CN111896356A - 一种浇筑模具及用于模拟复合岩层的室内试样的制备方法 - Google Patents

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宋明
卢景景
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Abstract

本发明涉及浇筑模具及用于模拟复合岩层的室内试样的制备方法，该浇筑模具包括：立方体板、嵌入式底座及插销，嵌入式底座的顶面开设与立方体板的底端形状相适应的凹槽；嵌入式底座的下部开设有贯通凹槽的第一圆孔，立方体板对应第一圆孔的位置开设有第二圆孔；立方体板插入嵌入式底座的凹槽后，插销插入第一圆孔与第二圆孔后，将立方体板与嵌入式底座固定在一起。该制备方法通过浇筑模具获得水平层状的复合试样块，通过立式钻机将复合试样块固定在与钻头呈设定角度的位置后，从复合试样块中钻取具备设定倾角的圆柱形复合岩层试样。

Description

一种浇筑模具及用于模拟复合岩层的室内试样的制备方法
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，特别涉及一种浇筑模具及用于模拟复合岩层的室内试样的制备方法。
背景技术
随着我国隧道修建技术的迅速发展，交通隧道和水工隧洞等重大建设工程在施工过程中所面临的地形地质条件越来越具有挑战性。深部复合地层作为复杂地质条件的典型代表，全断面硬岩隧道掘进机在该种地层中掘进施工具有重大风险，如刀盘磨损、掘进率低，更甚者会发生卡机事故。在岩石力学领域，通过合理配制室内试验可以获得的复合地层试样，对于研究复合地层的变形和破坏规律，具有重要意义。
当前，岩石力学领域大多是通过对现场钻取的试样进行加工，开展单一地层的力学试验研究。少有的关于复合地层的研究是开展物理模型试验，通过分层铺设模型体获得复合岩体，具有经济成本高、模型制作困难等不便之处。针对室内常规三轴试验所开展的复合地层试验，所用试样也仅限于水平复合地层。实际上，工程现场所揭露的地层大多是具有一定倾角的复杂地层，因此，有必要采取合理的制作方法来获得满足不同倾角变化的复合岩层试样。
发明内容
本申请提供了浇筑模具及用于模拟复合岩层的室内试样的制备方法，解决或部分解决了现有技术无法获得倾角变化的复合岩层试样的技术问题，实现了能便捷获得倾角变化的复合岩层试样的技术效果。
本申请所提供的一种浇筑模具，包括：立方体板、嵌入式底座及插销，其中，
所述嵌入式底座的顶面开设与所述立方体板的底端形状相适应的凹槽；
所述嵌入式底座的下部开设有贯通所述凹槽的第一圆孔，所述立方体板对应所述第一圆孔的位置开设有第二圆孔；
所述立方体板插入所述嵌入式底座的凹槽后，所述插销插入所述第一圆孔与所述第二圆孔后，将所述立方体板与所述嵌入式底座固定在一起。
作为优选，所述嵌入式底座的下部并排设置有两个所述第一圆孔；所述立方体板设置有两个所述第二圆孔。
作为优选，所述立方体板的板厚10mm，尺寸为150mm×150mm×150mm。
基于同样的发明构思，本申请还提供了一种用于模拟复合岩层的室内试样的制备方法，包括以下步骤：
通过正交试验获得原型岩体的相似配比，通过相似配比制作满足试验要求的相似材料，所述相似材料包括；岩层Ⅰ材料和岩层Ⅱ材料；
将所述岩层Ⅰ材料和所述岩层Ⅱ材料依次交替放入所述浇筑模具中，直至填满所述浇筑模具；
浇筑完成后进行静置，待静置完成后拆除所述浇筑模具，浇筑产物放在温度20±2℃及相对湿度大于95％的环境中进行养护，养护完成后获得复合试样块；
通过立式钻机在所述复合试样块中钻取圆柱形复合岩层试样。
作为优选，所述相似材料的原材料包括：水泥、石英砂、铁粉。
作为优选，将所述岩层Ⅰ材料和所述岩层Ⅱ材料依次交替放入所述浇筑模具中，具体为：
先称取设定重量的所述岩层Ⅰ材料，放入所述浇筑模具中，通过振动台对所述浇筑模具进行振捣，使所述岩层Ⅰ材料的气泡排除，形成岩层Ⅰ；
再称取设定重量的所述岩层Ⅱ材料，平铺在所述岩层Ⅰ上，通过所述振动台对所述浇筑模具进行振捣，使所述岩层Ⅱ材料的气泡排除，形成岩层Ⅱ；
依次重复上述两个步骤，使所述岩层Ⅰ及所述岩层Ⅱ交替堆叠，直至填满所述浇筑模具。
