CN105628463B - 裂隙岩体模型试样的制样模具 - Google Patents

Abstract

一种裂隙岩体模型试样的制样模具，包括底座和外框结构，所述外框结构的内腔为用于形成所述裂隙岩体模型试样的腔体，所述外框结构位于所述底座上，所述制样模具还包括插板和裂隙位置调节结构，所述插板为易熔合金材料制作的插板，所述易熔合金材料为常温下固态成型且通过加热到熔点温度发生熔化的材料；所述裂隙位置调节结构位于所述外框结构内，所述裂隙位置调节结构与所述插板连接。本发明能够方便、快速地制作含复杂三维裂隙的岩体试样模型，严格控制裂隙的大小和方向，可同时考虑裂隙有充填与无充填情况，能满足反复进行制样的要求，且可以根据试样尺寸的不同进行组合、拼装，提高制样模具的实用性。

Description

裂隙岩体模型试样的制样模具

技术领域

本发明涉及一种用于制作含复杂三维裂隙网络的岩体制样模具，特别的是本发明可根据试验要求将制样模具进行多种组合，实现不同尺度的岩体模型制作。本发明属于工程技术领域。

背景技术

岩石与岩体的重要区别就是岩体中含有裂隙面，裂隙面破坏了岩石自身的完整性和连续性，岩体的强度要远低于岩石强度。由于岩体是地质历史作用的产物，并遭受到后期地壳运动和地球外部营力的重新塑造，具有一定的岩石组成和裂隙网络，因此，岩体不是均质的，而是非均质、各向异性和非连续的复合结构体，非连续面的力学性质常常决定了整个岩体的力学特性。此外，由于裂隙面的几何形状与空间展布规律的不同，导致了岩体的强度、变形特性存在明显的差异性。

随着我国水电、交通、铁道、能源、矿山、军工等领域的基础设施建设进入高速发展期，出现一大批规模宏大、地质条件极为复杂的重大工程，而非连续面的力学行为在一定程度上决定了这些工程岩体结构的安全性。因此，亟需开展、加强有关裂隙岩体力学性质及其破坏机理的基础研究工作。试验方法是目前研究含裂隙岩体的变形与强度特性的重要手段。但考虑到天然岩石试样结构的复杂性与取样难度，一般很难通过真实的岩石试样对其的力学变形特性与破坏规律进行研究，学者们通常采用制作含裂隙岩体模型来替代天然岩石试样。

目前，国内外关于含裂隙岩石试样的制作仍然是一个难点，已成为制约岩石试验研究进步的瓶颈。在本发明之前，国内主要的含裂隙岩体模型制样装置或方法简介如下：

(1)2006年，林鹏介绍了一种制作单裂纹缺陷试件的方法，该方法中裂纹通过超声波加工预制成型，并对裂缝进行混合材料的填充。

(2)2006年，公开号为CN 1800085A的中国专利申请《用于裂隙岩石试验的类岩石陶瓷材料及其试件制备方法》中，提供了一种用于裂隙岩石试验的类岩石陶瓷材料及其试件制备方法，侧重于陶瓷材料的主要构成和力学性能，说明了陶瓷作替代材料进行岩石试验的可行性。

(3)2007年，郭彦双介绍了一种在辉长岩中制作张开型表面裂隙的方法，其裂隙通过切割刀具在试样表面预制形成。

(4)2009年，公开号为CN 101462854A的中国专利申请《用于制作类岩石的脆性材料及其试件预制裂隙的制备方法》中，给出了一种用于制作类岩石的脆性材料，内部裂隙采用固定器固定，模拟裂隙的材料为聚酯薄膜或金属片。

(5)2011年，公开号为CN 102435475A的中国专利申请《一种室内单裂隙岩石试样制备装置》中，提出了一种充填一定厚度粘结材料单裂隙岩石试样制备装置。

(6)2012年，公开号为CN 102519767A的中国专利申请《一种制作类岩石试块裂隙面的模具》中，公开了一种由滑槽、钢片定位杆、量角器、滑杆和钢片组成的制作类岩石试块裂隙面的模具。

