CN112525639B - 一种地下溶洞模型制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下溶洞模型制备方法，通过现场勘察和地质资料，根据现场工程情况确定溶洞位置和形状；之后根据溶洞形状制作模具，将磁流变材料和导电线圈放入模具内，对导电线圈通电，产生磁场，使得磁流变材料固化成型，拆除模具，得到溶洞芯模；之后根据地质资料选择相似材料浇注地质模型，在浇注过程中将溶洞芯模预埋在地质模型内，在此过程中一直保持溶洞芯模内导电线圈通电；最后对溶洞芯模内导电线圈断电，磁场消失，磁流变材料恢复成流体，使得溶洞成型，即完成地下溶洞模型制备。本发明所用到的材料易得、成本较低，制备过程中操作简单，溶洞芯模溶解过程中对结构无损，所制得的地下溶洞模型模拟效果好。

Description

一种地下溶洞模型制备方法

技术领域

本发明属于土木建筑工程领域，涉及一种模拟实验技术，具体涉及一种地下溶洞模型制备方法，可用于有溶洞研究需要的实验室、工地、学校等，提高溶洞的真实性，增强溶洞实验数据的准确性。

背景技术

目前存在的溶洞塑造方法主要有内部填充泡沫再用酒精浸泡或者注入酒精或内部放置冰块融化，此方法具有以下缺点：

(1)内部塑造溶洞情况不明，不能准确判断泡沫溶解情况也难以观察溶洞形成效果。

(2)泡沫相对模拟的岩层强度很低，在浇筑的过程中很容易发生破坏，影响最终形成效果。

(3)使用酒精透过开孔溶解泡沫，往往需要通过压缩机保持内部酒精流动，难以保持稳定溶解。

(4)在浸泡的过程中模拟的岩层会和酒精发生水化反应，影响最后实验数据的准确性。

(5)用泡沫进行填充，在其软化的过程中容易造成溶剂流通管堵孔。

(6)用泡沫进行溶洞模拟时由于泡沫中间有缝隙，导致模拟岩层的浆液因为自重流入缝隙之中，模拟出来的溶洞和实际差距较大。

(7)注入酒精法最后模具难以拆除，因模具具有一定强度，最终影响实验效果。

磁流变材料是一种新型的功能材料，它会随着外部磁场的增大从液态逐渐转为固态。能在强磁场的作用下变得坚固。现今这种材料常常被运用于减震器、刹车器和阻尼器中，然而现有技术中还没有将该材料用于土建领域，如果能通过将此材料运用于溶洞模拟上，将解决上述问题，提供一种实用性较强的方案。

发明内容

本发明的目的就是为了针对上述问题而提出的一种新型模型实验溶洞的制备方法，解决现有技术中不能很好模拟溶洞地质环境的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种地下溶洞模型制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、通过现场勘察和地质资料，根据现场工程情况确定溶洞位置和形状；

