CN113390541B - 一种相似模拟实验模型及其铺设方法 - Google Patents

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Abstract

一种相似模拟实验模型及其铺设方法，实验模型：包括实验模型体，所述实验模型体由纵向依次排布的多层组合块层和充填材料组成，每层组合块层均由多个沿左右方向依次排布的多个组合块体组成；所述充填材料填充于实验模型体内部的所有组合块体之间的间隙之中；所述组合块体由位于中部的防张拉杆、固定连接在防张拉杆前端的前骨架块和固定连接在防张拉杆后端的后骨架块组成。方法：制备完成足量的组合块体；在实验台上铺设底层相似材料；由下向上依次铺设各层相似材料；开展相似模拟实验；回收组合块体。该模型能够进行提前预制，可以多次、有效的利用于相似模拟实验之中。该方法铺设方法简单、施工步骤少，彻底消除了铺设和实验期间侧向垮塌的问题。

Description

一种相似模拟实验模型及其铺设方法
技术领域
本发明属于室内物理相似模拟实验技术领域，具体涉及一种相似模拟实验模型及其铺设方法。
背景技术
岩土工程作为土木工程领域中的一门重要学科，其中所涉及的问题日益复杂，仅仅通过理论分析很难解决在工程实践中所遇到的问题，所以必须加以相应的实验来进行验证分析，而通过相似模拟实验就能够的达到较好地模拟效果。
相似模拟实验是社会发展的必然产物，相似模拟实验通过对比现场地层等，按相应的相似原理制作一定大小的模型，再模仿现场实际操作对模型进行开挖、加压等，以此来观察模型的变化情况，基于模型的变化情况来研究现场岩层的变形、破坏等机理。相似模拟实验的优点在于：相似模拟实验是理论与现场实际情况密切结合的科学研究方法，是目前解决岩土工程中产生的问题的有效方法。
相似模拟实验需要制作试验台、观测装置、相似模拟材料等，而其中最重要的就是制作相似模拟实验模型，当前室内物理相似模拟实验大都全部采用一次性使用的相似模拟实验模型，即通过将砂子、石灰等按照一定的配比混合制成相似模型，但这种传统的相似模拟模型具有相当大的局限性：
首先，传统的相似模拟材料制备过程较为复杂，传统相似材料在实验过程中容易发生侧向垮落，会影响实验的进展，同时，制作相似模拟材料会占用大量的时间，会浪费掉大量科研人员的宝贵时间；传统的相似模拟***无论是实验开始时的铺设，还是实验结束后的拆除，都比较耗时费力，严重影响了实验进程以及科研效率。
其次，传统的相似模拟模型所使用的配比材料消耗量较大，由于传统相似模拟模型中的材料均为一次使用材料，在实验结束都作为实验废料进行了处理，这不仅浪费了资源、增加了经济成本，最重要的是造成一定的环境污染，带来了一定的环保问题。
最后，传统相似模拟模型中的材料是使用砂子、石灰等材料混合制成，由于其材料特性等因素，会受到养护时间存在差异、材料配比的科学性等问题的影响，所以会有部分材料达不到实验要求的现象。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种相似模拟实验模型及其铺设方法，该模型能够进行提前预制，可以多次、有效的利用于相似模拟实验之中，且在实验期间不会发生垮塌的现象，其见效快，能提高实验的效率，并能避免材料的浪费。该方法铺设方法简单、施工步骤少、施工成本低、投入时间少，彻底消除了铺设和实验期间侧向垮塌的问题。
为了实现上述目的，本发明提供一种相似模拟实验模型，包括实验模型体，所述实验模型体由纵向依次排布的多层组合块层和充填材料组成，每层组合块层均由多个沿左右方向依次排布的多个组合块体组成；所述充填材料填充于实验模型体内部的所有组合块体之间的间隙之中；所述组合块体由位于中部的防张拉杆、固定连接在防张拉杆前端的前骨架块和固定连接在防张拉杆后端的后骨架块组成。
