CN114002035A - 含三维自然粗糙状态闭合节理类岩石试样制备装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了含三维自然粗糙状态闭合节理类岩石试样制备装置与方法，实现了含不同尺寸、方位和间距的自然粗糙状态的非贯通闭合节理类岩石试样的制备，以还原真实岩体内部的节理面粗糙形态和接触特征，为准确揭示节理岩体变形破坏特性的室内试验研究提供可靠的制样技术。

Description

含三维自然粗糙状态闭合节理类岩石试样制备装置与方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及含三维自然粗糙状态闭合节理类岩石试样制备装置与方法。

背景技术

在长期地质作用下，岩石内部发育有不同组构特征和接触状态的非贯通节理，非贯通节理的存在破坏了岩石的完整性，且大大弱化了岩石抗变形和抗破坏的能力，所以深入研究非贯通节理岩体在工程实际受力状态下的力学行为对保证岩石工程在施工和运行期间的稳定性具有重要的意义。

非贯通节理一般以三维闭合状态赋存于岩石内部，且随着工程的开挖，逐渐被揭露。由于受室内试验试样尺寸的限制以及现场非贯通节理发育的随机性，在工程现场很难采取符合室内试验条件的含三维非贯通节理的试样，同时采样过程中的卸荷扰动会进一步破坏非贯通节理的初始接触状态。所以目前有关非贯通节理岩体力学特性的室内试验研究所采用的试样绝大多数是通过在类岩石材料或真实岩石材料中预制非贯通节理的方法制备而来。

申请号为CN201510814787.X的中国发明专利“一种制作三维节理裂隙圆柱型岩石试样的方法”、申请号为CN201510814787.X的中国发明专利“一种非贯通节理岩体裂隙面的制取与试验方法”均采用动力切割真实岩石的方式来获得非贯通节理。该方法预制的非贯通节理均为二维穿透型且呈张开状态，同时节理面形态平直，未实现自然粗糙状态。

申请号为CN201510823732.5的中国发明专利“一种任意方位多组节理岩桥试样制备装置及方法”、申请号为CN201610621374.4的中国发明专利“一种相似材料岩体试样断续节理精确定位制作装置”、申请号为CN202010301110.7的中国发明专利“一种制作含非贯通交叉节理试样的方法”等均采用“插拔法”在类岩石材料中预制非贯通节理，但节理仍为二维穿透型且呈张开状态，同样未能实现节理面的自然粗糙状态。申请号为CN202110433218.6的中国发明专利“含差异接触状态非贯通节理相似材料试样制备装置及方法”公开了一种含差异接触状态非贯通节理相似材料试样制备装置及方法，该方法虽然实现了节理的闭合状态，但节理仍为二维穿透型，同时也未能实现节理面的自然粗糙状态。

申请号为CN202010684666.9的中国发明专利“一种用于制作不同粗糙度岩石节理的装置及方法”、申请号为CN202010684869.8的中国发明专利“劈裂形成多角度岩石节理面的模具及节理试样制作方法”均通过劈裂真实岩石获得具有自然粗糙状态的节理面，但节理均是贯通的，且该方法难以精确控制节理面粗糙状态，可重复性差。申请号为CN201510257888.1的中国发明专利“利用3D打印制作含特定几何特征结构面的节理试样方法”公开了一种通过3D打印技术制作含特定几何特征节理面的方法，通过3D打印技术以及布尔运算获得两部分互补试块模型，并将其分别置于两个制样盒中，向制样盒中浇筑相似材料，待其凝固成型后拆模养护，从而获得具有自然粗糙状态的节理，但节理仍是贯通的。申请号为CN201711446778.5的中国发明专利“一种内部含非贯通结构面相似材料模型的制作方法及装置”公开了一种通过3D打印实现试样内部非贯通节理的制备方法，通过3D打印将锡铅合金的节理面模具安装到类岩石试样内部进行浇筑，最后将模具熔化，并将其从类岩石试样内部吸取出来，从而实现类岩石试样内部非贯通节理的制备。该方法虽然在非贯通条件下实现了节理的自然粗糙状态，但节理不是呈闭合状态，且在吸取熔融模具的过程中会破坏试样的完整性，操作复杂，成本较高。

