CN110376039A - 一种标准类岩石试样预制裂隙制作装置及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种标准类岩石试样预制裂隙制作装置及制作方法，包括底座、模具、套筒、水平定位装置、钢针、钢针夹紧装置、角度定位装置和锰钢片；其中模具底端位于底座上，顶端安装套筒；套筒上安装水平定位装置；钢针通过钢针夹紧装置设置在水平定位装置上，并且钢针底端通过角度定位装置与锰钢片连接。本发明提供了一种能预制同时含有单、多条裂隙的不同形状、角度、位置及开度的标准类岩石试样预制裂隙制作装置及制作方法，能有效解决实体岩石材料受切割技术的限制，无法在满足精度的前提下，制成含规定要求裂隙的圆柱体标准试件，用于类比研究含裂隙实体岩石材料的破裂机理、裂纹尺寸效应以及断裂韧度的测定。

Description

一种标准类岩石试样预制裂隙制作装置及制作方法

技术领域

本发明涉及实验设备技术领域，更具体的说是涉及一种标准类岩石试样预制裂隙制作装置及制作方法。

背景技术

由于岩体形成过程中经历漫长的地质构造作用，内部含有各种规模的缺陷裂隙。而裂隙的存在影响工程施工的设计及安全，在采矿工程、地下隧道工程、水利工程、交通运输工程、石油开采和核废料地下深埋工程等岩土工程中缺陷往往会控制岩体的强度及破裂特征。目前，大量的工程实践表明，岩石工程的失稳破坏，通常是由于内部裂隙的张开、起裂、扩展以及贯通而产生新的剪切滑动面所引起的，岩体裂隙分布的随机性、形态的多样性、分布的不均匀性和空间组合的复杂性。所以研究含缺陷岩体的力学行为对保证工程建设安全至关重要。为有效地评价裂隙岩体的工程稳定性，需要开展含裂隙的岩石试样的力学试验研究，以有效揭示裂隙岩石的力学变形特性与破坏规律。

现有制取的岩样存在一定随机性，制样成功率较低，难以控制初始裂隙，且试样后期裂隙制作工艺复杂，精度低，费用高，所以可采用类岩石试样来替代原岩岩样，研究作带裂隙岩体的相关特性。目前用于制作带裂隙类岩石模型的模具主要是制作含裂隙圆柱体类岩石标准试件模型，多将材料捣实后再插入铁片，初凝后取出钢片，在研究类岩石裂隙结构面断裂扩展机理及裂隙尺寸效应中广泛使用，而类岩石模型对研究裂隙结构面断裂扩展机理、裂隙尺寸效应以及岩石断裂韧度的测定都非常重要，上述技术中，模具的功能单一，无法实现试样和预制裂隙样式可同时调节的功能。在进行岩石力学室内试验时，往往需要尺寸不一及裂隙多样的类岩石试样，而目前的模具往往只能制备某种类型裂隙的试样，不仅费工费时，还造成资源浪费。目前还未有用于制作精确形状、尺寸及准确定位的含裂隙类岩石标准试件的模具。

因此，如何提供一种结构简单、操作方便、能满足规定要求裂隙的标准类岩石试样预制裂隙制作装置及制作方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种能预制同时含有单、多条裂隙的不同形状、角度、位置及开度的标准类岩石试样预制裂隙制作装置及制作方法，能有效解决实体岩石材料受切割技术的限制，无法在满足精度的前提下，制成含规定要求裂隙的圆柱体标准试件，用于类比研究含裂隙实体岩石材料的破裂机理、裂纹尺寸效应以及断裂韧度的测定。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种标准类岩石试样预制裂隙制作装置，包括底座、模具、套筒、水平定位装置、钢针、钢针夹紧装置、角度定位装置和锰钢片；其中所述模具底端位于所述底座上，顶端安装所述套筒；所述套筒上安装所述水平定位装置；所述钢针通过所述钢针夹紧装置设置在所述水平定位装置上，并且所述钢针底端通过所述角度定位装置与所述锰钢片连接；

所述水平定位装置包括横梁和两个支脚，其中一个所述支脚一端与所述横梁端部固定连接，另一端铰接在所述套筒顶面上；另一个所述支脚一端与所述套筒顶面滑动连接，另一端通过滑动件滑动设置在所述横梁上；所述横梁上设置有刻度线，在所述横梁上沿所述刻度线等距开设有多个钢针孔；

