CN113776914B - 应力环境中结构面上下盘试件一体化制作装置和制作方法 - Google Patents
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Abstract
应力环境中结构面上下盘试件一体化制作装置和制作方法，属于岩土工程技术领域，该制作装置包括施力框架及结构面上下盘一体制作盒；所述施力框架包括千斤顶、框架及垫块，所述千斤顶固定安装于框架内部上侧，垫块固定安装于框架内部下侧，所述垫块上侧圆心处设置一个圆柱体凸起，所述结构面上下一体制作盒固定安装于垫块上表面处。该制作方法主要包括：安装所述装置；浇筑岩石相似材料和振捣密实抹平处理；封闭加压；脱模。本发明能模拟岩石成岩过程中的应力环境，使结构面上下盘试件具有高度密实性、均质性和高强度特征，且结构面中上下盘试件自对中，对岩石结构面的研究具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，特别涉及应力环境中结构面上下盘试件一体化制作装置和制作方法。
背景技术
天然岩体中包含了大量结构面，结构面对于岩体的稳定性起到了控制性作用，基于此，国内外学者对岩体的结构面力学特征展开了大量研究。由于天然结构面取样难且存在差异性、非均质性和各向异性等难题，因此，目前结构面试件的获取主要采用实验室制作的方式。
传统制作结构面试样时通常简单地将上下盘结构面模具放入特制倒模盒中，再进行填料浇筑、振捣密实、养护得到结构面试件，该方法获得的结构面试件明显存在以下问题：
1、人工密实的不均匀性，人为因数影响较大，得到的试件存在明显差异性且达不到深部工程中岩体的高致密性；
2、结构面上下盘试件分开制作，上下盘合并对中困难且误差较大；
3、岩体结构面壁板岩在成岩过程处于长期应力环境之中，传统制作方法没有考虑结构面壁板成岩应力环境，使得试件结构面壁面强度JCS值偏低。
基于此，本发明提供应力环境中结构面上下盘试件一体化制作装置和制作方法，以解决传统方法存在的上述难题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供应力环境中结构面上下盘试件一体化制作装置，该制作装置包括施力框架及结构面上下盘一体制作盒；所述施力框架包括千斤顶、框架及垫块，所述千斤顶固定安装于框架内部上侧，垫块固定安装于框架内部下侧，所述垫块上侧圆心处设置一个圆柱体凸起，所述结构面上下一体制作盒固定安装于垫块上表面处。
所述结构面上下盘一体制作盒包括制作盒体、活塞式压块Ⅰ、活塞式压块Ⅱ及结构面上下盘一体模具，所述制作盒体内腔上端和下端分别通过螺丝Ⅰ安装有活塞式压块Ⅰ和活塞式压块Ⅱ，且在活塞式压块Ⅰ和活塞式压块Ⅱ之间安装有通过销子固定在制作盒体上的结构面上下盘一体模具，活塞式压块Ⅰ与结构面上下盘一体模具形成上盘试件填料空腔体，上盘试件填料空腔体用于制作上盘试件，活塞式压块Ⅱ与结构面上下盘一体模具形成下盘试件填料空腔体，下盘试件填料空腔体用于制作下盘试件。
所述制作盒体包括凹型钢槽和上覆盖板，所述凹型钢槽平行设置的两侧板板面分别开设有螺孔Ⅰ和销孔，且销孔位于侧板板面中部设置，所述凹型钢槽平行设置的两侧板板面边缘开设有螺孔Ⅱ；所述上覆盖板为凸型钢板，侧边开设有与螺孔Ⅱ对应的螺孔Ⅲ；凹型钢槽和上覆盖板通过在螺孔Ⅱ和螺孔Ⅲ内安装螺丝Ⅱ连为一体形成上下开放的制作盒体。
所述活塞式压块Ⅰ包括方形压块基体，方形压块基体侧壁上部和下部均开设有环状凹槽，且在环状凹槽内设置有密封圈，方形压块基体其中一组平行设置的两个侧壁上均对称开设有螺孔Ⅳ。
所述活塞式压块Ⅱ包括方形压块基体，方形压块基体侧壁上部和下部均开设有环状凹槽，且在环状凹槽内设置有密封圈，方形压块基体其中一组平行设置的两个侧壁上均对称开设有螺孔Ⅴ，方形压块基体下底面中心处开设有与圆柱体凸起配合的圆形凹槽。
