CN110118681B - 一种用于制取不同尺寸和节理倾角岩石试件的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩石力学领域，提供了一种用于制取不同尺寸和节理倾角岩石试件的装置及方法。一种用于制取不同尺寸和节理倾角岩石试件的装置，包括：底座、旋转盘、待切割完整岩石试件固定组件。待切割完整岩石试件固定组件，包括T字形导轨、试件端面固定组件和试件侧面固定组件；旋转盘与底座通过球铰铰接；T字形导轨带有弧形槽并刻有刻度尺，T字形导轨固定连接于旋转盘上；试件端面固定组件与T字形导轨滑动连接；试件侧面固定组件通过固定板与旋转盘固定连接。本发明的装置和方法可通过调整装置组件来满足不同尺寸和节理倾角的岩样制取，提高了不同尺寸原岩岩样节理倾角的制备精度，具有结构独特，构造合理，操作方便，经久耐用等优点。

Description

一种用于制取不同尺寸和节理倾角岩石试件的装置及方法

技术领域

本发明属于岩石力学领域，特别涉及一种用于制取不同尺寸和节理倾角岩石试件的装置及方法。

背景技术

节理岩体大量存在，实验室中含不同倾角的节理岩样的制备通常需要经过以下步骤：钻孔取芯、完整岩样端面切割、完整岩样不同节理倾角切割、粘结节理岩样和打磨。如图1所示，试验过程中几种常见的节理倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°，根据不同的试验需求，需要将不同尺寸的完整岩样切割成含不同节理倾角的节理岩样，如在节理岩石单、三轴静态力学试验中，节理岩样长径比一般为a:b＝2，在霍普金森压杆试验中，节理岩样长径比一般为a:b＝1等。在切割不同尺寸和节理倾角岩样的过程中，节理倾角的切割精确度和切割效率在一定程度上影响着试验结果和试验进程。通常情况下，在实验室中制备不同尺寸的节理岩样的方法是，先将岩芯切割成长径比略大于2或1的完整圆柱体岩样，在岩样上粗略的标记出所要切割的位置和角度，人为的将岩样大致固定成与切割机刀盘呈一定角度后，再用切割机沿标记的位置和角度进行切割。然而，采用将岩样人为固定成某一种角度和标记的方法，使得切割时的固定角度和标记的位置较难掌握，切割后的节理倾角精确度低、误差大，造成岩样切割成功率和准确率降低，从而影响试验的进程和结果。

岩体中的节理属于裂隙范畴，在中国专利申请公开说明书，CN 107941692 A中公布了一种内置精控可变裂隙岩石模拟预制实验方法，包括材料装填装置、基座固定装置与可变裂隙调节装置，以一种内置精控可变裂隙岩石模拟预制实验装置为基础，提出一种内置精控可变裂隙岩石模拟预制实验方法。但该方法根据岩石和裂隙体参数，采用相似材料来制作的裂隙岩石试件，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，无法制备贯通裂隙。在中国专利申请公开说明书，CN 109085034 A中公布了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，主要采用钢丝锯切割预制裂隙。但该装置和方法没有裂隙角度精确控制组件，较难实现精确切割裂隙倾角的目的，且相较于本发明结构复杂，操作繁琐，效率低，无法利用现有主流切割设备。在《岩石力学与工程学报》2017年第9期、《岩土工程学报》2014年第12期、《岩石力学与工程学报》2008年第6期和《岩石力学与工程学报》2007年第3期中，分别介绍了不同的切割制作裂隙的方法，但这些方法均无法实现既能获取原岩真实的力学参数又能切割贯通裂隙的功能。

通过上述可见，现有的节理或裂隙切割装置存在如下缺点：

1)无法保证切割后的节理倾角的精确度，无法实现不同尺寸的原岩节理倾角的精确切割，且相较于本发明结构复杂，操作繁琐，效率低，无法利用现有主流岩石切割设备。

2)采用相似材料制作的节理岩石试件，与实际岩体存在较大差异，无法获取真实的节理岩体力学参数，无法切割贯通节理。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种用于制取不同尺寸和节理倾角岩石试件的装置及方法。

本发明提供了一种用于制取不同尺寸和节理倾角岩石试件的装置及方法，包括：

底座、旋转盘、待切割完整岩石试件固定组件。其中底座，包括底座主体1、螺栓定位孔、量角器、1号球铰、半圆形导轨；旋转盘，包括滑槽、1号定位螺栓、指针、待切割完整岩石试件固定组件；待切割完整岩石试件固定组件，包括T字形导轨、试件端面固定组件和试件侧面固定组件；所述T字形导轨带有弧形槽并刻有刻度尺；所述试件端面固定组件，包括滑动板、2号定位螺栓、1号紧固螺栓、2号球铰、柱状紧固帽；所述试件侧面固定组件，包括固定板、2号紧固螺栓、3号球铰、弧形紧固板。

