CN108827729A - 一种含复杂节理的类岩石试样模具及试样制备方法 - Google Patents

一种含复杂节理的类岩石试样模具及试样制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种含复杂节理的类岩石试样模具及试样制备方法，模具包括框体、可拉出旋转盘、薄嵌片和节理插片；框体包括底板和垂直固定于所述底板两条长边上的两块侧板，薄嵌片为两个，薄嵌片垂直于所述底板的两条短边与所述侧板连接，薄嵌片与所述框体形成长方体的五个面；薄嵌片上设有圆孔，可拉出旋转盘包括旋转体、把手和插板，旋转体的直径与所述圆孔的直径相同，旋转体的一端连接有把手，旋转体的另一端连接有插板，插板穿过所述圆孔位于所述框体内，节理插片与所述插板连接，节理插片具有不同的形状。本发明可制备多种不同贯通率、不同倾角、不同裂隙形状的类岩石材料试样。

Description

一种含复杂节理的类岩石试样模具及试样制备方法
技术领域
本发明属于岩体力学和岩石工程领域，具体涉及一种含复杂节理的类岩石试样模具及试样制备方法。
背景技术
节理岩体是水利水电工程、隧道工程、采矿工程中经常遇到的一种复杂岩体。岩体中含有不同规模的天然弱面，在地质运动作用下，这些已有的弱面会闭合、张开、扩展或导致岩石中产生新的裂隙。与完整岩块相比，节理岩体的力学性质很大程度决定于这些弱结构面。当地下水在节理岩体中流动时，节理的特性如角度和贯通率在一定程度上影响节理岩体的力学和水力学性质。
研究岩体介质物理力学性质的模拟实验方法为将与岩体具有相似物理、力学性质的相似材料，根据相似原理做成相似模型，通过研究相似模型的力学性质得到岩石的岩层性质。节理是一种非常重要的结构面，我们有必要对节理岩石的力学特性进行研究，因此我们需要不同节理角度和贯通率的贯穿节理岩体模型试样制作模具，通过设计不同的节理角度和贯通率来探究节理岩体的物理力学性质。
当前制作具有节理裂隙试件模型的方法主要是一次成型法，而一次成型法需要在混合材料倒入试模中之后，在设计的节理位置处插入塑料板等片状物制作节理，这种方法较为繁琐，一般一次只能做一个试样。由于不好控制每个试样节理片的角度和贯通率，因此进行数据分析时，往往误差较大。
中国专利文献201510587631.2公开了一种类岩石试件标准粗糙度节理面的预制，但是该方法不适用于含复杂节理的类岩石试样的制备。中国专利文献201220173136.9公开了制作不同角度全贯穿裂隙类岩石材料标准试件的模具，该模具通过设置若干倾斜导滑槽来控制预制裂隙的角度，然而倾斜导滑槽的数量有限，不能实现各个角度的预制裂隙。中国专利文献201521041507.8公开了一种制作有节理试件的模具，然而其旋转盘设于底部，不方便旋转操作，且节理薄片的宽度小于节理插孔的宽度，会出现漏液。
目前，一种类岩石试样模具只能制作单一裂隙类型的试样，因此，亟需可制作不同贯通率、不同倾角、不同裂隙形状的类岩石材料试样的模具和方法，能够方便快捷的控制贯通率、倾角和裂隙形状，提高制作效率。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种含复杂节理的类岩石试样模具，能够精确制备出多个不同贯通率、不同倾角、不同裂隙形状的类岩石材料试样。
本发明的另一目的在于提供采用上述模具的类岩石试样制备方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种含复杂节理的类岩石试样模具，包括框体、可拉出旋转盘、薄嵌片和节理插片；所述框体包括底板和垂直固定于所述底板两条长边上的两块侧板，所述薄嵌片为两个，所述薄嵌片垂直于所述底板的两条短边与所述侧板连接，所述薄嵌片与所述框体形成长方体的五个面；所述薄嵌片上设有圆孔，所述可拉出旋转盘为两个，所述可拉出旋转盘包括旋转体、把手和插板，所述旋转体的直径与所述圆孔的直径相同，所述旋转体的一端连接有把手，所述旋转体的另一端连接插板，所述插板穿过所述圆孔位于所述框体内，所述节理插片与所述插板连接，所述节理插片具有不同的形状。
