CN113790942A - 一种含变倾角软弱夹层模拟岩样的制备装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种含变倾角软弱夹层模拟岩样的制备装置，包括制样模具、角度调节机构和填充系统，制样模具设置有注液口和排液口，采用分层填筑的方式制备含易熔化材料夹层的中间试样，角度调节机构与制样模具连接以控制制样模具预制中间试样时的倾角，制样模具加热使易熔化材料熔化，填充系统将软弱夹层的模拟材料从注液口注入制样模具，同时使易熔化材料从排液口排出，能够灵活制备不同层数、不同角度、不同厚度以及不同位置的、含有多个软弱夹层的岩体物模试样，且能够较为准确的控制各层厚度，角度调节范围较大，还可通过调整易熔化材料夹层形状达到在一定程度上调整软弱夹层形态的效果，能成功制备含变倾角软弱夹层的模拟岩样。

Description

一种含变倾角软弱夹层模拟岩样的制备装置与方法

技术领域

本发明涉及岩石力学及岩体物理模拟技术领域，特别涉及一种含变倾角软弱夹层模拟岩样的制备装置与方法。

背景技术

由于野外岩体的复杂性和多样性，在室内开展岩石力学实验研究时，常需制备岩体物理模拟试样。天然岩体常含有一系列不同倾角、不同厚度的软弱夹层，这些夹层对岩体的物理力学性质具有重要的影响。制备能够充分模拟岩体软弱夹层结构的重塑样对于岩石力学的实验研究具有重要意义。

为制备含软弱夹层的制备物理模拟试样，现有的制备方法多采用在模具中设置隔板、分层浇筑等方式。分层浇筑法具有互层厚度难以控制、难以模拟厚度较小的软弱夹层等问题；在模具中设置隔板的方法则存在抽取隔板时易对界面造成损害的问题。为制备含不同倾角软弱夹层的试样，现有的制备方法则多采用改变隔板倾角或制备水平层理试样后从不同角度钻取等方式，大多存在角度调节范围较小的问题，制备水平层理试样后从不同角度钻取则存在制作过程复杂、取心率低等问题。

夹层形态也是影响其力学性质的重要因素，然而现有的制备方法大多难以方便的模拟形态较为复杂的夹层。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

本发明的目的是为了充分模拟天然岩体软弱夹层结构的岩样，提供一种含软弱夹层岩体物理模拟试样的制备装置及方法，以制备适用于室内岩石力学试验的含夹层岩体模拟试样。

为了达到上述目的，本发明提供了一种含变倾角软弱夹层模拟岩样的制备装置，包括制样模具、角度调节机构和填充系统，所述制样模具设置有注液口和排液口，所述角度调节机构与所述制样模具连接以控制所述制样模具预制中间试样时的倾角，所述中间试样包括坚硬岩层的模拟材料以及易熔化材料的夹层，通过分层填筑的方式制备，所述制样模具加热使所述易熔化材料熔化，所述填充系统将软弱夹层的模拟材料从所述注液口注入所述制样模具，同时使所述易熔化材料从所述排液口排出。

进一步地，所述制样模具包括模具盒体，所述模具盒体包括可拆卸连接的活动侧板和顶板，一侧的所述活动侧板具有所述注液口，另一侧的所述活动侧板具有所述排液口，所述活动侧板的内侧均形成有填充槽，所述模具盒体内设置有第一加热系统以及温控模块。

进一步地，所述模具盒体包括U型板，所述活动侧板设置两块，分别位于所述U型板的两侧，两块所述活动侧板以及所述顶板均与所述U型板通过卡扣可拆卸连接。

进一步地，所述角度调节机构包括能容纳所述模具盒体的支撑框架，所述支撑框架的底端一侧与调节安装板铰接，所述支撑框架的底端还设置有铰接连杆组件，所述铰接连杆组件的底端连接有滚轮，所述滚轮滚动设置在所述调节安装板的导轨上，所述滚轮具有用于自锁的锁扣。

进一步地，所述角度调节机构还包括设置在所述支撑框架内的模具夹持组件，所述模具夹持组件包括多个沿不同方向设置的顶压螺栓，每个所述顶压螺栓的端部均连接有顶压块，所述顶压螺栓与固定在所述支撑框架上的顶压支座一一对应且螺纹连接。