进一步，为了提供本实验模型的通用性，每层组合块层中的多个组合块体之间紧密的排布，且相邻两层组合块层中的组合块体之间紧密的排布。
进一步，为了提供本实验模型的通用性，每层组合块层中的多个组合块体之间错缝留有空隙的排布，且相邻两层组合块层中的组合块体之间在竖向上错缝或通缝留有空隙的排布。
进一步，为了提供本实验模型的通用性，所述前骨架块由预埋设有螺纹管的刚性材料制成或由开设有螺纹孔的柔性材料制成；所述后骨架板由预埋设有螺纹管的刚性材料制成或由开设有螺纹孔的柔性材料制成。
作为一种优选，所述防张拉杆由刚性螺纹杆体或刚性圆杆体制成。
进一步，为了提供本实验模型的通用性，所述前骨架块为圆柱体或截面为六边形的棱柱体或异形截面形状体中的一种；所述后骨架块为圆柱体或截面为六边形的棱柱体或异形截面形状体中的一种。
本发明中，利用组合块体和充填材料来代替传统相似模拟材料形成实验模型体，本模型体可提前预制好，并可随时用于实验，同样，其拆除过程方便快捷，省时又省力，能够极大的节约时间，提高了科研效率。该实验模型体由于其外形、结构等优异的特性，能够在相似模拟实验中达到较好的效果，能够彻底消除传统相似模拟材料在实验时发生的侧向垮塌的现象。相较于传统的相似材料，本模型体中的材料能便于可重复利用，进而能够节约大量的材料，减少资源浪费，减少实验投资成本，避免了大量实验废料的产生，具有重要的环保意义。
本发明还提供了一种相似模拟实验模型的铺设方法，包括收下步骤：
S1:制备完成足量的组合块体；
制备足够数量的组合块体，并准备好适量的常规的相似材料，常规的相似实验材料用作相似模拟模型中的充填材料，用于填充相邻组合块体之间的空隙；
S2:在实验台上铺设底层相似材料；
将多个组合块体逐一铺设于实验平台的底部形成底层组合块层，且相邻的组合块体之间错缝留有空隙的铺设或紧密贴合的铺设，在底层组合块层铺设完之后，使用充填材料对相邻组合块体之间的空隙进行填充，之后压实平整；
S3：由下向上依次铺设各层相似材料；
重复底层相似材料的铺设方法，由下向上依次铺设各层相似模拟材料，且相邻两层组合块层中的组合块体之间在竖向上错缝或通缝留有空隙的排布，并通过充填材料填充相邻两层组合块层中的组合块体之间的间隙，每铺设一层相似材料均压实平整；
S4：开展相似模拟实验；
全部铺设完成后，待材料养护达到预设要求之后，进行相似模拟实验；
S5:回收组合块体；
实验结束之后对相似模拟材料进行拆除，将组合块体进行清理干净再回收，每一个组合块体均可完整回收，回收完成即可重复使用。
作为一种优选，所述组合块体和充填材料的选择步骤如下：
步骤1：计算相似比；
在实验开始前，确定好相似实验的几何相似比，根据几何相似比来计算材料应力相似比，并以此的得到每层相似材料的弹性模量；
步骤2：合理的选择组合块体中前骨架块和后骨架块的材料；
根据计算得到的相似材料的弹性模量来选择相应的前骨架块和后骨架块材料，不同层位的前骨架块和后骨架块的材料也应根据计算得到的相应层位的弹性模量来选择；
步骤3：合理地确定充填材料；
根据计算得到的应力相似比，确定每层模拟材料的弹性模量，以此来选择与之匹配的常规的相似材料来作为充填材料。
本方法中，在实验过程中将组合块体按一定的数量、形式分层铺设于试验台上，并使用充填材料来填充新型实验材料之间的少量空隙，以此来达到相似材料的效果，并且在实验结束后，可完整的回收组合块体，使组合块体能多次重复使用，显著降低了相似模拟实验材料成本大幅度下降，经济效益显著。该方法具有铺设方法简单、施工步骤少、施工成本低、投入时间少、彻底消除了铺设和实验期间侧向垮塌等优点。相较于其他传统相似模拟实验材料，具有投资少，见效快、试验效果好、可重复使用、回收方便等优点。
附图说明
图1是本发明中的组合块体按照紧密贴合的方式应用于实验的主视图；
图2是图1的侧视图；