本发明模具可以同时制出一组多个类岩石材料标准试样，提高了制作效率，通过转动可拉出旋转盘可调节节理插片的角度，控制类岩石试样的节理倾角；通过抽拔可拉出旋转盘可带动节理插片在模具中移动；本模具可拆卸和更换零件，所述节理插片具有不同的形状，可制作不同贯通率、不同倾角、不同裂隙形状的类岩石材料试样。
优选的，所述节理插片一端到另一端的宽度递减。使用这种形状的节理插片可以实现一次制作含多种贯通率的节理试样。
优选的，所述节理插片为交叉相连的两个矩形插片。使用这种形状的节理插片可以制作含交叉节理的试样。
优选的，所述节理插片为交叉相连的两个插片，一个插片为矩形插片，另一个插片的一端到另一端的宽度递减。使用这种形状的节理插片可以一次制作含多种贯通率和交叉节理的试样。
优选的，所述插板上设有第二插销孔，所述节理插片上设有第四插销孔，所述第二插销孔和第四插销孔通过螺栓连接以完成所述可拉出旋转盘与节理插片的固定连接；所述侧板上设有第一插销孔，所述薄嵌片上设有第三插销孔，所述第一插销孔和第三插销孔通过螺栓连接以完成所述框体与薄嵌片的连接。模具可拆卸，便于清洗和携带。所述可拉出旋转盘与节理插片为可拆卸连接，方便更换节理插片，通过更换不同宽度的节理插片可控制类岩石试样的节理贯通率。使用本发明模具时，所述节理插片的一端与一个可拉出旋转盘的插板固定连接，所述节理插片的另一端与另一个可拉出旋转盘的插板活动连接而不固定，使节理插片既可以随可拉出旋转盘转动，又可从一端拔出。
优选的，所述框体的底板和侧板的厚度为5mm，所述底板和侧板的长度为460mm，所述底板的宽度为70mm，所述侧板的高度为110mm；所述薄嵌片的长度为100mm，宽度为60mm，厚度为5mm，所述圆孔的直径为50mm；所述可拉出旋转盘的旋转体的直径为50mm；所述节理插片的长度为460mm。该尺寸模具可一次性制出多个标准试样，减少重复制样次数，大小合适，便于统一安放、养护与运输。
优选的，所述节理插片为钢制材料。钢制材料坚固耐久，表面光滑，可以重复使用。
优选的，所述节理插片为石膏材料。石膏材料较软，与水泥水泥砂浆的材料接近，可模拟节理裂隙内的填充物。
本发明还公开了一种含复杂节理的类岩石试样制备方法，通过以上类岩石试样模具制备类岩石试样，制备方法包括以下步骤：
A.确定不同角度下达到不同贯通率所需节理插片的宽度和形状并制作数据表；
B.参照所述数据表制作相应的节理插片并编号；
C.将薄嵌片与框体固定连接，将可拉出旋转盘的插板穿过薄嵌片的圆孔置于所述框体内，将制好的节理插片的一端与一个可拉出旋转盘的插板固定连接，所述节理插片的另一端与另一个可拉出旋转盘的插板活动连接，所述节理插片与可拉出旋转盘的插板固定连接的一端的宽度不小于另一端的宽度，得到模具，确保不漏浆后，在所述模具内壁及节理插片上涂油；
D.制备水泥砂浆，在所述模具内灌注所述水泥砂浆，同时不断振捣使水泥砂浆密实，旋转可拉出旋转盘，使节理插片转至预定角度，将水泥砂浆充满整个模具；
E.在水泥砂浆能够维持自身形状不坍塌，且与节理插片未充分粘结时，拔出节理插片，继续养护；
F.养护至水泥砂浆固化成型，形成初具形状的试样部件后脱模；
G.切割打磨后，得到满足实验要求的一组特定角度、贯通率和裂隙形状的标准试样。
优选的，重复步骤C到步骤G，得到满足实验要求的多组特定角度、贯通率和裂隙形状的标准试样。
