CN103983494B - 一种含夹层类岩体制作模型试验装置及其试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含夹层类岩体模型制作试验装置及其试验方法。包括半圆形角度器、上下挡板、左右侧板、圆形转盘、取芯机钻头、平板、平板角度控制杆、固定螺杆、底板、夹层模型试件、U型板和导槽，试验步骤如下：将岩块按照轮廓中心线放置并固定；制作夹层材料并浇模，将试件紧固，取芯后更换取芯机钻头并改变试件位置重复钻孔，切割得到不同高径比的试件；或得到不同夹层倾角的试件；再进行力学试验。本发明的试验装置结构简单，适用于制造不同夹层厚度、倾角、厚度和高径比的试件，取芯和切割加工装置可充分利用现有设备，分析不同条件对试件力学性质的影响，对现场取回的不规则岩样，能直接进行取芯操作，提高了试验效率，缩短了试验时间。
Description
技术领域
本发明涉及岩土力学试验技术,尤其涉及一种含夹层类岩体制作模型试验装置及其试验方法。
背景技术
含夹层岩体又称板裂岩体,是指分布有一组占绝对优势结构面(如层面、片理面等)的岩体。自然界中具有层状构造的沉积岩占陆地面积的2/3,在人类工程活动中将遇到大量的含夹层岩体稳定问题,由于含夹层类岩体具有明显的横观各向同性，岩体强度不仅取决于完整岩块强度，优势结构面的发育程度对层状岩体工程的稳定性常常起决定作用，层状岩体受地下水渗流、地震等因素的影响,容易发生滑坡、崩塌等地质病害,造成巨大的经济损失。因此为了有效控制层状岩体强度和变形行为,减少由此造成的工程灾害,必须对其破坏机理和破坏模式进行深入的研究。
目前研究方法主要有物理模型试验、现场试验和数值模拟分析方法。物理模型试验就是以相似理论为基础,根据相似判据制作与原型成一定比例关系的含夹层类岩体来模拟岩体的破坏过程。而现有物理模型试验一般以平面模型为主,且设计夹层倾角都是水平方向，无法模拟含夹层类岩体节理真实状态。
而现场试验方法存在如下不足:一、现场层状岩体取样时，天然含夹层页岩受尺寸、钻孔取芯深度和场地复杂性等影响,获取十分困难,而且岩体夹层的厚度和倾角都是随机分布，对于研究其力学特性来说缺乏规律性；二、现场取样无法大量复制相同条件下的层状岩体。
数值模拟分析方法虽然能快速改变模拟的层状岩体物理性质，且计算过程相对室内试验过程耗时减少，但在通常情况下，层状岩体表现为非均质和各向异性，并且常具有很强的非线性，而数值模拟定义的材料不能反映岩块自身变形的特征，这些都会影响到岩土工程稳定过程的正确模拟以及最终结果的可靠性。
发明内容
针对现有技术中的不足之处,本发明提供了一种含夹层类岩体制作模型试验装置及其试验方法,该方法模型试样制取容易、可重复性好,能根据前期现场勘察数据真实地模拟不同物理条件下的含夹层类岩体，相似模型试验保证了地层赋存状态，可更好地观测分析夹层岩体破坏过程,为研究层状岩体破坏机理和破坏模式提供充分的理论支持和技术指导。
本发明的目的是采用如下技术方案实现的：
1.一种含夹层类岩体制作模型试验装置，包括半圆形角度器、挡板、侧板、圆形转盘、取芯机钻头、平板、平板角度控制杆、固定螺杆、底板、夹层模型试件、U型板和导槽，两块U型板垂直焊接在平板上，上下挡板和左右侧板分别连接在穿过U型板的螺杆上，且与平板垂直,螺杆的前端分别固定有圆形转盘，通过转动圆形转盘，改变上下挡板和左右侧板在平板上的位置，使取芯机钻头能同一夹层模型试件上钻取得到多个圆柱体试件，平板与底板、半圆形角度器通过铰接螺栓相连，半圆形角度器上标有间隔为10°、范围为0°～180°的刻度值，调节平板与水平面的倾角，使平板底部轮廓线与半圆形角度器上某特定角度的刻度线重合，能在取芯机钻头钻孔下得到不同夹层倾角的圆柱体试件，底板通过螺栓和螺母固定于地面上，平板角度控制杆与平板通过铰接螺栓连接，平板控制杆上钻有螺孔，用螺杆经螺孔使平板控制杆位置始终保持水平并通过蝶形螺母、固定，螺杆在底板的导槽上移动，蝶形螺母固定螺杆的位置。
一种含夹层类岩体制作模型试验装置，所述的平板中心刻有边长为200～300mm的凹槽。