图3是图1的立体图；
图4是本发明中的组合块体按照错缝铺设的方式应用于实验的主视图；
图5是图4的侧视图；
图6是图4的立体图；
图7是本发明中组合块体的主视图；
图8是本发明中组合块体一个实施例的立体图；
图9是本发明中组合块体一个实施例的立体图；
图10是本发明中呈圆柱体状的组合块体的结构示意图；
图11是本发明中呈棱柱状的组合块体的结构示意图；
图12是本发明中防张拉杆的结构示意图；
图13是本发明中的呈棱柱状的组合块体应用于实验的主视图；
图14是本发明中铺设方法的铺设示意图一；
图15是本发明中铺设方法的铺设示意图二；
图16是本发明中实验模型应用于实施例1的主视图；
图17是本发明中实验模型应用于实施例2的主视图。
图中：1、防张拉杆，2、前骨架块，3、后骨架块，4、实验模型体，5、充填材料，6、组合块体，7、模板。
具体实施方式
下面对本发明作进一步说明。
如图1至图17所示，一种相似模拟实验模型，包括实验模型体4，所述实验模型体4由纵向依次排布的多层组合块层和充填材料5组成，每层组合块层均由多个沿左右方向依次排布的多个组合块体6组成；所述充填材料5填充于实验模型体4内部的所有组合块体6之间的间隙之中，作为一种优选，所述充填材料5为常规相似模拟材料，主要由石膏、砂子、大白粉等材料混合制成；所述组合块体6由位于中部的防张拉杆1、固定连接在防张拉杆1前端的前骨架块2和固定连接在防张拉杆1后端的后骨架块3组成。
为了提供本实验模型的通用性，每层组合块层中的多个组合块体6之间紧密的排布，且相邻两层组合块层中的组合块体6之间紧密的排布。
为了提供本实验模型的通用性，每层组合块层中的多个组合块体6之间错缝留有空隙的排布，且相邻两层组合块层中的组合块体6之间在竖向上错缝或通缝留有空隙的排布。
为了提供本实验模型的通用性，所述前骨架块2由预埋设有螺纹管的刚性材料制成或由开设有螺纹孔的柔性材料制成，具体根据实验需求来确定；所述后骨架板由预埋设有螺纹管的刚性材料制成或由开设有螺纹孔的柔性材料制成，具体根据实验需求来确定。当前骨架块2和后骨架块3采用柔性材料时，可以选用尼龙棒和橡胶棒等材料制成骨架块体，再使用磁力钻或攻丝机等在相应的位置上打出螺纹孔，其中螺纹孔可以是通孔，也可以是非通孔。当前骨架块2和后骨架块3采用刚性材料时，可以预先制作出一对相互配合的模板7，一对模板7在相对扣合后形成用于浇筑骨架块的模腔，在制作时，先利用一对模板7扣合形成模腔，再使用刚性胶结性材料浇筑而成，同时，将螺纹管浇筑于其中，通过该螺纹管可以制作成贯穿骨架块体的通孔，也可以是非通孔。通过螺纹孔或螺纹管的设置，可以方便的使防张拉杆1通过螺纹配合与前骨架块2和后骨架块3固定连接。
作为一种优选，所述防张拉杆1可以采用尼龙、橡胶和钢丝杆等金属或非金属材料制成，作为一种优选，采用刚性螺纹杆体或刚性圆杆体制成，具体可以采用车床加工制成。
为了提供本实验模型的通用性，所述前骨架块2为圆柱体或截面为六边形的棱柱体或异形截面形状体中的一种；所述后骨架块3为圆柱体或截面为六边形的棱柱体或异形截面形状体中的一种。具体地，可以根据使用需求来自主确定。
作为一种优选，组合块体6可以采用如上所述分体式结构，当然还可以采用一体式结构。
本发明中，利用组合块体和充填材料来代替传统相似模拟材料形成实验模型体，本模型体可提前预制好，并可随时用于实验，同样，其拆除过程方便快捷，省时又省力，能够极大的节约时间，提高了科研效率。该实验模型体由于其外形、结构等优异的特性，能够在相似模拟实验中达到较好的效果，能够彻底消除传统相似模拟材料在实验时发生的侧向垮塌的现象。相较于传统的相似材料，本模型体中的材料能便于可重复利用，进而能够节约大量的材料，减少资源浪费，减少实验投资成本，避免了大量实验废料的产生，具有重要的环保意义。
