CN113281142B - 一种深部岩石相似材料真三轴试样制作模具及成型方法 - Google Patents

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Abstract

一种深部岩石相似材料真三轴试样制作模具及成型方法，包括围板及插板；所述围板分为第一围板和第二围板，在第一围板和第二围板的两个端面处分别等间距设置有多个隔断式燕尾形凸台和隔断式燕尾形凹槽，第一围板和第二围板通过隔断式燕尾形凹槽和隔断式燕尾形凸台配合形成筒状体；在第一围板和第二围板的上分别开设有穿透的矩形凹槽和未穿透的矩形凹槽；所述插板分为第一插板和第二插板，第一插板和第二插板分别插入位于上部的穿透的矩形凹槽和位于下部的穿透的矩形凹槽内，所述筒状体一端设置底座，另一端设置压头。解决现有技术中模具制样单面压实均匀性差、精度低、成样后需再次打磨加工、脱模扰动大以及制作真三轴试样困难的技术问题。

Description

一种深部岩石相似材料真三轴试样制作模具及成型方法
技术领域
本发明属于岩土工程物理模拟试验技术领域，具体涉及一种深部岩石相似材料真三轴试样制作模具及成型方法。
背景技术
深部工程岩体处于真三向应力状态σ1＞σ2＞σ3，研究表明中间主应力对岩体的力学性质影响较大，常规三轴σ1＞σ2＝σ3力学试验已无法准确再现岩体的变形破坏行为。此外，高地应力条件下深部岩体的岩爆、片帮、大变形等地质灾害是困扰隧道与地下工程界的重大地质问题，已经成为地下工程世界性的技术难题。由于深部岩体特别是深部软岩取样制样困难，岩样之间离散性大，难以开展室内真三轴试验研究，而现场试验影响因素复杂，开挖对试验对象影响难以评估，因此，直接开展现场试验，难以揭示深部岩体的变形破坏机理。因此，有必要通过深部岩体相似材料的真三轴试样开展相关力学试验，以及三维物理模型试验再现现场的工程环境，设定不同的影响因素，深入研究深部岩体在真实复杂应力状态的变形破坏行为和力学机理。
深部岩体在成岩过程中经历了长期的高温高压环境，因此相似材料需要经过高的密实压力。现有的塑料模具不能承受较高的密实压力；而目前市场上的钢模大多为圆柱形模具，无法开展真三轴试验研究，而且大多模具只能实现单面密实，容易造成试样上密下松，且采用螺栓紧固围板存在锁紧力度个体性差异问题，因此试样精度也有所不同，垂直度低。再者，在相似材料初凝后需使用压力机进行密实，恒定压力密实后的试样外形尺寸与标准尺寸差距大，需要进一步切割打磨，耗时耗力，而且切割试样还会对试样造成扰动和损伤。最后，常规的模具将围板拆开或者将试样顶出进行脱模，容易在脱模过程中对试样造成损坏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种深部岩石相似材料真三轴试样制作模具及成型方法，解决现有技术中模具制样单面压实均匀性差、精度低、成样后需再次打磨加工、脱模扰动大以及制作真三轴试样困难的技术问题。
一种深部岩石相似材料真三轴试样制作模具，包括底座、围板、插板、加长套筒及压头；所述围板分为第一围板和第二围板，第一围板和第二围板结构相同，均是截面为直角形的围板，在第一围板和第二围板的其中一个端面处等间距设置有多个隔断式燕尾形凸台，另一个端面处等间距设置有与隔断式燕尾形凸台数量相同且一一对应的隔断式燕尾形凹槽，第一围板通过其上的隔断式燕尾形凹槽和隔断式燕尾形凸台分别与第二围板的隔断式燕尾形凸台和隔断式燕尾形凹槽配合形成截面为方形的筒状体；在第一围板和第二围板的一个内表面上部和下部分别开设有穿透的矩形凹槽，另一个内表面上部和下部分别开设有未穿透的矩形凹槽；位于上部的矩形凹槽与位于下部的矩形凹槽之间的间距为制作试样的高度；所述插板分为第一插板和第二插板，第一插板和第二插板分别插入位于上部的穿透的矩形凹槽和位于下部的穿透的矩形凹槽内，所述底座上表面设置有嵌入筒状体一端开口内且与筒状体内壁相配合的方形凸台，筒状体另一端与加长套筒一端连接，加长套筒另一端安装有嵌入加长套筒内的压头。
