CN109085034B - 一种标准岩石试件预制裂隙制作装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种标准岩石试件预制裂隙制作装置及方法，该装置主要由切割系统、驱动系统和台面系统组成，标准岩石试件安装在台面系统的试件切割器内，试件切割器由裂隙定位半开钢制模具和切割角度调整器组成，切割系统用于岩石试件的裂隙切割，驱动系统为切割系统提供驱动力，切割系统和驱动系统安装在台面系统上。本发明能够实现标准岩石试件表面倾斜裂隙和贯穿裂隙的制备，可以调节裂隙的几何尺寸和切割速度，结构简便，制作工艺简易，机械化程度高，制备裂隙精确，该发明可广泛应用于水电、交通、能源和矿山工程领域的节理裂隙岩石力学试验。

Description

一种标准岩石试件预制裂隙制作装置及方法

技术领域

本发明涉及一种岩石试件裂隙制作装置及方法，尤其是一种用于力学试验中标准岩石试件预制裂隙的制作装置及方法。

背景技术

随着社会的快速发展和人们需求的不断增加，能源、交通、水利、国防等各个领域的地下工程建设不断走向深部，而深部岩体结构复杂，由于其生成条件及其形成后亿万年地质构造及大气风化等作用，在岩石内部形成裂纹、裂隙、节理及层理等众多类型的缺陷，他们直接影响岩石的物理力学特性，给地下工程的稳定性控制带来了很大的难度和不确定性。掌握裂隙岩体力学性能的变化规律，对地下工程稳定性控制具有很重要的指导意义，现在对于裂隙岩体的研究越来越成为重点和难点。传统的理论方法和数值模拟方法受到极大地限制，无法真实形象的表现出裂隙岩体的力学特性和破坏机制，而室内力学试验通过制备标准试件进行力学试验，可以客观真实的反应岩体的力学特性。

开展裂隙岩体室内力学试验的难点在于制备预制裂隙标准岩石试件，受到标准岩石试件尺寸和岩性的影响，使得预制裂隙制备时发生岩石破损和无法控制的微裂隙，如何在标准试件上精确制备预制裂隙成为研究裂隙岩体物理力学特性的关键，目前国内外有关标准岩石试件预制裂隙制备装置及方法现状如下：

《岩石力学与工程学报》2017年第9期介绍了一种在砂岩中制备双裂隙的方法，但是该方法不能用于标准试件中裂隙的制备且无法制备贯穿裂隙。

《岩土工程学报》2014年第12期介绍了一种单裂隙标准试件制作方法，采用水、石膏和水泥的混合物制备试件，通过将不锈钢片插入未凝固的材料混合物中形成张开裂隙，但是该方法不能制备原岩标准裂隙试件，不能获取原岩真实的力学参数。

《岩石力学与工程学报》2008年第6期介绍了一种三维裂隙组制作方法，在模具内固定云母片作为预制裂隙，通过浇筑新型非饱和聚酯树脂材料制作试件，但是试件不是原岩，与实际岩体存在较大差异，无法获取真实的力学参数。

《岩石力学与工程学报》2007年第3期介绍了一种辉长岩中张开型表面裂隙制作方法，用直径为20mm的圆形切割刀具在试样表面切割出张开型表面裂隙，但是裂隙几何尺寸受到限制且无法切割贯穿裂隙。

申请号为201510814787.X的发明专利介绍了一种制作三维节理裂隙圆柱型岩石试样的方法，采用高压水刀在长方体状规则岩块上切割节理裂隙，但该方法无法对圆柱形标准岩石试件进行任意形状裂隙的制备。

申请号为201720749290.9的发明专利介绍了一种标准岩石试件表面裂隙制作装置，该装置无法实现贯穿裂隙制作，且对于裂隙的尺寸有着极大限制。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种用于力学试验中圆柱形标准岩石试件预制裂隙的制作装置及方法，既可以在标准岩石试件中精确制备表面倾斜裂隙，也可以精确制备贯穿裂隙，且裂隙的几何尺寸可以自由设置，使得据此获取的裂隙岩体力学参数精确可靠。

本发明采用如下技术实现：

一种标准岩石试件预制裂隙制作装置，该装置主要由切割系统、驱动系统和台面系统组成，所述的切割系统用于岩石试件的裂隙切割，驱动系统为切割系统提供驱动力，切割系统和驱动系统安装在台面系统上。