进一步地，所述填充系统包括注液泵，活塞容器、填充管路以及背压阀，所述活塞容器内设置有活塞隔板，所述活塞隔板将所述活塞容器分隔为第一腔室和第二腔室，所述第一腔室与所述注液泵连接，所述第二腔室内装有软弱夹层的模拟材料并与所述注液口连接，所述背压阀与所述排液口相连以控制排出压力，所述活塞容器内设置有第二加热系统及温控模块，以对模拟材料加热及保温。

进一步地，所述活塞容器的外侧还设有橡胶保温套。

进一步地，所述活塞容器上还连接有低速搅拌装置，所述低速搅拌装置位于所述第二腔室，以防止模拟材料发生固相物质沉淀。

进一步地，所述含变倾角软弱夹层模拟岩样的制备装置还包括振动台，所述振动台用于对所述模具盒体内的中间试样振捣密实。

本发明还提供了一种含变倾角软弱夹层模拟岩样的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、将模具盒体的活动侧板上的注液口、排液口以及填充槽采用作为易熔化材料的石蜡充填，并打磨平整，组装模具盒体，放置并固定于角度调节机构的支撑框架上，调整模具盒体至所需角度；

步骤二、采用分层填筑的方式，逐层、交替填入坚硬岩层的模拟材料和石蜡，待石蜡凝结且坚硬岩层的模拟材料初凝并形成一定强度后得到中间试样，石蜡层位置、厚度以及形态与预设的软弱夹层一致；

步骤三、加热中间试样使石蜡层熔化，再从注液口注入加热后的软弱夹层的模拟材料，液体石蜡在注入压力的作用下从排液口排出，待石蜡全部排尽时预设夹层位置已被软弱夹层的模拟材料完全充填，凝结后得到所需岩样；

步骤四、脱模，并按标准对岩样进行养护。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明提供的含变倾角软弱夹层模拟岩样的制备装置与方法，能够灵活制备不同层数、不同角度、不同厚度以及不同位置的、含有多个软弱夹层的岩体物模试样，且能够较为准确的控制各层厚度，角度调节范围较大；同时，采用的石蜡凝固前形状易于改变、凝固后硬度低易于切削划刻，故而可通过调整石蜡层形状达到在一定程度上达到调整岩体试样软弱夹层形态的效果；

本发明的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的模具盒体结构示意图；

图3为本发明的活动侧板结构示意图；

图4为本发明的角度调节机构示意图；

图5为本发明的角度调节机构与模具盒体安装调节示意图。

【附图标记说明】

1-模具盒体；2-U型板；3-卡扣；4-活动侧板；5-顶板；6-注液口；7-排液口；8-填充槽；9-石蜡；10-坚硬岩层的模拟材料；11-软弱夹层的模拟材料；12-支撑框架；13-调节安装板；14-铰接连杆组件；15-滚轮；16-导轨；17-锁扣；18-模具夹持组件；19-注液泵；20-活塞容器；21-填充管路；22-背压阀；23-活塞隔板；24-储水容器；25-压力表；26-截止阀；27-低速搅拌装置。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例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。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

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。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，可以是锁定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。

实施例1：

如图1-图5所示，本发明的实施例1提供了一种含变倾角软弱夹层模拟岩样的制备装置，包括制样模具、角度调节机构和填充系统。其中，制样模具包括模具盒体1，模具盒体1由U型板2以及通过卡扣3可拆卸连接的两块活动侧板4和顶板5组成，一侧的活动侧板4具有注液口6，另一侧的活动侧板4具有排液口7，同时活动侧板4的内侧均形成有填充槽8。在预制中间式样时先将易熔化材料、本实施例中为石蜡9填充至注液口6、排液口7以及填充槽8，并打磨平整，确保中间试样的预制准确。

角度调节机构与制样模具连接，通过角度调节机构控制制样模具预制中间试样时的角度，使制备的中间试样的软弱夹层具有不同倾角，可通过角度调节机构的多次调整而在同一试样中形成多个角度不同的软弱夹层。