本发明方法可同时制出一组多个类岩石材料标准试样，提高了制作效率，且通过更换不同宽度的节理插片，可制出多组不同贯通率、不同倾角的类岩石材料试样。利用所述模具制成的初样既可以一次制成6个直径50mm高度100mm的标准圆柱形试样，进行单轴压缩、三轴压缩试验、劈裂试验等；也可以一次性制成多个立方体试样(边长50mm或70mm)进行抗压强度、抗拉强度(劈裂法)、抗剪强度指标测定，灵活多变，进一步提高了效率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明可制作出多种复杂节理的类岩石试样，且模具结构简单，操作方便。
2、本发明模具通过调节节理插片的形状尺寸，旋转节理钢片可制作不同贯通率、不同倾角、不同裂隙形状的类岩石材料试样。
3、本发明模具具有可拆卸，便于携带的特点。
4、本发明模具可以同时制出一组多个类岩石材料标准试样，提高了制作效率。
5、通过改变节理插片所用材料可以模拟岩石裂隙中的填充物。
附图说明
图1为本发明类岩石试样模具实施例1结构示意图；
图2为本发明类岩石试样模具实施例1框体示意图；
图3为本发明类岩石试样模具实施例1可拉出旋转盘示意图；
图4为本发明类岩石试样模具实施例1薄嵌片示意图；
图5为本发明类岩石试样模具实施例1节理插片示意图；
图6为本发明类岩石试样模具实施例1可拉出旋转盘与节理插片安装示意图；
图7为本发明类岩石试样模具实施例2节理插片示意图；
图8为本发明类岩石试样模具实施例3节理插片示意图；
图9为本发明类岩石试样模具实施例4节理插片示意图；
图10为本发明实施例1类岩石试样成品效果图；
图11为本发明实施例3类岩石试样成品效果图；
图12为本发明类岩石试样制作方法流程示意图；
图中：1、框体；2、可拉出旋转盘；3、薄嵌片；4、节理插片；101、第一插销孔；201、插板；202、第二插销孔；301、第三插销孔；401、第四插销孔。
具体实施方式
下面将结合本发明中的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1～6所示，一种含复杂节理的类岩石试样模具，包括框体1、可拉出旋转盘2、薄嵌片3和节理插片4；所述框体1包括底板和垂直固定于所述底板两条长边上的两块侧板，所述薄嵌片3为两个，所述薄嵌片3垂直于所述底板的两条短边与所述侧板连接，所述薄嵌片3与所述框体1形成长方体的五个面；所述薄嵌片3上设有圆孔，所述可拉出旋转盘2为两个，所述可拉出旋转盘2包括旋转体、把手和插板201，所述旋转体的直径与所述圆孔的直径相同，所述旋转体的一端连接有把手，所述旋转体的另一端连接有两个平行的插板201，所述插板201穿过所述圆孔位于所述框体1内，所述节理插片4位于所述两个平行插板201之间与所述插板201连接。
所述插板201上设有第二插销孔202，所述节理插片4上设有第四插销孔401，所述第二插销孔202和第四插销孔401通过螺栓连接以完成所述可拉出旋转盘2与节理插片4的固定连接；所述侧板上设有第一插销孔101，所述薄嵌片3上设有第三插销孔301，所述第一插销孔101和第三插销孔301通过螺栓连接以完成所述框体1与薄嵌片3的连接。
所述框体1的底板和侧板的厚度为5mm，所述底板和侧板的长度为460mm，所述底板的宽度为70mm，所述侧板的高度为110mm；所述薄嵌片3的长度为100mm，宽度为60mm，厚度为5mm，所述圆孔的直径为50mm；所述可拉出旋转盘2的旋转体的直径为50mm；所述节理插片4的长度为460mm。
所述节理插片4为钢制材料的矩形插片。钢制材料坚固耐久，表面光滑，可以重复使用。
使用本发明模具时，所述节理插片4的一端通过螺栓与一个可拉出旋转盘2的插板201固定连接，所述节理插片4的另一端置于另一个可拉出旋转盘2的两个插板201之间而不用螺栓固定，使节理插片4既可以随可拉出旋转盘2转动，又可从一端拔出。本发明模具可以同时制出一组多个类岩石材料标准试样，提高了制作效率，通过转动可拉出旋转盘2可调节节理插片4的角度，控制类岩石试样的节理倾角；通过抽拔可拉出旋转盘2可带动节理插片4在模具中移动。本实施例类岩石试样成品如图10所示。
