本發明涉及一種用于隧道及地下工程模型試驗新型溶腔制作裝置及使用方法，屬于地質力學模型試驗領域。
背景技術：
21世紀是中國工程建設快速發展的世紀，隨著我國交通事業的騰飛，地下工程建設的數量不斷增加，隨之而來會遇到越來越復雜的工程地質條件和水文質地條件。在地下工程建設中，不可避免的會遇到溶腔、溶洞問題，在這些地區修建地下隧道工程，施工中極易誘發大規模的災害，為了有效的模擬這種復雜的地質條件，需要開展地質力學模型試驗，通過地質力學模型試驗真實的反映地質構造和工程構造的空間關系，為施工提供有利的指導作用。
地下工程模型試驗是按照相似比和相似理論將實際工程按照一定的比例縮小成一個模型，并對模型體進行相應的操作以模擬實際工程，這要求模型試驗中能夠模擬實際工程中真實情況。傳統地質力學模型試驗中溶腔的制作方法不一，如通過注水溶解可溶鹽巖預制體形成溶腔的方法等，會存在溶腔制作的形狀單一，不能模擬實際中各種復雜形狀的溶腔問題，制作過程耗時長，操作過程比較繁瑣，所需要的人力物力比較大，試驗費用較高等弱點。
技術實現要素：
本發明的目的就是為了克服上述技術的不足，提供一種隧道及地下工程中地質力學模型試驗中新型溶腔制作裝置及其使用方法，使其具有操作簡單，耗時短，能模擬多形狀的溶腔的優點。
為實現上述目的，本發明采用下述技術方案：
一種用于隧道及地下工程地質力學模型試驗新型溶腔的制作裝置，包括，
試驗臺架，所述的試驗臺架用于鋪設相似材料，
橡膠囊，所述的橡膠囊用于模擬無充填型溶腔，其放置在相似材料中；
氣壓控制系統，所述的氣壓控制系統與橡膠囊內部連通，其用于控制橡膠囊內部的氣壓；
水壓控制系統，所述的水壓控制系統也與橡膠囊內部連通，其用于控制橡膠囊內部的含水量；
撥出裝置，所述的撥出裝置用于在溶腔形成后，將橡膠囊撥出。
進一步的，所述的試驗臺架為剛性透明臺架。
進一步的，所述的氣壓控制系統包括一個微型氣泵和由帶有推動活塞的刻度管，所述的刻度管與微型氣泵之間通過伸縮氣管連接，所述的刻度管與橡膠囊之間通過內管相連；氣壓控制系統可以控制橡膠囊的體積，進而實現對該溶腔體積的定量，使得溶腔形狀可以更貼近工程實際。
進一步的，所述的刻度管與橡膠囊之間安裝有閥門I。
進一步的，所述的水壓控制系統包括一個微型水泵和由帶有推動活塞的刻度管，所述的刻度管與微型水泵之間通過伸縮水管連接，所述的刻度管與橡膠囊之間通過外管相連；水泵可以控制溶腔的含水量，可以達到全滿，半滿，1/3滿等要求。
進一步的，所述的刻度管與橡膠囊之間安裝有閥門II。
進一步的，所述的撥出裝置包括電機，所述的電機通過吊臂和鋼絲繩與設置在外管上的吊鉤相連，實現對橡膠囊的拔出。
進一步的，所述橡膠囊的形狀和大小根據不同的溶腔進行不同的設計，用于模擬實際工程中遇到的不同溶腔形式；橡膠囊既具有很好的收縮性，又具有一定的強度，可以承受一定的壓力而不產生變形。
進一步的，所述的外管、內管與橡膠囊用環氧樹脂密封，在所述的橡膠囊外表面預先涂上潤滑劑做光滑處理，以便于裝置的撥出。
針對上述的裝置，本發明還提出了一種隧道及地下工程地質力學模型試驗新型溶腔的制作方法，包括以下步驟：
A.鋪設相似材料，將相似材料依據工程背景中巖土體的性質在試驗臺架中分層鋪設；
B.埋設橡膠囊，當相似材料鋪設到溶腔底部所在的試驗位置時，放入與工程背景中溶腔形狀相似且外表面預先光滑處理的橡膠囊，打開閥門I，啟動微型氣泵中的充氣開關，推動刻度管中的活塞，根據所需溶腔的體積推動到指定的刻度線處，然后繼續分層鋪設相似材料，鋪設到距離橡膠囊頂20～30cm處，以防坍塌；
C.溶腔的制備，啟動微型氣泵的抽氣開關，進行抽氣，使橡膠囊收縮到小于或者等于氣管的直徑大小，停止抽氣，并關閉閥門I；
D.溶腔充水,打開水壓控制系統的閥門II，開啟微型水泵進行充水，填充所需體積的水，實現溶腔含水要求后關閉閥門II；