中间试样由坚硬岩层的模拟材料10以及作为易熔化材料的石蜡9组成，通过分层填筑的方法制备。模具盒体1内设置有第一加热系统以及温控模块，可对试样进行加热并将温度控制在65℃～70℃，用于熔化中间试样的石蜡9，确保填充系统将软弱夹层的模拟材料11从注液口6注入制样模具后，熔化的石蜡9在液压作用下从排液口7排出。最终石蜡9全部排尽后预设夹层位置已被软弱夹层的模拟材料11完全充填，待其凝结后得到含软弱夹层的岩体模拟试样。

因此，本发明的实施例1提供了一种能够灵活制备不同层数、不同角度、不同厚度以及不同位置的、含有多个软弱夹层的岩体物模试样的装置，且能够较为准确的控制各层厚度，角度调节范围较大。另外，石蜡9凝固前形状易于改变、凝固后硬度低易于切削划刻，故而可通过调整石蜡层形状达到在岩体试样中设置特殊形态夹层的目的，能够一定程度上达到调整软弱夹层形态的效果。

请再次参阅图4-图5，角度调节机构包括能容纳模具盒体1的支撑框架12，支撑框架12的底端一侧与调节安装板13铰接，支撑框架12的底端还设置有铰接连杆组件14，铰接连杆组件14的底端连接有滚轮15，滚轮15滚动设置在调节安装板13的导轨16上，且滚轮15具有用于自锁的锁扣17。

角度调节机构的角度调节范围为0～90度，调节时驱动滚轮15沿导轨16移动，依靠铰接连杆组件14带动支撑框架12绕铰接点旋转，改变滚轮15位置而改变支撑框架12的倾角。调整到所需角度后依靠滚轮15上的锁扣17锁定滚轮15，使支撑框架12在预设的倾角固定，以进行中间试样不同倾角软弱夹层的制备。

在本实施例中，角度调节机构还包括设置在支撑框架12内的模具夹持组件18，模具夹持组件18包括多个沿不同方向设置的顶压螺栓，每个顶压螺栓的端部均连接有顶压块，顶压螺栓与固定在支撑框架12上的顶压支座一一对应且螺纹连接。当模具盒体1在支撑框架12上放置到位后，拧转顶压螺栓，依靠顶压块的螺纹力从各个方向将模具盒体1与支撑框架12压紧固定，确保支撑框架12调整倾角时模具盒体1同步调整。

在本实施例中，填充系统包括注液泵19，活塞容器20、填充管路21以及背压阀22。其中，活塞容器20内设置有活塞隔板23，活塞隔板23将活塞容器20分隔为第一腔室和第二腔室。第一腔室与注液泵19连接，由连通储水容器24的注液泵19提供水压，并传递至活塞隔板23作为注液压力。第二腔室内装有软弱夹层的模拟材料11并与注液口7连接，在注液泵19作用下从注液口6注入，依靠注液压力将熔化的石蜡9驱替。另外，填充管路21上还设置有压力表25、截止阀26等，对填充管路21的注液过程监测截流。背压阀22与排液口7相连以控制排出压力，出口压力大于设定门槛值时液体方可排出，以保证注入的软弱夹层的模拟材料11能够充分驱替石蜡9液体，并可通过调整注入压力、背压阀22压力、充填速率等在一定范围内调整软弱夹层的密实程度。

活塞容器20内设置有第二加热系统及温控模块，以对模拟材料加热及保温，将温度控制在65℃～70℃，防止注入浆液温度过低导致与石蜡9接触时造成石蜡9凝结。另外驱替石蜡9液体过程中第一加热系统持续开启，进一步确保石蜡9保持液态形式。

作为进一步改进，本实施例中活塞容器20的外侧还设有橡胶保温套，以进一步提升对加热后软弱夹层的模拟材料11的保温作用。

作为进一步改进，本实施例中活塞容器20上还连接有低速搅拌装置27，低速搅拌装置27位于第二腔室，对第二腔室内的模拟材料持续搅拌，防止软弱夹层的模拟材料11发生固相物质沉淀而影响注入效果。