所述结构面上下盘一体模具的上表面和下表面与上盘试件和下盘试件的型面形状相同。
一种应力环境中结构面上下盘试件一体化制作方法，采用应力环境中结构面上下盘试件一体化制作装置，包括以下步骤：
步骤1：将结构面上下盘一体模具置于结构面上下盘一体制作盒的凹型钢槽正中间位置并通过销子固定，将活塞式压块Ⅰ、活塞式压块Ⅱ分别置于结构面上下盘一体制作盒的凹型钢槽上下两侧，并通过螺丝Ⅰ固定，形成上盘试件填料空腔体和下盘试件填料空腔体；
步骤2：在安装好的结构面上下盘一体制作盒填料空腔体区域均匀的涂抹一层脱模剂；
步骤3：将调配的岩石相似材料浇筑在上盘试件填料空腔体和下盘试件填料空腔体内，并振捣密实和表面抹平处理；
步骤4：待浇筑的相似材料初凝后，在结构面上下盘一体制作盒的上覆盖板上涂抹一层脱模剂，再将上覆盖板安装于凹型钢槽上，并拧紧连接上覆盖板的螺丝，密封初凝试件；
步骤5：通过将结构面上下盘一体制作盒上的活塞式压块Ⅱ上的圆形凹槽对准垫块的圆柱体凸起，将结构面上下盘一体制作盒竖直置于施力框架之中；
步骤6：操纵千斤顶，待其与活塞式压块Ⅰ接触后，将固定活塞式压块Ⅰ和固定活塞式压块Ⅱ上的螺丝Ⅰ松开，持续施加压力直至试件终凝；
步骤7：拆模，上盘试件和下盘试件制作完成。
本发明的有益效果主要表现在：
本发明通过施力框架、千斤顶和垫块的组合使中间结构面上下盘试件得到高强度密实，更贴近深部工程中原生岩石结构面面壁强度指标，同时本发明操作简单、效率高，能通过调整不同压力大小得到不同程度岩石成岩应力环境的模拟；逆向软件直接构建同时具有上下盘结构面点云数据的结构面模型，能够完美解决分开浇筑的试件结构面对中的问题；上下盘试件同时一体制作，方便快捷，同时使得上下盘试件所受压力一样，解决了分开制作时的密实程度不一致问题。
附图说明
图1 本发明应力环境中结构面上下盘试件一体化制作装置主视图；
图2 本发明应力环境中结构面上下盘试件一体化制作装置侧视图；
图3本发明应力环境中结构面上下盘试件一体化制作装置的施力框架示意图；
图4本发明应力环境中结构面上下盘试件一体化制作装置的凹型钢槽示意图；
图5本发明应力环境中结构面上下盘试件一体化制作装置的上覆盖板示意图；
图6本发明应力环境中结构面上下盘试件一体化制作装置的活塞式压块Ⅱ示意图；
图7本发明应力环境中结构面上下盘试件一体化制作装置的结构面上下盘一体制作盒示意图；
1-施力框架，101-框架，102-千斤顶，103-垫块，104-圆柱体凸起，2-结构面上下盘一体制作盒，201-凹型钢槽，202-上覆盖板，203-螺孔Ⅰ，204-螺孔Ⅱ，205-螺孔Ⅲ，206-销孔，3A-活塞式压块Ⅰ，3B-活塞式压块Ⅱ，301-螺孔Ⅴ，302-密封圈，303-圆形凹槽，304-方形压块基体，4-结构面上下盘一体模具，5-螺丝Ⅰ，6-螺丝Ⅱ，7-销子。
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7所示，应力环境中结构面上下盘试件一体化制作装置，该制作装置包括施力框架1及结构面上下盘一体制作盒2；所述施力框架1包括千斤顶102、框架101及垫块103，所述千斤顶102固定安装于框架101内部上侧，垫块103固定安装于框架101内部下侧，所述垫块103上侧圆心处设置一个圆柱体凸起104，所述结构面上下盘一体制作盒2固定安装于垫块103上表面处。