所述的切割系统由钢丝切割线、钢制矩形曲柄、轴承连接杆和轴承支撑基座组成；所述的钢丝切割线固定于钢制矩形曲柄上，随着钢制矩形曲柄上下运动，所述的钢制矩形曲柄通过轴承连接杆和轴承支撑基座安装在台面系统上。

所述的钢制矩形曲柄包括两个上、下水平设置的水平臂和一个竖直臂；所述的竖直臂与两个水平臂的一端相连且相互垂直。所述的两个水平臂的另一端连接固定钢丝切割线；所述的竖直臂的中间位置水平设置所述的轴承连接杆，轴承连接杆的两端通过轴承支座安装在台面系统上；所述的竖直臂可相对于轴承连接杆旋转。

所述的驱动系统由伺服电机、驱动连杆、驱动圆盘和开关控制器组成，伺服电机驱动端安装驱动圆盘，通过驱动连杆将钢制矩形曲柄与驱动圆盘偏心连接，伺服电机为驱动圆盘提供动力，开关控制器控制驱动圆盘的转速。

所述的台面系统由导轨、齿轮滑轨、齿轮连杆、连杆支座、旋转手柄、试件切割器和工作台组成；所述的导轨固定于工作台上，上面配套安装齿轮滑轨，所述的齿轮连杆上安装有齿轮，所述的齿轮与所述的齿轮滑轨配合；齿轮连杆的两端安装在所述的连杆支座上，所述的齿轮连杆的一端安装旋转手柄，所述旋转手柄驱动齿轮连杆带动齿轮旋转，所述的齿轮驱动齿轮滑轨在导轨上移动，带动试件切割器靠近钢丝切割线进行裂隙切割，试件切割器固定于齿轮滑轨的前端。

所述的试件切割器由裂隙定位半开钢制模具和切割角度调整器组成，所述的裂隙定位半开钢制模具用于放置待切割的岩石试件；所述的切割角度调整器用于调整裂隙定位半开钢制模具的角度，裂隙定位半开钢制模具通过切割角度调整器安装在所述的台面系统上。

所述的裂隙定位半开钢制模具包括上堵头、下堵头、金属箍环、半开钢制模具、安装杆和裂隙定位槽，所述的金属箍环用于箍紧半开钢制模具，在所述的半开钢制模具的两端安装上堵头和下堵头，所述的裂隙定位槽根据待切割的裂隙尺寸在半开钢制模具的侧壁上切割而成，主要用于控制试件裂隙的切割范围；所述的安装杆设置在半开钢制模具的侧壁上，用于与切割角度调整器的连接。

所述的切割角度调整器由连接板、固定孔、安装板和连接孔组成；所述的连接板固定在齿轮滑轨上，所述安装板与所述连接板的中心位置铰接在一起，安装板相对于连接板可以旋转一定的角度，在所述的安装板上设有用于固定裂隙定位半开钢制模具的固定孔。

