CN109100192B - 一种模拟多结构面三维形态的岩体制作装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟多结构面三维形态的岩体制作装置及方法，属工程技术领域。包括底盘，岩体模具架和结构面模具架，结构面模具架插接在岩体模具架中间，岩体模具架、结构面模具架与底盘滑动连接，本发明岩体制作方法具有制作周期短，效率高的特点，并且制成的岩体质量良好不易出现密度不均和内部缺陷等优点。并且发明装置功能强大，成本低廉，易于维护和操作简便等诸多实用性特点，十分便于实际使用。

Description

一种模拟多结构面三维形态的岩体制作装置及方法

技术领域

本发明属工程技术领域，涉及一种含结构面岩体制作装置及方法，特别涉及一种可模拟结构面三维形态并能模拟含多条裂隙的工程岩体的制作。

背景技术

随着我国经济的快速增长和蓬勃发展，各项工程项目的不断增多，对工程地质环境日益增强的重视，要求我们对岩体的性质有更深入的了解。岩体结构面是岩体形成和地质作用的漫长历史过程中，在岩体内形成和不断发育地质界面。随着工程实践的日益发展和人们对岩体地质环境的逐渐重视，工程师们越来越认识到岩体结构面的形状大小等几何性质对工程岩体的稳定，渗流等性质起着控制性的作用。而随着对岩体结构面科学探索和深入研究的不断加大，人们对含裂隙岩体试样的获取也逐渐从原岩体切割搬运发展到了岩体模拟制作的阶段。

现在，人们能够通一些方法过在实验室中制作出含结构面的岩体试样。例如，专利号为2009101547819的专利提出了一种岩体结构面制作方法。选取处理原岩体结构面，再将模具放在结构面上铺隔离膜，倒入浇筑材料，整体翻转后取出隔离膜，重复上步。虽然利用这种方法能够制成含结构面的岩体，但该方法存在一定的局限性并且制作周期较长。它首先要对原岩体进行搬运和处理，在实际工作中需要费时费力准备工作，其次。该方法一次只能制作一个结构面的上盘或下盘，不能够同时制作，也不能满足多条结构面的制作。最后，该方法在完成结构面的上或下盘制作后都需要养护时间，增加了制作的周期。

另外，在制作岩体模具装置上还存在诸多问题。例如，国家知识产权局于2015年3月25日,公开了一个公开号为CN204228484U,名称为“一种制作模拟锯齿状表面形态结构面的模具”的专利。通过该装置能够模拟制作含不同角度的锯齿状结构面岩体，但它在制作结构面时未能考虑其他形状的复杂的结构面，提供的结构面模拟板面也只是固定的几种样式，不能达到更高的精确度和更广泛的要求。又如2010年9月1日公布的公开号为CN201569594U，名称为“结构面模型模具”的专利。利用该装置能够制作原岩形状结构面的岩体，也能够调节模拟尺寸。但是它需要获取和搬运原岩，在工作过程中有易受限于实际条件，另外这种装置在使用过程中的步骤较多，工序复杂效率较低，且容易出现人为误差，它也不能同时制作含多条裂隙的工程岩体。

目前的含结构面岩体制作装置在模拟岩体结构面的精度和效率上还存在着较大的问题。一些装置仅能在二维层面上将结构面近似模拟成一条不规则的曲线来代替结构面真实的形状，一些装置在制作工序上较为繁琐，效果不够理想，且制作的周期较长耗费时力。

总之，以往的含结构面岩体模拟制作装置难以满足高效快速，高质量高精度的工程岩体模拟。目前还未有能够满足可多次重复使用，一次性制作含多条高精度结构面的装置。

发明内容

本发明提供一种模拟多结构面三维形态的岩体制作装置及方法，以解决目前存在的制作工序较为繁琐、效果不够理想、制作的周期较长、耗费时力、不能重复使用的问题。

本发明采取的技术方案是：一种模拟多结构面三维形态的岩体制作装置，包括底盘，岩体模具架和结构面模具架，结构面模具架插接在岩体模具架中间，岩体模具架、结构面模具架与底盘滑动连接；