步骤2、根据溶洞形状制作模具，将磁流变材料和导电线圈放入模具内，对导电线圈通电，产生磁场，使得磁流变材料固化成型，拆除模具，得到溶洞芯模；

步骤3、根据地质资料选择相似材料浇注地质模型，在浇注过程中将溶洞芯模预埋在地质模型内，在此过程中一直保持溶洞芯模内导电线圈通电；

步骤4、对溶洞芯模内导电线圈断电，磁场消失，磁流变材料恢复成流体，使得溶洞成型，即完成地下溶洞模型制备。

进一步地，步骤3中，所述地质模型的浇注方法如下：

步骤3.1、通过正交实验挑选和实际工况物理指标最接近的相似材料的用料比例；

步骤3.2、制作用于浇注地质模型的模型箱，在模型箱内底部浇注底层模拟低风化岩层，并根据现场工程溶洞位置将溶洞芯模安装在相应的位置；

步骤3.3、待底层模拟低风化岩层初凝后，在其上浇注中层模拟中风化岩层，并安装实验数据收集装置；

步骤3.4、在中层模拟中风化岩层初凝后，在其上浇注上层模拟高风化岩层，并将模拟桩基安放在实际工程中的对应位置；

步骤3.5、待全部模型初凝养护完毕，即完成步骤3中地质模型的制备。

进一步地，所述溶洞芯模在底层模拟低风化岩层初凝前安装，底层模拟低风化岩层初凝后起到对溶洞芯模固定定位作用。

进一步地，在步骤3.2中，溶洞芯模安装前，在溶洞芯模外部的导电线圈及导线上设置保护层，所述导电线圈为细丝线圈，步骤4中，导电线圈断电后，直接将导电线圈从地下溶洞模型内拉出来，流体态的，磁流变材料也从导电线圈拉出孔中流出。

进一步地，所述保护层为液体保护层或者薄膜保护层。

进一步地，所述液体保护层为凡士林或者脱模剂，所述薄膜保护层为塑料膜或者橡胶膜。

进一步地，步骤3.3中，所述实验数据收集装置包括土压力盒和应变计，所述土压力盒和应变计在中层模拟中风化岩层初凝前通过外力安装在所需测量位置。

进一步地，步骤3.4中，所述模拟桩基在上层模拟高风化岩层初凝前通过外力安装在相应位置。

进一步地，在步骤3.3中浇注中层模拟中风化岩层时，通过调压器增大导电线圈两端电压，提高磁场强调，从而提高溶洞芯模的强度。

进一步地，步骤2中，所述溶洞芯模在降低导电线圈电压的情况下能通过绝缘手套重新塑形。

本发明工作原理为：首先在模型箱中浇筑底层模拟低风化岩层，浇筑完毕在其未初凝时将通电后的磁流变材料放入模拟溶洞位置。待底层模拟低风化岩层初凝后，进行布置土压力盒、光纤等数据收集装置。然后再进行中层模拟中风化岩层浇筑，待到模拟中风化岩层初凝后进行上层模拟低风化岩层浇筑。待全部模型养护好后，将磁流变材料内的电圈线断电，去除其强度，进而使溶洞成型。

本发明有益效果是：

(一)因为只有一根通电的电线贯穿土体，不会对破坏模型的整体结构，从而提高了精度。

(二)磁流变材料能通过磁场强弱调整固液状态，在初凝之前通过升高电压来保证磁流变材料强度不会被上层土体自重破坏，等待模型初步凝固，降低电压使磁流变材料转为液体，不存在发生水化反应影响实验精度，保证了实验的准确可靠。

(三)本发明还可以模拟串珠式溶洞，超大型溶洞等多种溶洞，比泡沫模拟出来的溶洞，更平滑，更加贴合实际。

(四)本发明十分灵活，可根据现场施工和实验需要，使用绝缘材料覆盖双手直接对溶洞芯模进行塑性调整操作，免去预制模具或裁剪泡沫所耗费的金钱和时间。

和现阶段模型实验相比，可以使溶洞成型更加平滑，同时没有酒精融化泡沫、冰块融化等方法产生的水化效应，使得模型的误差较小，整体模型凝固后将电圈断电，磁流变材料便会恢复到液态，去除其刚度，此时模型内的溶洞成型，因运用磁流变材料在不同磁场下刚度不同得特性，可以起到模型塑造速度快、效果稳定、贴合实际特点。同时磁流变材料在一定磁场下可达到失去流动性又有良好塑造效果的泥巴状，实验人员可以使用绝缘材料包覆双手直接进行塑造，可根据实际溶洞形状做出灵活更改。本发明所使用到的材料易得、成本较低，即使是磁流变材料也大量运用于阻尼器、工业制造当中。