所述钢针夹紧装置包括夹紧座和夹紧机构，其中所述夹紧座设置在所述横梁上，并且所述夹紧座上开设有座孔，所述夹紧机构安装在所述座孔上；所述钢针依次穿过所述座孔、所述钢针孔伸入所述模具内，并且所述钢针通过所述夹紧机构夹紧固定。

优选的，在上述一种标准类岩石试样预制裂隙制作装置中，所述底座的中心开设有底座槽，所述模具为两个钢筒半体，两个所述钢筒半体扣合后，其底部嵌入所述底座槽内。

优选的，在上述一种标准类岩石试样预制裂隙制作装置中，所述套筒顶部开设有水平定位装置槽，底部开设有套筒环槽，扣合的两个所述钢筒半体，其顶部嵌入所述套筒环槽内；与所述横梁滑动设置的所述支脚底端滑动设置在所述水平定位装置槽内，与所述横梁固定连接的所述支脚底端铰接在所述水平定位装置槽内。

优选的，在上述一种标准类岩石试样预制裂隙制作装置中，所述钢针孔间隔1mm等距排布。

优选的，在上述一种标准类岩石试样预制裂隙制作装置中，所述夹紧机构包括固定块、固定块支架、夹紧块、夹紧块支架和蝶形螺栓；其中所述固定块支架和所述夹紧块支架相对设置在所述座孔的边沿上，所述固定块连接在所述固定块支架顶部；所述夹紧块支架顶部设置有与所述蝶形螺栓外螺纹匹配的螺纹孔，所述蝶形螺栓的螺杆旋入所述螺纹孔内，并且螺杆端部与所述夹紧块连接，所述夹紧块与所述固定块相对设置。

优选的，在上述一种标准类岩石试样预制裂隙制作装置中，所述固定块为尼龙块，所述夹紧块为金属块，所述金属块与所述蝶形螺栓的螺杆端部焊接固定。

优选的，在上述一种标准类岩石试样预制裂隙制作装置中，所述角度定位装置为万向球头节，所述万向球头节包括固定座和球头，所述球头吻合嵌放在带有球形槽的所述固定座中，所述固定座与所述锰钢片点胶连接，所述球头连接在所述钢针的底部，所述固定座与所述球头过盈配合，两者之间存在预紧力。

优选的，在上述一种标准类岩石试样预制裂隙制作装置中，所述锰钢片的形状大小以及厚度根据预制裂隙的形状大小及开度确定。

优选的，在上述一种标准类岩石试样预制裂隙制作装置中，所述滑动件为套环，所述套环连接在所述支脚顶端，并且所述套环滑动套设在所述横梁上。

一种标准类岩石试样预制裂隙制作方法，包括以下步骤：

步骤1：检查试验各部件是否完好，将两个钢筒半体合拢，然后将两个钢筒半体的组合体底部嵌入所述底座槽内，其顶部嵌入所述套筒环槽内；

步骤2：安装水平定位装置，将与所述横梁滑动设置的所述支脚底端滑动设置在所述水平定位装置槽内，与所述横梁固定连接的所述支脚底端铰接在所述水平定位装置槽内；

步骤3：确定裂隙位置，转动所述横梁，调整好水平定位装置的水平位置；

然后将所述钢针依次穿过所述座孔、所述钢针孔伸入所述模具内，所述钢针底端通过所述角度定位装置与所述锰钢片连接；所述角度定位装置中的所述固定座与所述锰钢片点胶连接，所述球头连接在所述钢针的底部；

调整好垂直方向位置后，所述钢针通过所述夹紧机构夹紧固定，通过旋转所述蝶形螺栓，由于螺杆在所述螺纹孔内，并且螺杆端部与所述夹紧块连接，所述夹紧块与所述固定块相对设置且逐渐靠近，直至将所述钢针夹紧；