所述旋转盘和所述底座通过所述1号球铰铰接；所述T字形导轨固定连接于所述旋转盘上；所述试件端面固定组件与所述T字形导轨滑动连接；所述试件侧面固定组件通过固定板与旋转盘固定连接。

所述半圆形导轨与所述底座主体固定连接，所述量角器刻于所述底座主体上，所述底座主体两侧设有四个螺栓定位孔，所述四个螺栓定位孔用于固定所述底座主体；所述滑槽和指针均与所述旋转盘固定连接，所述滑槽与所述半圆形导轨滑动连接，所述滑槽能够通过1号定位螺栓紧固于所述半圆形导轨上。

所述旋转盘平行于所述底座能够旋转任意角度，所述指针配合所述量角器能够精确示出所述旋转盘的旋转角度，为节理倾角的精确切割提供基础；所述半圆形导轨和所述量角器均为标准的半圆形，所述半圆形导轨所提供的滑移弧度和所述量角器的量测范围均为0°～180°；所述半圆形导轨的高度小于旋转盘的高度，以保证旋转盘能够顺利转动；所述滑动板的宽度小于待切割完整岩样的端面半径，避免切割机刀盘切到滑动板，以保证90°节理岩样的顺利切割。

所述滑动板能够沿所述T字形导轨滑动，滑动的距离可以通过所述T字形导轨上的刻度尺精确测定，为切割制取不同尺寸的节理岩样提供基础；所述滑动板可通过2号定位螺栓固定在所述T字形导轨上。

所述T字形导轨上带有弧形槽，待切割完整岩石试件放置于所述弧形槽上，所述弧形槽的弧度能够与圆柱形待切割完整岩石试件的侧面弧度吻合，以达到辅助固定待切割完整岩石试件的目的；

优选的，所述T字形导轨的数量为两个且呈角对称分布。

所述柱状紧固帽和弧形紧固板均通过2号球铰和3号球铰分别与1号紧固螺栓和2号紧固螺栓铰接，所述2号球铰和3号球铰能够分别使所述柱状紧固帽和所述弧形紧固板转动一定角度。

优选的，所述试件端面固定组件和所述的试件侧面固定组件的数量均为两个且均呈角对称分布。

一种用于制取不同尺寸和节理倾角岩石试件的方法，包括以下步骤：

第一步，根据待切割完整岩石试件的长度，结合T字形导轨上的刻度尺，经简单计算，调节试件端面固定组件在T字形导轨上的位置后，旋紧2号定位螺栓。

第二步，调节并固定端面固定组件。将待切割完整岩石试件放在T字形导轨的弧形槽上，同步旋进两个1号紧固螺栓。柱状紧固帽与2号紧固螺栓通过球铰铰接，柱状紧固帽能够根据待切割完整岩石试件的端面垂直度转动一定角度，以达到柱状紧固帽与待切割完整岩石试件的端面紧密贴合的目的。

第三步，调节并固定侧面固定组件。旋进两个2号紧固螺栓，弧形紧固板与2号紧固螺栓通过球铰铰接，弧形紧固板能够根据待切割完整岩石试件的侧面弧度转动一定角度，使弧形紧固板与待切割完整岩石试件的侧面紧密贴合。

第四步，调整切割角度。转动旋转盘使指针指至量角器上所示的某一角度，例如转动旋转盘使指针指至量角器上所示的30°后，固定滑槽上的1号定位螺栓，使旋转盘固定在半圆形导轨上，此时的角度即为切割后节理的角度。

第五步，切割完整岩样。启动切割机，刀盘高速转动，因刀盘的行程路径始终沿着量角器上的0°线切割，端面固定组件、侧面固定组件配合T字形导轨上的刻度尺和弧形槽，能够精确固定并切割不同长度的待切割完整岩石试件，且可以保证刀盘从待切割完整岩石试件的中间横截面贯通切过，使切割后岩样的两部分完全对称，切割后的节理与岩样横截面呈一定角度，例如30°。切割结束后，用石膏或者其他胶凝材料粘结切割后的两部分岩样并定型。重复上述步骤，即可实现不同尺寸和节理倾角岩石试件的制取。