本发明还提供了一种相似模拟实验模型的铺设方法，包括收下步骤：
S1:制备完成足量的组合块体6；
制备足够数量的组合块体6，并准备好适量的常规的相似材料，常规的相似实验材料用作相似模拟模型中的充填材料5，用于填充相邻组合块体6之间的空隙；
S2:在实验台上铺设底层相似材料；
将多个组合块体6逐一铺设于实验平台的底部形成底层组合块层，且相邻的组合块体6之间错缝留有空隙的铺设或紧密贴合的铺设，在底层组合块层铺设完之后，使用充填材料5对相邻组合块体6之间的空隙进行填充，之后压实平整；
S3：由下向上依次铺设各层相似材料；
重复底层相似材料的铺设方法，由下向上依次铺设各层相似模拟材料，且相邻两层组合块层中的组合块体6之间在竖向上错缝或通缝留有空隙的排布，并通过充填材料5填充相邻两层组合块层中的组合块体6之间的间隙，每铺设一层相似材料均压实平整；
S4：开展相似模拟实验；
全部铺设完成后，待材料养护达到预设要求之后，进行相似模拟实验；
S5:回收组合块体6；
实验结束之后对相似模拟材料进行拆除，将组合块体6进行清理干净再回收，每一个组合块体6均可完整回收，回收完成即可重复使用。
作为一种优选，所述组合块体6和充填材料5的选择步骤如下：
步骤1：计算相似比；
在实验开始前，确定好相似实验的几何相似比，根据几何相似比来计算材料应力相似比，并以此的得到每层相似材料的弹性模量；
步骤2：合理的选择组合块体6中前骨架块2和后骨架块3的材料；
根据计算得到的相似材料的弹性模量来选择相应的前骨架块2和后骨架块3材料，选择的不同材质的尼龙、橡胶等材料的弹性模量要匹配相似实验材料的弹性模量，同样，不同层位的前骨架块2和后骨架块3的材料也应根据计算得到的相应层位的弹性模量来选择；
步骤3：合理地确定充填材料5；
根据计算得到的应力相似比，确定每层模拟材料的弹性模量，以此来选择与之匹配的常规的相似材料来作为充填材料。
本方法中，在实验过程中将组合块体按一定的数量、形式分层铺设于试验台上，并使用充填材料来填充新型实验材料之间的少量空隙，以此来达到相似材料的效果，并且在实验结束后，可完整的回收组合块体，使组合块体能多次重复使用，显著降低了相似模拟实验材料成本大幅度下降，经济效益显著。该方法具有铺设方法简单、施工步骤少、施工成本低、投入时间少、彻底消除了铺设和实验期间侧向垮塌等优点。相较于其他传统相似模拟实验材料，具有投资少，见效快、试验效果好、可重复使用、回收方便等优点。
实例说明：
实例1:以对华北某矿底板承压水上开采来做室内物理相似模拟实验为例。本次实验是以该矿深部承压水上开采工作面底板为研究对象，在现场取得相关原岩岩芯再加以室内实验获得岩层力学参数，再采用室内物理相似模拟实验来模拟现场采动对底板岩层的影响，所采用的试验台的框架尺寸为1.0m×0.2m×0.8m(长×宽×高)。
1)所模拟底板岩层的基本概况：
对该底板地层的模拟深度为30m，其基本情况为：从上到下依次为a层-5m厚的砂岩、b层-3m厚的粉砂岩、c层-4m厚的泥岩、d层-5m厚的砂岩、e层-5m厚的泥岩、f层-8m厚的石灰岩。所模拟的岩性参数为：a、d层-砂岩的弹性模量为1.35×104Mpa；b层-粉砂岩的弹性模量为1×104Mpa；c、e层-泥岩的弹性模量为1.75×104Mpa；f层-石灰岩的弹性模量为1.06×104Mpa。
2)相似比的计算：
拟定几何相似比为1:100。几何相似：Cl＝Ym/Yy＝Zm/Zy＝1/100，其中，Cl为几何相似比，Ym、Zm分别为模型高度和宽度，Yy、Zy为实际高度和宽度。
容重相似比：Cγ＝γmi/γyi＝1/1.5，其中，Cγ为容重相似比，γmi为模型中第i层岩层的比重，γyi为实际该岩层的比重。
弹性模量与强度相似比：CE＝ClCγ＝(1/100)×(1/1.5)＝1/150，其中，CE为弹性模量相似比。