所述加长套筒内壁是与试样横截面一致的方形，加长套筒一端端面的两个对角位置设有螺栓孔，第一围板和第二围板的端面直角处设置有与加长套筒对应的螺栓孔，通过紧固螺栓将加长套筒与筒状体连为一体。
所述压头接触试样的截面尺寸小于试样的截面尺寸，可放进筒状体的内壁以及加长套筒的内壁，对试样进行压密。
一种深部岩石相似材料真三轴试样成型方法，采用一种深部岩石相似材料真三轴试样制作模具，包括以下步骤：
步骤1，将深部岩石相似材料的骨料、胶结材料搅拌均匀，获得混合固料，将水加入所述混合固料中，并搅拌均匀，试样材料制作完成；
步骤2，在第一围板和第二围板内壁以及底座上表面刷脱模剂，并将第一围板、第二围板及底座互相配合形成一端开口的筒状体；若试样材料被压缩后，试样上表面低于筒状体位于上部的未穿透的矩形凹槽，则在筒状体的开口端通过螺栓连接加长套筒，保证在密实后，高度仍满足要求；
步骤3，在筒状体内间隔浇筑步骤1制作好的试样材料，每浇筑3-4cm高度后，需进行8-10次捣固，然后再次进行浇筑，直至试样材料将制作模具填满；
步骤4，浇筑完成后，静置40min-1h，待试样材料初凝，将压力机输出轴与压头进行连接，并设定规定的压力，规定压力为1MPa-10MPa，密实压力根据所要制备试样材料试样的性质而定，通过压力机带动压头下移对制作模具中的试样材料进行密实；
步骤5，密实完成后，将第一插板插入筒状体上部穿透的矩形凹槽；
步骤6，取下底座，将制作模具倒置，并将压头嵌入筒状体安装底座一端，压力机设定参数不变，通过压力机对制作模具中的试样材料反方向密实；
步骤7，密实完成后，将第二插板插入筒状体下部穿透的矩形凹槽，形成真三轴试样；
步骤8，放置1-2天后，取下第一插板和第二插板；
步骤9，将脱模工具的可拆卸挡板的顶紧螺栓松开，将装有制作好的试样的制作模具放置在脱模底座上，且保证第二围板位于脱模底座内，然后拧紧顶紧螺栓将可拆卸挡板紧固，使得制作模具固定；当安装有加长套筒时，需先拆下加长套筒，然后装有制作好的试样的制作模具放置在脱模底座上；旋转脱模底座五边形端板端部的顶丝螺栓推动第一围板向前移动，使得第一围板的隔断式燕尾形凸台与第二围板的隔断式燕尾形凹槽完全错开，卸掉第一围板，取出试样，完成脱模；将脱模后的试样放入恒温恒湿养护箱内进行养护。
所述脱模工具包括脱模底座、可拆卸挡板、截面为三角形的侧板及五边形端板，脱模底座上表面处对称安装有侧板，且两个侧板沿脱模底座的长度方向设置，两个侧板形成放置围板的直角空间，两个侧板一端一体成型有五边形端板，且在五边形端板的顶部螺接有顶丝螺栓，另一端通过顶紧螺栓连接有可拆卸挡板。
本发明的有益效果是：
1、本模具围板为直角形，两个围板组合，可制作真三轴试样；本模具所做试样在密实时，可双面密实，使得试样均匀。
2、两个围板通过隔断式燕尾形凸台和凹槽进行配合，垂直度高；在试样密实后，通过插板将高出试样设定高度的材料切除，直接制成规定高度的试样，在成样后不再需要切割打磨，减少对试样的扰动。
3、配合了加长套筒，可对不同压缩性的材料进行压密。
4、通过旋转脱模底座五边形端部的顶丝螺栓推动第一围板向前移动，使得第一围板的隔断式燕尾形凸台与第二围板的隔断式燕尾形凹槽完全错开，即可使第一围板和第二围板脱开，完成脱模，避免了脱模过程中模具对试样的破坏。
附图说明
图1本发明一种深部岩石相似材料真三轴试样制作模具的三维示意图；
图2本发明一种深部岩石相似材料真三轴试样制作模具的剖视图；
图3本发明一种深部岩石相似材料真三轴试样制作模具的围板示意图；
图4本发明一种深部岩石相似材料真三轴试样制作模具的围板俯视图；
图5本发明一种深部岩石相似材料真三轴试样制作模具与脱模工具配合示意图；
图6本发明脱模工具示意图；