实施例2
一种含复杂节理的类岩石试样模具，与实施例1的区别在于，如图7所示，所述节理插片4一端到另一端的宽度递减。使用这种形状的节理插片4可以实现一次制作含多种贯通率的节理试样。
实施例3
一种含复杂节理的类岩石试样模具，与实施例1的区别在于，如图8所示，所述节理插片4为呈十字形交叉相连的两个矩形插片。所述旋转盘连接有两个中间有缝隙的平行的插板201，每个插板201上在缝隙的两侧设有两个第二插销孔202，所述节理插片4中与插板201平行的矩形插片的一端设有两个第四插销孔401，所述第二插销孔202和第四插销孔401通过螺栓连接以完成所述可拉出旋转盘2与节理插片4的固定连接。使用这种形状的节理插片4可以制作含交叉节理的试样，本实施例类岩石试样成品如图11所示。
实施例4
一种含复杂节理的类岩石试样模具，与实施例1的区别在于，如图9所示，所述节理插片4为交叉相连的两个插片，一个插片为矩形插片，另一个插片的一端到另一端的宽度递减。所述旋转盘连接有两个中间有缝隙的平行的插板201，每个插板201上在缝隙的两侧设有两个第二插销孔202，所述节理插片4中与插板201平行的插片的一端设有两个第四插销孔401，所述第二插销孔202和第四插销孔401通过螺栓连接以完成所述可拉出旋转盘2与节理插片4的固定连接；所述节理插片4设有第四插销孔401的一端宽度不小于另一端的宽度。使用这种形状的节理插片4可以一次制作含多种贯通率和交叉节理的试样。
实施例5
一种含复杂节理的类岩石试样制备方法，采用实施例1～4任一种模具，如图12所示，包括以下步骤：
A.确定不同角度下达到不同贯通率所需节理插片4的宽度和形状并制作数据表；
B.参照所述数据表制作相应的节理插片4并编号；
C.将薄嵌片3与框体1固定连接，将可拉出旋转盘2的插板201穿过薄嵌片3的圆孔置于所述框体1内，将制好的节理插片4的一端与一个可拉出旋转盘2的插板201固定连接，所述节理插片4另一端与另一个可拉出旋转盘2的插板201活动连接，所述节理插片4与可拉出旋转盘2的插板201固定连接的一端的宽度不小于另一端的宽度，得到模具，确保不漏浆后，在所述模具内壁及节理插片4上涂油；
D.制备水泥砂浆，在所述模具内灌注所述水泥砂浆，同时不断振捣使水泥砂浆密实，旋转可拉出旋转盘2，使节理插片4转至预定角度，将水泥砂浆充满整个模具；
E.在水泥砂浆能够维持自身形状不坍塌，且与节理插片4未充分粘结时，拔出节理插片4，继续养护；
F.养护至水泥砂浆固化成型，形成初具形状的试样部件后脱模；
G.切割打磨后，得到满足实验要求的一组特定角度、贯通率和裂隙形状的类岩石试样。
H.重复步骤C到步骤G，得到满足实验要求的多组特定角度、贯通率和裂隙形状的类岩石试样。
利用所述模具制成的初样既可以一次制成6个直径50mm高度100mm的标准圆柱形试样，进行单轴压缩、三轴压缩试验、劈裂试验等；也可以一次性制成多个立方体试样(边长50mm或70mm)进行抗压强度、抗拉强度(劈裂法)、抗剪强度指标测定，灵活多变，进一步提高了效率。
本发明模具可拆卸和更换零件，节理插片4具有不同的形状，且不限于列举的实施例，还可将节理插片4制作成呈任意角度交叉相连的两个插片，一个插片为矩形插片，另一个插片的长度小于所述矩形插片且其一端到另一端的宽度递减，还可有其它多种变形，可制作不同贯通率、不同倾角、不同裂隙形状的类岩石材料试样。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种含复杂节理的类岩石试样模具，其特征在于，包括框体(1)、可拉出旋转盘(2)、薄嵌片(3)和节理插片(4)；所述框体(1)包括底板和垂直固定于所述底板两条长边上的两块侧板，所述薄嵌片(3)为两个，所述薄嵌片(3)垂直于所述底板的两条短边与所述侧板连接，所述薄嵌片(3)与所述框体(1)形成长方体的五个面；所述薄嵌片(3)上设有圆孔，所述可拉出旋转盘(2)为两个，所述可拉出旋转盘(2)包括旋转体、把手和插板(201)，所述旋转体的直径与所述圆孔的直径相同，所述旋转体的一端连接有把手，所述旋转体的另一端连接有插板(201)，所述插板(201)穿过所述圆孔位于所述框体内，所述节理插片(4)与所述插板(201)连接；所述节理插片(4)具有不同的形状。