(7)2013年，公开号为CN 103033413A的中国专利申请《用于层状裂隙灰岩试验的裂纹系统试样的制备方法》中，介绍了一种对原岩试样进行循环冻融来制作天然岩体裂隙系统的方法。

(8)2013年，公开号为CN 103196717A的中国专利申请《一种能精确定位充填型预制裂隙的类岩石试样模具》中，该模具具体包括底座、侧板、隔板、夹具、双头螺栓和带帽螺栓，采用齿轮状夹具定位裂隙角度，充填物则通过有凹槽的橡胶垫块夹持。

(9)2014年，公开号为CN 103674658A的中国专利申请《一种随机裂隙试验模型的制备方法》中，提出了一种将不同厚度、不同大小以及不同数量的裂隙碎片随机掺入到连续介质模型材料中，以制备能够有效模拟岩体裂隙、节理等天然结构特征，以及非均质特性的试验模型，其中裂隙碎片材质为云母片或聚四氟乙烯薄片。

(10)2014年，公开号为CN 103604672A的中国专利申请《用于岩土工程三维随机裂隙的均匀施作装置》中，提出了一种采用球台转轴和裂隙刀盘进行裂隙深度和空间方位控制的制样装置。

(11)2014年，公开号为CN 103822808A的中国专利申请《一种随机裂隙岩石试样的制作方法》中，给出了一种用锡条模拟裂隙的方法，将锡条和砂浆材料混合搅拌，形成含大量随机裂隙的岩石试样。

上述现有技术确实在一定程度上解决了含裂隙岩体制作的问题，所得到的含裂隙岩体模型的力学性能与原岩基本一致，并得到了一些裂隙岩体复杂结构的力学过程及规律。但目前的含裂隙岩体试样制备主要还存在如下问题：

(1)目前，含裂隙岩体试样制作，一般考虑单裂隙或者简单空间形态的二维裂隙，针对三维空间裂隙的研究较少，通常不能充分考虑裂隙的空间形态，考虑裂隙的走向、倾向、倾角；

(2)尽管学者总结了一些在制样材料中掺入不同材料来模拟随机裂隙的方法，并取得了诸多有益的成果，但这些研究一直是在均匀介质假设前提上进行的，只能用于大型相似模型试样的制备，每条裂隙的空间形态和具体形状是不可控的；对于中小型裂隙岩体试样制备，这种方法并不适用，中小试样中的裂隙分布是明确的，不能通过试样模型材料的随机搅拌自然形成；

(3)部分制样装置的裂隙角度是固定的或者角度调整是不连续的，甚至需要根据试验要求重新制作模具来改变裂隙的方位；

(4)裂隙的固定装置复杂、定位难度大，简单裂隙制作虽然基本能满足要求，但是一旦裂隙数量增大，其调节或固定将异常复杂，甚至会导致不同机构的运动干涉；而且随着制样工作的反复的进行，裂隙定位装置可能会发生变形，从而影响了裂隙的实际空间形态；

(5)裂隙按充填类型可分为两种，一种是考虑充填物质、一种是不考虑充填的，并没有提出同一岩体中可同时考虑两种充填类型的试样制备模具或者方法；

(6)无充填裂隙制作时，一般首先从试样外侧插入硬质板状结构来预制裂隙，该方法模拟的裂隙之间不能相交；需待试样凝结完成后拔出结构物，但一般模拟岩石材料的介质强度大，其固结后很难将预制裂隙的结构物拔出，即使拔出也容易导致裂缝厚度、宽度变大，在原裂缝周围产生次级裂缝，甚至导致岩体结构的整体破坏。