作为优选，所述静置的时间控制为20～30小时。
作为优选，所述立式钻机包括：反力框架、支柱、钻机底座、伸缩支撑杆、钻头及摆动夹具，其中，
多根所述立柱垂直固定在所述钻机底座上；
所述反力框架固定在多根所述立柱的顶部；
多根所述伸缩支撑杆的底端分别固定在所述立柱上；
所述钻头竖直向下固定在所述反力框架的底部；
所述摆动夹具对应设置在所述钻头的下方；所述摆动夹具铰接在所述钻机底座上；
所述复合试样块放置在所述摆动夹具上，所述伸缩支撑杆顶紧所述复合试样块，通过摆动所述摆动夹具而调整所述复合试样块与所述钻头的相对角度，继而钻取不同倾角的所述圆柱形复合岩层试样。
作为优选，钻取完成后，通过切磨机打磨所述圆柱形复合岩层试样。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请的浇筑模具通过插销连接模具的两个组成部分，安装和拆卸时快捷方便，在保证插销润滑的前提下，减少了不必要的连接部件，大大节省了准备模具的时间。本申请的制备方法通过浇筑模具获得水平层状的复合试样块，通过立式钻机将复合试样块固定在与钻头呈设定角度的位置后，从复合试样块中钻取的圆柱形复合岩层试样则具备了设定的倾角。
附图说明
图1为本申请实施例提供的浇筑模具的结构示意图；
图2为图1的分解示意图；
图3为本申请实施例提供的浇筑好的立方体水平岩层的复合试样块的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的立式钻机的结构示意图；
图5为本申请实施例提供的不同倾角的圆柱形复合岩层试样的示意图。
附图中各标号代表的部件依次为：
1浇筑模具、2复合试样块、3圆柱形复合岩层试样、4反力框架、5支柱、6钻机底座、7伸缩支撑杆、8钻头、9摆动夹具、11立方体板、12嵌入式底座、13插销、14凹槽、15第二圆孔、16第一圆孔、21岩层Ⅰ、22岩层Ⅱ。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
附图1为本申请的制作复合地层试验的浇筑模具1，该浇筑模具1的具体组成见附图2，主要由立方体板11、嵌入式底座12和插销13组成。立方体板的是一层厚度为10mm厚的金属板，截面的尺寸与嵌入式底座12上的凹槽14尺寸一致。试样制作之前需要将浇筑模具1安装到位，主要是将立方体板11出入凹槽14内，通过插销13依次穿过嵌入式底座12的第一圆孔16和立方体板11的第二圆孔15，使立方体板紧紧固定在嵌入式底座上。
上述浇筑模具1的优点是通过插销13连接模具的两个组成部分，安装和拆卸时快捷方便，在保证插销13润滑的前提下，减少了不必要的连接部件，大大节省了准备模具的时间。
本申请的复合地层试样并非现场直接获取的岩石试样的排列组合，而是通过正交试验获得原型岩体的相似配比，通过相似配比制作满足试验要求的相似材料。相似原材料一般主要包括水泥、石英砂、铁粉等易于获取的材料。
图3所示为浇筑完成的立方体复合试样块2，其尺寸为150mm×150mm×150mm(长×宽×高)。该复合试样块2的浇筑过程如下：(1)通过正交试验获得复合地层中岩层Ⅰ21和岩层Ⅱ22的相似配比；(2)分层浇筑相似材料，具体而言，先称取一定重量岩层Ⅰ的配比材料放入浇筑模具，然后将浇筑模具放在振动台上振捣模具内的相似材料，使材料内的气泡排除；(3)称取称取一定重量岩层Ⅱ的相似材料，平铺在已经振捣完成的岩层Ⅰ之上，继续开启振动台振捣，此时模具内已经有两层性质不同的岩层，即组成了一组复合地层；(4)按照步骤(2)和步骤(3)依次铺设两种岩层材料，直至填满模具的高度，如图3所示；(5)将浇筑完成的复合试样块2静置24h，待其自然成型后，拆除模具，然后放在温度20±2℃及相对湿度大于95％的环境中进行养护，养护完成后获得复合试样块。
图4所示为用于钻取养护好的立方体复合试样块2的立式钻机。该立式钻机主要包括反力框架4、支柱5、钻机底座6、伸缩支撑杆7、钻头8及摆动夹具9。获得室内试验所需的圆柱形复合岩层试样3时，需将养护好的立方体复合试样块2放置在摆动夹具9上，然后用钻头8钻取成圆柱形试样，最后通过切磨机打磨试样的两端，制成满足室内试验要求的圆柱形复合岩层试样3。需要说明的是，本申请中所浇筑的立方体复合试样块2为水平层状复合岩体试样，由于钻头8是沿竖直方向钻取，因此摆动夹具9的摆动是为了使立方体复合试样块2与水平方向呈不同的夹角，从而钻取不同倾角的圆柱形复合岩层试样3。当摆动夹具9摆动至需要的角度位置时，四个伸缩支撑杆7可以直接接触到试样的不同位置，使试样在钻头8的钻取过程保持稳定而不发生晃动。
