高脆性透明類(lèi)巖石材料試件中洞室的成型和空間定位方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種高脆性透明類(lèi)巖石材料試件中洞室的成型和空間定位方法，包括預(yù)置洞室模具的制作和洞室的定位、成型，利用調(diào)好的類(lèi)巖石樹(shù)脂材料，依據(jù)試件模具和洞室模具澆鑄制作出不同形式的節(jié)理巖體地下洞室試件。包括蹄型和圓形的兩種洞室模具，模具由PVC材料做的軟橡皮構(gòu)成。通過(guò)對(duì)洞室模具在試件模具的位置、大小定位，在材料澆入試件模具后，經(jīng)過(guò)仔細(xì)的溫度控制和特定的脫模技術(shù)，便可制作出優(yōu)質(zhì)的節(jié)理巖體地下洞室試件。本發(fā)明的類(lèi)巖石透明地下洞室結(jié)構(gòu)，使試件易于觀察節(jié)理巖體地下洞室在受壓后裂隙擴(kuò)展和破裂規(guī)律?？梢远ㄐ缘拇_定地下洞室的位置和大小，解決了洞室試驗(yàn)中變形不易觀察，洞室大小、位置不易控制的難題。
【專(zhuān)利說(shuō)明】高脆性透明類(lèi)巖石材料試件中洞室的成型和空間定位方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種巖石力學(xué)相似試驗(yàn)透明材料模型中含節(jié)理巖體地下洞室的成型和空間定位方法。

【背景技術(shù)】
[0002]節(jié)理巖體地下洞室的力學(xué)破壞過(guò)程和內(nèi)部的裂隙擴(kuò)展一直是工程地質(zhì)方面研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。能夠觀察到洞室的力學(xué)破壞整個(gè)過(guò)程和規(guī)律是試驗(yàn)研究的關(guān)鍵點(diǎn)。選用一種高透明性的類(lèi)巖石材料，在此材料中預(yù)置形成所需的洞室來(lái)模擬實(shí)際的工程地質(zhì)條件，能夠準(zhǔn)確地定位洞室和觀察到節(jié)理巖體地下洞室的受力變形特征。
[0003]地下洞室模型試驗(yàn)于20世紀(jì)70年代末期80年代初期得到了空前的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，也是由于工程地下工程的需要而發(fā)展起來(lái)的。到目前為止，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都對(duì)地下工程模型試驗(yàn)進(jìn)行研究，利用砂漿等材料進(jìn)行地下洞室模型試驗(yàn)，通過(guò)光彈性法、激光散斑、照相法、CCD畫(huà)像處理法、光學(xué)照相法等取得試驗(yàn)結(jié)果。他們所采用的材料均屬于砂漿型材料非透明性材料，地下洞室的破壞形態(tài)等試驗(yàn)結(jié)果只能通過(guò)應(yīng)力磚及儀器等設(shè)備間接的反應(yīng)，難于觀察內(nèi)部破壞的全過(guò)程，從而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和真實(shí)性?？梢?jiàn)，多年來(lái)實(shí)時(shí)觀察洞室變化規(guī)律的試驗(yàn)一直都存在較嚴(yán)重的不足。