(7)采用插入板状结构物或者对试样表面进行切割的制样工艺，都满足由试样表面向内部进行加工的过程，均无法制作岩石内置裂隙，即表面必须贯通。

(8)不同方法所模拟的裂隙面基本都是平直的，但现实中岩体裂隙却并非绝对平直，上述方法不能考虑裂隙的粗糙特征。

发明内容

为了克服现有裂隙岩体模型试样的制样方式中无法制作含复杂三维裂隙的岩体试样模型、无法控制裂隙的大小和方向、不能同时考虑裂隙有充填与无充填情况、无法满足反复进行制样的要求、实用性较差的不足，本发明提供一种裂隙岩体模型试样的制样模具，能够方便、快速地制作含复杂三维裂隙的岩体试样模型，严格控制裂隙的大小和方向，可同时考虑裂隙有充填与无充填情况，能满足反复进行制样的要求，且可以根据试样尺寸的不同进行组合、拼装，提高制样模具的实用性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种裂隙岩体模型试样的制样模具，包括底座和外框结构，所述外框结构的内腔为用于形成所述裂隙岩体模型试样的腔体，所述外框结构位于所述底座上，所述制样模具还包括插板和裂隙位置调节结构，所述插板为易熔合金材料制作的插板，所述易熔合金材料为常温下固态成型且通过加热到熔点温度发生熔化的材料；所述裂隙位置调节结构位于所述外框结构内，所述裂隙位置调节结构与所述插板连接；

所述裂隙位置调节结构包括旋转支座、转轴、旋转卡槽和弹性压片，所述旋转支座内开圆孔，所述圆孔内壁开有一圈转动槽，所述旋转卡槽的两端与转轴连接，所述转轴可滑动地安装在所述旋转支座的转动槽上，所述旋转卡槽上设有用以固定所述插板的弹性压片，所述弹性压片与所述插板密封连接。

进一步，所述弹性压片上设有固定孔位，所述插板上设有安装孔位，紧固件穿过所述固定孔位和安装孔位固定连接。

再进一步，所述转轴一端有螺纹，所述转轴的另一端呈半圆球形；所述的旋转卡槽两侧开有沿轴线对称布置的螺纹孔，所述转轴一端固定在所述螺纹孔内，所述转轴的另一端贴合于旋转支座的转动槽内。

更进一步，所述裂隙位置调节结构还包括用以用于固定旋转卡槽和旋转支座的衬套，所述衬套的内侧带有弧度，从横截面上看，所述衬套的弧度与所述转动槽的弧度相接形成半圆形。

在所述衬套上设有复位式按钮卡死机构，该按钮在按下状态为卡死转轴状态，该按钮在向上状态为转动恢复转动状态。

所述外框结构包括连接杆，所述连接杆与所述旋转支座之间拼接，左右相邻、上下相邻的旋转支座之间拼接。优选的，如图1，该制样装置的外框结构是通过多组旋转支座、4个连接杆与底座拼接而成，制样尺寸可根据需要进行灵活控制与调节。

所述拼接为榫槽式拼接方式。

所述旋转支座的左右侧分别设有插头和插槽，所述旋转支座的上下侧设有端槽和榫头。

所述底座上开有插孔阵列，所述旋转支座底部的榫头，所述榫头固定在所述插孔阵列的插孔内。

所述插板的形状为用来模拟贯穿的连续节理裂隙的实心结构、充填物质与原岩裂隙中的充填物质相同的内部充填结构、或者用来模拟断续节理条件的内部空心结构。

本发明的有益效果主要表现在：(1)该制样装置能布置考虑三维空间位置的裂隙网络，通过调节旋转卡槽可考虑裂隙的走向、倾向、倾角，且方位的调节是连续的；不同旋转卡槽彼此间可以夹持共用的插板，形成较大的裂隙面；

(2)该制样装置的外框是通过多组旋转支座、4个连接杆与底座拼接而成，尺寸可根据需要进行灵活控制与调节，零部件替换简单，不会因为部分调节装置损坏而影响到整个制样装置的使用；

(3)该制样装置中所用的插板并不限定形状特征，由于它具有易熔的特点，可以加工成具有一定粗糙起伏程度的性质；可以将不同插板的接触部分熔化后，将其粘结成一整体，形成复杂的裂隙网络；

(4)该制样装置中所用的插板材料是易熔合金，它起到的作用只是形成裂隙或夹持充填物；试样基本成型后，通过烘箱加热，插板材料发生熔化，振动与倾倒处理后，易熔合金介质将完全流出试样，只留下裂隙或充填物质，避免了试样固结后很难将预制裂隙的结构物拔出的缺陷；