本发明提供的一种利用本发明的装置进行标准岩石试件预制裂隙的制备方法是：

(一)岩石试件表面倾斜裂隙制作方法

(1)安装岩石试件。将岩石试件安装在试件切割器内部，调节试件切割器的连接板与安装板之间的夹角，设定合适的切割角度。

(2)安装钢丝切割线。根据所需裂隙开度，选取直径小于裂隙开度1mm的钢丝切割线，绷直拉紧固定于钢制矩形曲柄的上下两臂中间。

(3)切割岩石裂隙。打开开关控制器，调节伺服电机合适的转速，驱动切割系统工作，通过摇动旋转手柄带动滑轨前进，从而完成裂隙切割。

(4)在切割的裂隙内填充石膏材料以模拟实际裂隙的填充状况。

(二)岩石试件贯穿裂隙制作方法

(1)裂隙中心开孔。预先采用金刚钻在岩石试件所需制备的裂隙中间位置钻取贯穿孔，直径与预制裂隙的开度相等。

(2)安装岩石试件。将岩石试件安装于试件切割器内部，调节试件切割器的连接板与安装板的夹角，设定合适的切割角度。

(3)安装钢丝切割线。根据所需裂隙开度，选取直径小于裂隙开度1mm的钢丝切割线，并穿过裂隙中心孔，绷直拉紧固定于钢制矩形曲柄的上下两臂中间。

(4)切割岩石裂隙。打开开关控制器，调节伺服电机合适的转速，驱动切割系统工作，通过摇动旋转手柄带动滑轨前进，从而完成裂隙切割。

(5)在切割的裂隙内填充石膏材料以模拟实际裂隙的填充状况。

本发明的有益效果如下：

1、实现标准岩石试件表面倾斜裂隙和贯穿裂隙的制备。通过不同的裂隙定位槽和切割方法，实现了标准岩石试件预制裂隙的制备。

2、实现不同几何尺寸的裂隙制备。通过调节裂隙定位槽的几何尺寸和试件切割器连接板与安装板之间的夹角实现不同几何尺寸的裂隙制备。

3、有效调节切割速度。根据不同的岩石岩性和裂隙参数设置合适的切割速度，能节省切割时间以及提高钢丝切割线使用寿命。

4、实现机械化操作，做到均匀切割，避免出现裂隙两端宽中间窄的误差；

5、标准岩石试件固定在工作台上，可以保证切割裂隙时岩石试件的稳定，避免切割不稳定造成裂隙制作出现误差。

6、本发明结构简便，制作工艺简易，操作方便，易于拆卸和组装，且大大减少了裂隙制作时间，提高了工作效率，可广泛应用于水电、交通、能源和矿山工程领域的节理裂隙岩石力学试验。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明整体结构示意图；

图2(a)是本发明的裂隙定位半开钢制模具的示意图；

图2(b)是本发明的切割角度调整器的示意图；

图3(a)、图3(b)、图3(c)、图3(d)是本发明钢制矩形曲柄的驱动原理示意图；

图4、图5是本发明制备的裂隙示意图；

其中，1.钢丝切割线、2.钢制矩形曲柄、3.轴承连接杆、4.轴承支撑基座、5导轨、6.齿轮滑轨、7.齿轮连杆、8.连杆支座、9.旋转手柄、10.试件切割器、11.伺服电机、12.驱动连杆、13开关控制器、14.驱动圆盘、15.上堵头、16.金属箍环、17.半开钢制模具、18.下堵头、19.安装杆、20.裂隙定位槽、21.连接板、22.连接孔、23安装板、24固定孔、25.岩石试件、26.切割的裂隙、27.工作台。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在各种不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种标准岩石试件预制裂隙制作装置及方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种标准岩石试件预制裂隙制作装置，该装置主要由切割系统、驱动系统和台面系统组成，切割系统用于岩石试件的裂隙切割，驱动系统为切割系统提供驱动力，切割系统和驱动系统安装在台面系统上。

所述的切割系统由钢丝切割线1、钢制矩形曲柄2、轴承连接杆3和轴承支撑基座4组成。钢丝切割线1固定于钢制矩形曲柄2的上下两臂中间，钢制矩形曲柄2通过轴承连接杆3和轴承支撑基座4安装在台面系统上。

钢制矩形曲柄2包括两个上、下水平设置的水平臂和一个竖直臂；所述的竖直臂与两个水平臂的一端相连且相互垂直。所述的两个水平臂的另一端连接固定钢丝切割线。具体的安装方式是，在工作台27上开设有一个安装孔，所述的竖直臂穿过该安装孔，上水平臂位于工作台的上方，下水平臂安装在工作台的下方，钢丝切割线1也穿过工作台；所述的竖直臂的中间位置水平设置所述的轴承连接杆3，轴承连接杆3的两端通过轴承支座4安装在台面系统上；轴承支座4设置在安装孔的两端，所述的竖直臂可相对于轴承连接杆旋转。

所述的驱动系统由伺服电机11、驱动连杆12、驱动圆盘14和开关控制器13组成，伺服电机11的驱动轴上安装驱动圆盘14，驱动圆盘14通过驱动连杆12将钢制矩形曲柄2与驱动圆盘14偏心连接，具体的，驱动连杆12连接钢制矩形曲柄2的下水平臂的端部(该端为连接钢丝切割线1的一端)，伺服电机11为驱动圆盘14提供动力，开关控制器13控制驱动圆盘14的转速。

具体的，钢制矩形曲柄的驱动原理示意图如图3(a)、图3(b)、图3(c)、图3(d)。

所述的台面系统由导轨5、齿轮滑轨6、齿轮连杆7、连杆支座8、旋转手柄9、试件切割器10和工作台27组成。所述的导轨5水平固定于工作台27上，上面配套安装齿轮滑轨6，齿轮连杆7上的齿轮与所述的齿轮滑轨6配合；齿轮连杆7的两端安装在连杆支座8上，一端安装旋转手柄9，通过旋转手柄9带动齿轮连杆7旋转，进而带动齿轮旋转，从而驱动齿轮滑轨6在导轨5上移动，带动试件切割器10靠近钢丝切割线1进行裂隙切割，试件切割器10固定于齿轮滑轨6的前端。