依据相似比的计算，我们可以得到模型中各层模拟材料的厚度，模拟材料的总厚度为30cm。
3)根据相似比选定新型模拟材料
根据计算得到的相似弹性模量选定组合块体中的骨架块材料，骨架块采用柔性材料：模拟砂岩采用成品的尼龙610棒、模拟粉砂岩采用成品的尼龙8棒、模拟泥岩采用成品的高压PE棒、模拟石灰岩采用成品的尼龙11棒。组合块体中的防张拉杆采用直径为0.5cm的螺丝杆。再根据计算得到的相似弹性模量选定充填材料：模拟砂岩采用砂子、石膏、大白粉混合制成，其配比为9:7:3；模拟粉砂岩采用砂子、石膏、大白粉混合制成，其配比为8:2:8；模拟泥岩采用砂子、石膏、大白粉混合制成，其配比为8:8:2；模拟石灰岩采用砂子、石膏、大白粉混合制成，其配比为6:7:3。
2)制作组合块体和充填材料
根据试验台的宽度，拟定组合块体的长度为20cm，骨架块和防张拉杆采用螺纹连接。防张拉杆采用直径为0.5cm的螺丝杆，利用车床加工成长度为15cm。骨架块直接采用3)中所述的成品圆柱体，利用车床加工成5cm长；骨架块中的螺纹孔制作成非通孔，其位置处于骨架块横截面的中心，骨架块中螺纹孔的直径应与防张拉杆对应，其长度制作成2.5cm，采用攻丝机攻丝而成。
根据3)中所述，所有骨架块均为5cm长，模拟a层时，采用尼龙610棒制作成77个直径为2cm的圆柱体骨架块，再与防张拉杆连接构成组合块体；模拟b层时，采用尼龙8棒制作成38个直径为2cm的圆柱体骨架块，再与防张拉杆连接构成组合块体；模拟c层时，采用高压PE棒制作成47个直径为1.5cm和39个直径为2cm的圆柱体骨架块，再与防张拉杆连接构成组合块体；模拟d层时，采用尼龙610棒制作成77个直径为2cm的圆柱体骨架块，再与防张拉杆连接构成组合块体；模拟e层时，采用高压PE棒制作成77个直径为2cm的圆柱体骨架块，再与防张拉杆连接构成组合块体；模拟f层时，采用尼龙11棒制作成71个直径为2cm和33个直径为2.5cm的圆柱体骨架块，再与防张拉杆连接构成组合块体。
根据3)中所述，根据不同层的配比将砂子、石膏、大白粉混合，制备适量的充填材料。
5)将新型模拟材料进行铺设
本次铺设采用组合块体之间错缝留有空隙的方式进行铺设，a层铺设两层组合块体，b层铺设一层组合块体，c层铺设两层组合块体，d层铺设两层组合块体，e层铺设两层组合块体，f层铺设三层组合块体。组合块体之间的空隙采用充填材料进行填充，每铺一层均应该压实平整。其主视图可参见附图13所示。
6)进行相似模拟实验
待到相似模拟材料保养达到预设要求之后进行相似模拟实验，进行开挖、加压等操作，在实验过程中新型模拟相似材料的效果明显优于传统相似模拟材料。
7)对组合块体进行回收
实验完成之后对新型相似模拟实验材料进行拆除，将组合块体逐一清理干净后即可回收，组合块体回收后可重复利用，少量的充填材料进行废弃。
实例2:以对西南某矿顶板防控来做室内物理相似模拟实验为例。本次实验是以该矿顶板稳定性为研究对象，在现场取得相关原岩岩芯再加以室内实验获得岩层力学参数，再采用室内物理相似模拟实验来模拟现场顶板岩层的稳定性，所采用的试验台的框架尺寸为0.8m×0.2m×0.6m(长×宽×高)。
1)所模拟顶板岩层的基本概况：
对该顶板模拟厚度为20m，其基本情况为：从上到下依次为a层-4m厚的细砂岩、b层-6m厚的砂岩、c层-2m厚的泥岩、d层-5m厚的砂质泥岩、e层-3m厚的中细砂岩。所模拟的岩性参数为：a层-细砂岩的弹性模量为4.01×103Mpa；b层-砂岩的弹性模量为4.35×103Mpa；c层-泥岩的弹性模量为3.4×103Mpa；d层-砂质泥岩的弹性模量为3.84×103Mpa；e层-中细砂岩的弹性模量为5.2×103Mpa。
2)相似比的计算：