本实施例提供的含变倾角软弱夹层模拟岩样的制备装置还包括振动台，振动台对模具盒体1内的中间试样振捣密实。具体地，向模具盒体1填入坚硬岩层的模拟材料10，使用振动台振捣密实，待初凝后，在预设软弱夹层位置，注入与预设软弱夹层厚度一致的石蜡9，待其冷却凝固后，在模具中继续填入下一层坚硬岩层的模拟材料10，再使用振动台振捣密实，以确保坚硬岩层的稳定性。

实施例2：

本发明的实施例2提供了一种含变倾角软弱夹层模拟岩样的制备方法，具体包括如下步骤：

步骤1、将模具盒体1的活动侧板4内壁预留的充填槽8、注液口6和排液口7采用石蜡9充填，待石蜡9凝固后打磨平整。

步骤2、将水泥、石英砂、硅酸钠、环氧树脂按照配比混合并充分搅拌作为坚硬岩层的模拟材料10，使用加热炉将固体石蜡9熔化备用。

步骤3、调整滚轮15在导轨16上的位置，将模具盒体1调整至所需角度后使用锁扣17将滚轮15锁定。

步骤4、将活动侧板4与U型板2通过卡扣3固定，未安装顶板5的模具盒体1放置于支撑框架12上，依靠模具夹持组件18将模具盒体1夹紧。

步骤5、在模具盒体1中填入坚硬岩层的模拟材料10，加盖顶板5并使用卡扣3卡紧，借助模具夹持组件18将模具盒体1进一步夹紧，使用振动台振捣密实。

步骤6、浇筑坚硬岩层的模拟材料10至预设高度并待其初凝后，将模具盒体1的顶板5拆除，在预设软弱夹层位置注入石蜡9，使其凝固后厚度以及形态与预设的软弱夹层一致。

步骤7：待石蜡层凝固后，在模具盒体1中继续填入下一段坚硬岩层的模拟材料10，加盖顶板5并夹紧后使用振动台振捣密实。

步骤8：重复步骤4～7得到含多个软弱夹层的中间试样。其中，在填筑最后一层模拟材料时，将模具盒体1调回水平。在制作中间试样过程中通过角度调节机构的多次调解达到制备含多个角度不同软弱夹层的岩体物模试样的目的。

由于分层振捣的过程中直接投入模拟材料并改变模拟材料形态的方式具有控制准确性差、易对试样造成扰动、操作容错率低等缺陷，而石蜡9形态凝固前易于改变、可塑性强且凝固后硬度低等特性，在石蜡9凝固前对其进行处理或凝固后借助石蜡成型模具、注射器、刮刀、软毛刷改变其形态，可以较好的达到在岩体试样中设置特殊形态夹层的目的。

步骤9：从支撑框架12中取下装有中间试样的模具盒体1，调整排液口7连接的背压阀22设置出口压力，将注液口6与充填管路21连接。

步骤10：将石膏、膨润土按配比混合并充分搅拌作为软弱夹层的模拟材料11，将配置好的软弱夹层的模拟材料11加热至65℃以上备用。

步骤11：启动第一加热系统加热模具盒体1内的中间试样，使石蜡9熔化，启动活塞容器20的第二加热系统以及低速搅拌装置27，将加热后的软弱夹层的模拟材料11注入活塞容器的第二腔室中。

步骤12：运行注液泵19，待排尽充填管路21内空气后，向石蜡9熔化后的中间试样注入软弱夹层的模拟材料11，模拟材料驱替石蜡9液体过程中第一加热系统持续开启。

步骤13：待排液口7处模拟材料连续流出，表明石蜡9已排尽且预设夹层位置被模拟材料完全充填，关闭排液口7，同时停止向中间试样注入模拟材料，待模拟材料凝结后得到含软弱夹层岩体模拟试样。

步骤14：充填结束后及时清洗管路，试样脱模后按标准进行养护，试样养护完成后，切除试样上、下端多余部分，并将端面打磨平整。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种含变倾角软弱夹层模拟岩样的制备装置，其特征在于，包括制样模具、角度调节机构和填充系统，所述制样模具设置有注液口和排液口，所述角度调节机构与所述制样模具连接以控制所述制样模具预制中间试样时的倾角，所述中间试样包括坚硬岩层的模拟材料以及易熔化材料的夹层，通过分层填筑的方式制备，所述制样模具加热使所述易熔化材料熔化，所述填充系统将软弱夹层的模拟材料从所述注液口注入所述制样模具，同时使所述易熔化材料从所述排液口排出。