如图2(a)、图2(b)所述的试件切割器10由裂隙定位半开钢制模具和切割角度调整器组成，裂隙定位半开钢制模具用于放置待切割的岩石试件25，所述的切割角度调整器用于调整裂隙定位半开钢制模具的角度，裂隙定位半开钢制模具通过切割角度调整器安装在所述的台面系统上。

如图2(a)所示，裂隙定位半开钢制模具，由上堵头15、下堵头18、金属箍环16、半开钢制模具17、安装杆19和裂隙定位槽20组成，金属箍环16用于箍紧半开钢制模具17，在所述的半开钢制模具的两端安装上堵头15和下堵头18；裂隙定位槽20根据待切割的裂隙尺寸在半开钢制模具17的侧壁上切割而成，主要用于控制岩石试件25裂隙的切割范围；所述的安装杆19设置在半开钢制模具17的侧壁上，用于与切割角度调整器的连接。

所述的半开钢制模具17为一个沿直径切割而成的半圆筒结构，具体的安装方法是：首先，将岩石试件放置在半开钢制模具17内，在两头安装上堵头15和下堵头18，然后再箍紧金属箍环16。

所述的切割角度调整器由连接板21、固定孔24、安装板23和连接孔22组成；所述的连接板21固定在齿轮滑轨6上，所述的安装板23与所述的连接板21的中心位置铰接在一起，安装板23相对于连接板21可以旋转一定的角度，在所述的安装板23上设有用于固定裂隙定位半开钢制模具的固定孔24，安装杆19插装在该固定孔24内，进而将裂隙定位半开钢制模具安装在切割角度调整器上；通过调整安装板23与所述连接板21的夹角，实现裂隙定位半开钢制模具安装角度的调整。

本发明提供的一种利用本发明的装置进行标准岩石试件预制裂隙的制备方法是：

(一)岩石试件表面倾斜裂隙制作方法，即制得图4所示的岩石试件裂隙的方法

(1)安装岩石试件25。将岩石试件25安装在试件切割器10内部(将岩石试件放置在半开钢制模具17内，然后在两头安装上堵头15、下堵头18，然后再箍紧金属箍环16)。调节试件切割器10的连接板21与安装板23之间的夹角，设定合适的切割角度。