拟定几何相似比为1:100。几何相似：Cl＝Ym/Yy＝Zm/Zy＝1/100，其中，Cl为几何相似比，Ym、Zm分别为模型高度和宽度，Yy、Zy为实际高度和宽度。
容重相似比：Cγ＝γmi/γyi＝1/1.2，其中，Cγ为容重相似比，γmi为模型中第i层岩层的比重，γyi为实际该岩层的比重。
弹性模量与强度相似比：CE＝ClCγ＝(1/100)×(1/1.2)＝1/120，其中，CE为弹性模量相似比。
依据相似比的计算，我们可以得到模型中各层模拟材料的厚度，模拟材料的总厚度为20cm。
3)根据相似比选定新型模拟材料
根据计算得到的相似弹性模量选定组合块体中的骨架块材料，骨架块采用刚性材料，骨架块使用模板浇筑而成，浇筑使用的胶凝材料通过了力学实验的验证，主要采用水泥、竹纤维、砂混合制成，利用配比的不同制成不同的骨架块：将三者比例调成4:2:1.5来模拟a层-细砂岩；将三者比例调成4:2:2来模拟b层-砂岩；将三者比例调成3:1:1.5来模拟c层-泥岩；将三者比例调成3:2:1来模拟d层-砂质泥岩；将三者比例调成4:2:1来模拟e层-中细砂岩。组合块体中的防张拉杆采用直径为0.5cm的螺丝杆。
再根据计算得到的相似弹性模量选定充填材料：模拟细砂岩采用砂子、石膏、大白粉混合制成，其配比为7:7:3；模拟砂岩采用砂子、石膏、大白粉混合制成，其配比为9:2:8；模拟泥岩采用砂子、石膏、大白粉混合制成，其配比为8:8:2；模拟砂质泥岩采用砂子、石膏、大白粉混合制成，其配比为6:7:3；模拟中细砂岩采用砂子、石膏、大白粉混合制成，其配比为8:6:4；。
4)制作组合块体和充填材料
根据试验台的宽度，拟定组合块体的长度为20cm，骨架块和防张拉杆采用螺纹连接。防张拉杆采用直径为0.5cm的螺丝杆，利用车床加工成长度为15cm。骨架块采用3)中所述的胶凝材料利用模板进行浇筑，浇筑成5cm长；将成品螺纹管浇筑在骨架块中，螺纹孔制作成非通孔，其位置处于骨架块横截面的中心，骨架块中螺纹孔的直径应与防张拉杆对应，其长度为2.5cm。
根据3)中所述，所有骨架块均为5cm长，模拟a层时，利用上述方法制作38个直径为2cm和51个直径为1.5cm的圆柱体骨架块，再与防张拉杆连接构成组合块体；模拟b层时，利用上述方法制作116个直径为2cm的圆柱体骨架块，再与防张拉杆连接构成组合块体；模拟c层时，利用上述方法制作38个直径为2cm的圆柱体骨架块，再与防张拉杆连接构成组合块体；模拟d层时，利用上述方法制作63个直径为2.5cm的圆柱体骨架块，再与防张拉杆连接构成组合块体；模拟e层时，利用上述方法制作32个直径为2.5cm的圆柱体骨架块，再与防张拉杆连接构成组合块体。
根据3)中所述，根据不同层的配比将砂子、石膏、大白粉混合，制备适量的充填材料。
5)将新型模拟材料进行铺设
本次铺设采用组合块体之间紧密贴合的方式进行铺设，a层铺设两层组合块体，b层铺设三层组合块体，c层铺设一层组合块体，d层铺设两层组合块体，e层铺设一层组合块体。组合块体之间的空隙采用充填材料进行填充，每铺一层均应该压实平整。其主视图可参见附图14所示。
6)进行相似模拟实验
待到相似模拟材料保养达到预设要求之后进行相似模拟实验，进行开挖、加压等操作，在实验过程中新型模拟相似材料的效果明显优于传统相似模拟材料。
7)对组合块体进行回收
实验完成之后对新型相似模拟实验材料进行拆除，将组合块体逐一清理干净后即可回收，组合块体回收后可重复利用，少量的充填材料进行废弃。

Claims (6)

1.一种相似模拟实验模型，包括实验模型体（4），其特征在于，所述实验模型体（4）由纵向依次排布的多层组合块层和充填材料（5）组成，每层组合块层均由多个沿左右方向依次排布的多个组合块体（6）组成；所述充填材料（5）采用石膏、砂子、大白粉材料混合制成；所述充填材料（5）填充于实验模型体（4）内部的所有组合块体（6）之间的间隙之中；所述组合块体（6）由位于中部的防张拉杆（1）、固定连接在防张拉杆（1）前端的前骨架块（2）和固定连接在防张拉杆（1）后端的后骨架块（3）组成；不同层位的前骨架块（2）和后骨架块（3）的材料根据计算得到的相应层位的弹性模量来选择；