[0004]因巖體工程中洞室周邊普遍含有許多節(jié)理和斷面，它們強(qiáng)烈地影響著洞室的變形特性。所以節(jié)理巖體洞室的破壞規(guī)律一直是巖石力學(xué)研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。目前，室內(nèi)試驗(yàn)則是研究節(jié)理巖體洞室的主要研究手段。室內(nèi)試驗(yàn)洞室的成型通常是在鑄好巖體后再挖洞室，所以洞室在巖體中的定位、洞室的大小和洞室與節(jié)理的相對(duì)位置是試驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵。由于利用透明類(lèi)巖石材料模擬實(shí)際工程中節(jié)理巖體洞室的技術(shù)有相當(dāng)難度，預(yù)置洞室并能較好的實(shí)現(xiàn)洞室與節(jié)理相對(duì)位置的試驗(yàn)，尚未有人做過(guò)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種塑性好、易于成型、易于脫模的高脆性透明類(lèi)巖石材料試件中洞室的成型和空間定位方法。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
[0007]一種高脆性透明類(lèi)巖石材料試件中洞室的成型和空間定位方法，包括:
[0008]A、軟橡皮洞室模具的制備
[0009]軟橡皮洞室模具是由PVC材料制備的一種表面光滑，易于切割的軟橡皮，高低溫條件下物理性質(zhì)不發(fā)生改變；
[0010]軟橡皮洞室模具的制作步驟為:
[0011](I)材料選取
[0012]預(yù)置洞室選取PVC軟橡皮材料，與其他材料(如金屬，玻璃樹(shù)脂等)相比，PVC軟橡皮塑性好，切割后表面光滑，切割易成型，不與澆注樹(shù)脂相容，方便試件凝固后模具脫模；
[0013](2)模型切割
[0014]將選好的材料按設(shè)計(jì)要求切割、粘合出所需尺寸的圓柱形洞室模具和/或蹄型洞室母模具；
[0015]B、洞室定位和成型
[0016](I)試件模具即是預(yù)置洞室的定位裝置，在試件模具底側(cè)板面和左右兩側(cè)板面上畫(huà)出洞室在各板面的投影點(diǎn)；利用強(qiáng)力膠將步驟A制備的軟橡皮洞室模具豎直粘于底側(cè)板面上的投影點(diǎn)上，起到準(zhǔn)確定位的效果，能夠預(yù)置出不同大小形態(tài)，位置的洞室；
[0017](2)軟橡皮洞室模具的可塑性好，利用針線(xiàn)牽引在洞室的周?chē)A(yù)設(shè)各種位置的節(jié)理，包括貫通節(jié)理、非貫通節(jié)理以及與洞軸向夾角不同的節(jié)理，形成符合工程地質(zhì)條件的節(jié)理巖體地下洞室；具體如下:
[0018]在試件模具左右兩側(cè)板面的投影點(diǎn)以及軟橡皮洞室模具相對(duì)應(yīng)處分別鉆出兩個(gè)小孔，然后用柔軟的棉線(xiàn)順次穿過(guò)每個(gè)小孔和軟橡皮洞室模具，用來(lái)固定節(jié)理從而脫模后形成洞室的貫穿節(jié)理；
[0019](3)量取和配置類(lèi)樹(shù)脂材料，澆注試件；澆注時(shí)為避免洞室模具周邊有氣泡，應(yīng)順著洞室模具將樹(shù)脂材料流入試件模具；待試件具有一定強(qiáng)度后先將試件模具除去，然后用鑿子慢慢將洞室模具取出，將試件洗凈、除污；
[0020](4)脫模后試件放入恒溫為70°C恒溫鼓風(fēng)干燥箱養(yǎng)護(hù)48小時(shí)，這樣就完成地下節(jié)理巖體洞室的全部制作過(guò)程。
[0021]所述蹄型洞室采用強(qiáng)力膠將PVC軟橡皮材質(zhì)的半圓柱黏貼于一 PVC軟橡皮材質(zhì)的長(zhǎng)方體的一側(cè)面上形成一個(gè)整體。
[0022]所述軟橡皮洞室模具在放置前先確定好洞室的空間位置，然后在50°左右溫度下放置一天，待膠完全凝固后，利用強(qiáng)力膠將所述洞室模具豎直粘于底側(cè)板面上的投影點(diǎn)上。
[0023]所述試件模具包括由5塊完全透明的有機(jī)玻璃板組成一上部開(kāi)口的方形盒體，并通過(guò)有機(jī)絕緣硅脂密封形成一個(gè)整體。
