对较低的弹性模量和较大的泊松比，根据相似理论，模型的弹性模量如降低一个数量级，那么，它显示开挖引起的位移就会增大到一个数量级。为此，本实验采用软材料小尺寸模型来模拟岩体变形现象，节省材料、空间，这是相对于大尺寸“硬”模型的优点。

(2)实验准备时间短。可从以往常用模型准备所需时间的几个月缩短至两三天以内。

(3)实现三维变形监测。可及时有效地显示地表下沉盆地的(俯视)形状，反映盆地边缘形状的环型曲线，以及实现对地表变形量(水平位移，沉降量)的监测。

(4)重复利用，节省材料。用过的模型体，可以重熔，铸制新的模板。这样反复多次使用，就会使实验材料的成本大大降低。

发明所采用的技术方案是铸模前，在一个尺寸为50cm×50cm×50cm正六面体的模型内置入一个直角六面体胶囊，胶囊的尺寸为15cm×15cm×8cm，水平截面为正方形，竖直截面为矩形，胶囊本身要有一定的刚性，以不受其他外力作用时能保持其原来形状为度；但其刚性又不能太强，以其在中空状态下受很低围压的作用体积就能变小为度。胶囊上部有一个注液口，通过此口可注入液体；下部连接一个导管，，通过导管可将液体排到一个盛液器中，并安装一个阀门，通过阀门及盛液器来控制排液量。每次实验前，向胶囊中注满盐水，使胶囊内液体的比重等于铸模所用熔融体的比重1.14，且关闭阀门。在模型内设计两根竖直钢化柱，铸模前，将盛满液体的胶囊放置在钢化柱的设定位置上，然后进行铸模，根据要铸成模型的体积，将明胶、甘油和水混合，混合比为3:5:12加热搅拌，直至达到熔融状态，当温度降到接近40℃的时候，进行铸模，将接近凝固点的熔体倒入安装好的模具内，使熔体的深度等于设计模型体的高度，几小时后，凝固成模型体。

进一步，(1)不同厚度的开挖模拟

当模型充分固结后，打开下部导管的阀门，把盐水从胶囊里排出，通过下部导管将排出液体输入模型下方的盛液器内，通过胶囊上的阀门控制注入容器中盐水的量来模拟不同厚度的地下采区的开挖作用。可实现4步模拟，排液量分别为450ml、900ml、1350ml和1800ml，对应的模拟开采厚度分别为2cm、4cm、6cm和8cm。

(2)不同深度的开挖模拟

在铸模时，通过移动胶囊在钢化柱上的位置来预先设定地下采区的深度，然后在此基础上，实现不同深度地下采区的开挖模拟。

进一步，(1)地表下沉盆地形状的观测

将具有明显对比色的液体缓缓倒在模型围岩上表面的中心部位，在彩色液扩展的过程中，观察液体俯视图的形状变化，可及时捕捉到最大尺寸盆地边缘作为封闭曲线的形状，即为盆地边缘的形状。

(2)地表变形监测

①平面位移监测

在模型上表面设置几条相互垂直的观测线，并在观测线上设置一些观测点，在相应的点位上刺入极细金属短线，短线的另一端与要观测的模型表面齐平，作为觇标，分别在开挖前后的两种状态下，使用高像素的相机，对模型进行拍照，然后根据点位的变化，得到各点的平面位移，为了提高位移测量的精度，需将相机的位置固定，并使相机拍照方向垂直于模型上表面，还要使相机的聚焦点对准最感兴趣的部位上，为了对位移进行精确测量，在模型局部摆放比例尺，并对这一局部进行短距离拍照，将拍照得到的模型变形信息输入电脑，通过软件计算出模型上觇标的高精度位移；

②沉陷量监测

将地表下沉盆地中的液体吸出，然后缓慢浇入调制好的石膏浆，尽量保证每个沉陷部位都浇入到位，石膏浆应成稀薄状，不要过于稠，浇入高度为模拟开挖前模型上表面的高度，待石膏浆干结后，标定好石膏体不同部位和前面设置的观测线的位置关系，然后取出石膏体，按照不同观测线将其切开，这样通过测量石膏体的厚度，就可以测定不同位置的沉陷量。

附图说明

图1是模型结构示意图；

图2是模型剖面图。

图中，1.模型，2.胶囊，3.注液口，4.下部导管，5.钢化柱，6.阀门，7.盛液器，8.模型支座。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明：