2.根据权利要求1所述的一种含复杂节理的类岩石试样模具，其特征在于，所述节理插片(4)一端到另一端的宽度递减。
3.根据权利要求1所述的一种含复杂节理的类岩石试样模具，其特征在于，所述节理插片(4)为交叉相连的两个矩形插片。
4.根据权利要求1所述的一种含复杂节理的类岩石试样模具，其特征在于，所述节理插片(4)为交叉相连的两个插片，一个插片为矩形插片，另一个插片的一端到另一端的宽度递减。
5.根据权利要求1所述的一种含复杂节理的类岩石试样模具，其特征在于：所述插板(201)上设有第二插销孔(202)，所述节理插片(4)上设有第四插销孔(401)，所述第二插销孔(202)和第四插销孔(401)通过螺栓连接以完成所述可拉出旋转盘(2)与节理插片(4)的固定连接；所述侧板上设有第一插销孔(101)，所述薄嵌片(3)上设有第三插销孔(301)，所述第一插销孔(101)和第三插销孔(301)通过螺栓连接以完成所述框体(1)与薄嵌片(3)的连接。
6.根据权利要求1所述的一种含复杂节理的类岩石试样模具，其特征在于：所述框体(1)的底板和侧板的厚度为5mm，所述底板和侧板的长度为460mm，所述底板的宽度为70mm，所述侧板的高度为110mm；所述薄嵌片(3)的长度为100mm，宽度为60mm，厚度为5mm，所述圆孔的直径为50mm；所述可拉出旋转盘(2)的旋转体的直径为50mm；所述节理插片(4)的长度为460mm。
7.根据权利要求1所述的一种含复杂节理的类岩石试样模具，其特征在于：所述节理插片(4)为钢制材料。
8.根据权利要求1所述的一种含复杂节理的类岩石试样模具，其特征在于：所述节理插片(4)为石膏材料。
9.一种含复杂节理的类岩石试样制备方法，其特征在于，通过权利要求1～8任一项所述的类岩石试样模具制备类岩石试样，制备方法包括以下步骤：
A.确定不同角度下达到不同贯通率所需节理插片(4)的宽度和形状并制作数据表；
B.参照所述数据表制作相应的节理插片并编号；
C.将薄嵌片(3)与框体(1)固定连接，将可拉出旋转盘(2)的插板(201)穿过薄嵌片(3)的圆孔置于所述框体内，将制好的节理插片(4)的一端与一个可拉出旋转盘(2)的插板(201)固定连接，所述节理插片(4)的另一端与另一个可拉出旋转盘(2)的插板(201)活动连接，所述节理插片(4)与可拉出旋转盘(2)的插板(201)固定连接的一端的宽度不小于另一端的宽度，得到模具，确保不漏浆后，在所述模具内壁及节理插片(4)上涂油；
D.制备水泥砂浆，在所述模具内灌注所述水泥砂浆，同时不断振捣使水泥砂浆密实，旋转可拉出旋转盘(2)，使节理插片(4)转至预定角度，将水泥砂浆充满整个模具；
E.在水泥砂浆能够维持自身形状不坍塌，且与节理插片(4)未充分粘结时，拔出节理插片(4)，继续养护；
F.养护至水泥砂浆固化成型，形成初具形状的试样部件后脱模；
G.切割打磨后，得到满足实验要求的一组特定角度、贯通率和裂隙形状的标准试样。
10.根据权利要求9所述的一种含复杂节理的类岩石试样制备方法，其特征在于，重复步骤C到步骤G，得到满足实验要求的多组特定角度、贯通率和裂隙形状的标准试样。
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