[发明专利]一种应用于岩土工程实验的PVA薄壳体溶解生成溶洞的方法

说明书

本发明公开了一种应用于岩土工程实验的PVA薄壳体溶解生成溶洞的方法。该方法包括：根据实验要求，确定试样尺寸，用水溶性聚乙烯醇材料构造实体模型，形成溶洞的初步薄壳试样；在溶洞模型靠近顶部与底部位置预留孔洞处接入管道；按照配比方案配置岩块相似材料混合物；将混合物分层摊铺夯实，将溶洞模型预先埋入到混合材料中；岩石相似材料硬化后，通过溶洞试样顶部管道将水注入试样内部进行溶解，达到饱和程度后将水由底部管道排出；循环注排水直至模型完全溶解，形成中空溶洞；向中空溶洞内加入充填物，形成不同类型的溶洞试样；将管道取出后填堵，形成带溶洞的完整岩石试样。该方法可用于需要制备含有不规则溶洞的岩石试样。

技术领域

本发明涉及土木工程实验相关技术领域，具体涉及一种应用于岩土工程实验的PVA薄壳体溶解生成溶洞的方法。

背景技术

随着地下空间开发利用的迫切需求，越来越多的地下建筑与结构在我国西南地区修建。我国西南地区分布着广泛的岩溶，因此溶洞成为地下工程开发建设过程中常见的地质灾害。岩体的完整性和连续性因溶洞的存在而遭到破坏，强度和稳定性大大降低。同时，由于溶洞的空间几何形态、充填物的性质和充填量与空间拓扑关系的不同，导致了岩体的强度、应力分布、变形特性存在明显的差异性。因此，亟需开展、加强有关溶洞赋存岩体力学性质及其破坏机理的基础研究工作。目前国内外学者对于溶洞等地质灾害的数值模拟已经较为深入，但由于真实的溶洞常常发育为不规则形状，有的内部还充填一定的物质，目前岩土工程室内实验在较为真实地模拟原状岩石中溶洞的形状、空间位置、填充情况等方面还没有比较完备的制作方法。在室内实验研究方面，虽然有研究人员进行了不规则溶洞生成方法的研究，但总体上对于溶洞仍处于较为简单的模拟阶段，一般只能采取规则的形状如球体和椭圆体对溶洞进行模拟，进行充填物填充的溶洞相关研究也较为空白。

目前实验中制备的溶洞存在着对溶洞位置定位不精确、溶洞大小的精度控制不足、不能充分考虑溶洞的空间形状、溶洞是岩石试块形成后通过掏空处理得到，制备的溶洞与天然存在的溶洞相似性较差、制备的工艺过于复杂和成本较高等问题。

《岩土工程学报》2018年第40卷第5期《岩溶隧道承压隐伏溶洞突水模型试验与数值分析》中提出采用新型溶洞生成方法，主要包括球囊固定溶洞位置、夯实填筑体、预留转相接口、高温加热钢管以及提取球囊残留物，最终完成溶洞制备。该方法存在的不足如下：1、仅能利用球囊模拟球型溶洞，无法对其他形状的溶解进行模拟；2、需对模型进行高温加热和提取残留物，涉及试验工具多，工艺复杂。

博士学位论文《复杂形态溶洞精细化表征及其对盾构隧道施工围岩稳定性的影响研究》中提到通过3D打印预制真实形态溶洞模型，并固定到溶洞预设位置；然后分层埋设溶洞，并锤击夯实周边相似材料至密实；其次，将竖向钢管与填筑土层垂直安放，填筑相似材料至指定高度；最后，待溶洞模型成型后，向溶洞内注入适量纯净水，水溶性３Ｄ打印材料将遇水消解。该方法存在无法将水体排出和填充各种充填物的不足，也存在未采用薄壳体模型代替实体模型以降低模型打印成本的缺点。

在模型试验中对充填性质的溶洞还没有比较好的制作方法，因此迫切需要一种比较完备的制备含有溶洞岩体试样的方法。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种应用于岩土工程实验的PVA薄壳体溶解生成溶洞的方法。

本发明提供的应用于岩土工程实验的PVA薄壳体溶解生成溶洞的方法，利用水溶性聚乙烯醇材料生成溶洞模型，置入由岩性相似材料制备而成的岩石模型内部，再用水溶解溶洞模型从而达到掏空岩石模型内部从而构造溶洞。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

本发明提供的一种应用于岩土工程实验的PVA薄壳体溶解生成溶洞的方法，包括如下步骤：