充水溶腔制作装置及方法

本发明属于隧道与地下工程物理模型试验，具体涉及充水溶腔制作装置及方法。

背景技术：

1、随着交通强国战略的实施，交通路网向遍布崇山峻岭的西部山区和岩溶地区纵深拓展。作为交通路网重要组成部分的隧道工程在岩溶地区修建过程中常常因工程地质和水文地质复杂、岩溶致灾构造发育、地下水活跃，而遭遇各类岩溶地质灾害，其中突水是最常发生且极具危害性的一类。灾害一旦发生将会造成经济损失巨大，严重危及施工人员安全，并造成恶劣的社会影响。

2、地下工程物理模型试验是依据相似理论将实际工程按照一定的相似比将其进行缩小成一个简化模型，并借助各种监测元件来获取模型内应力场、位移场、渗流场等参数的演化规律，从而解决地下工程中的实际问题。

3、目前，地质力学岩溶隧道突水物理模型试验中应用的是传统的充水溶腔，充水溶腔制作装置包括了试验箱，试验箱内填充了模拟岩土体的相似材料，相似材料中埋设橡胶气囊，利用橡胶气囊的形状来形成相似材料内的溶洞，溶洞制作好之后给溶洞中充入加压的水，使得溶洞内的含水量以及水压大小达到预定要求即可形成实验用充水溶腔。

4、但是，溶洞制作主要是采用橡胶气囊充气来预制，预制过程中由于橡胶气囊的刚度有限，且橡胶气囊易受相似材料的浇筑振捣压力作用的影响而发生变形，因此形成的充水溶腔难以与实际工程保持预定的相似比，使得测量的参数存在很大误差。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了充水溶腔制作装置及方法，保证了溶洞的形状与实际工程保持预定的相似比，同时利用成型模具来预制溶腔，由于成型模具的内腔形状可以任意调整为球形、方形、矩形、椭球形和其他异形结构，成功实现了溶腔形式多样化，极大地提高了试验效率，保证了测量的参数的准确率，实用性强，值得推广。

2、本发明的技术方案是：

3、一种充水溶腔制作装置，包括试验箱，所述试验箱内设置用于模拟岩土体的填充材料，还包括：

4、模具，埋设在所述填充材料内用于形成溶洞，所述模具包括橡胶囊，所述橡胶囊具有入口，所述橡胶囊内设置冰模，所述冰模与所述橡胶囊的内壁接触，所述冰模的外形用于模拟实际工程中的溶洞，所述冰模的形状与溶洞的形状保持预定的相似比；

5、破孔结构，用于在溶洞形成且冰模化水之后，经由所述入口扎破所述橡胶囊导出水；

6、拔出结构，与所述入口连接，用于在导出所述橡胶囊内的水之后将所述橡胶囊从溶洞拔出。

7、优选的，所述破孔结构包括带有尖端的棒体或者管体，所述棒体或者管体的长度大于所述橡胶囊底面到所述试验箱的上表面之间的距离。

8、优选的，所述拔出结构包括空心管，所述空心管的一端套装在所述入口上，所述空心管与所述橡胶囊的连接处设置有密封连接结构。

9、优选的，所述填充材料内竖直插设管体，所述管体套装在所述空心管外，所述管体具有位于位于所述填充材料外的自由端，所述入口位于所述管体内，所述管体的端部与所述橡胶囊抵接；

10、水压控制系统，其输出端与所述管体的自由端可拆卸式连接，用于控制溶洞内部的含水量以及水压。

11、优选的，所述水压控制系统包括放置在水源内的恒压水泵，所述恒压水泵的出水口连接出水管的一端，所述出水管的另一端连接管体的自由端，所述出水管上还设置有阀门，所述阀门用于控制水路的通断。

