CN106124268B - 一种用相似模拟实验试块预压装置制作实验试块的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于制作相似模拟实验试块的装置及方法，包括以下步骤：(1)确定模拟试块的物理结构图；(2)确定相似材料配比；(3)确定应力监测点的位置；(4)模具安装；(5)试块模具竖放；(6)岩层铺设；(7)试块模具放平；(8)预压平台预压；(9)试块干燥。本发明可以根据提前设定好的相似模拟模型参数，制作具有不同岩层倾角的相似模拟实验试块模型，本制作方法不仅方法简单、制作速度快，而且制作出来的模型的密实度和平整度都能满足相似模拟实验的实验要求。

Description

一种用相似模拟实验试块预压装置制作实验试块的方法
技术领域
本发明涉及一种用相似模拟实验试块预压装置制作实验试块的方法，特别是真三轴、高围压条件下相似模拟模型的大尺寸试块制作方法。
背景技术
随着巷道人类地开采活动的逐步向深部发展，原岩应力场的应力不断增加，高应力使得深部巷道变形呈现出与浅部完全不同的变形特征，充分掌握高应力条件下围岩的力学性能和变形位移规律，对于深部开采活动来说显得尤为重要。
相似材料模型实验是以相似理论为依据的实验室研究方法。广泛应用于水利、采矿和地质等学科。即使在岩石力学数值模拟不断完善和运算速度大幅度提高的今天，相似模拟实验仍然是采矿科学中一种不可替代的岩体变形研究手段，在采矿学科中是仍然发挥着重要作用。
目前国内采用的相似模拟实验方法，普遍为平面模拟，真三轴相似模拟实验平台少。由于真三轴相似实验全封闭空间特性，真三轴相似模拟模型不好制作，特别是岩层带一定的倾角后，相似模拟模型的模型分层、模型岩层倾角和厚度、模型每边的平行程度和模型的密实度等都不好控制。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种相似模拟实验试块预压装置及用其制作实验试块的方法。
1.一种用相似模拟实验试块预压装置制作实验试块的方法，其特征在于：
该方法中使用到一种相似模拟实验试块预压装置，包括电机和油泵，底座通过四根平行立柱上安装有定位横梁，定位横梁上安装调节电机，定位横梁下方的上压板与调节电机通过丝杠连接；底座中心安装油缸，油缸通过管线与油泵相连，油缸上安装下压板，下压板与上压板之间放置试样模具箱；所述的油泵、油缸和调节电机通过一个集成开关进行控制；所述的底座上方通过轨道架横向安装有平台轨道，平台轨道上设有用于放置试样模具箱的移动底座；所述的试样模具箱由侧板、盖板及移动底座拼接。
该方法包括以下步骤：
第一步，确定相似模拟试块物理结构图；根据模拟试块由多少层岩层组成、每层岩体的厚度和倾角，以及后期需要开挖的巷道的位置，绘制并打印和模拟试块实际尺寸大小的物理结构CAD图；
第二步，确定相似材料配比；根据相似模拟实验的要求，用公式计算模拟实验的相似比，其中几何相似比：
αL＝LH/LM，
式中LH-原型尺寸，相似模拟的实际对象的尺寸，LM-模型尺寸，相似模拟模型的尺寸，
容重比：
αγ＝γH/γM，
式中γH-原型容重，γM-模型容重；
强度相似比及应力相似比：
ασ＝αL·αγ，
根据计算出模型试块的容重和抗压强度，结合砂子、水泥、石膏不同配比号的相似材料抗压强度性能表，选择抗压强度最相近的配比号，作为相似模拟模型的配比方案；根据模拟模型的AutoCAD物理结构图由计算出每层模型的面积(S)，再计算出每层模型的体积V：
V＝S×h，
式中h-模型厚度；
由此计算出每层模型需要的水泥、石膏和砂子总质量Z：
Z＝V×ρ
式中ρ-模型密度；
再计算每层所需的砂子、水泥、石膏的质量：