所述底盘包括基底，固定螺丝和模具架轨道，其中模具架轨道通过固定螺丝与基底固定连接；

所述岩体模具架包括薄凹字形板一、一个后部封闭的薄凹字形板和一个前部封闭的薄凹字形板，其中：

所述的薄凹字形板一的前侧有凸起一，后侧有凹槽一，用于相互之间的拼装组合，所述薄凹字形板一的底部有滚轮一；

所述的后部封闭的薄凹字形板的后部是封闭板一，前侧有凸起二，底部有滚轮二，所述凸起二与凹槽一插接；

所述的前部封闭的薄凹字形板的前部是封闭板二，后侧有凹槽二，底部有滚轮三，所述凹槽二与凸起一插接；

所述滚轮一、滚轮二和滚轮三分别与模具架轨道滑动连接；

所述结构面模具架包括薄凹字形板二、调节装置，其中：

在薄凹字形板二的左内侧和底部内侧分别有凸起三，在其右内侧有凹槽三，底部装有滚轮四，薄凹字形板二的前侧有凸起四、后侧有凹槽四，所述凸起四与薄凹字形板一的凹槽一插接，凹槽四与薄凹字形板一的凸起一插接；

所述调节装置包括：调节块体、螺纹钢管、正方形基体、凸起五、刻度和凹槽五，其中：正方形基体通过中心的螺纹孔与螺纹钢管中部螺纹连接，两个调节块体分别与螺纹钢管两端螺纹连接，在螺纹钢管上有刻度，所述正方形基体的右侧和底部有凹槽五，左侧和顶部有凸起五，所述调节装置的凹槽五与凸起五相互插接，互相拼接，组成一个面状的板，最右侧的调节装置各正方形基体的凹槽五与薄凹字形板二的左内侧的凸起三插接，最左侧的正方形基体的凸起五与薄凹字形板二的右内侧的凹槽三插接，最下层的正方形基体的凹槽五与薄凹字形板二底部内侧的凸起三插接，组成结构面模具架。

所述的底盘，岩体模具架和结构面模具架的材质均为铁质。

所述的凸起一、凸起二、凸起三、凸起四、凸起五有磁性。

一种模拟多结构面三维形态的岩体制作方法，包括下列步骤：

(1)根据工程或试验需要，组装岩体制作装置的结构面模具架，将调节装置相互嵌入组合成板，固定在结构面模具架的边框上；

(2)调节出要模拟的结构面形态，通过旋转的方式来前后移动调节装置，通过调节装置的前后位置变化来组成所要模拟岩体结构面的三维形态；

(3)在装置的岩体和结构面模具架内表面上涂脱模剂，为了方面后续的拆模，在调节好的结构面模具架包括调节装置的正方形表面和岩体模具架的内侧表面涂上一层脱模剂；

(4)根据实际结构面在岩体中的位置，确定结构面模具架和岩体模具架在轨道上的位置关系，由于这两种模具架都可以在轨道上进行移动，那么便可改变它们的相对位置以到达模拟不同岩体中的结构面位置不同的情况，这种组合的方式使本装置可模拟不同的工程岩体。

(5)浇筑岩体材料，将相应的模拟岩体材料浇筑在组合好的岩体模具箱腔内；

(6)放到振动台上震实，将组装好的岩体制作装置整体放在振动台上震实，震动结束后抹平浇筑材料的表平面；

(7)拆开模具，待浇筑的岩体制作材料达到养护强度拆除模具；

(8)养护试样，将制成的岩体试样放在养护室内常规养护；

(9)将试样组合成岩体，养护完成后，按照结构面的上下盘顺序，将制成的岩体上下盘试样相互吻合成整个岩体。

本发明有益的效果：

(1)本发明的方法可以制作含多条结构面的工程岩体。相较于现有方法每次只能制作单一结构面且耗时耗力的缺陷，本发明能一次性制作含多条结构面的岩体，极大的节约了制作岩体的工序和周期。并能根据需要调整结构面在模拟岩体中的位置，使本发明方法能够适应于不同岩体中结构面位置不同的情况，所以装置的实用性更强。

(2)本发明装置模拟岩体结构面的三维形态。制作装置的每一个调节装置通过旋转长方块体调节相对基体的位置，并通过调节装置的嵌入相互组合成板面来模拟结构面的三维形态。相对于现有装置仅能模拟固定类型的结构面形态，本发明提供一种可调节、可变换、可定制的结构面三维形态模拟装置，极大的改善了现有装置的死板与不足。