1、底座；2-1、第一围板；2-2、第二围板；3-1、第一插板；3-2、第二插板；4-1、紧固螺栓；4-2、顶紧螺栓；4-3、顶丝螺栓；5、加长套筒；6、压头；7、隔断式燕尾形凸台；8、隔断式燕尾形凹槽；9、螺栓孔；10、可拆卸挡板；11、脱模底座；12、侧板；13、五边形端板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1至图6所示，一种深部岩石相似材料真三轴试样制作模具，包括底座1、围板、插板、加长套筒5及压头6；所述围板分为第一围板2-1和第二围板2-2，第一围板2-1和第二围板2-2结构相同，均是截面为直角形的围板，在第一围板2-1和第二围板2-2的其中一个端面处等间距设置有多个隔断式燕尾形凸台7，另一个端面处等间距设置有与隔断式燕尾形凸台7数量相同且一一对应的隔断式燕尾形凹槽8，第一围板2-1通过其上的隔断式燕尾形凹槽8和隔断式燕尾形凸台7分别与第二围板2-2的隔断式燕尾形凸台7和隔断式燕尾形凹槽8配合形成截面为方形的筒状体；在第一围板2-1和第二围板2-2的一个内表面上部和下部分别开设有穿透的矩形凹槽，另一个内表面上部和下部分别开设有未穿透的矩形凹槽；位于上部的矩形凹槽与位于下部的矩形凹槽之间的间距为制作试样的高度；所述插板分为第一插板3-1和第二插板3-2，第一插板3-1和第二插板3-2分别插入筒状体位于上部的穿透的矩形凹槽和位于下部的穿透的矩形凹槽内，所述底座1上表面设置有嵌入筒状体一端开口内且与筒状体内壁相配合的方形凸台，筒状体另一端与加长套筒5一端连接，加长套筒5另一端安装有嵌入加长套筒5内的压头6。
所述加长套筒5内壁是与试样横截面一致的方形，加长套筒5一端端面的两个对角位置设有螺栓孔9，第一围板2-1和第二围板2-2的端面直角处设置有与加长套筒5对应的螺栓孔9，通过紧固螺栓4-1将加长套筒5与筒状体连为一体。
所述压头6接触试样的截面尺寸小于试样的截面尺寸，可放进筒状体的内壁以及加长套筒5的内壁，对试样进行压密。
一种深部岩石相似材料真三轴试样成型方法，采用一种深部岩石相似材料真三轴试样制作模具，包括以下步骤：
步骤1，将深部岩石相似材料的骨料、胶结材料搅拌均匀，获得混合固料，将水加入所述混合固料中，并搅拌均匀，试样材料制作完成；
步骤2，在第一围板2-1和第二围板2-2内壁以及底座1上表面刷脱模剂，并将第一围板2-1、第二围板2-2及底座1互相配合形成一端开口的筒状体；若试样材料被压缩后，试样上表面低于筒状体位于上部的未穿透的矩形凹槽，则在筒状体的开口端通过螺栓连接加长套筒5，通过多添加试样材料，保证在密实后，高度仍满足要求；
步骤3，在筒状体内间隔浇筑步骤1制作好的试样材料，每浇筑4cm高度后，需进行10次捣固，然后再次进行浇筑，直至试样材料将制作模具填满；
步骤4，浇筑完成后，静置1h，待试样材料初凝，将压力机输出轴与压头6进行连接，并设定规定的压力，规定压力为5MPa，密实压力根据所要制备试样材料试样的性质而定，通过压力机带动压头6下移对制作模具中的试样材料进行密实；
步骤5，密实完成后，将第一插板3-1插入筒状体上部穿透的矩形凹槽；
步骤6，取下底座1，将制作模具倒置，并将压头6嵌入筒状体安装底座1一端，压力机设定参数不变，通过压力机对制作模具中的试样材料反方向密实；
步骤7，密实完成后，将第二插板3-2插入筒状体下部穿透的矩形凹槽，形成真三轴试样；
步骤8，放置2天后，取下第一插板3-1和第二插板3-2；
步骤9，将脱模工具的可拆卸挡板10的顶紧螺栓4-2松开，将装有制作好的试样的制作模具放置在脱模底座11上，且保证第二围板2-2位于脱模底座11内，然后拧紧顶紧螺栓4-2将可拆卸挡板10紧固，使得制作模具固定；当安装有加长套筒5时，需先拆下加长套筒5，然后装有制作好的试样的制作模具放置在脱模底座11上；旋转脱模底座11五边形端板13端部的顶丝螺栓4-3推动第一围板2-1向前移动，使得第一围板2-1的隔断式燕尾形凸台7与第二围板2-2的隔断式燕尾形凹槽8完全错开，卸掉第一围板2-1，取出试样，完成脱模；将脱模后的试样放入恒温恒湿养护箱内进行养护。
所述脱模工具包括脱模底座11、可拆卸挡板10、截面为三角形的侧板12及五边形端板13，脱模底座11上表面处对称安装有侧板12，且两个侧板12沿脱模底座11的长度方向设置，两个侧板12形成放置围板的直角空间，两个侧板12一端一体成型有五边形端板13，且在五边形端板13的顶部螺接有顶丝螺栓4-3，另一端通过顶紧螺栓4-2连接有可拆卸挡板10。