式中m砂-砂子质量，m水-水泥质量，m石-石膏质量，砂子-m，水泥-n，石膏-c；
第三步，确定应力监测点的位置；根据相似模拟试块物理结构图和各层材料所选的相似配比的容重和抗压强度参数，建立数值模拟模型并进行模拟，根据数值模拟的结果，选择10个左右应力变化大的位置布置应力监测点，并将之在物理结构CAD图中标出；
第四步，模具安装；试样模具箱装上三块侧板，在移动底座及三个侧板内侧抹上润滑材料，并在移动底座上面盖上减摩材料，将打印的CAD物理结构图平铺在减摩材料上；
第五步，试块模具竖放；将试块模具箱没有装侧板的一侧朝上，将试块模具竖立；
第六步，岩层铺设；按照第二步中确定相似材料的配比得出的相似材容重和第一步中确定的物理结构，确定每层中所需要的各种相似材料的质量，并将之称出后搅拌均匀，按照第二步选择的配比号加入对应的水量后立即进行搅拌，搅拌均匀后，倒入试块模具中，并按照物理结构图中的分层线夯实，并保证分层面的平整；按照第三步确定的压力盒的位置埋入压力盒后，再次将分层表面夯实平整；然后在分层表面均匀的按照岩层之间的抗剪切强度撒上对应云母粉量；从下往上依次按照物理结构图和压力盒位置装好，注意将每层夯实；直到将所有岩层都铺设到实验模具中；
第七步，将试块模具放平；将竖放的实验模具放平，将第四块侧板装到模具底座上，将试块模具盖板卸下，用搅拌好的相似材料将第四块侧板间的空隙填满并捣实；
第八步，预压平台预压；将带试样的试样模具吊装到预压平台轨道上，试样连带试样模具放在平台轨道上，移动试样模具沿平台轨道移动到下压板中心上方，利用集成开关将上压板先向下调节到靠近试样模具上方，沿轨道左右移动试样模具使试样模具内侧边和上压板四边一致；利用集成开关控制油缸向上推动下压板，在油缸的作用下下压板接触到移动底座后，推动试样模具中的试样上表面和上压板接触，继续控制下压板上升，待试样模具中的试样上表面和上压板完全接触，并保持下压板上升一定的时间后；从而在高压下保证试样制备的均匀性、平整性、相应面的平行性；当试样与上压板接触后，先加压到0.1Mpa，进行一次卸压，后再进行一次加压；从而完成对试样的压密；预压完成后，将试样模具推动在预压平台边上干燥；
第九步，试块干燥；试块放置2-3天有一定的强度后，将试块模具四块侧板卸下，试块继续干燥，并在试块上表面刷白色颜料，并按照5cm的间距画上网格线，完成试块的制作。
作为本方案的进一步优化，所述的油缸采用双向油缸。
作为本方案的进一步优化，所述的上压板与下压板平行，油缸、上压板和下压板的中心一致。
作为本方案的进一步优化，所述的移动底座侧端安装有吊环。
作为本方案的进一步优化，所述的润滑材料为黄油。
作为本方案的进一步优化，所述的减摩材料为青稞纸。
本发明采用提前预制模板的办法，克服了传统三轴相似模拟实验岩层倾角不易控制和模型密实度不均匀问题。本制作方法不仅方法简单、制作速度快，而且制作出来的模型的密实度和平整度都能满足真三轴等相似模拟实验的实验要求。
与现有技术比较，它的有益效果在于：
1、本发明可以根据提前设定好的相似模拟模型参数，制作具有不同岩层倾角的相似模拟实验试块模型；
2、本发明制作试块模型时“制-试”分离，将试块的制作过程和实验过程分离开来，两者不相互干扰，能够同时提高试块制备和模拟实验的效率，减少了实验员的工作时间和工作强度；
3、本发明不仅方法简单、制作速度快，而且试件质量高，制作出来的模型的密实度和平整度都能满足真三轴等相似模拟实验的实验要求。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详细说明：
图1本发明水平应力和垂直应力测点位置布置示意图；