所述防张拉杆（1）由刚性螺纹杆体或刚性圆杆体制成。
2.根据权利要求1所述的一种相似模拟实验模型，其特征在于，每层组合块层中的多个组合块体（6）之间紧密的排布，且相邻两层组合块层中的组合块体（6）之间紧密的排布。
3.根据权利要求1所述的一种相似模拟实验模型，其特征在于，每层组合块层中的多个组合块体（6）之间错缝留有空隙的排布，且相邻两层组合块层中的组合块体（6）之间在竖向上错缝或通缝留有空隙的排布。
4.根据权利要求3所述的一种相似模拟实验模型，其特征在于，所述前骨架块（2）由预埋设有螺纹管的刚性材料制成或由开设有螺纹孔的柔性材料制成；所述后骨架块（3）由预埋设有螺纹管的刚性材料制成或由开设有螺纹孔的柔性材料制成。
5.根据权利要求1所述的一种相似模拟实验模型，其特征在于，所述前骨架块（2）为圆柱体或截面为六边形的棱柱体或异形截面形状体中的一种；所述后骨架块（3）为圆柱体或截面为六边形的棱柱体或异形截面形状体中的一种。
6.一种根据权利要求1至5任一项所述的一种相似模拟实验模型的铺设方法，其特征在于，包括收下步骤：
S1: 制备完成足量的组合块体（6）；
组合块体（6）和充填材料（5）的选择步骤如下：
步骤1：计算相似比；
在实验开始前，确定好相似实验的几何相似比，根据几何相似比来计算材料应力相似比，并以此的得到每层相似材料的弹性模量；
根据公式（1）计算几何相似比C l ；
C l =Y m/Y y=Z m/Z y （1）；
式中，Y m、Z m分别为模型高度和宽度，Y y、Z y为实际高度和宽度；
根据公式（2）计算容重相似比C γ ；
C γ =γ mi /γ yi （2）；
式中，γ mi 为模型中第i层岩层的比重，γ yi 为实际该岩层的比重；
根据公式（3）计算弹性模量相似比 C E ；
C E =C l C γ （3）；
步骤2：合理的选择组合块体（6）中前骨架块（2）和后骨架块（3）的材料；
根据计算得到的相似材料的弹性模量来选择相应的前骨架块（2）和后骨架块（3）材料，不同层位的前骨架块（2）和后骨架块（3）的材料也应根据计算得到的相应层位的弹性模量来选择；
步骤3：合理地确定充填材料（5）；
根据计算得到的应力相似比，确定每层模拟材料的弹性模量，以此来选择充填材料；
制备足够数量的组合块体（6），并准备好适量的石膏、砂子、大白粉混合用作相似模拟模型中的充填材料（5），用于填充相邻组合块体（6）之间的空隙；
S2:在实验台上铺设底层相似材料；
将多个组合块体（6）逐一铺设于实验平台的底部形成底层组合块层，且相邻的组合块体（6）之间错缝留有空隙的铺设或紧密贴合的铺设，在底层组合块层铺设完之后，使用充填材料（5）对相邻组合块体（6）之间的空隙进行填充，之后压实平整；
S3：由下向上依次铺设各层相似材料；
重复底层相似材料的铺设方法，由下向上依次铺设各层相似模拟材料，且相邻两层组合块层中的组合块体（6）之间在竖向上错缝或通缝留有空隙的排布，并通过充填材料（5）填充相邻两层组合块层中的组合块体（6）之间的间隙，每铺设一层相似材料均压实平整；
S4：开展相似模拟实验；
全部铺设完成后，待材料养护达到预设要求之后，进行相似模拟实验；
S5:回收组合块体（6）；
实验结束之后对相似模拟材料进行拆除，将组合块体（6）进行清理干净再回收，每一个组合块体（6）均可完整回收，回收完成即可重复使用。
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