综上所述，真实岩石试样中的非贯通节理主要通过动力切割的方法预制，节理为二维穿透型、呈张开状态且节理面平直。类岩石试样中的非贯通节理一般采用薄片“插拔法”预制，节理为二维穿透型且未实现自然粗糙状态的还原。通过岩石劈裂或3D打印虽然能实现含自然粗糙状态节理试样的制备，但预制的节理绝大多数呈贯通状态，或个别实现了三维自然粗糙状态非贯通节理的制备，但节理呈张开状态且制样技术复杂。然而对于三维非贯通节理，节理面的表面粗糙形态和闭合状态是控制节理面强度的重要因素。所以发明一种含三维自然粗糙状态非贯通闭合节理的类岩石试样的制样装置与方法对全面深入研究非贯通节理岩体力学特性非常必要。

发明内容

为解决上述问题，克服现有技术的不足，本发明提供含三维自然粗糙状态闭合节理类岩石试样制备装置与方法，实现了含不同尺寸、方位和间距的自然粗糙状态的非贯通闭合节理类岩石试样的制备，以还原真实岩体内部的节理面粗糙形态和接触特征，为准确揭示节理岩体变形破坏特性的室内试验研究提供可靠的制样技术。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明提供了含三维自然粗糙状态闭合节理类岩石试样制备装置，包括制样盒；所述制样盒包括盖板、底板以及固定于所述盖板与底板之间的第一侧板和第二侧板，整体为长方体形；

所述盖板的两端各设有两个贯穿盖板的第一螺纹孔，所述盖板的四个角处均设有垂直于盖板的导向柱；所述盖板正对底板的一面设置有轨道，所述轨道内设有与其适配的第一滑块且所述第一滑块的延伸方向与所述轨道的延伸方向垂直，所述第一滑块的两端分别通过第一螺纹杆固定于所述盖板的一侧，所述第一滑块上通过第二螺纹杆连接有第二滑块且所述第二滑块呈圆柱体形，所述第一螺纹孔分别位于靠近所述第一螺纹杆的内侧；

所述第一侧板的数目为两个且相对设置，所述第二侧板的数目为两个且相对设置，所述第一侧板与第二侧板依次邻接固定并在顶点处形成导向槽，所述导向槽与所述导向柱适配以供导向柱向下施压；每个第一侧板的上表面分别设有与两个所述第一螺纹孔对齐的螺纹孔，以通过螺丝插入固定加压试样。

优选地，所述第一滑块的两端分别设有一个第二螺纹孔，所述盖板的一侧设有用于供第一滑块进入轨道的滑动槽，两个所述第一螺纹孔位于所述滑动槽上；所述盖板的另一侧留有两个第三螺纹孔与第一滑块上的第二螺纹孔对齐，以通过第一螺纹杆进行固定。

优选地，所述第一滑块中间部分镂空，所述第二滑块的一面开设有宽度与所述第一滑块的宽度适配的凹槽以使第一滑块卡于凹槽中，所述凹槽相对的两侧面分别开有螺纹孔以使第二螺纹杆垂直贯穿所述第二滑块并将第二滑块固定于所述第一滑块的中间部分。

优选地，所述底板上表面标有刻度表用于试样位置的确定。

优选地，所述制备装置还包括制样模具，所述制样模具包括模具I和模具II；所述模具I整体为圆柱体形，包括三层弧形短板和两个弧形长板，相邻的两层弧形短板之间为嵌入式拼接，每层弧形短板的数目为两个且两个弧形短板之间通过弧形长板间隔，最上层和最下层的弧形短板均与相邻的弧形长板嵌入式拼接，其中两个弧形长板的内侧以及其中一层弧形短板的内侧分别具有斜向下凸起的锯齿状结构且锯齿状结构的结构和长度相同；

所述模具II包括第一模具、第二模具、第三模具、第四模具、第五模具，5个模具直径高度均一致，且直径与模具I的内径一致，所述第一模具与第二模具的上表面为三维节理面，其方向相反，大小一致，其下表面为光滑面；所述第三模具与第四模具上表面为三维节理面，其方向相反，大小一致，其下表面为光滑面；所述第五模具上表面中间处有圆柱体凸起，圆柱体凸起直径与第二滑块的直径一致，下表面为光滑面；所述第三模具与第五模具的下表面均有圆柱体凹槽。