(3)本发明装置提供的各部分零件种类单一。通过大量试验装置在实际使用过程中的表现来看，零部件的缺失和损毁是造成试验维修成本增多和装置故障率增高的最主要原因之一。所以本发明更倾向于提供类型更单一的零部件，以达到实际使用的方便和后续维护的经济。

(4)本发明装置的结构面模拟装置可方便快捷的计算结构面表面分形维数。整个数据的记录，导出和调整都可借助计算机工具方便地实现。以每个调节装置俯视正方形为观测尺度，调节装置的个数即为包含整个结构面所需的立方体数。以调节装置俯视正方形边长不同整数倍为观测尺度，按分形理论中尺度与立方体总数的关系即可求出结构面表面分形维数。

本发明岩体制作方法具有制作周期短，效率高的特点，并且制成的岩体质量良好不易出现密度不均和内部缺陷等优点。并且发明装置功能强大，成本低廉，易于维护和操作简便等诸多实用性特点，十分便于实际使用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明底盘俯视图；

图3(a)是本发明后部封闭的薄凹字形板的正视图；

图3(b)是本发明后部封闭的薄凹字形板的右视图；

图4(a)是本发明前部封闭的薄凹字形板的正视图；

图4(b)是本发明前部封闭的薄凹字形板的左视图；

图5(a)是本发明薄凹字形板一的正视图；

图5(b)是本发明薄凹字形板一的右视图；

图6(a)是本发明薄凹字形板二的正视图；

图6(b)是本发明薄凹字形板二的右视图；

图7(a)是本发明调节装置的结构示意图；

图7(b)是本发明正方形基体的结构示意图；

图8是发明调节装置间组装的仰视图；

图9是本发明结构面模具架的后视图。

具体实施方式

一种模拟多结构面三维形态的岩体制作装置，包括底盘1，岩体模具架2和结构面模具架3，结构面模具架3插接在岩体模具架2中间，岩体模具架2、结构面模具架3与底盘1滑动连接；

所述底盘1包括基底101，固定螺丝102和模具架轨道103，其中模具架轨道103通过固定螺丝102与基底101固定连接；

所述岩体模具架2包括薄凹字形板一201、一个后部封闭的薄凹字形板202和一个前部封闭的薄凹字形板203，其中：

所述的薄凹字形板一201的前侧有凸起一20101，后侧有凹槽一20102，用于相互之间的拼装组合，所述薄凹字形板一201的底部有滚轮一20103；

所述的后部封闭的薄凹字形板202的后部是封闭板一20203，前侧有凸起二20201，底部有滚轮二20202，所述凸起二20201与凹槽一20102插接；

所述的前部封闭的薄凹字形板203的前部是封闭板二20303，后侧有凹槽二20301，底部有滚轮三20302，所述凹槽二20301与凸起一20101插接；

所述滚轮一20103、滚轮二20202和滚轮三20302分别与模具架轨道103滑动连接；

所述结构面模具架3包括薄凹字形板二301、调节装置302，其中：

在薄凹字形板二301的左内侧和底部内侧分别有凸起三30104，在其右内侧有凹槽三30105，底部装有滚轮四30103，薄凹字形板二301的前侧有凸起四30101、后侧有凹槽四30102，所述凸起四30101与薄凹字形板一201的凹槽一20102插接，凹槽四30102与薄凹字形板一201的凸起一20101插接；

所述调节装置302包括：调节块体30201、螺纹钢管30202、正方形基体30203、凸起五30204、刻度30205和凹槽五30206，其中：正方形基体30203通过中心的螺纹孔与螺纹钢管30202中部螺纹连接，两个调节块体30201分别与螺纹钢管30202两端螺纹连接，在螺纹钢管30202上有刻度30205，用于在调节时记录调节块体30201伸出或缩入的长度，所述正方形基体30203的右侧和底部有凹槽五30206，左侧和顶部有凸起五30204，所述调节装置302的凹槽五30206与凸起五30204相互插接，互相拼接，组成一个面状的板，最右侧的调节装置302各正方形基体30203的凹槽五30206与薄凹字形板二301的左内侧的凸起三30104插接，最左侧的正方形基体30203的凸起五30204与薄凹字形板二301的右内侧的凹槽三30105插接，最下层的正方形基体30203的凹槽五30206与薄凹字形板二301底部内侧的凸起三30104插接，组成结构面模具架3。