最后通过角度定位装置调整锰钢片与钢针之间的夹角，进而调节锰钢片的空间角度；

步骤4：准备好试验所需要的类岩石材料，将类岩石材料按照试验所需要的压实度和含水率进行分层填筑，在填料过程中每当到达预制裂隙位置处，当预制锰钢片一部分嵌入类岩石材料中，当嵌入的锰钢片整体与类岩石材料紧固后，割开所述固定座与所述锰钢片连接处的点胶，并松开所述夹紧机构，将所述钢针抽出，然后继续浇筑到下一个预制裂隙位置处，同样当锰钢片和类岩石材料紧固后，割开所述固定座与所述锰钢片连接处的点胶，并松开所述夹紧机构，将所述钢针抽出，继续浇筑直至完成；

步骤5：拆除所述套筒和底座，打开钢筒半体，将完成的试样取出，放入标准恒温恒湿箱中进行养护。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种标准类岩石试样预制裂隙制作装置及制作方法，具有以下优点：

1)本发明能精确预制同时含有单、多条裂隙的不同形状、角度、位置及开度的标准类岩石试样，能有效解决实体岩石材料受切割技术的限制，无法在满足精度的前提下，制成含规定要求裂隙的圆柱体标准试件，用于类比研究含裂隙实体岩石材料的破裂机理、裂纹尺寸效应以及断裂韧度的测定。

2)本发明通过利用套筒上水平定位装置的一个支脚可在水平定位装置槽内任意移动，对应的钢针可随横梁自由移动，通过刻度线和移动横梁来定位插入模具中锰钢片所在的水平位置，用插入钢针的深度来定位竖向位置，通过夹紧机构卡住钢针后，实现竖向定位；选取不同厚度及形状的猛钢片来实现裂隙开度和形状的定位；不相同竖向位置时可根据浇筑到预制裂隙位置处固定锰钢片后，再将下一处预制裂隙的锰钢片固定在钢针端部，移动同一水平定位装置来设置多条预制裂隙，克服预制裂隙空间水平和竖向位置定位等问题，提高类岩石试样预制裂隙空间位置的定位精度。

3)本发明通过利用万向球头节装置来定位类岩石试样预制裂隙的角度，通过万向球头节装置调整锰钢片与钢针之间的夹角，进而调节锰钢片的空间角度，实现裂隙空间角度位置定位，最终能实现单、多条类岩石试样预制裂隙精确定位。

本发明提供了一种方便且精确制作的标准类岩石试样预制裂隙制作装置及制作方法，对类比研究含裂隙的实体岩石材料断裂破坏特性和断裂韧度的测定具有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明的结构示意图；

图2附图为底座的结构示意图；

图3附图为钢筒半体的结构示意图；

图4附图为套筒顶面结构示意图；

图5附图为水平定位装置结构示意图；

图6附图为本发明的结构示意图；

图7附图为钢针夹紧装置的结构示意图；

图8附图为锰钢片、角度定位装置和钢针的连接结构示意图；

图9附图为夹紧机构的结构示意图；

图10附图为角度定位装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种能预制同时含有单、多条裂隙的不同形状、角度、位置及开度的标准类岩石试样预制裂隙制作装置及制作方法，能有效解决实体岩石材料受切割技术的限制，无法在满足精度的前提下，制成含规定要求裂隙的圆柱体标准试件，用于类比研究含裂隙实体岩石材料的破裂机理、裂纹尺寸效应以及断裂韧度的测定。

本发明公开了一种标准类岩石试样预制裂隙制作装置，包括底座1、模具2、套筒3、水平定位装置4、钢针5、钢针夹紧装置6、角度定位装置7和锰钢片8；其中模具2底端位于底座1上，顶端安装套筒3；套筒3上安装水平定位装置4；钢针5通过钢针夹紧装置6设置在水平定位装置4上，并且钢针5底端通过角度定位装置7与锰钢片8连接；

水平定位装置4包括横梁41和两个支脚42，其中一个支脚42一端与横梁41端部固定连接，另一端铰接在套筒3顶面上；另一个支脚42一端与套筒3顶面滑动连接，另一端通过滑动件滑动设置在横梁41上；横梁41上设置有刻度线，在横梁41上沿刻度线等距开设有多个钢针孔；

钢针夹紧装置6包括夹紧座61和夹紧机构62，其中夹紧座61设置在横梁41上，并且夹紧座61上开设有座孔63，夹紧机构62安装在座孔63上；钢针5依次穿过座孔63、钢针孔伸入模具2内，并且钢针5通过夹紧机构62夹紧固定。