(2)安装钢丝切割线1。根据所需裂隙开度，选取直径小于裂隙开度1mm的钢丝切割线1，绷直拉紧固定于钢制矩形曲柄2的上下两臂中间。

(3)切割岩石裂隙。打开开关控制器13，调节伺服电机11合适的转速，驱动切割系统工作，通过摇动旋转手柄9带动齿轮滑轨6前进，从而完成裂隙切割。

(4)在切割的裂隙26内填充石膏材料以模拟实际裂隙的填充状况。

(二)岩石试件贯穿裂隙制作方法，即制得图5所示的岩石试件裂隙的方法；

(1)裂隙中心开孔。预先采用金刚钻在岩石试件所需制备的裂隙中间位置钻取贯穿孔，直径与预制裂隙的开度相等。

(2)安装岩石试件25。将岩石试件25安装于试件切割器10内部，调节试件切割器10的连接板21与安装板23的夹角，设定合适的切割角度。

(3)安装钢丝切割线1。根据所需裂隙开度，选取直径小于裂隙开度1mm的钢丝切割线1，并穿过裂隙中心孔，绷直拉紧固定于钢制矩形曲柄2的上下两臂中间。

(4)切割岩石裂隙。打开开关控制器13，调节伺服电机11合适的转速，驱动切割系统工作，通过摇动旋转手柄9带动齿轮滑轨6前进，从而完成裂隙切割。

(5)在切割的裂隙26内填充石膏材料以模拟实际裂隙的填充状况。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种标准岩石试件预制裂隙制作装置，其特征在于，主要由切割系统、驱动系统和台面系统组成，所述的切割系统用于岩石试件的裂隙切割，驱动系统为切割系统提供驱动力，切割系统和驱动系统安装在台面系统上；所述的台面系统由导轨、齿轮滑轨、齿轮连杆、连杆支座、旋转手柄、试件切割器和工作台组成；齿轮连杆的两端安装在连杆支座上，齿轮连杆的一端安装旋转手柄；所述的导轨固定于工作台上，上面配套安装齿轮滑轨，所述的齿轮连杆上安装有齿轮且与所述的齿轮滑轨配合；试件切割器由裂隙定位半开钢制模具和切割角度调整器组成，裂隙定位半开钢制模具设有安装杆和裂隙定位槽，切割角度调整器包括连接板和安装板；连接板固定在齿轮滑轨上，安装板与连接板的中心铰接，在安装板上设有固定孔，安装杆插装在该固定孔内；裂隙定位半开钢制模具，由上堵头、下堵头、金属箍环、半开钢制模具、安装杆和裂隙定位槽组成，金属箍环用于箍紧半开钢制模具，在半开钢制模具的两端安装上堵头和下堵头；裂隙定位槽根据待切割的裂隙尺寸在半开钢制模具的侧壁上切割而成；安装杆设置在半开钢制模具的侧壁上；切割角度调整器由连接板、固定孔、安装板和连接孔组成；连接板固定在齿轮滑轨上，安装板与连接板的中心位置铰接在一起，安装板相对于连接板可以旋转一定的角度，在安装板上设有用于固定裂隙定位半开钢制模具的固定孔，安装杆插装在该固定孔内，进而将裂隙定位半开钢制模具安装在切割角度调整器上。

2.如权利要求1所述的标准岩石试件预制裂隙制作装置，其特征在于，所述的切割系统由钢丝切割线、钢制矩形曲柄、轴承连接杆和轴承支撑基座组成；所述的钢丝切割线固定于钢制矩形曲柄上，随着钢制矩形曲柄上下运动，所述钢制矩形曲柄通过轴承连接杆和轴承支撑基座安装在台面系统上。

3.如权利要求2所述的标准岩石试件预制裂隙制作装置，其特征在于，所述的驱动系统由伺服电机、驱动连杆、驱动圆盘和开关控制器组成，伺服电机驱动端安装驱动圆盘，通过驱动连杆将钢制矩形曲柄与驱动圆盘偏心连接，伺服电机为驱动圆盘提供动力，开关控制器控制驱动圆盘的转速。

4.如权利要求1所述的标准岩石试件预制裂隙制作装置，其特征在于，齿轮连杆的两端安装在所述的连杆支座上，一端安装旋转手柄，所述旋转手柄驱动齿轮连杆旋转进而驱动齿轮滑轨在导轨上移动，带动试件切割器靠近钢丝切割线进行裂隙切割，试件切割器固定于齿轮滑轨的前端。

5.如权利要求4所述的标准岩石试件预制裂隙制作装置，其特征在于，所述的裂隙定位半开钢制模具用于放置待切割的岩石试件；所述的裂隙定位槽主要用于控制试件裂隙的切割范围；所述的切割角度调整器用于调整裂隙定位半开钢制模具的角度，裂隙定位半开钢制模具通过切割角度调整器安装在所述的台面系统上。

6.一种利用权利要求1-5任一所述的标准岩石试件预制裂隙制作装置进行标准岩石试件裂隙制作方法，其特征在于，

(一)岩石试件表面倾斜裂隙制作方法如下：

(1)安装岩石试件；将岩石试件安装在试件切割器内部，调节试件切割器的连接板与安装板之间的夹角，设定合适的切割角度；

(2)安装钢丝切割线；根据所需裂隙开度，选取直径小于裂隙开度1mm的钢丝切割线，绷直拉紧固定于钢制矩形曲柄的上下两臂中间；

(3)切割岩石裂隙；打开开关控制器，调节伺服电机合适的转速，驱动切割系统工作，通过摇动旋转手柄带动滑轨前进，从而完成裂隙切割；

(4)在切割的裂隙内填充石膏材料以模拟实际裂隙的填充状况；

或(二)岩石试件贯穿裂隙制作方法如下：

(1)裂隙中心开孔；预先采用金刚钻在岩石试件所需制备的裂隙中间位置钻取贯穿孔，直径与预制裂隙的开度相等；

(2)安装岩石试件；将岩石试件安装于试件切割器内部，调节试件切割器的连接板与安装板的夹角，设定合适的切割角度；

(3)安装钢丝切割线；根据所需裂隙开度，选取直径小于裂隙开度1mm的钢丝切割线，并穿过裂隙中心孔，绷直拉紧固定于钢制矩形曲柄的上下两臂中间；

(4)切割岩石裂隙；打开开关控制器，调节伺服电机合适的转速，驱动切割系统工作，通过摇动旋转手柄带动滑轨前进，从而完成裂隙切割；

(5)在切割的裂隙内填充石膏材料以模拟实际裂隙的填充状况。

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