所述的底盘1，岩体模具架2和结构面模具架3的材质均为铁质。

所述的凸起一、凸起二、凸起三、凸起四、凸起五有磁性。

工作原理如下：首先模拟结构面三维形态，将调节装置相互拼装成板面，形成一个整体的结构面模具板，通过旋转的来调整调节装置中长方块体相对于基体的位置，也就是相对于板面突出不同的高度来起到一个模拟三维形态的效果，那么，这个组合而成的板面便可模拟任意结构面的三维形态，在实际运用时，可以根据所要模拟或根据设计的结构面的形态来调整调节装置，来达到模拟结构面三维形态的目的。其次，根据所需制备工程岩体所含有的结构面数量来重复这样的步骤，即调节结构面模拟板面。最后，根据所模拟岩体中结构面的分布情况或实验者的需求，确定各结构面模拟板面和岩体模具架在底盘轨道中的相对位置，其中，要将后部封闭的薄凹形板放在轨道最后端，前部封闭的薄凹形板放在轨道最前端。这样便组成了一个上部开口的制作岩体的模具装置。

一种模拟多结构面三维形态的岩体制作方法，包括如下步骤：

(1)通过旋转的来调整调节装置302中调节块体30201相对于正方形基体30203的位置，再将调节装置302相互拼装成板面，形成一个整体的结构面模具板，并根据所需制备工程岩体所含有的结构面数量来重复这样的步骤；

(2)根据所要模拟岩体中结构面的具体情况，确定各结构面模具架(如图9)和岩体模具架(如图5(a))在底盘轨道102中的相对位置，要求将后部封闭的薄凹形板放在轨道最后端，前部封闭的薄凹形板放在轨道最前端；

(3)为了便于浇筑的岩体材料脱模，需在岩体模具架内侧的四周表面和结构面模拟板面均匀地涂上一层脱模剂；

(4)组合之后便形成了一个上部开口的模具装置(如图1)；

(5)在模具中浇筑岩体材料：将浇筑岩体材料缓慢的倒入模具装置的各个空腔内部，并使得每个空腔内的浇筑高度相同；

(6)将模具装置放在振动台上震实后抹平表面：将整个装置固定在振动台上使得浇筑材料密度分布均匀，过程中导出浇筑材料内的气泡；

(7)将模具装置拆除，将浇筑好的结构面各上下盘放入养护室内进行常规养护；

(8)达到养护强度后取出制作的结构面各上下盘试件，将它们相互吻合，最终组成所要制作成的含多结构面的岩体；

(9)制作好需要的工程岩体后，为方便之后的试验和应用，需要测量并记录岩体的长宽高尺寸，也可并通过拆下来的模具架来获知岩体尺寸和结构面三维形态的数据。

关于制成岩体的应用方面，可在岩体表面打钻孔并可根据钻孔内各段岩芯的长度计算传统RQD值的大小，也可取不同完整岩芯长度变换阀值来计算广义RQD值，可变换在岩体上钻孔的进尺长度来研究某一特定工程岩体RQD的尺寸效应，利用本装置制成的工程岩体，很大程度上方便了岩体RQD值的相关研究。

在结构面表面分形维数计算方面，可在组合后的结构面面板上，通过以正方形边长的整数倍为观测尺度来计算结构面表面分形维数。之后，以结构面表面分形维数为基础，进行更广泛的岩体结构研究。

Claims (4)

1.一种模拟多结构面三维形态的岩体制作装置，其特征在于：包括底盘，岩体模具架和结构面模具架，结构面模具架插接在岩体模具架中间，岩体模具架、结构面模具架与底盘滑动连接；其中：