(5)该制样装置能根据试验要求改变插板的形态与结构，达到可同时模拟考虑充填物质和不考虑充填物质裂隙的目的；

(6)利用该制样装置可模拟内置裂隙，只需要插板在试样表面留下极细的导流小孔，用于流出插板的易熔合金液体；不需要待试样凝结完成后拔出结构物，避免了试样的人为因素的破坏；

(7)利用该制样装置制成的裂隙的大小、形状、空间位置等，只与事先固定的插板有关，严格按照试验要求布置；不会发生因拔出预制结构物导致裂缝厚度、宽度变大，在原裂缝周围产生次级裂缝，甚至导致岩体结构的整体破坏的现象；

(8)该制样装置可广泛运用于包括考虑结构面充填类型的岩石试样的制作，应用前景广阔，经济效益显著。

附图说明

图1为本发明一个实施例的整体结构示意图；

图2为本发明一个单侧2×2的旋转实施例的整体结构示意图；

图3为图2装置的俯视图；

图4为图2装置的侧视图；

图5为旋转结构的示意图；

图6为旋转结构的侧视图；

图7为旋转结构的剖面图；

图8为插板的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图8，一种裂隙岩体模型试样的制样模具，包括底座7和外框结构，所述外框结构的内腔为用于形成所述裂隙岩体模型试样的腔体，所述外框结构位于所述底座7上，所述制样模具还包括插板9和裂隙位置调节结构，所述插板9为易熔合金材料制作的插板，所述易熔合金材料为常温下固态成型且通过加热到熔点温度发生熔化的材料；所述裂隙位置调节结构位于所述外框结构内，所述裂隙位置调节结构与所述插板9连接；

所述裂隙位置调节结构包括旋转支座1、转轴2、旋转卡槽3和弹性压片4，所述旋转支座1内开圆孔，所述圆孔内壁开有一圈转动槽，所述旋转卡槽3的两端与转轴2连接，所述转轴2可滑动地安装在所述旋转支座1的转动槽上，所述旋转卡槽3上设有用以固定所述插板的弹性压片4，所述弹性压片4与所述插板9密封连接。

本发明中，所述插板是硬质结构，插板9可以与单个裂隙位置调节结构连接，也可以与两个裂隙位置调节结构连接。

进一步，所述弹性压片4上设有固定孔位，所述插板9上设有安装孔位，紧固件穿过所述固定孔位和安装孔位固定连接。

再进一步，所述转轴2一端有螺纹，所述转轴2的另一端呈半圆球形；所述的旋转卡槽3两侧开有沿轴线对称布置的螺纹孔，所述转轴2一端固定在所述螺纹孔内，所述转轴2的另一端贴合于旋转支座1的转动槽内。

更进一步，所述裂隙位置调节结构还包括用以用于固定旋转卡槽和旋转支座的衬套5，所述衬套5的内侧带有弧度，从横截面上看，所述衬套5的弧度与所述转动槽的弧度相接形成半圆形。

在所述衬套5上设有复位式按钮卡死机构，该按钮在按下状态为卡死转轴状态，该按钮在向上状态为转动恢复转动状态。

本实施例中，插板9的主要材质为易熔合金，该材料的显著特征是在常温条件下具有一定的强度，一般由Bi、Sn、Pb、In等低熔点金属元素组成。不易发生变形；通过加热，当在较低温度(例如70℃以上)时，可发生熔化，且在室温条件下容易成型；试验室条件下，可通过烘箱加热实现插板材料的熔化；加热后，可对熔化的易熔合金材料收集，以备后续制样继续使用。