2.根据权利要求1所述的一种含变倾角软弱夹层模拟岩样的制备装置，其特征在于，所述制样模具包括模具盒体，所述模具盒体包括可拆卸连接的活动侧板和顶板，一侧的所述活动侧板具有所述注液口，另一侧的所述活动侧板具有所述排液口，所述活动侧板的内侧均形成有填充槽，所述模具盒体内设置有第一加热系统以及温控模块。

3.根据权利要求2所述的一种含变倾角软弱夹层模拟岩样的制备装置，其特征在于，所述模具盒体包括U型板，所述活动侧板设置两块，分别位于所述U型板的两侧，两块所述活动侧板以及所述顶板均与所述U型板通过卡扣可拆卸连接。

4.根据权利要求2所述的一种含变倾角软弱夹层模拟岩样的制备装置，其特征在于，所述角度调节机构包括能容纳所述模具盒体的支撑框架，所述支撑框架的底端一侧与调节安装板铰接，所述支撑框架的底端还设置有铰接连杆组件，所述铰接连杆组件的底端连接有滚轮，所述滚轮滚动设置在所述调节安装板的导轨上，所述滚轮具有用于自锁的锁扣。

5.根据权利要求4所述的一种含变倾角软弱夹层模拟岩样的制备装置，其特征在于，所述角度调节机构还包括设置在所述支撑框架内的模具夹持组件，所述模具夹持组件包括多个沿不同方向设置的顶压螺栓，每个所述顶压螺栓的端部均连接有顶压块，所述顶压螺栓与固定在所述支撑框架上的顶压支座一一对应且螺纹连接。

6.根据权利要求1所述的一种含变倾角软弱夹层模拟岩样的制备装置，其特征在于，所述填充系统包括注液泵，活塞容器、填充管路以及背压阀，所述活塞容器内设置有活塞隔板，所述活塞隔板将所述活塞容器分隔为第一腔室和第二腔室，所述第一腔室与所述注液泵连接，所述第二腔室内装有软弱夹层的模拟材料并与所述注液口连接，所述背压阀与所述排液口相连以控制排出压力，所述活塞容器内设置有第二加热系统及温控模块，以对模拟材料加热及保温。

7.根据权利要求6所述的一种含变倾角软弱夹层模拟岩样的制备装置，其特征在于，所述活塞容器的外侧还设有橡胶保温套。

8.根据权利要求6所述的一种含变倾角软弱夹层模拟岩样的制备装置，其特征在于，所述活塞容器上还连接有低速搅拌装置，所述低速搅拌装置位于所述第二腔室，以防止模拟材料发生固相物质沉淀。

9.根据权利要求1所述的一种含变倾角软弱夹层模拟岩样的制备装置，其特征在于，还包括振动台，所述振动台用于对所述模具盒体内的中间试样振捣密实。

10.一种含变倾角软弱夹层模拟岩样的制备方法，应用于如权利要求1-9任意一项所述的一种含变倾角软弱夹层模拟岩样的装置，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、将模具盒体的活动侧板上的注液口、排液口以及填充槽采用作为易熔化材料的石蜡充填，并打磨平整，组装模具盒体，放置并固定于角度调节机构的支撑框架上，调整模具盒体至所需角度；

步骤二、采用分层填筑的方式，逐层、交替填入坚硬岩层的模拟材料和石蜡，待石蜡凝结且坚硬岩层的模拟材料初凝并形成一定强度后得到中间试样，石蜡层位置、厚度以及形态与预设的软弱夹层一致；

步骤三、加热中间试样使石蜡层熔化，再从注液口注入加热后的软弱夹层的模拟材料，液体石蜡在注入压力的作用下从排液口排出，待石蜡全部排尽时预设夹层位置已被软弱夹层的模拟材料完全充填，凝结后得到所需岩样；

步骤四、脱模，并按标准对岩样进行养护。

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