所述底盘包括基底，固定螺丝和模具架轨道，其中模具架轨道通过固定螺丝与基底固定连接；

所述岩体模具架包括薄凹字形板一、一个后部封闭的薄凹字形板和一个前部封闭的薄凹字形板，其中：

所述的薄凹字形板一的前侧有凸起一，后侧有凹槽一，用于相互之间的拼装组合，所述薄凹字形板一的底部有滚轮一；

所述的后部封闭的薄凹字形板的后部是封闭板一，前侧有凸起二，底部有滚轮二，所述凸起二与凹槽一插接；

所述的前部封闭的薄凹字形板的前部是封闭板二，后侧有凹槽二，底部有滚轮三，所述凹槽二与凸起一插接；

所述滚轮一、滚轮二和滚轮三分别与模具架轨道滑动连接；

所述结构面模具架包括薄凹字形板二、调节装置，其中：

在薄凹字形板二的左内侧和底部内侧分别有凸起三，在其右内侧有凹槽三，底部装有滚轮四，薄凹字形板二的前侧有凸起四、后侧有凹槽四，所述凸起四与薄凹字形板一的凹槽一插接，凹槽四与薄凹字形板一的凸起一插接；

所述调节装置包括：调节块体、螺纹钢管、正方形基体、凸起五、刻度和凹槽五，其中：正方形基体通过中心的螺纹孔与螺纹钢管中部螺纹连接，两个调节块体分别与螺纹钢管两端螺纹连接，在螺纹钢管上有刻度，所述正方形基体的右侧和底部有凹槽五，左侧和顶部有凸起五，所述调节装置的凹槽五与凸起五相互插接，互相拼接，组成一个面状的板，最右侧的调节装置各正方形基体的凹槽五与薄凹字形板二的左内侧的凸起三插接，最左侧的正方形基体的凸起五与薄凹字形板二的右内侧的凹槽三插接，最下层的正方形基体的凹槽五与薄凹字形板二底部内侧的凸起三插接，组成结构面模具架。

2.根据权利要求1所述的一种模拟多结构面三维形态的岩体制作装置，所述的底盘，岩体模具架和结构面模具架的材质均为铁质。

3.根据权利要求1所述的一种模拟多结构面三维形态的岩体制作装置，所述的凸起一、凸起二、凸起三、凸起四、凸起五有磁性。

4.一种采用如权利要求1～3任一项所述的模拟多结构面三维形态的岩体制作装置制作模拟多结构面三维形态岩体的方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)根据工程或试验需要，组装岩体制作装置的结构面模具架，将调节装置相互嵌入组合成板，固定在结构面模具架的边框上；

(2)调节出要模拟的结构面形态，通过旋转的方式来前后移动调节装置，通过调节装置的前后位置变化来组成所要模拟岩体结构面的三维形态，具体是：

通过旋转的来调整调节装置中调节块体相对于正方形基体的位置，再将调节装置相互拼装成板面，形成一个整体的结构面模具板，并根据所需制备工程岩体所含有的结构面数量来重复这样的步骤；

根据所要模拟岩体中结构面的具体情况，确定各结构面模具架和岩体模具架在底盘轨道中的相对位置，要求将后部封闭的薄凹字形板放在轨道最后端，前部封闭的薄凹字形板放在轨道最前端；

(3)在装置的岩体和结构面模具架内表面上涂脱模剂，为了方面后续的拆模，在调节好的结构面模具架包括调节装置的正方形表面和岩体模具架的内侧表面涂上一层脱模剂；

(4)根据实际结构面在岩体中的位置，确定结构面模具架和岩体模具架在轨道上的位置关系，由于这两种模具架都可以在轨道上进行移动，那么便可改变它们的相对位置以到达模拟不同岩体中的结构面位置不同的情况，这种组合的方式使本装置可模拟不同的工程岩体；

(5)浇筑岩体材料，将相应的模拟岩体材料浇筑在组合好的岩体模具箱腔内；

(6)放到振动台上震实，将组装好的岩体制作装置整体放在振动台上震实，震动结束后抹平浇筑材料的表平面；

(7)拆开模具，待浇筑的岩体制作材料达到养护强度拆除模具；

(8)养护试样，将制成的岩体试样放在养护室内常规养护；

(9)将试样组合成岩体，养护完成后，按照结构面的上下盘顺序，将制成的岩体上下盘试样相互吻合成整个岩体。

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