[发明专利]一种用于模拟地下开采的实验方法

说明书

本发明公开了一种用于模拟地下开采的实验方法，在正六面体的模型内置入一个直角六面体胶囊，胶囊下部各安装一个阀门，并且胶囊下部连接一个导管，通过下部导管可以排出液体，向胶囊中注满盐水，且关闭上下阀门，在模型内放置两根钢化柱，铸模前，将盛满液体的胶囊安置在钢化柱设定的位置上，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，加热搅拌，直至达到熔融状态，将接近凝固点的熔体倒入安装好的模具内进行铸模。铸模完成后，通过排出胶囊中的液体来实现地下开采模拟。本发明的有益效果是可利用小模型来实现不同厚度、不同深度的地下开挖三维模拟，并能及时有效地显示地表下沉盆地的形状。

技术领域

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。

发明内容

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。