为了进一步优化上述技术方案，底座1的中心开设有底座槽11，模具2为两个钢筒半体21，两个钢筒半体21扣合后，其底部嵌入底座槽11内。

为了进一步优化上述技术方案，套筒3顶部开设有水平定位装置槽31，底部开设有套筒环槽32，扣合的两个钢筒半体21，其顶部嵌入套筒环槽32内；与横梁41滑动设置的支脚42底端滑动设置在水平定位装置槽31内，与横梁41固定连接的支脚42底端铰接在水平定位装置槽31内。

为了进一步优化上述技术方案，钢针孔间隔1mm等距排布。

为了进一步优化上述技术方案，夹紧机构62包括固定块621、固定块支架622、夹紧块623、夹紧块支架624和蝶形螺栓625；其中固定块支架622和夹紧块支架624相对设置在座孔63的边沿上，固定块621连接在固定块支架622顶部；夹紧块支架624顶部设置有与蝶形螺栓625外螺纹匹配的螺纹孔，蝶形螺栓625的螺杆旋入螺纹孔内，并且螺杆端部与夹紧块623连接，夹紧块623与固定块621相对设置。

为了进一步优化上述技术方案，固定块621为尼龙块，夹紧块623为金属块，金属块与蝶形螺栓625的螺杆端部焊接固定。

为了进一步优化上述技术方案，角度定位装置7为万向球头节，万向球头节包括固定座71和球头72，球头72吻合嵌放在带有球形槽的固定座71中，固定座71与锰钢片8点胶连接，球头72连接在钢针5的底部，固定座71与球头72过盈配合，两者之间存在预紧力。

为了进一步优化上述技术方案，锰钢片8的形状以及大小根据预制裂隙的开度及形状确定。

为了进一步优化上述技术方案，滑动件为套环，套环连接在支脚42顶端，并且套环滑动套设在横梁41上。

一种标准类岩石试样预制裂隙制作方法，包括以下步骤：

步骤1：检查试验各部件是否完好，将两个钢筒半体21合拢，然后将两个钢筒半体21的组合体底部嵌入底座槽11内，其顶部嵌入套筒环槽32内；

步骤2：安装水平定位装置4，将与横梁41滑动设置的支脚42底端滑动设置在水平定位装置槽31内，与横梁41固定连接的支脚42底端铰接在水平定位装置槽31内；

步骤3：确定裂隙位置，转动横梁41，调整好水平定位装置4的水平位置；

然后将钢针5依次穿过座孔63、钢针孔伸入模具2内，钢针5底端通过角度定位装置7与锰钢片8连接；角度定位装置7中的固定座71与锰钢片8点胶连接，球头72连接在钢针5的底部；

调整好垂直方向位置后，钢针5通过夹紧机构62夹紧固定，通过旋转蝶形螺栓625，由于螺杆在螺纹孔内，并且螺杆端部与夹紧块623连接，夹紧块623与固定块621相对设置且逐渐靠近，直至将钢针5夹紧。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种标准类岩石试样预制裂隙制作装置，其特征在于，包括底座、模具、套筒、水平定位装置、钢针、钢针夹紧装置、角度定位装置和锰钢片；其中

所述模具底端位于所述底座上，顶端安装所述套筒；所述套筒上安装所述水平定位装置；所述钢针通过所述钢针夹紧装置设置在所述水平定位装置上，并且所述钢针底端通过所述角度定位装置与所述锰钢片连接；

所述水平定位装置包括横梁和两个支脚，其中一个所述支脚一端与所述横梁端部固定连接，另一端铰接在所述套筒顶面上；另一个所述支脚一端与所述套筒顶面滑动连接，另一端通过滑动件滑动设置在所述横梁上；所述横梁上设置有刻度线，在所述横梁上沿所述刻度线等距开设有多个钢针孔；

所述钢针夹紧装置包括夹紧座和夹紧机构，其中所述夹紧座设置在所述横梁上，并且所述夹紧座上开设有座孔，所述夹紧机构安装在所述座孔上；所述钢针依次穿过所述座孔、所述钢针孔伸入所述模具内，并且所述钢针通过所述夹紧机构夹紧固定。

2.根据权利要求1所述的一种标准类岩石试样预制裂隙制作装置，其特征在于，所述底座的中心开设有底座槽，所述模具为两个钢筒半体，两个所述钢筒半体扣合后，其底部嵌入所述底座槽内。