一种使用上述任一个切割不同尺寸和节理倾角岩石试件的实验装置及方法制备得到的岩石试件，所述的制备得到的岩石试件具有不同的节理倾角和不同的长径比。

本发明提供了一种用于制取不同尺寸和节理倾角岩石试样的实验装置及方法，以其操作简便、制取快捷、精度较高、效率高的优点，较好地解决了节理倾角切割精确度的问题，与现有主流岩石切割设备配合使用，能够实现对不同尺寸的原岩节理倾角的精确切割。采用原岩制作的节理岩石试件，能够获取真实的节理岩体力学参数，能够切割制取贯通节理。

本发明的其他特征和优点将在如下的具体实施方式部分详细描述。

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发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为试验过程中几种常见的节理倾角示意图。

图2为本发明专利的结构示意图。

图3为本发明专利的底座结构示意图。

图中标号说明：1-底座主体，2-螺栓定位孔，3-量角器，4-1号球铰，5-半圆形导轨，6-旋转盘，7-滑槽，8-1号定位螺栓，9-T字形导轨，10-弧形槽，11-刻度尺，12-指针，13-滑动板，14-2号定位螺栓，15-1号紧固螺栓，16-2号球铰，17-柱状紧固帽，18-固定板，19-2号紧固螺栓，20-3号球铰，21-弧形紧固板，22-待切割完整岩石试件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图2和图3所示，本发明的一个优选实施例提供了一种用于制取不同尺寸和节理倾角岩石试件的装置及方法，包括：

一种用于制取不同尺寸和节理倾角岩石试件的装置，包括：底座、旋转盘6、待切割完整岩石试件固定组件。其中底座，包括底座主体1、螺栓定位孔2、量角器3、1号球铰4、半圆形导轨5；旋转盘6，包括滑槽7、1号定位螺栓8、指针12、待切割完整岩石试件固定组件；待切割完整岩石试件固定组件，包括T字形导轨9、试件端面固定组件和试件侧面固定组件；所述T字形导轨9带有弧形槽10并刻有刻度尺11；所述试件端面固定组件，包括滑动板13、2号定位螺栓14、1号紧固螺栓15、2号球铰16、柱状紧固帽17；所述试件侧面固定组件，包括固定板18、2号紧固螺栓19、3号球铰20、弧形紧固板21。

所述旋转盘6和所述底座通过所述1号球铰4铰接；所述T字形导轨9固定连接于所述旋转盘6上；所述试件端面固定组件与所述T字形导轨9滑动连接；所述试件侧面固定组件通过固定板18与旋转盘6固定连接。

所述半圆形导轨5与所述底座主体1固定连接，所述量角器3刻于所述底座主体1上，所述底座主体1两侧设有四个螺栓定位孔2，所述四个螺栓定位孔2用于固定所述底座主体1；所述滑槽7和指针12均与所述旋转盘6固定连接，所述滑槽7与所述半圆形导轨5滑动连接，所述滑槽7能够通过1号定位螺栓8紧固于所述半圆形导轨5上。

所述旋转盘6平行于所述底座能够旋转任意角度，所述指针12配合所述量角器3能够精确示出所述旋转盘6的旋转角度，为节理倾角的精确切割提供基础；所述半圆形导轨5和所述量角器3均为标准的半圆形，所述半圆形导轨5所提供的滑移弧度和所述量角器3的量测范围均为0°～180°；所述半圆形导轨5的高度小于旋转盘6的高度，以保证旋转盘6能够顺利转动；所述滑动板13的宽度小于待切割完整岩石试件22的端面半径，避免切割机刀盘切到滑动板13，以保证90°节理岩样的顺利切割。

所述滑动板13能够沿所述T字形导轨9滑动，滑动的距离可以通过所述T字形导轨9上的刻度尺11精确测定，为切割制取不同尺寸的节理岩样提供基础；所述滑动板13可通过2号定位螺栓14固定在所述T字形导轨9上。

所述T字形导轨9上带有弧形槽10，待切割完整岩石试件22放置于所述弧形槽10上，所述弧形槽10的弧度能够与圆柱形待切割完整岩石试件22的侧面弧度吻合，以达到辅助固定待切割完整岩石试件22的目的；

优选的，所述T字形导轨9的数量为两个且呈角对称分布。

所述柱状紧固帽17和弧形紧固板21均通过2号球铰16和3号球铰20分别与1号紧固螺栓15和2号紧固螺栓19铰接，所述2号球铰16和3号球铰20能够分别使所述柱状紧固帽17和所述弧形紧固板21转动一定角度。