所述结构面上下盘一体制作盒2包括制作盒体、活塞式压块Ⅰ3A、活塞式压块Ⅱ3B及结构面上下盘一体模具4，所述制作盒体内腔上端和下端分别通过螺丝Ⅰ5安装有活塞式压块Ⅰ3A和活塞式压块Ⅱ3B，且在活塞式压块Ⅰ3A和活塞式压块Ⅱ3B之间安装有通过销子6固定在制作盒体上的结构面上下盘一体模具4，活塞式压块Ⅰ3A与结构面上下盘一体模具4形成上盘试件填料空腔体，上盘试件填料空腔体用于制作上盘试件，活塞式压块Ⅱ3B与结构面上下盘一体模具4形成下盘试件填料空腔体，下盘试件填料空腔体用于制作下盘试件；结构面上下盘一体模具4的内部长宽尺寸大于垫块103的长宽尺寸，以使在千斤顶102施加压力的作用下，千斤顶102促使活塞式压块Ⅰ3A产生向下的运动，同时垫块103相对于结构面上下盘一体模具4产生相对移动促使活塞式压块Ⅱ3B产生向上的运动。
所述制作盒体包括凹型钢槽201和上覆盖板202，所述凹型钢槽201平行设置的两侧板板面分别开设有螺孔Ⅰ203和销孔206，且销孔206位于侧板板面中部设置，所述凹型钢槽201平行设置的两侧板板面边缘开设有螺孔Ⅱ204；所述上覆盖板202为凸型钢板，侧边开设有与螺孔Ⅱ204对应的螺孔Ⅲ205；凹型钢槽201和上覆盖板202通过在螺孔Ⅱ204和螺孔Ⅲ205内安装螺丝Ⅱ6连为一体形成上下开放的制作盒体。
所述活塞式压块Ⅰ3A包括方形压块基体304，方形压块基体304侧壁上部和下部均开设有环状凹槽，且在环状凹槽内设置有密封圈302，方形压块基体304其中一组平行设置的两个侧壁上均对称开设有螺孔Ⅳ。
所述活塞式压块Ⅱ3B包括方形压块基体304，方形压块基体304侧壁上部和下部均开设有环状凹槽，且在环状凹槽内设置有密封圈302，方形压块基体304其中一组平行设置的两个侧壁上均对称开设有螺孔Ⅴ301，方形压块基体304下底面中心处开设有与圆柱体凸起104配合的圆形凹槽303。
所述结构面上下盘一体模具4的上表面和下表面与上盘试件和下盘试件的型面形状相同。
本实施例中：
所述千斤顶102选用短型液压千斤顶，型号为RSC5050，最大荷载50吨；
所述结构面上下盘一体制作盒2内部横截面尺寸为100mm×100mm；
所述结构面上下盘一体模具4的上表面和下表面分别具有结构面上盘试件和下盘试件的三维形貌特征。
一种应力环境中结构面上下盘试件一体化制作方法，采用应力环境中结构面上下盘试件一体化制作装置，包括以下步骤：
步骤1：结构面上下盘一体模具4通过三维扫描、逆向建模、3D打印机制作而成，通过三维扫描仪扫描原生岩体结构面，三维扫描仪型号为XTOM-MATRIX-9M，获取结构面三维形貌的点云数据，将点云数据导入逆向建模软件Geomagic Studio2013进行处理，建立尺寸为100mm×100mm×30mm的结构面上下盘一体模具4的结构面模型，将结构面模型导入3D打印机制作结构面上下盘一体模具4，制作完成后，将结构面上下盘一体模具4置于结构面上下盘一体制作盒2的凹型钢槽201正中间位置并通过销子6固定，将活塞式压块Ⅰ3A、活塞式压块Ⅱ3B分别置于结构面上下盘一体制作盒2的凹型钢槽201上下两侧，并通过螺丝Ⅰ5固定，形成上盘试件填料空腔体和下盘试件填料空腔体；
步骤2：在安装好的结构面上下盘一体制作盒2填料空腔体区域均匀的涂抹一层脱模剂；
步骤3：将调配的岩石相似材料浇筑在上盘试件填料空腔体和下盘试件填料空腔体内，并振捣密实和表面抹平处理；
步骤4：待浇筑的相似材料初凝后，在结构面上下盘一体制作盒2的上覆盖板202上涂抹一层脱模剂，再将上覆盖板202安装于凹型钢槽201上，并拧紧连接上覆盖板202的螺丝Ⅱ6，密封初凝试件；
步骤5：通过将结构面上下盘一体制作盒2上的活塞式压块Ⅱ3B上的圆形凹槽303对准垫块103的圆柱体凸起104，将结构面上下盘一体制作盒2竖直置于施力框架1之中；
步骤6：操纵千斤顶102，待其与活塞式压块Ⅰ3A接触后，将固定活塞式压块Ⅰ3A和固定活塞式压块Ⅱ3B上的螺丝Ⅰ5松开，持续施加200KN压力直至试件终凝；