优选地，所述弧形长板中间的内侧以及中间一层弧形短板的内侧具有相同的锯齿状结构。

优选地，三层弧形短板从上到下依次包括两个第一弧形短板、两个第二弧形短板和两个第三弧形短板，所述第一弧形短板和第二弧形短板的下侧边均具有第一条形槽，所述第二弧形短板和第三弧形短板的上侧边均具有第一导向条，所述第一导向条和第一条形槽相适配；所述第一弧形短板和第三弧形短板的竖向侧边均具有第二条形槽，两个弧形长板的竖向侧边则均具有与所述第二条形槽适配的第二导向条。

本发明还提供了含三维自然粗糙状态闭合节理类岩石试样制备方法，通过上述制备装置实现，包括以下步骤：

(1)将第一模具的节理面朝上，第一模具从下往上套入模具I内，然后再将水泥砂浆倒入模具I中，浇筑到指定高度后停止浇筑，用棍棒搅动保持内部无残留气体后将第五模具的上表面朝下压在水泥砂浆上，随即在第五模具的圆柱体凹槽处放入圆柱体金属块，金属块高度高于圆柱体凹槽，使第五模具的上表面与水泥砂浆充分接触，静置一段时间待水泥砂浆凝固完成后进行脱模处理，形成第一节理的上表面；

(2)将第二模具从下往上套入模具I内，然后再将水泥砂浆倒入模具I中，完成指定高度浇筑后，用棍棒搅动保持内部无残留气体，再使用第三模具盖住其上表面；在第三模具的圆柱体凹槽处放入圆柱体金属块，金属块高度高于圆柱体凹槽，使第三模具的节理面与水泥砂浆充分接触并完成塑型，形成第一节理的下表面，与此同时也完成了第二节理上表面的制作，静置一段时间待水泥砂浆凝固完成后进行脱模处理；

(3)将第四模具从下往上套入模具I内，然后再将水泥砂浆倒入模具I中，浇筑到指定高度后停止浇筑，按压上表面使其保持水平，静置一段时间待水泥砂浆凝固完成后进行脱模处理，形成第二节理的下表面；

(4)将制作完成的三个试样进行拼凑，形成含2条自然节理面的闭合类岩石试样，用记号笔在试样衔接的地方做下标记，然后单独取下各个试样用相同配比的水泥砂浆对其外侧的锯齿状结构进行填充，按压进入其锯齿间的间隙中，使整个锯齿间隙都得到水泥砂浆的包裹，再将三个试样根据记号笔的位置进行拼凑；

(5)首先将步骤(4)中拼凑好的类岩石试样放入试样盒中，该类岩石试样高度高于试样盒高度；其次对准试样盒的底板刻度表进行放置，稍微抬高盖板将第一试样进行位置微调，使其上表面的圆柱体凹槽对准盖板内的第二滑块，再慢慢放下盖板使第二滑块完整嵌入凹槽内，对准盖板与两块第一侧板的螺纹孔，旋转螺丝使盖板下压，并且与类岩石试样充分受压固定；

(6)固定好之后再从试样盒盖板侧面空隙中倒入水泥砂浆，将水泥砂浆浇筑至盒内1/3高度时，停止浇筑，对试样盒进行震荡，静置10分钟后继续浇筑，同理浇筑到2/3高度后停止浇筑，再对试样盒进行震荡，静置10分钟，重复上述操作直至浇筑完成；

(7)静置24小时后拆模，对其进行切割打磨，并在标准条件下养护28天，得到含多条自然粗糙状态的三维非贯通闭合节理的类岩石试样。

优选地，采用以下方法进行模具I的脱模：首先将上、下部分的弧形短板从竖直方向拉出，再将带有锯齿状部分的弧形短板慢慢从斜向下方向取出，最后将弧形长板慢慢从斜向下方向取出，完成模具I的拆卸。

本发明的有益效果在于：

可制备内含与自然结构面表面粗糙形态一致的、三维、非贯通、闭合节理的类岩石试样，以还原岩体中闭合节理的真实赋存形态，完善和优化了现有非贯通节理表面形态和接触状态的制备技术；同时，本发明可实现三维非贯通闭合节理尺寸、方位和间距等组构特征的变化和精确控制。因此，基于本发明中的制备装置和方法可实现与真实非贯通节理岩体结构特征高度相似的类岩石试样的制备。