E.橡膠囊的撥出，橡膠囊達到指定的尺寸后，將橡膠囊撥出，最后用相似材料對試驗臺架封頂。
本發明克服了傳統地質力學模型試驗中溶腔制作方法中溶腔制作的形狀單一，制作過程耗時長，操作過程比較繁瑣，所需要的人力物力比較大，試驗費用較高等方面的不足，并且進行了一系列的革新措施，成功實現了溶腔形狀的多樣化，更加貼合實際工程，反映工程問題，橡膠囊的取出過程簡單，對試驗的擾動較小，而且操作過程簡單，耗時短，費用較低，極大程度上提高了試驗效率，使得試驗結果的應用范圍更加廣泛，更能指導實際施工過程。與傳統地質力學模型試驗中溶腔的制作相比，本發明存在以下優點：
1、可針對圓形、橢圓形、圓柱形、L形等不同形狀和不同尺寸的各種溶腔的制作，具有應用范圍廣，更加貼合實際工程的優點。
2、制作裝置簡單，操作方便，快捷，高效。
3、可同時滿足溶腔制作與溶腔含水要求，更加機械化，節省人力財力。
4、橡膠囊可縮小到小于或者等于氣管的直徑，取出過程更加簡易，對試驗影響度小。
5、保證了模型試驗中橡膠囊模擬溶腔的準確位置，形狀尺寸準確符合實際工程，使模型滿足設計要求。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1是本發明的結構示意圖。
其中：1，試驗臺架；2，相似材料；3，橡膠囊；4，環氧樹脂；5，帶壁鉤的套管；6，刻度管；7，活塞；8，伸縮氣管；9，微型氣泵；10，微型水泵 11，鋼絲繩；12,吊鉤；13，吊臂；14，電機；15，閥門。
具體實施方式
應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本申請所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。
需要注意的是，這里所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據本申請的示例性實施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括復數形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。
下面結合附圖對本發明作進一步說明。
實施例1
如圖1所示，一種用于隧道及地下工程地質力學模型試驗新型溶腔的制作裝置，包括：
試驗臺架1，所述的試驗臺架用于鋪設相似材料，
橡膠囊3，所述的橡膠囊用于模擬無充填型溶腔，其放置在相似材料中；
氣壓控制系統，所述的氣壓控制系統與橡膠囊內部連通，其用于控制橡膠囊內部的氣壓；
水壓控制系統，所述的水壓控制系統也與橡膠囊內部連通，其用于控制橡膠囊內部的含水量；
撥出裝置，所述的撥出裝置用于在溶腔形成后，將橡膠囊撥出。
上述的裝置可針對圓形、橢圓形、圓柱形、L形等不同形狀和不同尺寸的各種溶腔的制作，具有應用范圍廣，更加貼合實際工程的優點。
具體的結構如下：
試驗臺架1中鋪設相似材料2，相似材料2中設置有無充填型溶腔，無充填型溶腔中由橡膠囊3模擬，橡膠囊3通過套管內管5與試驗臺架外部的氣壓控制系統連接，套管外管5與水壓控制系統連接，套管5通過鋼絲繩11與電動垂直升降系統連接。
試驗臺架1為剛性透明臺架，設置成透明結構主要是為了觀察臺架內的相似材料的填充情況，剛性主要是保證整個裝置的穩定性。
氣壓控制系統由帶有推動活塞7的刻度管6和微型氣泵9組成，兩者通過伸縮氣管8連接，同時在刻度管6與橡膠囊3之間安裝有閥門15，控制進入到橡膠囊3的氣壓的大小；該氣壓控制裝置可以實現對橡膠囊3的充氣，也可以實現對其抽氣，具體的該系統使得相似材料形成的溶腔的體積可以定量控制，且形狀可以更貼近工程實際。
在抽氣時，橡膠囊3可以在氣壓控制系統的控制下，縮小到小于或者等于氣管的直徑，取出過程更加簡易，對試驗影響度小。