裂隙调节机构主要由旋转支座1、转轴2、旋转卡槽3、弹性压片4、衬套5部分构成，裂隙的空间位置以通过调节—旋转卡槽3改变插板9走向、倾向与倾角实现。每个裂隙调节结构的旋转卡槽3与旋转支座1通过转轴2连接，并通过衬套5进行固定；转轴2一端有螺纹，另一端呈半圆球形；旋转卡槽3两侧开有沿轴线对称布置的螺纹孔，用于固定转轴；转轴2一端通过螺纹连接于旋转卡槽3两端的螺纹孔内，另一端贴合于旋转支座1的内存凹槽内，能使旋转卡槽3进行任意方向的旋转；衬套5用于固定旋转支座1、转轴2和旋转卡槽3，其内侧带有弧度，方便转轴2贴合其内侧旋转，在衬套5上设有复位式按钮卡死机构，在调节完旋转卡槽3的倾角和倾向后，只需按下按钮，卡死转轴2，即限制了旋转卡槽3的转动，在试验后再次按下按钮即可复位，旋转卡槽3恢复转动；旋转卡槽3两侧端面上均设有弹性压片4，用于固定插板9；弹性压片4上设有固定孔位，可根据插板9厚度，采用螺钉改变弹性压片两对称压片之间的间距实现对不同厚度插板9的固定；插板9与弹性压片4间的空隙用密封胶或橡胶填充，防止漏浆。

外框结构是制样模具的外部轮廓控制部分，主要由裂隙位置调节结构和连接杆构成。每个旋转支座1的左、右两侧分别设有插头和插槽，能与相邻旋转支座1或连接杆6进行咬合拼接。每个旋转支座1的尺寸设计为单位尺寸，由不同旋转支座1拼接而成的制样模具高度、宽度、长度由试样的大小规格确定。旋转支座1上、下两侧设置有端槽10和榫头11，用于连接上、下相邻的旋转支座使其形成整体，保证制样过程中连接紧密、不发生漏浆现象。如图1，该制样装置的外框结构是通过多组旋转支座、4个连接杆与底座拼接而成，制样尺寸可根据需要进行灵活控制与调节。

底座7实质上属于制样平台，它是试样模具的底部支座，上面开设有插孔8阵列，插孔8与旋转支座1底部的榫头11嵌套固定。无需使用的插孔8可事先用橡胶块或刷模石膏作临时充填。底座7可以配套于不同尺寸的三维裂隙布置的外框结构，且能同时为多个试样制作提供底板。

插板9的形状可制作成实心结构用来模拟贯穿的连续节理裂隙；可以制作成内部充填结构，充填物质与原岩裂隙中的充填物质相同；可以制作成内部空心结构，来模拟断续节理条件。

将本发明应用于裂隙岩体试样制作的大致过程为：

一、前期准备

1、采用标准砂、玻璃珠、膨润土、水泥按特定配合比分别称量用于模拟岩石的相似材料；

2、根据实测的裂隙粗糙特征和充填情况，采用易熔合金加工并制作插板9，必要时可对插板9局部进行熔化重构，形成三维裂隙网。

二、装置的调节与固定

3、根据试样尺寸要求，确定裂隙调节机构的个数，并将裂隙调节机构分布拼装成4个侧面；

4、将裂隙调节机构拼接形成的侧面通过连接杆两两组合，形成制样模具的外框结构，将外框结构与底座7结合；

5、将制样范围内的底座7的插孔8，采用橡胶或石膏充填严密，防止漏浆；

6、将插板9一端插入旋转卡槽3一侧弹性压片4内，调节螺钉改变弹性压片4两对称压片的间距，夹紧插板9，转动旋转卡槽3，使插板9实现预定的走向、倾向和倾角，同时按下衬套5上的按钮使转轴2固定，实现插板9的固定，在利用密封胶或橡胶填充插板9与弹性压片4间的空隙，防止漏浆。本装置同样可模拟贯穿岩体的节理裂隙，只需将旋转卡槽3侧面调整到与侧板平行，使两对称布置侧板上弹性压片4保持相同角度，按下衬套5上按钮对旋转卡槽3固定，在安装插板9，安装过程同上，即可实现贯穿节理裂隙模拟。