图2本发明表面位移测点位置布置示意图；
图3本发明中模具竖向放置图；
图4本发明试块预压装置结构示意图；
图中，1、底座，2、立柱，3、横梁，4、调节电机，5、上压板，6、油缸，7、下压板，8、试样模具箱，9、管线，10、油泵，11、集成开关，12、丝杠，13、平台轨道，14、轨道架，15、移动底座，16、盖板，17。侧板，18、固定螺栓，19、吊环。
具体实施方式
本发明一种相似模拟实验试块预压装置，包括电机和油泵，底座1通过四根平行立柱2上安装有定位横梁3，定位横梁3上安装调节电机4，定位横梁3下方的上压板5与调节电机4通过丝杠12连接；底座中心安装油缸6，油缸6采用双向油缸，油缸6通过管线9与油泵10相连，油缸6上安装下压板7，下压板7与上压板5之间放置试样模具箱8。所述的油泵10、油缸6和调节电机4通过一个集成开关11进行控制。所述的底座1上方通过轨道架14横向安装有平台轨道13，平台轨道13上设有用于放置试样模具箱8的移动底座15。所述的上压板5与下压板7平行，油缸6、上压板5和下压板7的中心一致。所述的试样模具箱8由侧板17、盖板16及移动底座15拼接。所述的移动底座15侧端安装有吊环19。
在进行预压前，首先将试样连带试样模具箱8的移动底座15放在平台轨道13上，移动试样模具箱8到下压板7中心上方，利用集成开关11将上压板5先向下调节到靠近试样模具箱8上方，左右移动试样模具箱8使得试样模具箱8和上压板5中心一致。利用集成开关11控制油缸6向上推动下压板7，在油缸6的作用下下压板7接触到试样模具箱8后，推动试样模具箱8中的试样上表面和上压板5接触，继续控制油缸6上升，待试样模具箱8中的试样上表面和上压板5完全接触，并保持油泵10一定的时间后。从而保证了试样制备的均匀性、平整性、相应面的平行性。
当试样与上压板5接触后，先加压到所需要的值，进行一次卸压，后再进行一次加压，从而完成对试样的压密。
本发明一种用相似模拟实验试块预压装置制作实验试块的方法，它包括以下步骤：
第一步，确定相似模拟试块物理结构图。模拟45°的岩层倾角下，巷道掘进断面尺寸为宽×高＝18mm×18mm的直墙半圆拱型。模型中采用全岩巷开挖，围岩为层状砂岩，巷道附近的岩层厚度约为1000mm，模型厚度为40mm。绘制并打印和模拟试块实际尺寸大小的物理结构CAD图。
第二步，确定相似材料配比。选择巷道开挖半径为90mm。现场巷道的实际半径为2200mm，相似比为220∶9，本实例可以模拟的巷道围岩范围为宽×高＝24.4m×24.4m。实际岩体的平均密度为2.5g/cm3，模拟岩体的平均密度2.2g/cm3，密度相似比为2.5∶2.2。由此计算出应力相似比27.78，因为现场岩体的抗压强度为65Mpa，因此相似材料的抗压强度为2.34Mpa。根据已有相似材料不同配比号(砂子∶水泥∶石膏＝m∶n∶c)的材料抗压强度表，本实例中相似材料的配比号为437号的砂子、水泥和石膏。结合模拟模型的物理结构图由AutoCAD软件计算出每层模型的面积，再计算出每层模型的体积，总质量，最后计算出每层模型需要的水泥、石膏和沙子的质量，见下表1。
表1模拟各岩层材料配比表
第三步，确定应力监测点的位置。如图1和图2所示，根据相似模拟试块物理结构图和各层材料所选的相似配比的力学特性确定力学性能参数，建立数值模拟模型并进行模拟，根据数值模拟的结果，选择10个左右应力变化大的位置布置应力监测点。并将之在物理结构CAD图中标出。
第四步，模具安装；试样模具箱8装上三块侧板17，在移动底座15及三个侧板17内侧抹上润滑材料，并在移动底座15上面盖上减摩材料，将打印的CAD物理结构图平铺在减摩材料上；