12、一种充水溶腔制作方法，利用上述的充水溶腔制作装置进行，包括以下步骤：

13、分层铺设填充材料到试验箱内且层层夯实，直至试验箱内的填充材料填筑到第一高度；

14、放置模具，其中，空心管设置在模具的橡胶囊的上侧；

15、在空心管外套装管体，直至管体的一端与橡胶囊抵接；

16、分层铺设填充材料到试验箱内且层层夯实，固定橡胶囊的位置，直至试验箱内的填充材料到达第二高度；

17、在预定时间段内，对试验箱内的填充材料进行恒压加载，直至填充材料定型；

18、待橡胶囊内的冰模已全部融化为水，将橡胶囊内的水导出；

19、牵拉空心管的一端将橡胶囊经由管体拉出，形成溶洞；

20、给溶洞注入预定压力的加压水，形成充水溶腔。

21、优选的，所述模具的制备包括以下步骤：

22、将橡胶囊放入到可上下打开的预制溶腔的成型模具的内腔中，固定成型模具；

23、将水经橡胶囊的入口灌入橡胶囊内直至灌满，用塞体对橡胶囊上的入口进行密封处理；

24、对成型模具冷冻处理预定时间直至使橡胶囊内部水变为固体冰形成冰模；

25、待冰模冷冻完成，拆除成型模具以及塞体；

26、将橡胶囊上的入口与空心管的一端套装相连，并密封处理。

27、优选的，在埋置所述模具之前，在模具的橡胶囊外表面均匀涂覆润滑油。

28、优选的，将橡胶囊内的水导出，包括以下步骤：

29、将带有尖端的棒体或者管体穿过与橡胶囊连接的空心管，从而到达橡胶囊的底部，刺破橡胶囊致使橡胶囊内水逐渐流出。

30、优选的，给溶洞注入预定压力的加压水，包括以下步骤：

31、将所述管体的自由端与出水管密封连接，打开水压控制系统的阀门，开启恒压水泵进行充水，填充所需体积的水，达到溶洞内的水量和水压的试验要求后关闭阀门。

32、本发明提供的充水溶腔制作装置及方法，解决了在传统物理模型试验中溶腔难以与实际工程保持预定的相似比，使得测量的参数存在很大误差的问题。

33、与现有技术相比，本发明通过橡胶囊与冰模相结合，使得整体将会具有一定的强度，能承受一定的外部荷载而不发生形变，稳定性高，从而保证了溶洞的形状与实际工程保持预定的相似比，同时利用成型模具先预制冰模，再利用冰模制备溶腔，由于成型模具的内腔形状可以任意调整为球形、方形、矩形、椭球形和其他异形结构，成功实现了溶腔形式多样化，极大地提高了试验效率，保证了测量的参数的准确率，实用性强，值得推广。

技术特征：

1.一种充水溶腔制作装置，包括试验箱(15)，所述试验箱(15)内设置用于模拟岩土体的填充材料(11)，其特征在于，还包括：

2.根据权利要求1所述的充水溶腔制作装置，其特征在于，所述破孔结构包括带有尖端的棒体或者管体(7)，所述棒体或者管体(7)的长度大于所述橡胶囊(10)底面到所述试验箱(15)的上表面之间的距离。

3.根据权利要求2所述的充水溶腔制作装置，其特征在于，所述拔出结构包括空心管(8)，所述空心管(8)的一端套装在所述入口上，所述空心管(8)与所述橡胶囊(10)的连接处设置有密封连接结构。

4.根据权利要求3所述的充水溶腔制作装置，其特征在于，所述填充材料(11)内竖直插设管体(6)，所述管体(6)套装在所述空心管(8)外，所述管体(6)具有位于位于所述填充材料(11)外的自由端，所述入口位于所述管体(6)内，所述管体(6)的端部与所述橡胶囊(10)抵接；

5.根据权利要求4所述的充水溶腔制作装置，其特征在于，所述水压控制系统包括放置在水源内的恒压水泵(14)，所述恒压水泵(14)的出水口连接出水管(13)的一端，所述出水管(13)的另一端连接管体(6)的自由端，所述出水管(13)上还设置有阀门(12)，所述阀门(12)用于控制水路的通断。

6.一种充水溶腔制作方法，利用权利要求5所述的充水溶腔制作装置进行，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的充水溶腔制作方法，其特征在于，所述模具的制备包括以下步骤：

8.根据权利要求6所述的充水溶腔制作方法，其特征在于，在埋置所述模具之前，在模具的橡胶囊(10)外表面均匀涂覆润滑油。

9.根据权利要求6所述的充水溶腔制作方法，其特征在于，将橡胶囊(10)内的水导出，包括以下步骤：

10.根据权利要求6所述的充水溶腔制作方法，其特征在于，给溶洞(19)注入预定压力的加压水，包括以下步骤：

技术总结本发明属于隧道与地下工程物理模型试验技术领域，涉及充水溶腔制作装置及方法，包括试验箱，试验箱内设置用于模拟岩土体的填充材料，还包括模具，埋设在填充材料内用于形成溶洞，模具包括橡胶囊，橡胶囊具有入口，橡胶囊内设置冰模，冰模与橡胶囊的内壁接触，冰模的外形用于模拟实际工程中的溶洞，冰模的形状与溶洞的形状保持预定的相似比；破孔结构，用于在溶洞形成且冰模化水之后，扎破橡胶囊导出水；拔出结构，与入口连接，用于在导出橡胶囊内的水之后将橡胶囊从溶洞拔出。本发明保证了溶洞的形状与实际工程保持预定的相似比，同时利用成型模具来预制溶腔，实现了溶腔形式多样化，极大地提高了试验效率，保证了测量的参数的准确率。技术研发人员：王志丰,莫妙兴,黄嫚玲,王二博,罗浪,何伟强,陈明辉,王亚琼,王煜轩,王新越,史广余,惠颖超受保护的技术使用者：长安大学技术研发日：技术公布日：2024/5/16