Claims (3)

1.一种深部岩石相似材料真三轴试样成型方法，其中深部岩石相似材料真三轴制作模具包括底座、围板、插板及压头；所述围板分为第一围板和第二围板，第一围板和第二围板结构相同，均是截面为直角形的围板，在第一围板和第二围板的其中一个端面处等间距设置有多个隔断式燕尾形凸台，另一个端面处等间距设置有与隔断式燕尾形凸台数量相同且一一对应的隔断式燕尾形凹槽，第一围板通过其上的隔断式燕尾形凹槽和隔断式燕尾形凸台分别与第二围板的隔断式燕尾形凸台和隔断式燕尾形凹槽配合形成截面为方形的筒状体；在第一围板和第二围板的一个内表面上部和下部分别开设有穿透的矩形凹槽，另一个内表面上部和下部分别开设有未穿透的矩形凹槽；位于上部的矩形凹槽与位于下部的矩形凹槽之间的间距为制作试样的高度；所述插板分为第一插板和第二插板，第一插板和第二插板分别插入位于上部的穿透的矩形凹槽和位于下部的穿透的矩形凹槽内，所述底座上表面设置有嵌入筒状体一端开口内且与筒状体内壁相配合的方形凸台，筒状体另一端嵌入安装有压头；所述筒状体与压头之间设置有加长套筒，加长套筒一端与筒状体通过螺栓连接，另一端安装有嵌入加长套筒内的压头；其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将深部岩石相似材料的骨料、胶结材料搅拌均匀，获得混合固料，将水加入所述混合固料中，并搅拌均匀，试样材料制作完成；
步骤2，在第一围板和第二围板内壁以及底座上表面刷脱模剂，并将第一围板、第二围板及底座互相配合形成一端开口的筒状体；若试样材料被压缩后，试样上表面低于筒状体位于上部的未穿透的矩形凹槽，则在筒状体的开口端通过螺栓连接加长套筒，保证在密实后，高度仍满足要求；
步骤3，在筒状体内间隔浇筑步骤1制作好的试样材料，每浇筑3-4cm高度后，需进行8-10次捣固，然后再次进行浇筑，直至试样材料将制作模具填满；
步骤4，浇筑完成后，静置40min-1h，待试样材料初凝，将压力机输出轴与压头进行连接，并设定规定的压力，规定压力为1MPa-10MPa，密实压力根据所要制备试样材料试样的性质而定，通过压力机带动压头下移对制作模具中的试样材料进行密实；
步骤5，密实完成后，将第一插板插入筒状体上部穿透的矩形凹槽；
步骤6，取下底座，将制作模具倒置，并将压头嵌入筒状体安装底座一端，压力机设定参数不变，通过压力机对制作模具中的试样材料反方向密实；
步骤7，密实完成后，将第二插板插入筒状体下部穿透的矩形凹槽，形成真三轴试样；
步骤8，放置1-2天后，取下第一插板和第二插板；
步骤9，将脱模工具的可拆卸挡板的顶紧螺栓松开，将装有制作好的试样的制作模具放置在脱模底座上，且保证第二围板位于脱模底座内，然后拧紧顶紧螺栓将可拆卸挡板紧固，使得制作模具固定；当安装有加长套筒时，需先拆下加长套筒，然后装有制作好的试样的制作模具放置在脱模底座上；旋转脱模底座五边形端板端部的顶丝螺栓推动第一围板向前移动，使得第一围板的隔断式燕尾形凸台与第二围板的隔断式燕尾形凹槽完全错开，卸掉第一围板，取出试样，完成脱模；将脱模后的试样放入恒温恒湿养护箱内进行养护；
所述脱模工具包括脱模底座、可拆卸挡板、截面为三角形的侧板及五边形端板，脱模底座上表面处对称安装有侧板，且两个侧板沿脱模底座的长度方向设置，两个侧板形成放置围板的直角空间，两个侧板一端一体成型有五边形端板，且在五边形端板的顶部螺接有顶丝螺栓，另一端通过顶紧螺栓连接有可拆卸挡板。
2.根据权利要求1所述的一种深部岩石相似材料真三轴试样成型方法，其特征在于：所述加长套筒内壁是与试样横截面一致的方形，加长套筒一端端面的两个对角位置设有螺栓孔，第一围板和第二围板的端面直角处设置有与加长套筒对应的螺栓孔，通过紧固螺栓将加长套筒与筒状体连为一体。
3.根据权利要求1所述的一种深部岩石相似材料真三轴试样成型方法，其特征在于：所述压头接触试样的截面尺寸小于试样的截面尺寸，可放进筒状体的内壁以及加长套筒的内壁，对试样进行压密。
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