第五步，试块模具竖放；将试块模具箱8没有装侧板17的一侧朝上，将试块模具竖立；
第六步，岩层铺设；按照第二步中确定相似材料的配比得出的相似材容重和第一步中确定的物理结构，确定每层中所需要的各种相似材料的质量，并将之称出后搅拌均匀，按照第二步选择的配比号加入对应的水量后立即进行搅拌，搅拌均匀后，倒入试块模具中，并按照物理结构图中的分层线夯实，并保证分层面的平整；按照第三步确定的压力盒的位置埋入压力盒后，再次将分层表面夯实平整；然后在分层表面均匀的按照岩层之间的抗剪切强度撒上对应云母粉量；从下往上依次按照物理结构图和压力盒位置装好，注意将每层夯实；直到将所有岩层都铺设到实验模具中；
第七步，将试块模具放平；将竖放的实验模具放平，将第四块侧板17装到模具底座上，将试块模具盖板16卸下，用搅拌好的相似材料将第四块侧板间的空隙填满并捣实；
第八步，预压平台预压；将带试样的试样模具吊装到预压平台轨道13上，试样连带试样模具放在平台轨道13上，移动试样模具沿平台轨道13移动到下压板7中心上方，利用集成开关11将上压板5先向下调节到靠近试样模具上方，沿轨道13左右移动试样模具使试样模具内侧边和上压板5四边一致；利用集成开关11控制油缸6向上推动下压板7，在油缸6的作用下下压板7接触到移动底座15后，推动试样模具中的试样上表面和上压板5接触，继续控制下压板7上升，待试样模具中的试样上表面和上压板5完全接触，并保持下压板7上升一定的时间后；从而在高压下保证试样制备的均匀性、平整性、相应面的平行性；当试样与上压板5接触后，先加压到0.1Mpa，进行一次卸压，后再进行一次加压；从而完成对试样的压密；预压完成后，将试样模具推动在预压平台边上干燥；
第九步，试块干燥；试块放置2-3天有一定的强度后，将试块模具四块侧板17卸下，试块继续干燥，并在试块上表面刷白色颜料，并按照5cm的间距画上网格线，最后完成试块的制作。

Claims (6)

1.一种用相似模拟实验试块预压装置制作实验试块的方法，其特征在于：
该方法中使用到一种相似模拟实验试块预压装置，包括电机和油泵，底座(1)通过四根平行立柱(2)上安装有定位横梁(3)，定位横梁(3)上安装调节电机(4)，定位横梁(3)下方的上压板(5)与调节电机(4)通过丝杠(12)连接；底座中心安装油缸(6)，油缸(6)通过管线(9)与油泵(10)相连，油缸(6)上安装下压板(7)，下压板(7)与上压板(5)之间放置试样模具箱(8)；所述的油泵(10)、油缸(6)和调节电机(4)通过一个集成开关(11)进行控制；所述的底座(1)上方通过轨道架(14)横向安装有平台轨道(13)，平台轨道(13)上设有用于放置试样模具箱(8)的移动底座(15)；所述的试样模具箱(8)由侧板(17)、盖板(16)及移动底座(15)拼接；
该方法包括以下步骤：
第一步，确定相似模拟试块物理结构图；根据模拟试块由多少层岩层组成、每层岩体的厚度和倾角，以及后期需要开挖的巷道的位置，绘制并打印和模拟试块实际尺寸大小的物理结构CAD图；
第二步，确定相似材料配比；根据相似模拟实验的要求，用公式计算模拟实验的相似比，其中几何相似比：
αL＝LH/LM，
式中LH-原型尺寸，相似模拟的实际对象的尺寸，LM-模型尺寸，相似模拟模型的尺寸，
容重比：
αγ＝γH/γM，
式中γH-原型容重，γM-模型容重；
强度相似比及应力相似比：
ασ＝αL·αγ，
根据计算出模型试块的容重和抗压强度，结合砂子、水泥、石膏不同配比号的相似材料抗压强度性能表，选择抗压强度最相近的配比号，作为相似模拟模型的配比方案；根据模拟模型的AutoCAD物理结构图由计算出每层模型的面积(S)，再计算出每层模型的体积V：