一种含夹层类岩体制作模型试验装置的试验方法，包括如下步骤：
1)夹层模型试件为立方体，由岩块和岩块之间的夹层材料按一定的厚度相间组成，选择夹层模型试件边长为150mm～200mm，用计算机辅助设计绘制需要放置岩块的轮廓中心线，轮廓中心线间距为15mm～30mm，通过改变岩块的轮廓中心线间距调节夹层材料的厚度，打印轮廓中心线并贴于钢模上部，选取岩体工程中的岩块并切割成长×宽×高为(150mm～200mm)×(10mm～15mm)×(150mm～200mm)，以轮廓中心线为中轴线放置岩块并紧固钢模螺栓，使岩块被夹紧；
2)选取相关岩体工程有代表性的天然夹层材料，获取夹层材料内聚力、内摩擦角和泊松比物理力学参数，得到用于制作夹层材料的普通硅酸盐水泥、细沙灰砂比为0.4～0.5、水灰比为0.35～0.5，同时加入1％～1.5％的速凝剂；
3)先将称量好的水泥、细沙、速凝剂放入搅拌器中搅拌均匀，再将量好的水倒入搅拌器中搅拌均匀，然后将其倒入步骤1)已组装好的模具中,用钢丝振捣至表面不再有大量气泡溢出，抹平表面，为了避免由于试件材料强度和变形特性的变化而造成试验结果的差异，每一批的试件都采用相同的材料、配合比、养护时间、模具；
4)将厚度为6mm～10mm，边长为200mm的木板垫放在步骤3)制作好的类岩体层状模型下面，防止切削到最后岩石突然开裂使岩样有塌角，再将夹层模型试件放置于含夹层类岩体制作模型试验装置的平板上，调整平板与水平面的倾角，再将螺杆上的蝶形螺母拧紧，在夹层模型试件的顶端用取芯机钻头向下钻孔。
5)调整夹层模型试件在平板上的位置，再用取芯机钻头进行钻孔取芯，在同一夹层模型试件上钻取得到多个圆柱体试件，再对圆柱体试件进行切割，得到高径比为1～2的圆柱体试件。
6)将制得的圆柱体试件进行力学试验，获得含夹层类岩体相关力学参数。
步骤4)用取芯机钻头向下钻孔时，开始以慢速300转/分～350转/分钻孔取芯，防止转速过快断芯，钻入30mm后增加钻速至600转/分～700转/分。
步骤4)所述的调整平板与水平面的倾角，分别为0°、10°、20°、30°、40°、50°60°、70°、80°或90°。
所述的取芯机钻头大小为50mm、75mm或100mm。
与现有技术相比，本发明的一种含夹层类岩体制作模型试验装置及其试验方法,具有如下优点:
1、本发明的试验装置结构简单,操作方便，通过调节轮廓中心线间距和模型试件倾斜角度，可以得到不同夹层厚度和倾角的夹层模型试件，更换金刚钻头大小并对圆柱体试件进行切割，可得到不同高径比的圆柱体试件，能更真实地模拟不同夹层厚度和倾角的含夹层类岩体，可以实现夹层厚度和倾角、圆柱体试件的高径比、尺寸效应等对含夹层类岩体的影响分析。
2、将圆柱体试件依次转移至试验装置中进行加载，加载和取芯装置可充分利用现有设备，能有效地加快试验进度，可批量制作不同夹层厚度和倾角、高径比、尺寸效应等的圆柱体试件，提高了试验效率。
3、基座处的角度读取器可以方便、快速地确定放于试验装置中的含夹层类岩体模型角度。
4、对于现场取回的不规则的岩样，通过上下挡板和左右侧板的夹紧，能直接对其进行取芯操作，无需前期先将其浇筑成规则形状，节约了时间。
5、试验方法改进了含夹层类岩体相似模型试验制作流程，提高了试验装置利用率,加快了试验进程。
附图说明
图1为本发明装置的主视图；
图2为本发明装置的立体图；
图3为本发明夹层模型试件的俯视图；
图4为不同倾角圆柱体试件立体图；
图5为不同高径比圆柱体试件主视图。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。图中半圆形角度器1、上下挡板2、左右侧板3、圆形转盘4、圆形转盘28、取芯机钻头5、平板6、螺栓7、螺母8、平板角度控制杆9、固定螺杆10、蝶形螺母11、底板12、夹层模型试件13、U型板14、U型板26、螺杆15、螺杆27、铰接螺栓16、蝶形螺母17、铰接螺栓18、凹槽19、和导槽20、蝶形螺母21。
实施例1：