附图说明

图1是本发明含三维自然粗糙状态闭合节理类岩石试样制备装置的结构示意图；

图2是本发明模具I的结构示意图；

图3是本发明第一试样示意图；

图4是本发明图1中盖板的结构示意图；

图5是第一滑块的结构示意图；

图6是第二滑块的结构示意图；

图7是本发明模具II的主视图；

图8是本发明制作第一试样的部分示意图；

图中，

11、盖板；12、第一螺纹孔；13、导向槽；14、第一螺纹杆；15、第一试样，151、第一节理，152、第二节理；16、第一侧板；17、导向柱；18、第二侧板；19、底板；21、第一弧形短板；22、第二弧形短板；23、第三弧形短板；24、弧形长板；25、第一条形槽；26、第一导向条；27、第二条形槽；28、第二导向条；41、滑动槽；42、第一滑块，421、第二螺纹孔；43、第二滑块，431、凹槽，432、第二螺纹杆；44、第三螺纹孔；45、螺母；71、第一模具；72、第二模具；73、第三模具；74、第四模具；75、第五模具，700、圆柱体凹槽，701、圆柱体凸起；81、水泥砂浆；82、圆柱体金属块。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，可以是可拆卸连接，也可以是一体地连接；可以是直接相连，可以通过中间媒介间接相连，也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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，如未有特殊说明，以下实施例中所采用的零部件均为现有零部件，其对应的连接方式亦可通过常规技术手段实现，本申请中将不再一一赘述。

实施例

本实施例提供的含三维自然粗糙状态闭合节理类岩石试样制备装置，如图1和2所示，包括制样盒；该制样盒包括盖板11、底板19以及固定于盖板11与底板19之间的第一侧板16和第二侧板18，整体为长方体形；

结合图4、图5和图6，盖板的两端各设有两个第一螺纹孔12，盖板11的四个角的下方均设有垂直于盖板11的导向柱17，盖板11正对底板19的一面设置有轨道，轨道内设有与其适配的长条形第一滑块42且第一滑块42的延伸方向与轨道的延伸方向垂直，第一滑块42的两端分别设有一个第二螺纹孔421，盖板11的一侧设有用于供第一滑块42进入轨道的滑动槽41，滑动槽41为方形长孔，盖板11的另一侧留有两个第三螺纹孔44与第一滑块42上的第二螺纹孔421对齐，以通过第一螺纹杆14在盖板11的一侧进行固定，盖板11的两端的第一螺纹孔12分别位于靠近第一螺纹杆14的内侧；第一滑块42中间部分镂空，第二滑块43的一面开设有宽度与第一滑块42的宽度适配的凹槽431以使第一滑块42卡于凹槽431中，凹槽431相对的两侧面分别开有螺纹孔且螺纹孔位于第一滑块42镂空部分内，以使第二螺纹杆432垂直贯穿第二滑块43并将第二滑块43固定于第一滑块42的中间部分，此时，第一滑块42的中间部分位于凹槽431的底部和第二螺纹杆432之间的空隙中且第二螺纹杆432和第一滑块42是垂直的；

第一侧板16的数目为两个且相对设置，第二侧板18的数目为两个且相对设置，两个第一侧板16、两个第二侧板18与底板19之间通过螺丝固定。第一侧板16与第二侧板18依次邻接通过螺丝固定并在顶点处形成导向槽13，导向槽13与导向柱17适配以供导向柱17向下施压；每个第一侧板16的上表面分别设有与两个第一螺纹孔12对齐的螺纹孔，以通过螺丝插入固定加压试样；