V＝S×h，
式中h-模型厚度；
由此计算出每层模型需要的水泥、石膏和砂子总质量Z：
Z＝V×ρ
式中ρ-模型密度；
再计算每层所需的砂子、水泥、石膏的质量：
式中m砂-砂子质量，m水-水泥质量，m石-石膏质量，砂子-m，水泥-n，石膏-c；
第三步，确定应力监测点的位置；根据相似模拟试块物理结构图和各层材料所选的相似配比的容重和抗压强度参数，建立数值模拟模型并进行模拟，根据数值模拟的结果，选择10个左右应力变化大的位置布置应力监测点，并将之在物理结构CAD图中标出；
第四步，模具安装；试样模具箱(8)装上三块侧板(17)，在移动底座(15)及三个侧板(17)内侧抹上润滑材料，并在移动底座(15)上面盖上减摩材料，将打印的CAD物理结构图平铺在减摩材料上；
第五步，试块模具竖放；将试块模具箱(8)没有装侧板(17)的一侧朝上，将试块模具竖立；
第六步，岩层铺设；按照第二步中确定相似材料的配比得出的相似材容重和第一步中确定的物理结构，确定每层中所需要的各种相似材料的质量，并将之称出后搅拌均匀，按照第二步选择的配比号加入对应的水量后立即进行搅拌，搅拌均匀后，倒入试块模具中，并按照物理结构图中的分层线夯实，并保证分层面的平整；按照第三步确定的压力盒的位置埋入压力盒后，再次将分层表面夯实平整；然后在分层表面均匀的按照岩层之间的抗剪切强度撒上对应云母粉量；从下往上依次按照物理结构图和压力盒位置装好，注意将每层夯实；直到将所有岩层都铺设到实验模具中；
第七步，将试块模具放平；将竖放的实验模具放平，将第四块侧板(17)装到模具底座上，将试块模具盖板(16)卸下，用搅拌好的相似材料将第四块侧板间的空隙填满并捣实；
第八步，预压平台预压；将带试样的试样模具吊装到预压平台轨道(13)上，试样连带试样模具放在平台轨道(13)上，移动试样模具沿平台轨道(13)移动到下压板(7)中心上方，利用集成开关(11)将上压板(5)先向下调节到靠近试样模具上方，沿轨道(13)左右移动试样模具使试样模具内侧边和上压板(5)四边一致；利用集成开关(11)控制油缸(6)向上推动下压板(7)，在油缸(6)的作用下下压板(7)接触到移动底座(15)后，推动试样模具中的试样上表面和上压板(5)接触，继续控制下压板(7)上升，待试样模具中的试样上表面和上压板(5)完全接触，并保持下压板(7)上升一定的时间后；从而在高压下保证试样制备的均匀性、平整性、相应面的平行性；当试样与上压板(5)接触后，先加压到0.1Mpa，进行一次卸压，后再进行一次加压；从而完成对试样的压密；预压完成后，将试样模具推动在预压平台边上干燥；
第九步，试块干燥；试块放置2-3天有一定的强度后，将试块模具四块侧板(17)卸下，试块继续干燥，并在试块上表面刷白色颜料，并按照5cm的间距画上网格线，完成试块的制作。
2.如权利要求1所述一种用相似模拟实验试块预压装置制作实验试块的方法，其特征在于：所述的油缸(6)采用双向油缸。
3.如权利要求1所述一种用相似模拟实验试块预压装置制作实验试块的方法，其特征在于：所述的上压板(5)与下压板(7)平行，油缸(6)、上压板(5)和下压板(7)的中心一致。
4.如权利要求1所述一种用相似模拟实验试块预压装置制作实验试块的方法，其特征在于：所述的移动底座(15)侧端安装有吊环(19)。
5.如权利要求1所述一种用相似模拟实验试块预压装置制作实验试块的方法，其特征在于：所述的润滑材料为黄油。
6.如权利要求1所述一种用相似模拟实验试块预压装置制作实验试块的方法，其特征在于：所述的减摩材料为青稞纸。
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