优选的，所述试件端面固定组件和所述的试件侧面固定组件的数量均为两个且均呈角对称分布。

本发明适用于制取不同尺寸和节理倾角岩石试件的方法是：本发明适用于制取含不同尺寸和节理倾角的岩样。

所述制取不同尺寸和节理倾角的岩样采取的方法，包括以下步骤：

第一步，根据待切割完整岩石试件22的长度，结合T字形导轨9上的刻度尺11，经简单计算，调节试件端面固定组件在T字形导轨9上的位置后，旋紧2号定位螺栓14；

第二步，调节并固定端面固定组件。将待切割完整岩石试件22放在T字形导轨9的弧形槽10上，同步旋进两个1号紧固螺栓15，柱状紧固帽17与2号紧固螺栓19通过球铰16铰接。柱状紧固帽17能够根据待切割完整岩石试件22的端面垂直度转动一定角度，以达到柱状紧固帽17与待切割完整岩石试件22的端面紧密贴合的目的；

第三步，调节并固定侧面固定组件。旋进两个2号紧固螺栓19，弧形紧固板21与2号紧固螺栓19通过球铰20铰接，弧形紧固板21能够根据待切割完整岩石试件22的侧面弧度转动一定角度，使弧形紧固板21与待切割完整岩石试件22的侧面紧密贴合；

第四步，调整切割角度。转动旋转盘6使指针12指至量角器3上所示的某一角度，例如转动旋转盘6使指针12指至量角器3上所示的30°后，固定滑槽7上的1号定位螺栓8，使旋转盘6固定在半圆形导轨5上，此时的角度即为切割后节理的角度；

第五步，切割完整岩样。启动切割机，刀盘高速转动，因刀盘的行程路径始终沿着量角器3上的0°线切割，端面固定组件、侧面固定组件配合T字形导轨9上的刻度尺11和弧形槽10，能够精确固定并切割不同长度的待切割完整岩石试件22，且可以保证刀盘从待切割完整岩石试件22的中间横截面贯通切过，使切割后岩样的两部分完全对称，切割后的节理与岩样横截面呈一定角度，例如30°。切割结束后，用石膏或者其他胶凝材料粘结切割后的两部分岩样并定型。重复上述步骤，即可实现不同尺寸和节理倾角岩石试件的制取。

根据上述内容可知，本发明提供了一种用于制取不同尺寸和节理倾角岩石试样的实验装置及方法，以其操作简便、制取快捷、精度较高、效率高的优点，较好地解决了节理倾角切割精确度的问题，与现有主流岩石切割设备配合使用，能够实现对不同尺寸的原岩节理倾角的精确切割。采用原岩制作的节理岩石试件，能够获取真实的节理岩体力学参数，能够切割制取贯通节理。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (6)

1.一种用于制取不同尺寸和节理倾角岩石试件的装置，包括：底座、旋转盘（6）、待切割完整岩石试件固定组件；其中底座，包括底座主体（1）、螺栓定位孔（2）、量角器（3）、1号球铰（4）、半圆形导轨（5）；旋转盘（6），包括滑槽（7）、1号定位螺栓（8）、指针（12）、待切割完整岩石试件固定组件；所述待切割完整岩石试件固定组件，包括T字形导轨（9）、试件端面固定组件和试件侧面固定组件；所述T字形导轨（9）带有弧形槽（10）并刻有刻度尺（11）；所述试件端面固定组件，包括滑动板（13）、2号定位螺栓（14）、1号紧固螺栓（15）、2号球铰（16）、柱状紧固帽（17）；所述试件侧面固定组件，包括固定板（18）、2号紧固螺栓（19）、3号球铰（20）、弧形紧固板（21）；

所述旋转盘（6）和所述底座通过所述1号球铰（4）铰接，所述T字形导轨（9）固定连接于所述旋转盘（6）上，所述试件端面固定组件与所述T字形导轨（9）滑动连接，所述试件侧面固定组件通过固定板（18）与旋转盘（6）固定连接；

所述半圆形导轨（5）与所述底座主体（1）固定连接，所述量角器（3）刻于所述底座主体（1）上，所述底座主体（1）两侧设有四个螺栓定位孔（2），所述四个螺栓定位孔（2）用于固定所述底座主体（1），所述滑槽（7）和指针（12）均与所述旋转盘（6）固定连接，所述滑槽（7）与所述半圆形导轨（5）滑动连接，所述滑槽（7）能够通过1号定位螺栓（8）紧固于所述半圆形导轨（5）上；