底板19的上表面标有刻度表用于试样位置的确定。

该制备装置还包括制样模具，该制样模具包括模具I和模具II，模具I和模具II均为3D模具；如图2所示，模具I整体为圆柱体形，包括由3D打印的六个弧形短板和两个弧形长板24，六个弧形短板分为三层，每层弧形短板的数目为两个，即第一层包括两个第一弧形短板21、第二层包括两个第二弧形短板22、第三层包括两个第三弧形短板23；两个第一弧形短板21之间、两个第二弧形短板22之间以及两个第三弧形短板23之间均通过弧形长板24间隔。第一层的两个第一弧形短板21和第三层的两个第三弧形短板23均与相邻的弧形长板24嵌入式拼接，其中两个弧形长板24的内侧中间一段以及中间第二层弧形短板22的内侧分别具有斜向下凸起的锯齿状结构且锯齿状结构、长度均一致，具体地，第一弧形短板21和第二弧形短板22的下侧边均具有第一条形槽25，第二弧形短板22和第三弧形短板23的上侧边均具有第一导向条26，第一导向条26和第一条形槽25相适配，两个第一弧形短板21和两个第三弧形短板23的竖向侧边均具有第二条形槽27，两个弧形长板24的竖向侧边则均具有与第二条形槽27的第二导向条28(第二弧形短板22侧边没有第二条形槽，与其对应的中间段则没有导向条)，组装时，按照图中从下至上的顺序，从第三层两个弧形短板23开始与相邻的弧形长板24嵌入式拼接，然后第二层弧形短板22与第三层弧形短板23上下拼接，最后第一层弧形短板21与第二层弧形短板22上下拼接，同时左右与相邻弧形长板24拼接，形成独立整体的圆柱体模型，即模具I；

如图7所示，模具II是由3D打印机打印的具有三维节理面的圆柱体模型，包括第一模具71、第二模具72、第三模具73、第四模具74、第五模具75，5个模具直径高度均一致，且直径与模具I的内径一致，第一模具71与第二模具72的上表面为三维节理面，其方向相反，大小一致，其下表面为光滑面；第三模具73与第四模具74上表面为三维节理面，其方向相反，大小一致，其下表面为光滑面；第五模具75上表面中间处有圆柱体凸起701，圆柱体凸起701的直径与第二滑块43的直径一致，下表面为光滑面；第三模具73与第五模具75的下表面均有圆柱体凹槽700。改变3D模具II中节理面的角度可实现节理面角度的可控性。

制备不同条数的节理需要使用不同数量模具完成，本实施例进行两条节理的制备，主要包括以下步骤：

步骤1：利用三维激光扫描仪确定复杂节理面的数据，并将数据导入软件进行处理，将处理好的节理面数据导入到3D打印机中，用3D打印机打印如图2所示模具I的塑性材料，六个弧形短板和两个弧形长板；

步骤2：将第三层两个弧形短板23与相邻的弧形长板24嵌入式拼接，然后第二层弧形短板22与第三层弧形短板23上下拼接，最后第一层弧形短板21与第二层弧形短板22上下拼接，同时左右与相邻弧形长板24拼接，形成独立的圆柱体模型，即模具I；模具I的内侧中间部分拥有带锯齿状的结构斜向下延伸；

3D模具I的脱模过程：首先将上、下部分的弧形短板从竖直方向拉出，再将带有锯齿状部分的弧形短板慢慢从斜向下方向取出，最后将弧形长板慢慢从斜向下方向取出，完成模具I的拆卸。

步骤3：制备含2条自然粗糙状态闭合节理类岩石试样，即图3所示的第一试样15，具体包括以下步骤：

步骤3.1：制备第一节理151的上表面：将第一模具71的节理面朝上，第一模具71从下往上套入模具I内，然后再将水泥砂浆倒入模具I中，模具在浇筑前的内表面均匀涂抹上脱模剂，浇筑过程中轻轻震荡模具使水泥砂浆充分接触，浇筑到指定高度后停止浇筑，用棍棒搅动保持内部无残留气体后将第五模具75的上表面朝下压在水泥砂浆上，随即在第五模具75的下表面的圆柱体凹槽700处放入较重的圆柱体金属块82(例如，可采用圆柱体铁块)，金属块高度高于圆柱体凹槽，使其第五模具75的上表面与水泥砂浆81充分接触，如图8所示，静置一段时间待水泥砂浆凝固完成后进行脱模处理；