7、将相似材料加水拌合，搅拌均匀后注入制样模具，分层振捣均匀，直至填满制样模具。

三、试样养护与修整

8、将试样连同制样模具在常温下湿养14天。

9、复位衬套上的按钮，松开弹性压片上螺钉，使制样外框与底座7脱离，拆除连接杆6，将制成的试样从制样模具中取出，对其表面做适当的修整后放入托盘并送入烘箱，将烘箱温度控制在80℃以上，恒温3小时，充分将插板熔化；

10、取出试样通过适当振动，排除试样内部残留的合金残余液，并用托盘收集，以备下次使用。

四、制样结束

11、将裂隙调节机构分别拆除，清洗以便下次使用；

12、清理底座的插孔8。

本发明的核心在于裂隙面调节结构与插板的结构组成，能制作含复杂三维裂隙的岩体试样模型，严格控制裂隙的大小、方向和充填情况，可以根据试样尺寸的不同进行组合、拼装。所以其保护范围并不限于上述实施例。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神，例如：采用其他易熔材质替代制作插板9，通过熔化后形成裂缝；采用其他拼接结构形成类似的裂隙调节机构。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims (9)

1.一种裂隙岩体模型试样的制样模具，包括底座和外框结构，所述外框结构的内腔为用于形成所述裂隙岩体模型试样的腔体，所述外框结构位于所述底座上，其特征在于：所述制样模具还包括插板和裂隙位置调节结构，所述插板为易熔合金材料制作的插板，所述易熔合金材料为常温下固态成型且通过加热到熔点温度发生熔化的材料；所述裂隙位置调节结构位于所述外框结构上，所述裂隙位置调节结构与所述插板连接；所述裂隙位置调节结构包括旋转支座、转轴、旋转卡槽和弹性压片，所述旋转支座内开圆孔，所述圆孔内壁开有一圈转动槽，所述旋转卡槽的两端与转轴连接，所述转轴可滑动地安装在所述旋转支座的转动槽上，所述旋转卡槽上设有用以固定所述插板的弹性压片，所述弹性压片与所述插板密封连接；所述裂隙位置调节结构还包括用于固定旋转卡槽和旋转支座的衬套，所述衬套的内侧带有弧度，从横截面上看，所述衬套的弧度与所述转动槽的弧度相接形成半圆形。

2.如权利要求1所述的裂隙岩体模型试样的制样模具，其特征在于：所述弹性压片上设有固定孔位，所述插板上设有安装孔位，紧固件穿过所述固定孔位和安装孔位固定连接。

3.如权利要求1或2所述的裂隙岩体模型试样的制样模具，其特征在于：所述转轴一端有螺纹，所述转轴的另一端呈半圆球形；所述的旋转卡槽两侧开有沿轴线对称布置的螺纹孔，所述转轴一端固定在所述螺纹孔内，所述转轴的另一端贴合于旋转支座的转动槽内。

4.如权利要求1所述的裂隙岩体模型试样的制样模具，其特征在于：在所述衬套上设有复位式按钮卡死机构，该按钮在按下状态为卡死转轴状态，该按钮在向上状态为转动恢复转动状态。

5.如权利要求1或2所述的裂隙岩体模型试样的制样模具，其特征在于：所述外框结构包括连接杆，所述连接杆与所述旋转支座之间拼接，左右相邻、上下相邻的旋转支座之间相互拼接。

6.如权利要求5所述的裂隙岩体模型试样的制样模具，其特征在于：所述拼接为榫槽式拼接方式。

7.如权利要求5所述的裂隙岩体模型试样的制样模具，其特征在于：所述旋转支座的左右侧分别设有插头和插槽，所述旋转支座的上下侧设有端槽和榫头。

8.如权利要求1或2所述的裂隙岩体模型试样的制样模具，其特征在于：所述底座上开有插孔阵列，所述旋转支座底部的榫头，所述榫头固定在所述插孔阵列的插孔内。

9.如权利要求1或2所述的裂隙岩体模型试样的制样模具，其特征在于：所述插板的形状为用来模拟贯穿的连续节理裂隙的实心结构、充填物质与原岩裂隙中的充填物质相同的内部充填结构、或者用来模拟断续节理条件的内部空心结构。