[0024]本發(fā)明是在巖石力學(xué)研究領(lǐng)域中，將PVC材料制作的軟橡皮運(yùn)用于研制地下洞室模型試件。PVC制作的軟橡皮在高溫和低溫情況下具有良好的彈性和體積及形狀不變性，在試件的澆筑過(guò)程中表面光滑不與試件材料相容，并且容易切割，在試件的整個(gè)制作過(guò)程中軟橡皮的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)不會(huì)改變。將軟橡皮切割成需要的洞室形狀固定于試件模具中，然后澆筑類(lèi)巖石樹(shù)脂材料，最后待溫度控制結(jié)束，經(jīng)過(guò)脫模技術(shù)將軟橡皮從試件中取出，即形成了脆性透明類(lèi)節(jié)理巖體洞室試件。
[0025]洞室模具和空間定位技術(shù)。洞室的模具即是形成試件洞室的裝置，由一個(gè)完整的PVC材料切割和粘合而成需要的洞室形狀和大小。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要切取給定大小的洞室，通過(guò)在試件模具的底部涂抹強(qiáng)力膠將洞室固定于試件模具中，起到準(zhǔn)確定位洞室位置和大小的效果，然后在50°左右溫度下放置一天后，澆筑樹(shù)脂可以制作出不同形態(tài)的地下洞室?guī)r體試件。
[0026]本發(fā)明的類(lèi)地下洞室結(jié)構(gòu)，配合前人發(fā)明的類(lèi)巖石材料和配套模具(CN103773056 A)，使試件易于觀察節(jié)理巖體地下洞室在受壓后裂隙擴(kuò)展和破裂規(guī)律。如此制備出的試件結(jié)構(gòu)，可以定性的確定地下洞室的位置和大小，解決了洞室試驗(yàn)中變形不易觀察，洞室大小不易控制的難題。比前人多年來(lái)的工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)有了重大的進(jìn)步和突破。
[0027]本發(fā)明應(yīng)用的洞室成型技術(shù)具有易定位、易于成型、易于觀察節(jié)理巖體地下洞室破裂規(guī)律等特點(diǎn)；洞室模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、脫模方便，洞室大小形態(tài)容易控制；洞室定位技術(shù)能夠準(zhǔn)確的定位預(yù)置洞室和成型準(zhǔn)確洞室形態(tài)；解決了可以實(shí)時(shí)觀察到節(jié)理巖體洞室力學(xué)破壞規(guī)律的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)前人的工作大大推進(jìn)了一步。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1是尺寸不同的洞室模具；
[0029]圖2a、圖2b分別是洞室模具的定位不同方位圖；
[0030]圖3a、圖3b是待拆模的洞室試件不同方位圖；
[0031]圖4a、圖4b是已制作完成的節(jié)理巖體地下洞室試件不同方位圖；
[0032]圖5a、圖5b是含節(jié)理非貫穿洞室破壞過(guò)程不同方位圖，即本發(fā)明的效果圖；
[0033]圖6a、圖6b、圖6c是含節(jié)理貫穿洞室破壞不同方位圖，即本發(fā)明的效果圖。

【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0035]實(shí)施例1:貫通型蹄型貫穿節(jié)理洞室試件制作如下:制作的方形軟橡皮一塊，10mm*7mm的半圓柱一塊,通過(guò)強(qiáng)力膠形成一個(gè)整體(如圖1中的蹄型洞室)，以此來(lái)確定洞室的大小；將蹄型洞室用強(qiáng)力膠粘于底部面板，在膠粘前在試件模具底側(cè)板面和左右兩側(cè)板面上畫(huà)出洞室在各板面的投影點(diǎn)，以此來(lái)確定好洞室的空間位置，然后在50°左右溫度下放置一天，待膠完全凝固。在尺寸為50mm*100mm的處于對(duì)面的兩塊板上，用小型鉆機(jī)分別鉆出兩個(gè)小孔，然后用柔軟的棉線(xiàn)順次穿過(guò)每個(gè)小孔和軟橡皮，用來(lái)固定節(jié)理從而脫模后形成洞室的貫穿節(jié)理(如圖2b中所示)。然后給洞室模具涂上脫模劑，方便試件制作完成后洞室的成型和透明性。