步骤3.2：制备第一节理151下表面：将第二模具72从下往上套入模具I内，然后再将水泥砂浆倒入模具I中，模具在浇筑前的内表面均匀涂抹上脱模剂，浇筑过程中轻轻震荡模具使水泥砂浆充分接触，完成指定高度浇筑后，用棍棒搅动保持内部无残留气体，再使用第三模具73盖住其上表面；与步骤3.1同理，在模具的下表面凹槽处放入较重的圆柱体金属块，金属块高度高于圆柱体凹槽，使第三模具73的节理面与水泥砂浆充分接触并完成塑型，形成第一节理151的下表面，与此同时也完成了第二节理152上表面的制作，静置一段时间待水泥砂浆凝固完成后进行脱模处理；

步骤3.3：制备第二节理152下表面：将第四模具74从下往上套入模具I内，然后再将水泥砂浆倒入模具I中，模具在浇筑前的内表面均匀涂抹上脱模剂，浇筑过程中轻轻震荡模具使水泥砂浆充分接触，浇筑到指定高度后停止浇筑，用圆盘工具按压水泥砂浆上表面使其保持水平，静置一段时间待水泥砂浆凝固完成后进行脱模处理；

步骤3.4：将制作完成的三个试样进行拼凑，形成含2条自然粗糙状态闭合节理类岩石试样，如图3所示，通过浇筑形成的第一试样圆柱体外侧均为锯齿状结构，用于增加与水泥砂浆的咬合力，更好的与二次浇筑时的水泥砂浆融合在一起。用记号笔在试样衔接的地方做下标记，然后单独取下各个试样用相同配比的水泥砂浆对其外侧的锯齿状结构进行填充，按压进入其锯齿结构的间隙中，使整个锯齿间隙都得到水泥砂浆的包裹，再将三块试样根据记号笔的位置进行拼凑；

步骤4：将试样盒进行拼装，如图1所示；试样盒底板19上表面刻上刻度表格，先将两个第一侧板16和一个第二侧板18与底板19通过螺丝进行固定完成组装，再将盖板11通过导向槽13放入试样盒上方，盖板11内放入长方形的第一滑块42，如图5所示，第一滑块42上加入第二滑块43，并且通过第二螺纹杆432与螺母固定；第一滑块42也通过穿入第二螺纹孔421的螺纹杆14与螺母43固定；

步骤5：首先将步骤3中拼凑好的第一试样放入新的试样盒中，将其对准试样盒的底板刻度表进行初步放置，该第一试样高度高于试样盒高度；其次稍微抬高盖板11，将第一试样15进行位置微调，使其上表面的圆柱体凹槽对准盖板11内的第二滑块43，再慢慢放下盖板使圆柱块完整嵌入圆柱体凹槽内，再用螺丝对准盖板11与两块第一侧板16的螺纹孔，旋转螺丝使盖板11下压，并且与第一试样充分受压固定，其次将另一个第二侧板18与两个第一侧板16通过螺丝进行固定，完成试样盒的最终组装；

步骤6：固定好之后再从试样盒上盖板11侧面空隙中倒入水泥砂浆，将水泥砂浆浇筑至盒内1/3高度时，停止浇筑，对试样盒进行震荡，静置10分钟后继续浇筑，同理浇筑到2/3高度后停止浇筑，再对试样盒进行震荡，静置10分钟，重复上述操作直至浇筑完成。

步骤7：静置24小时后拆模，对其进行切割打磨，并在标准条件下养护28天，得到含多条自然粗糙状态的三维非贯通闭合节理的类岩石试样。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为更清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方法予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.含三维自然粗糙状态闭合节理类岩石试样制备装置，包括制样盒；所述制样盒包括盖板、底板以及固定于所述盖板与底板之间的第一侧板和第二侧板，整体为长方体形；

所述盖板的两端各设有两个贯穿盖板的第一螺纹孔，所述盖板的四个角处均设有垂直于盖板的导向柱；所述盖板正对底板的一面设置有轨道，所述轨道内设有与其适配的第一滑块且所述第一滑块的延伸方向与所述轨道的延伸方向垂直，所述第一滑块的两端分别通过第一螺纹杆固定于所述盖板的一侧，所述第一滑块上通过第二螺纹杆连接有第二滑块且所述第二滑块呈圆柱体形，所述第一螺纹孔分别位于靠近所述第一螺纹杆的内侧；