步骤7：拆模，上盘试件和下盘试件制作完成，制作完成的上盘试件、下盘试件尺寸均为100mm×100mm×50mm。
Claims (3)
1.一种应力环境中结构面上下盘试件一体化制作装置，其特征在于，该制作装置包括施力框架及结构面上下盘一体制作盒；所述施力框架包括千斤顶、框架及垫块，所述千斤顶固定安装于框架内部上侧，垫块固定安装于框架内部下侧，所述垫块上侧圆心处设置一个圆柱体凸起，所述结构面上下一体制作盒固定安装于垫块上表面处；
所述结构面上下盘一体制作盒包括制作盒体、活塞式压块I、活塞式压块II及结构面上下盘一体模具，所述制作盒体内腔上端和下端分别通过螺丝I安装有活塞式压块I和活塞式压块II，且在活塞式压块I和活塞式压块II之间安装有通过销子固定在制作盒体上的结构面上下盘一体模具，活塞式压块I与结构面上下盘一体模具形成上盘试件填料空腔体，上盘试件填料空腔体用于制作上盘试件，活塞式压块II与结构面上下盘一体模具形成下盘试件填料空腔体，下盘试件填料空腔体用于制作下盘试件；
所述活塞式压块I包括方形压块基体，方形压块基体侧壁上部和下部均开设有环状凹槽，且在环状凹槽内设置有密封圈，方形压块基体其中一组平行设置的两个侧壁上均对称开设有螺孔IV；
所述活塞式压块II包括方形压块基体，方形压块基体侧壁上部和下部均开设有环状凹槽，且在环状凹槽内设置有密封圈，方形压块基体其中一组平行设置的两个侧壁上均对称开设有螺孔V，方形压块基体下底面中心处开设有与圆柱体凸起配合的圆形凹槽；
所述制作盒体包括凹型钢槽和上覆盖板，所述凹型钢槽平行设置的两侧板板面分别开设有螺孔I和销孔，且销孔位于侧板板面中部设置，所述凹型钢槽平行设置的两侧板板面边缘开设有螺孔II；所述上覆盖板为凸型钢板，侧边开设有与螺孔II对应的螺孔III；凹型钢槽和上覆盖板通过在螺孔II和螺孔III内安装螺丝II连为一体形成上下开放的制作盒体。
2.根据权利要求1所述的应力环境中结构面上下盘试件一体化制作装置，其特征在于：所述结构面上下盘一体模具的上表面和下表面与上盘试件和下盘试件的型面形状相同。
3.一种应力环境中结构面上下盘试件一体化制作方法，采用权利要求1所述的应力环境中结构面上下盘试件一体化制作装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将结构面上下盘一体模具置于结构面上下盘一体制作盒的凹型钢槽正中间位置并通过销子固定，将活塞式压块I、活塞式压块II分别置于结构面上下盘一体制作盒的凹型钢槽上下两侧，并通过螺丝I固定，形成上盘试件填料空腔体和下盘试件填料空腔体；
步骤2：在安装好的结构面上下盘一体制作盒填料空腔体区域均匀的涂抹一层脱模剂；
步骤3：将调配的岩石相似材料浇筑在上盘试件填料空腔体和下盘试件填料空腔体内，并振捣密实和表面抹平处理；
步骤4：待浇筑的相似材料初凝后，在结构面上下盘一体制作盒的上覆盖板上涂抹一层脱模剂，再将上覆盖板安装于凹型钢槽上，并拧紧连接上覆盖板的螺丝，密封初凝试件；
步骤5：通过将结构面上下盘一体制作盒上的活塞式压块II上的圆形凹槽对准垫块的圆柱体凸起，将结构面上下盘一体制作盒竖直置于施力框架之中；
步骤6：操纵千斤顶，待其与活塞式压块I接触后，将固定活塞式压块I和固定活塞式压块II上的螺丝I松开，持续施加压力直至试件终凝；
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| 系列尺度岩石结构面相似表面模型制作的逆向控制技术研究;黄曼;罗战友;杜时贵;张晓莺;;岩土力学(第04期);全文 * |
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