附图说明

图1为本发明实施例1中溶洞芯模制备过程示意图。

图2为本发明实施例1中溶洞芯模结构示意图。

图3为本发明实施例1中浇注底层模拟低风化岩层后溶洞芯模安装示意图。

图4为本发明实施例1中溶洞芯模与调压器相连示意图。

图5为本发明实施例1中浇注中层模拟中风化岩层示意图。

图6为本发明实施例1中浇注上层模拟高风化岩层示意图。

图7为本发明实施例1中安装模拟桩基示意图。

图8为本发明实施例1中地质模型制备完成结构示意图。

图9为本发明实施例1中导电线圈断电，磁场消失，地下溶洞模型制备完成示意图。

图10为本发明实施例1中地下溶洞模型侧视图。

附图中1-导电线圈，2-导线，3-磁流变材料，4-上层模拟高风化岩层，5-中层模拟中风化岩层，6-底层模拟低风化岩层，7-模拟桩基，8-实验数据收集装置，9-调压器，10-溶洞芯模，11-模具。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

实施例1：如图1至图10所示，一种地下溶洞模型制备方法，包括以下步骤：

步骤1、通过现场勘察和地质资料，根据现场工程情况确定溶洞位置和形状；

步骤2、如图1所示，根据溶洞形状制作模具11，将磁流变材料3和导电线圈1放入模具11内，导电线圈1两端伸出模具11外连接调压器9，或者导电线圈1两端通过细导线2延伸到模具11外连接调压器9，通过调压器9对导电线圈1通电，供给设定的电压，产生磁场，使得磁流变材料3固化成型，拆除模具11，得到溶洞芯模10，如图2所示，在后续浇注过程中，导电线圈1一直保持通电状态，溶洞芯模10即可一直保持其形状不变；

步骤3、根据地质资料选择相似材料浇注地质模型，在浇注过程中将溶洞芯模10预埋在地质模型内，在此过程中一直保持溶洞芯模10内导电线圈1通电，具体方法如下；

步骤3.1、通过正交实验挑选和实际工况物理指标最接近的相似材料的用料比例；

步骤3.2、如图3和图4所示，制作用于浇注地质模型的模型箱，在模型箱内底部浇注底层模拟低风化岩层6，并根据现场工程溶洞位置将溶洞芯模10安装在相应的位置，如图4所示；

步骤3.3、如图5所示，待底层模拟低风化岩层6初凝后，在其上浇注中层模拟中风化岩层5，并安装实验数据收集装置8；

步骤3.4、如图6所示，在中层模拟中风化岩层5初凝后，在其上浇注上层模拟高风化岩层4，并将模拟桩基7安放在实际工程中的对应位置，如图7所示；

步骤3.5、待全部模型初凝养护完毕，即完成步骤3中地质模型的制备，如图8所示。

步骤4、对溶洞芯模10内导电线圈1断电，磁场消失，磁流变材料3恢复成流体，使得溶洞成型，即完成地下溶洞模型制备，如图9所示，一旦导电线圈1断电，磁场消失，磁流变材料3变成流体，对地下溶洞模型受力结构不造成任何影响。

进一步优化本发明实施例方案，所述溶洞芯模10在底层模拟低风化岩层6初凝前安装，底层模拟低风化岩层6初凝后起到对溶洞芯模10固定定位作用。

进一步优化本发明实施例方案，步骤3.3中，所述实验数据收集装置8为土压力盒和应变计，所述土压力盒和应变计在中层模拟中风化岩层5初凝前通过外力安装在所需测量位置；步骤3.4中，所述模拟桩基7在上层模拟高风化岩层4初凝前通过外力安装在相应位置。

进一步优化本发明实施例方案，在步骤3.3中浇注中层模拟中风化岩层5时，通过调压器9增大导电线圈1两端电压，提高磁场强调，从而提高溶洞芯模10的强度。

实施例2：其他步骤与实施例1相同，区别在于：在步骤3.2中，溶洞芯模10安装前，在溶洞芯模10外部的导电线圈1及导线2上设置保护层，所述导电线圈1为细丝线圈，步骤4中，导电线圈1断电后，直接将导电线圈1从地下溶洞模型内拉出来(弹簧状的导电线圈1被拉后变成细丝状，被拉出)，流体态的，磁流变材料3也从导电线圈1拉出孔中流出，由于导电线圈1很小，所以拉出导电线圈1后在地下溶洞模型上留下的孔非常小，远小于其他方式制备溶洞模型所留下的孔，所以对溶洞模型的结构受力基本不造成影响。