如图1和图2所示，本发明包括半圆形角度器1、上下挡板2、左右侧板3、第一圆形转盘4、取芯机钻头5、平板6、平板角度控制杆9、固定螺杆10、底板12、夹层模型试件13、第一U型板14、第二U型板26和导槽20，第二U型板26和第一U型板14垂直焊接在平板6上，上下挡板2和左右侧板3分别连接在穿过第二U型板26和第一U型板14的第二螺杆27和第一螺杆15上，且与平板6垂直,第二螺杆27和第一螺杆15的前端分别固定有第二圆形转盘28和第一圆形转盘4，通过转动第二圆形转盘28和第一圆形转盘4，改变上下挡板2和左右侧板3在平板6上的位置，使取芯机钻头5能同一夹层模型试件13上钻取得到多个圆柱体试件25，平板6中心刻有边长为200～300mm的凹槽19，用于放置厚度为6mm～10mm，边长为200mm的木板，平板6与底板12、半圆形角度器1通过铰接螺栓18相连，半圆形角度器1上标有间隔为10°、范围为0°～180°的刻度值，调节平板6与水平面的倾角，使平板6底部轮廓线与半圆形角度器1上某特定角度的刻度线重合，能在取芯机钻头5钻孔下得到不同夹层倾角的圆柱体试件，底板12通过螺栓7和螺母8固定于地面上，平板角度控制杆9与平板6通过铰接螺栓16连接，平板控制杆9上钻有螺孔，用螺杆10经螺孔使平板控制杆9位置始终保持水平并通过第一蝶形螺母17和第二蝶形螺母21固定，固定螺杆10在底板12的导槽20上移动，第三蝶形螺母11固定固定螺杆10的位置。
一种含夹层类岩体制作模型试验装置的试验方法，包括如下步骤：
1)夹层模型试件为立方体，由岩块23和岩块之间的夹层材料22按一定的厚度相间组成，选择夹层模型试件边长为150mm～200mm，用计算机辅助设计绘制需要放置岩块23的轮廓中心线，轮廓中心线24间距为15mm～30mm，通过改变岩块的轮廓中心线24间距调节夹层材料22的厚度，打印并贴于钢模29上部，选取岩体工程中的岩块23并切割成长宽高为(150mm～200mm)×(10mm～15mm)×(150mm～200mm)，以轮廓中心线为中轴线放置岩块23并紧固钢模螺栓，使岩块23被夹紧；
2)选取相关岩体工程有代表性的天然夹层材料，获取夹层材料内聚力、内摩擦角和泊松比物理力学参数，得到用于制作夹层材料的普通硅酸盐水泥、细沙灰砂比为0.4～0.5、水灰比为0.35～0.5，同时加入1％～1.5％的速凝剂；
3)先将称量好的水泥、细沙、速凝剂放入搅拌器中搅拌均匀，再将量好的水倒入搅拌器中搅拌均匀，然后将其倒入步骤1)已组装好的模具中,用钢丝振捣至表面不再有大量气泡溢出，抹平表面，为了避免由于试件材料强度和变形特性的变化而造成试验结果的差异，每一批的试件都采用相同的材料、配合比、养护时间、模具；
4)将厚度为6mm～10mm，边长为200mm的木板垫放在步骤3)制作好的类岩体层状模型下面，防止切削到最后岩石突然开裂使岩样有塌角，再将夹层模型试件放置于含夹层类岩体制作模型试验装置的平板6上，以10°为间隔，调整平板与水平面的倾角，再将螺杆上的蝶形螺母拧紧，在夹层模型试件的顶端用取芯机钻头5向下钻孔，取芯机钻头5大小为50mm、75mm或100mm；向下钻孔时，开始以慢速300转/分～350转/分钻孔取芯，防止转速过快断芯，钻入30mm后增加钻速至600转/分～700转/分。
5)调整夹层模型试件在平板上的位置，再用取芯机钻头5进行钻孔取芯，在同一夹层模型试件13上钻取得到多个圆柱体试件，再对圆柱体试件进行切割，得到高径比为1～2的圆柱体试件30；
6)将制得的圆柱体试件进行力学试验，获得含夹层类岩体相关力学参数。
Claims (6)