水壓控制系統由帶有推動活塞7的刻度管6和微型水泵10組成，兩者通過伸縮氣管8連接，同時在刻度管6與橡膠囊3之間安裝有閥門15，控制進入到橡膠囊3的水量大小；水泵可以控制溶腔的含水量，可以達到溶腔全滿，半滿，1/3滿等要求；
上述的閥門15是兩個安裝在不同管路上的閥門。
橡膠囊3既具有很好的收縮性，又具有一定的強度，可以承受一定的壓力而不產生變形。橡膠囊3也可以制作成不同的形狀，如長方形，圓形，菱形，橢圓形等，用于模擬實際工程中遇到的不同溶腔形式。
橡膠囊3與套管5用環氧樹脂4密封，以防止氣體和水滲流到相似材料中；
橡膠囊3的外表面預先涂上潤滑劑做光滑處理，以便于裝置的撥出。
套管5外壁帶有壁鉤，通過鋼絲繩11與撥出裝置連接；套管內管與氣壓控制系統連接，外管與水壓控制系統連接。
所述的撥出裝置是由電機14，吊臂13和吊鉤12組成，該裝置就是一般的電機吊裝裝置，因此在本申請中不進行詳細說明了。
本發明克服了傳統地質力學模型試驗中溶腔制作方法中溶腔制作的形狀單一，制作過程耗時長，操作過程比較繁瑣，所需要的人力物力比較大，試驗費用較高等方面的不足，并且進行了一系列的革新措施，成功實現了溶腔形狀的多樣化，更加貼合實際工程，反映工程問題，橡膠囊的取出過程簡單，對試驗的擾動較小，而且操作過程簡單，耗時短，費用較低，極大程度上提高了試驗效率，使得試驗結果的應用范圍更加廣泛，更能指導實際施工過程。
實施例2
這對實施例1中提出的裝置，本發明還給出一種隧道及地下工程地質力學模型試驗新型溶腔的制作方法，包括以下步驟：
A.鋪設相似材料2，將相似材料2依據工程背景中巖土體的性質在試驗臺架1中分層鋪設；
B.埋設橡膠囊3，當相似材料2鋪設到溶腔底部所在的試驗位置時，放入與工程背景中溶腔形狀相似且外表面預先光滑處理的橡膠囊3，打開閥門15，啟動微型氣泵9中的充氣開關，推動刻度管6中的活塞7，根據所需溶腔的體積推動到指定的刻度線處，然后繼續分層鋪設相似材料2，鋪設到距離橡膠囊頂20～30cm處，以防坍塌；
C.溶腔的制備，啟動微型氣泵9的抽氣開關，進行抽氣，使橡膠囊3收縮到小于或者等于氣管的直徑大小，停止抽氣，并關閉閥門15。
D.溶腔充水，打開水壓控制系統的閥門15，開啟微型水泵10進行充水，填充所需體積的水，實現溶腔含水要求后關閉閥門15。
E.套管5的撥出，橡膠囊3達到指定的尺寸后，將套管5與吊鉤12連接，啟動電機14，將套管5與橡膠囊3撥出，最后用相似材料2封頂。
通過上述方法制得試驗裝置，既保證了模型試驗中橡膠囊模擬溶腔的準確位置，且形狀尺寸準確符合實際工程，使模型滿足設計要求。
本發明克服了傳統地質力學模型試驗中溶腔制作方法中溶腔制作的形狀單一，制作過程耗時長，操作過程比較繁瑣，所需要的人力物力比較大，試驗費用較高等方面的不足，并且進行了一系列的革新措施，成功實現了溶腔形狀的多樣化，更加貼合實際工程，反映工程問題，橡膠囊的取出過程簡單，對試驗的擾動較小，而且操作過程簡單，耗時短，費用較低，極大程度上提高了試驗效率，使得試驗結果的應用范圍更加廣泛，更能指導實際施工過程。與傳統地質力學模型試驗中溶腔的制作相比，本發明存在以下優點：
1、可針對圓形、橢圓形、圓柱形、L形等不同形狀和不同尺寸的各種溶腔的制作，具有應用范圍廣，更加貼合實際工程的優點。
2、制作裝置簡單，操作方便，快捷，高效。
3、可同時滿足溶腔制作與溶腔含水要求，更加機械化，節省人力財力。
4、橡膠囊可縮小到小于或者等于氣管的直徑，取出過程更加簡易，對試驗影響度小。
5、保證了模型試驗中橡膠囊模擬溶腔的準確位置，形狀尺寸準確符合實際工程，使模型滿足設計要求。
上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。