3.根据权利要求2所述的一种标准类岩石试样预制裂隙制作装置，其特征在于，所述套筒顶部开设有水平定位装置槽，底部开设有套筒环槽，扣合的两个所述钢筒半体，其顶部嵌入所述套筒环槽内；与所述横梁滑动设置的所述支脚底端滑动设置在所述水平定位装置槽内，与所述横梁固定连接的所述支脚底端铰接在所述水平定位装置槽内。

4.根据权利要求1所述的一种标准类岩石试样预制裂隙制作装置，其特征在于，所述钢针孔间隔1mm等距排布。

5.根据权利要求1所述的一种标准类岩石试样预制裂隙制作装置，其特征在于，所述夹紧机构包括固定块、固定块支架、夹紧块、夹紧块支架和蝶形螺栓；其中所述固定块支架和所述夹紧块支架相对设置在所述座孔的边沿上，所述固定块连接在所述固定块支架顶部；所述夹紧块支架顶部设置有与所述蝶形螺栓外螺纹匹配的螺纹孔，所述蝶形螺栓的螺杆旋入所述螺纹孔内，并且螺杆端部与所述夹紧块连接，所述夹紧块与所述固定块相对设置。

6.根据权利要求5所述的一种标准类岩石试样预制裂隙制作装置，其特征在于，所述固定块为尼龙块，所述夹紧块为金属块，所述金属块与所述蝶形螺栓的螺杆端部焊接固定。

7.根据权利要求1所述的一种标准类岩石试样预制裂隙制作装置，其特征在于，所述角度定位装置为万向球头节，所述万向球头节包括固定座和球头，所述球头吻合嵌放在带有球形槽的所述固定座中，所述固定座与所述锰钢片点胶连接，所述球头连接在所述钢针的底部，所述固定座与所述球头过盈配合，两者之间存在预紧力。

8.根据权利要求1所述的一种标准类岩石试样预制裂隙制作装置，其特征在于，所述锰钢片的形状大小以及厚度根据预制裂隙的形状大小及开度确定。

9.根据权利要求1所述的一种标准类岩石试样预制裂隙制作装置，其特征在于，所述滑动件为套环，所述套环连接在所述支脚顶端，并且所述套环滑动套设在所述横梁上。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种标准类岩石试样预制裂隙制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：检查试验各部件是否完好，将两个钢筒半体合拢，然后将两个钢筒半体的组合体底部嵌入所述底座槽内，其顶部嵌入所述套筒环槽内；

步骤2：安装水平定位装置，将与所述横梁滑动设置的所述支脚底端滑动设置在所述水平定位装置槽内，与所述横梁固定连接的所述支脚底端铰接在所述水平定位装置槽内；

步骤3：确定裂隙位置，转动所述横梁，调整好水平定位装置的水平位置；

然后将所述钢针依次穿过所述座孔、所述钢针孔伸入所述模具内，所述钢针底端通过所述角度定位装置与所述锰钢片连接；所述角度定位装置中的所述固定座与所述锰钢片点胶连接，所述球头连接在所述钢针的底部；

调整好垂直方向位置后，所述钢针通过所述夹紧机构夹紧固定，通过旋转所述蝶形螺栓，由于螺杆在所述螺纹孔内，并且螺杆端部与所述夹紧块连接，所述夹紧块与所述固定块相对设置且逐渐靠近，直至将所述钢针夹紧；

最后通过角度定位装置调整锰钢片与钢针之间的夹角，进而调节锰钢片的空间角度；

步骤4：准备好试验所需要的类岩石材料，将类岩石材料按照试验所需要的压实度和含水率进行分层填筑，在填料过程中每当到达预制裂隙位置处，当预制锰钢片一部分嵌入类岩石材料中，割开所述固定座与所述锰钢片连接处的点胶，并松开所述夹紧机构，将所述钢针抽出，然后继续浇筑到下一个预制裂隙位置处，割开所述固定座与所述锰钢片连接处的点胶，并松开所述夹紧机构，将所述钢针抽出，继续浇筑直至完成；

步骤5：拆除所述套筒和底座，打开钢筒半体，将完成的试样取出，放入标准恒温恒湿箱中进行养护。