具体的，所述保护层为液体保护层或者薄膜保护层；所述液体保护层为凡士林或者脱模剂，所述薄膜保护层为塑料膜或者橡胶膜。

本实施例相对于实施例1来说，基本可以排掉液态的磁流变材料3，使得本发明地下溶洞模型具备真正的溶洞模型，同时不会对模型内溶洞造成腐蚀、水化等影响，基本上最理想化的溶洞模型。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种地下溶洞模型制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、通过现场勘察和地质资料，根据现场工程情况确定溶洞位置和形状；

步骤2、根据溶洞形状制作模具，将磁流变材料和导电线圈放入模具内，对导电线圈通电，产生磁场，使得磁流变材料固化成型，拆除模具，得到溶洞芯模；

步骤3、根据地质资料选择相似材料浇注地质模型，在浇注过程中将溶洞芯模预埋在地质模型内，在此过程中一直保持溶洞芯模内导电线圈通电；

步骤4、对溶洞芯模内导电线圈断电，磁场消失，磁流变材料恢复成流体，使得溶洞成型，即完成地下溶洞模型制备。

2.如权利要求1所述地下溶洞模型制备方法，其特征在于：步骤3中，所述地质模型的浇注方法如下：

步骤3.1、通过正交实验挑选和实际工况物理指标最接近的相似材料的用料比例；

步骤3.2、制作用于浇注地质模型的模型箱，在模型箱内底部浇注底层模拟低风化岩层，并根据现场工程溶洞位置将溶洞芯模安装在相应的位置；

步骤3.3、待底层模拟低风化岩层初凝后，在其上浇注中层模拟中风化岩层，并安装实验数据收集装置；

步骤3.4、在中层模拟中风化岩层初凝后，在其上浇注上层模拟高风化岩层，并将模拟桩基安放在实际工程中的对应位置；

步骤3.5、待全部模型初凝养护完毕，即完成步骤3中地质模型的制备。

3.如权利要求2所述地下溶洞模型制备方法，其特征在于：所述溶洞芯模在底层模拟低风化岩层初凝前安装，底层模拟低风化岩层初凝后起到对溶洞芯模固定定位作用。

4.如权利要求3所述地下溶洞模型制备方法，其特征在于：在步骤3.2中，溶洞芯模安装前，在溶洞芯模外部的导电线圈及导线上设置保护层，所述导电线圈为细丝线圈，步骤4中，导电线圈断电后，直接将导电线圈从地下溶洞模型内拉出来，流体态的磁流变材料也从导电线圈拉出孔中流出。

5.如权利要求4所述地下溶洞模型制备方法，其特征在于：所述保护层为液体保护层或者薄膜保护层。

6.如权利要求5所述地下溶洞模型制备方法，其特征在于：所述液体保护层为脱模剂，所述薄膜保护层为塑料膜或者橡胶膜。

7.如权利要求3所述地下溶洞模型制备方法，其特征在于：步骤3.3中，所述实验数据收集装置包括土压力盒和应变计，所述土压力盒和应变计在中层模拟中风化岩层初凝前通过外力安装在所需测量位置。

8.如权利要求3所述地下溶洞模型制备方法，其特征在于：步骤3.4中，所述模拟桩基在上层模拟高风化岩层初凝前通过外力安装在相应位置。

9.如权利要求3所述地下溶洞模型制备方法，其特征在于：在步骤3.3中浇注中层模拟中风化岩层时，通过调压器增大导电线圈两端电压，提高磁场强调，从而提高溶洞芯模的强度。

10.如权利要求3所述地下溶洞模型制备方法，其特征在于：步骤2中，所述溶洞芯模在降低导电线圈电压的情况下能通过绝缘手套重新塑形。

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