[0036]接著，量取和配置類(lèi)樹(shù)脂材料，澆注試件。
[0037]試件原材料包括CY-39型樹(shù)脂和YS-T31型的固化劑，兩者的質(zhì)量比100:34或體積比100:41 ;具體步驟為:
[0038](I)材料稱(chēng)量
[0039]按照配合設(shè)計(jì)要求稱(chēng)量好試驗(yàn)原材料:樹(shù)脂和固化劑；
[0040](2)材料拌合
[0041]將樹(shù)脂和固化劑按配合比倒入攪拌筒中，用玻璃棒不斷攪拌使之充分混合形成混合料，攪拌時(shí)應(yīng)著重注意容器底部及側(cè)壁位置的材料，應(yīng)使該部位材料也充分混合，然后放入真空箱中做除氣泡處理半小時(shí)；
[0042](3)澆注成型和養(yǎng)護(hù)
[0043]把試件模具置于工作臺(tái)上，將步驟(2)制備并處理的混合料用玻璃棒引流入模具中澆注成型；澆注時(shí)為避免洞室模具周邊有氣泡，應(yīng)順著洞室模具將樹(shù)脂材料流入試件模具，澆注后將試件模具放入真空箱中做除氣泡處理20?25分鐘，然后放入18°C恒溫鼓風(fēng)干燥箱養(yǎng)護(hù)36?40小時(shí)；當(dāng)具備了大于50MPa力學(xué)強(qiáng)度后即拆去試件模具(如圖3b);然后用鑿子慢慢將洞室模具取出，將試件洗凈、除污。脫模后試件放入恒溫為70°C恒溫鼓風(fēng)干燥箱養(yǎng)護(hù)48小時(shí)，這樣就完成地下節(jié)理巖體洞室的全部制作過(guò)程，得到的節(jié)理巖體洞室試件如圖4a ο
[0044]試件模具包括由5塊完全透明的有機(jī)玻璃板組成一上部開(kāi)口的方形盒體，并通過(guò)有機(jī)絕緣硅脂密封形成一個(gè)整體。
[0045]實(shí)施例2:
[0046]與實(shí)施例1不同的是采用如圖1所示的圓型洞室，其余與實(shí)施例1相同。
[0047]一般工程模型試驗(yàn)都是應(yīng)用注漿等方法，其材料不具有透明性，大多試驗(yàn)成果只能同過(guò)傳感儀、測(cè)試儀等設(shè)備間接的反應(yīng)洞室的變化規(guī)律，并且只能反應(yīng)特定點(diǎn)的力學(xué)特性，不能夠給出整個(gè)破裂的形態(tài)和清晰的內(nèi)部破裂圖片；而且多數(shù)試驗(yàn)都是在注漿整個(gè)巖體后再行挖洞，這樣的洞室不但位置定位不準(zhǔn)確而且洞室形態(tài)不好控制，挖出的洞室與實(shí)際相差甚遠(yuǎn)，不能夠真實(shí)的反應(yīng)實(shí)際工程，并且節(jié)理與洞室的相對(duì)位置不好控制。而本發(fā)明的采用PVC軟橡皮材料應(yīng)用于節(jié)理巖體洞室試件制作后易于成型和定位，再輔以預(yù)置的節(jié)理片就可制作成符合工程地質(zhì)條件的節(jié)理巖體地下洞室。
[0048]上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以?xún)?nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種高脆性透明類(lèi)巖石材料試件中洞室的成型和空間定位方法，其特征是，包括: A、軟橡皮洞室模具的制備 軟橡皮洞室模具是由PVC材料制備的一種表面光滑，易于切割的軟橡皮，高低溫條件下物理性質(zhì)不發(fā)生改變； 軟橡皮洞室模具的制作步驟為: (1)材料選取 預(yù)置洞室選取PVC軟橡皮材料，PVC軟橡皮塑性好，切割后表面光滑，切割易成型，不與澆注樹(shù)脂相容，方便試件凝固后模具脫模； (2)模型切割 將選好的材料按設(shè)計(jì)要求切割、粘合出所需尺寸的圓柱形洞室模具或蹄型洞室母模亙.N 9 B、洞室定位和成型 (1)試件模具即是預(yù)置洞室的定位裝置，在試件模具底側(cè)板面和左右兩側(cè)板面上畫(huà)出洞室在各板面的投影點(diǎn)；利用強(qiáng)力膠將步驟A制備的軟橡皮洞室模具豎直粘于底側(cè)板面上的投影點(diǎn)上，起到準(zhǔn)確定位的效果，能夠預(yù)置出不同大小形態(tài)，位置的洞室； (2)軟橡皮洞室模具的可塑性好，利用針線(xiàn)牽引在洞室的周?chē)A(yù)設(shè)各種位置的節(jié)理，包括貫通節(jié)理、非貫通節(jié)理以及與洞軸向夾角不同的節(jié)理，形成符合工程地質(zhì)條件的節(jié)理巖體地下洞室；具體如下: 在試件模具左右兩側(cè)板面的投影點(diǎn)以及軟橡皮洞室模具相對(duì)應(yīng)處分別鉆出兩個(gè)小孔，然后用柔軟的棉線(xiàn)順次穿過(guò)每個(gè)小孔和軟橡皮洞室模具，用來(lái)固定節(jié)理從而脫模后形成洞室的貫穿節(jié)理； (3)量取和配置類(lèi)樹(shù)脂材料，澆注試件；澆注時(shí)為避免洞室模具周邊有氣泡，應(yīng)順著洞室模具將樹(shù)脂材料流入試件模具；待試件具有一定強(qiáng)度后先將試件模具除去，然后用鑿子慢慢將洞室模具取出，將試件洗凈、除污； (4)脫模后試件放入恒溫為70°C恒溫鼓風(fēng)干燥箱養(yǎng)護(hù)48小時(shí)，這樣就完成地下節(jié)理巖體洞室的全部制作過(guò)程。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述蹄型洞室采用強(qiáng)力膠將PVC軟橡皮材質(zhì)的半圓柱黏貼于一 PVC軟橡皮材質(zhì)的長(zhǎng)方體的一側(cè)面上形成一個(gè)整體。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述軟橡皮洞室模具在放置前先確定好洞室的空間位置，然后在50°左右溫度下放置一天，待膠完全凝固后，利用強(qiáng)力膠將所述洞室模具豎直粘于底側(cè)板面上的投影點(diǎn)上。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述試件模具包括由5塊完全透明的有機(jī)玻璃板組成一上部開(kāi)口的方形盒體，并通過(guò)有機(jī)絕緣硅脂密封形成一個(gè)整體。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述配置的類(lèi)樹(shù)脂材料的原材料包括CY-39型樹(shù)脂和YS-T31型的固化劑，兩者的質(zhì)量比100:34或體積比100:41 ;具體步驟為: (1)材料稱(chēng)量 按照配合設(shè)計(jì)要求稱(chēng)量好試驗(yàn)原材料:樹(shù)脂和固化劑； (2)材料拌合 將樹(shù)脂和固化劑按配合比倒入攪拌筒中，用玻璃棒不斷攪拌使之充分混合形成混合料，攪拌時(shí)應(yīng)著重注意容器底部及側(cè)壁位置的材料，應(yīng)使該部位材料也充分混合，然后放入真空箱中做除氣泡處理半小時(shí)； (3)澆注成型和養(yǎng)護(hù) 把試件模具置于工作臺(tái)上，將步驟(2)制備并處理的混合料用玻璃棒引流入試件模具中澆注成型；澆注后將試件模具放入真空箱中做除氣泡處理20?25分鐘，然后放入18°C恒溫鼓風(fēng)干燥箱養(yǎng)護(hù)36?40小時(shí)；當(dāng)具備了大于50MPa力學(xué)強(qiáng)度后即拆去試件模具。
【文檔編號(hào)】G01M99/00GK104297011SQ201410624580
【公開(kāi)日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月6日
【發(fā)明者】賈超, 雒翔宇, 張國(guó)榮, 廉明遠(yuǎn), 劉新宇, 楊松, 周曉勇, 李輝, 劉玉利 申請(qǐng)人:山東大學(xué)