1、如图1和图2所示为模型结构，铸模前，在一个尺寸为50cm×50cm×50cm正六面体的模型1内置入一个直角六面体胶囊2。胶囊2的尺寸为15cm×15cm×8cm，水平截面为正方形，竖直截面为矩形。胶囊2本身要有一定的刚性，以不受其他外力作用时能保持其原来形状为度；但其刚性又不能太强，以其在中空状态下受很低围压的作用体积就能变小为度。胶囊2上部设置一个注液口3，通过注液口3进行注液；下部连接一个下部导管4和盛液器7，模型底部设有模型支座8，通过下部导管4可以将液体排到盛液器7，并安装一个阀门6来控制排液量。使胶囊内液体的比重等于铸模所用熔融体的比重1.14。调节盐水的浓度，很容易使盐水具有这样的比重值。向胶囊2中注满盐水，且关闭注液口3和阀门6。在正六面体的模型1内置两个钢化柱5，铸模前，将盛满液体的胶囊2置入设计的钢化柱5位置上，稍加些约束条件，可以保持在熔融液体的不同深度上，既不容易上升，也不容易下降(根据阿基米德原理)，然后进行铸模。铸模时，根据要铸成模板的体积，然后按照明胶、甘油和水的重量比(3：5：12)，求出所需要的量。然后混合，加热搅拌，直至达到熔融状态。当温度降到接近40℃的时候，就可以进行铸模。将接近凝固点的熔体倒入安装好的模具内，使熔体的深度等于设计模型体的高度。几小时后，凝固成模型体。

模型1的材料由明胶、丙三醇即甘油和水按照一定的比例混合熔融并冷凝后形成。模型1的外部框架由钢化玻璃板、钢化柱、金属框架及其他加固零件组成。根据反复试验，明胶、甘油和水混合比为3:5:12。最终制作成的模型材料的容重γ为1140kg/m³，弹性模量e为0.02mpa，泊松比μ为0.43。因此，该模型材料具有相对较低的弹性模量和较大的泊松比。根据相似理论，模型1的弹性模量如降低一个数量级，那么，它显示开挖引起的位移就会增大到一个数量级。当弹性模量降低到一定程度后，模型体的变形可以用肉眼直接去观察。这样，模型1的尺寸才可以做得很小。因此，即使是一个15cm高度的模型，也能观测到它在自重体积力作用下发生的变形。所以，借助于这样一个小模型1就可以模拟出岩体变形现象。这也是相对于大尺寸“硬”模型的优点。

2、模拟地下开挖

(1)不同厚度的开挖模拟

当模型1充分固结后，打开下部导管4的阀门6，把盐水从胶囊2里排出，通过下部导管4将排出液体输入模型下方的盛液器7内，通过胶囊2上的阀门6控制注入容器中盐水的量来模拟不同厚度的地下采区的开挖作用。

(2)不同深度的开挖模拟

在铸模时，通过移动胶囊2在钢化柱5上的位置来预先设定地下采区的深度，然后在此基础上，实现不同深度地下采区的开挖模拟。

3、变形监测

(1)地表下沉盆地形状的观测

将具有明显对比色的液体缓缓倒在模型围岩上表面的中心部位，在彩色液扩展的过程中，观察液体俯视图的形状变化，可及时捕捉到最大尺寸盆地边缘作为封闭曲线的形状，即为盆地边缘的形状。

(2)地表变形监测

①平面位移监测

在模型上表面设置几条相互垂直的观测线，并在观测线上设置一些观测点，在相应的点位上刺入极细金属短线，短线的另一端与要观测的模型表面齐平，作为觇标。分别在开挖前后的两种状态下，使用高像素的相机，对模型进行拍照，然后根据点位的变化，就可以得到各点的平面位移。为了提高位移测量的精度，需将相机的位置固定，并使相机拍照方向垂直于模型上表面，还要使相机的聚焦点对准最感兴趣的部位上。为了对位移进行精确测量，可在模型局部摆放比例尺，并对这一局部进行短距离拍照。将拍照得到的模型变形信息输入电脑，通过软件计算出模型上觇标的高精度位移(大小和方向)。

②沉陷量监测

在完成上述观测后，将地表下沉盆地中的液体吸出，然后缓慢浇入调制好的石膏浆，尽量保证每个沉陷部位都浇入到位。石膏浆应成稀薄状，不要过于稠，那样很快会干结的，这要凭经验，多试几次，且不能有硬块和气泡。浇入高度为模拟开挖前模型上表面的高度(应事先标注好模型上表面不同位置的高度)，可在其半干前通过工具修整抹平。待石膏浆干结后，标定好石膏体不同部位和前面设置的观测线的位置关系，然后取出石膏体，按照不同观测线将其切开，这样通过测量石膏体的厚度，就可以测定不同位置的沉陷量。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。