所述柱状紧固帽（17）和弧形紧固板（21）均通过2号球铰（16）和3号球铰（20）分别与1号紧固螺栓（15）和2号紧固螺栓（19）铰接，所述2号球铰（16）和3号球铰（20）能够分别使所述柱状紧固帽（17）和所述弧形紧固板（21）转动一定角度，所述试件端面固定组件和所述的试件侧面固定组件的数量均为两个且均呈角对称分布。

2.根据权利要求1所述的用于制取不同尺寸和节理倾角岩石试件的装置，其特征在于，

所述旋转盘（6）平行于所述底座能够旋转任意角度，所述指针（12）配合所述量角器（3）能够精确示出所述旋转盘（6）的旋转角度，为节理倾角的精确切割提供基础；所述半圆形导轨（5）和所述量角器（3）均为标准的半圆形，所述半圆形导轨（5）所提供的滑移弧度和所述量角器（3）的量测范围均为0°～180°；所述半圆形导轨（5）的高度小于旋转盘（6）的高度，以保证旋转盘（6）能够顺利转动；所述滑动板（13）的宽度小于待切割完整岩石试件（22）的端面半径，避免切割机刀盘切到滑动板（13），以保证90°节理岩样的顺利切割。

3.根据权利要求1所述的用于制取不同尺寸和节理倾角岩石试件的装置，其特征在于，

所述滑动板（13）能够沿所述T字形导轨（9）滑动，滑动的距离可以通过所述T字形导轨（9）上的刻度尺（11）精确测定，为切割制取不同尺寸的节理岩样提供基础；所述滑动板（13）可通过2号定位螺栓（14）固定在所述T字形导轨（9）上。

4.根据权利要求1所述的用于制取不同尺寸和节理倾角岩石试件的装置，其特征在于，

所述T字形导轨（9）上带有弧形槽（10），待切割完整岩石试件（22）放置于所述弧形槽（10）上，所述弧形槽（10）的弧度能够与圆柱形待切割完整岩石试件（22）的侧面弧度吻合，以达到辅助固定待切割完整岩石试件（22）的目的；所述T字形导轨（9）的数量为两个且呈角对称分布。

5.一种利用权利要求1-4任意一项所述的装置制取不同尺寸和节理倾角岩石试件的方法，包括以下步骤：

第一步，根据待切割完整岩石试件（22）的长度，结合T字形导轨（9）上的刻度尺（11），经简单计算，调节试件端面固定组件在T字形导轨（9）上的位置后，旋紧2号定位螺栓（14）；

第二步，调节并固定端面固定组件：将待切割完整岩石试件（22）放在T字形导轨（9）的弧形槽（10）上，同步旋进两个1号紧固螺栓（15），柱状紧固帽（17）与2号紧固螺栓（19）通过球铰（16）铰接，柱状紧固帽（17）能够根据待切割完整岩石试件（22）的端面垂直度转动一定角度，以达到柱状紧固帽（17）与待切割完整岩石试件（22）的端面紧密贴合的目的；

第三步，调节并固定侧面固定组件：旋进两个2号紧固螺栓（19），弧形紧固板（21）与2号紧固螺栓（19）通过球铰（20）铰接，弧形紧固板（21）能够根据待切割完整岩石试件（22）的侧面弧度转动一定角度，使弧形紧固板（21）与待切割完整岩石试件（22）的侧面紧密贴合；

第四步，调整切割角度：转动旋转盘（6）使指针（12）指至量角器（3）上所示的某一角度，固定滑槽（7）上的1号定位螺栓（8），使旋转盘（6）固定在半圆形导轨（5）上，此时的角度即为切割后节理的角度；

第五步，切割完整岩样：启动切割机，刀盘高速转动，因刀盘的行程路径始终沿着量角器（3）上的0°线切割，端面固定组件、侧面固定组件配合T字形导轨（9）上的刻度尺（11）和弧形槽（10），能够精确固定并切割不同长度的待切割完整岩石试件（22），且可以保证刀盘从待切割完整岩石试件（22）的中间横截面贯通切过，使切割后岩样的两部分完全对称，切割后的节理与岩样横截面呈一定角度；切割结束后，用石膏或者其他胶凝材料粘结切割后的两部分岩样并定型；重复上述步骤，即可实现不同尺寸和节理倾角岩石试件的制取。

6.一种利用权利要求5所述的方法制备得到的岩石试件，其特征在于，所述的制备得到的岩石试件具有不同的节理倾角和不同的长径比。

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