图5为通过该制作流程所获取具有不同倾角的圆柱形复合岩层试样的示意图。通过本制备方法可以获得不同θ角度的复合岩层试样，值得说明的是，试验岩石力学试验除了常规三轴条件下采用圆柱形试样，在真三轴条件下需要采取长方体试样。同样可以借助本制作方法，首先获取水平层状复合岩体试样，然后可以通过指定的摆动夹具9，放置在线切割等工作台上，以此获得长方体所需的真三轴复合岩层试样。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种浇筑模具，其特征在于，包括：立方体板、嵌入式底座及插销，其中，
所述嵌入式底座的顶面开设与所述立方体板的底端形状相适应的凹槽；
所述嵌入式底座的下部开设有贯通所述凹槽的第一圆孔，所述立方体板对应所述第一圆孔的位置开设有第二圆孔；
所述立方体板插入所述嵌入式底座的凹槽后，所述插销插入所述第一圆孔与所述第二圆孔后，将所述立方体板与所述嵌入式底座固定在一起。
2.如权利要求1所述的浇筑模具，其特征在于，所述嵌入式底座的下部并排设置有两个所述第一圆孔；所述立方体板设置有两个所述第二圆孔。
3.如权利要求1所述的浇筑模具，其特征在于，所述立方体板的板厚10mm，尺寸为150mm×150mm×150mm。
4.一种用于模拟复合岩层的室内试样的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过正交试验获得原型岩体的相似配比，通过相似配比制作满足试验要求的相似材料，所述相似材料包括；岩层Ⅰ材料和岩层Ⅱ材料；
将所述岩层Ⅰ材料和所述岩层Ⅱ材料依次交替放入权利要求1～3任一项所述的浇筑模具中，直至填满所述浇筑模具；
浇筑完成后进行静置，待静置完成后拆除所述浇筑模具，浇筑产物放在温度20±2℃及相对湿度大于95％的环境中进行养护，养护完成后获得复合试样块；
通过立式钻机在所述复合试样块中钻取圆柱形复合岩层试样。
5.如权利要求4所述的用于模拟复合岩层的室内试样的制备方法，其特征在于，所述相似材料的原材料包括：水泥、石英砂、铁粉。
6.如权利要求4所述的用于模拟复合岩层的室内试样的制备方法，其特征在于，将所述岩层Ⅰ材料和所述岩层Ⅱ材料依次交替放入所述浇筑模具中，具体为：
先称取设定重量的所述岩层Ⅰ材料，放入所述浇筑模具中，通过振动台对所述浇筑模具进行振捣，使所述岩层Ⅰ材料的气泡排除，形成岩层Ⅰ；
再称取设定重量的所述岩层Ⅱ材料，平铺在所述岩层Ⅰ上，通过所述振动台对所述浇筑模具进行振捣，使所述岩层Ⅱ材料的气泡排除，形成岩层Ⅱ；
依次重复上述两个步骤，使所述岩层Ⅰ及所述岩层Ⅱ交替堆叠，直至填满所述浇筑模具。
7.如权利要求4所述的用于模拟复合岩层的室内试样的制备方法，其特征在于，所述静置的时间控制为20～30小时。
8.如权利要求4所述的用于模拟复合岩层的室内试样的制备方法，其特征在于，所述立式钻机包括：反力框架、支柱、钻机底座、伸缩支撑杆、钻头及摆动夹具，其中，
多根所述立柱垂直固定在所述钻机底座上；
所述反力框架固定在多根所述立柱的顶部；
多根所述伸缩支撑杆的底端分别固定在所述立柱上；
所述钻头竖直向下固定在所述反力框架的底部；
所述摆动夹具对应设置在所述钻头的下方；所述摆动夹具铰接在所述钻机底座上；
所述复合试样块放置在所述摆动夹具上，所述伸缩支撑杆顶紧所述复合试样块，通过摆动所述摆动夹具而调整所述复合试样块与所述钻头的相对角度，继而钻取不同倾角的所述圆柱形复合岩层试样。
9.如权利要求4所述的用于模拟复合岩层的室内试样的制备方法，其特征在于，钻取完成后，通过切磨机打磨所述圆柱形复合岩层试样。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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