1.一种含夹层类岩体制作模型试验装置，其特征在于，包括半圆形角度器(1)、上下挡板(2)、左右侧板(3)、第一圆形转盘(4)、第二圆形转盘(28)、取芯机钻头(5)、平板(6)、平板角度控制杆(9)、固定螺杆(10)、底板(12)、夹层模型试件(13)、第一U型板(14)、第二U型板(26)和导槽(20)，第二U型板(26)和第一U型板(14)垂直焊接在平板(6)上，上下挡板(2)和左右侧板(3)分别连接在穿过第二U型板(26)和第一U型板(14)的第二螺杆(27)和第一螺杆(15)上，且与平板(6)垂直,第二螺杆(27)和第一螺杆(15)的前端固定有第二圆形转盘(28)和第一圆形转盘(4)，通过转动第二圆形转盘(28)和第一圆形转盘(4)，改变上下挡板(2)和左右侧板(3)在平板(6)上的位置，使取芯机钻头(5)能在同一夹层模型试件(13)上钻取得到多个圆柱体试件(25)，平板(6)与底板(12)、半圆形角度器(1)通过铰接螺栓(18)相连，半圆形角度器(1)上标有间隔为10°、范围为0°～180°的刻度值，调节平板(6)与水平面的倾角，使平板(6)底部轮廓线与半圆形角度器(1)上某特定角度的刻度线重合，能在取芯机钻头(5)钻孔下得到不同夹层倾角的圆柱体试件，底板(12)通过螺栓(7)和螺母(8)固定于地面上，平板角度控制杆(9)与平板(6)通过铰接螺栓(16)连接，平板角度控制杆(9)上钻有螺孔，用固定螺杆(10)经螺孔使平板角度控制杆(9)位置始终保持水平并通过第一蝶形螺母(17)、第二蝶形螺母(21)固定，固定螺杆(10)在底板(12)的导槽(20)上移动，第三蝶形螺母(11)固定固定螺杆(10)的位置。
2.根据权利要求1所述的一种含夹层类岩体制作模型试验装置，其特征在于，平板(6)中心刻有边长为200～300mm的凹槽(19)。
3.一种用权利要求1所述的含夹层类岩体制作模型试验装置的试验方法，其特征在于包括如下步骤：
1)夹层模型试件(13)为立方体，由岩块(23)和岩块之间的夹层材料(22)按一定的厚度相间组成，选择夹层模型试件边长为150mm～200mm，用计算机辅助设计绘制需要放置岩块(23)的轮廓中心线(24)，轮廓中心线(24)间距为15mm～30mm，通过改变岩块的轮廓中心线(24)间距调节夹层材料(22)的厚度，打印轮廓中心线(24)并贴于钢模(29)上部，选取岩体工程中的岩块(23)并切割成长为150mm～200mm，宽为10mm～15mm，高为150mm～200mm，以轮廓中心线(24)为中轴线放置岩块(23)并紧固钢模螺栓，使岩块(23)被夹紧；
2)选取相关岩体工程有代表性的天然夹层材料，获取夹层材料内聚力、内摩擦角和泊松比物理力学参数，得到用于制作夹层材料的普通硅酸盐水泥、细沙灰砂比为0.4～0.5、水灰比为0.35～0.5，同时加入1％～1.5％的速凝剂；
3)先将称量好的水泥、细沙、速凝剂放入搅拌器中搅拌均匀，再将量好的水倒入搅拌器中搅拌均匀，然后将其倒入步骤1)已组装好的模具中,用钢丝振捣至表面不再有大量气泡溢出，抹平表面，为了避免由于试件材料强度和变形特性的变化而造成试验结果的差异，每一批的试件都采用相同的材料、配合比、养护时间、模具；
4)将厚度为6mm～10mm，边长为200mm的木板垫放在步骤3)制作好的类岩体层状模型下面，防止切削到最后岩石突然开裂使岩样有塌角，再将夹层模型试件(13)放置于含夹层类岩体制作模型试验装置的平板(6)上，调整平板与水平面的倾角，再将螺杆上的蝶形螺母拧紧，在夹层模型试件的顶端用取芯机钻头(5)向下钻孔；
5)调整夹层模型试件在平板上的位置，再用取芯机钻头(5)进行钻孔取芯，在同一夹层模型试件(13)上钻取得到多个圆柱体试件，再对圆柱体试件进行切割，得到高径比为1～2的圆柱体试件二(30)；
6)将制得的圆柱体试件二(30)进行力学试验，获得含夹层类岩体相关力学参数。
4.根据权利要求3所述的含夹层类岩体制作模型试验装置的试验方法，其特征在于：步骤4)用取芯机钻头(5)向下钻孔时，开始以慢速300转/分～350转/分钻孔取芯，防止转速过快断芯，钻入30mm后增加钻速至600转/分～700转/分。
5.根据权利要求3所述的含夹层类岩体制作模型试验装置的试验方法，其特征在于：步骤4)所述的调整平板与水平面的倾角，分别为0°、10°、20°、30°、40°、50°60°、70°、80°或90°。
6.根据权利要求3所述的含夹层类岩体制作模型试验装置的试验方法，其特征在于：取芯机钻头(5)大小为50mm、75mm或100mm。
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