所述第一侧板的数目为两个且相对设置，所述第二侧板的数目为两个且相对设置，所述第一侧板与第二侧板依次邻接固定并在顶点处形成导向槽，所述导向槽与所述导向柱适配以供导向柱向下施压；每个第一侧板的上表面分别设有与两个所述第一螺纹孔对齐的螺纹孔，以通过螺丝插入固定加压试样。

2.根据权利要求1所述的含三维自然粗糙状态闭合节理类岩石试样制备装置，其特征在于，所述第一滑块的两端分别设有一个第二螺纹孔，所述盖板的一侧设有用于供第一滑块进入轨道的滑动槽，两个所述第一螺纹孔位于所述滑动槽上；所述盖板的另一侧留有两个第三螺纹孔与第一滑块上的第二螺纹孔对齐，以通过第一螺纹杆进行固定。

3.根据权利要求1所述的含三维自然粗糙状态闭合节理类岩石试样制备装置，其特征在于，所述第一滑块中间部分镂空，所述第二滑块的一面开设有宽度与所述第一滑块的宽度适配的凹槽以使第一滑块卡于凹槽中，所述凹槽相对的两侧面分别开有螺纹孔以使第二螺纹杆垂直贯穿所述第二滑块并将第二滑块固定于所述第一滑块的中间部分。

4.根据权利要求1所述的含三维自然粗糙状态闭合节理类岩石试样制备装置，其特征在于，所述底板上表面标有刻度表用于试样位置的确定。

5.根据权利要求1所述的含三维自然粗糙状态闭合节理类岩石试样制备装置，其特征在于，所述制备装置还包括制样模具，所述制样模具包括模具I和模具II；所述模具I整体为圆柱体形，包括三层弧形短板和两个弧形长板，相邻的两层弧形短板之间为嵌入式拼接，每层弧形短板的数目为两个且两个弧形短板之间通过弧形长板间隔，最上层和最下层的弧形短板均与相邻的弧形长板嵌入式拼接，其中两个弧形长板的内侧以及其中一层弧形短板的内侧分别具有斜向下凸起的锯齿状结构且锯齿状结构的结构和长度相同；

所述模具II包括第一模具、第二模具、第三模具、第四模具、第五模具，5个模具直径高度均一致，且直径与模具I的内径一致，所述第一模具与第二模具的上表面为三维节理面，其方向相反，大小一致，其下表面为光滑面；所述第三模具与第四模具上表面为三维节理面，其方向相反，大小一致，其下表面为光滑面；所述第五模具上表面中间处有圆柱体凸起，圆柱体凸起直径与第二滑块的直径一致，下表面为光滑面；所述第三模具与第五模具的下表面均有圆柱体凹槽。

6.根据权利要求5所述的含三维自然粗糙状态闭合节理类岩石试样制备装置，其特征在于，所述弧形长板中间的内侧以及中间一层弧形短板的内侧具有相同的锯齿状结构。

7.根据权利要求5所述的含三维自然粗糙状态闭合节理类岩石试样制备装置，其特征在于，三层弧形短板从上到下依次包括两个第一弧形短板、两个第二弧形短板和两个第三弧形短板，所述第一弧形短板和第二弧形短板的下侧边均具有第一条形槽，所述第二弧形短板和第三弧形短板的上侧边均具有第一导向条，所述第一导向条和第一条形槽相适配；所述第一弧形短板和第三弧形短板的竖向侧边均具有第二条形槽，两个弧形长板的竖向侧边则均具有与所述第二条形槽适配的第二导向条。

8.根据权利要求5所述的含三维自然粗糙状态闭合节理类岩石试样制备装置，其特征在于，所述模具I和模具II均采用3D打印制成。

9.含三维自然粗糙状态闭合节理类岩石试样制备方法，通过权利要求5-8任意一项所述的制备装置实现，包括以下步骤：

(1)将第一模具的节理面朝上，第一模具从下往上套入模具I内，然后再将水泥砂浆倒入模具I中，浇筑到指定高度后停止浇筑，用棍棒搅动保持内部无残留气体后将第五模具的上表面朝下压在水泥砂浆上，随即在第五模具的圆柱体凹槽处放入圆柱体金属块，金属块高度高于圆柱体凹槽，使第五模具的上表面与水泥砂浆充分接触，静置一段时间待水泥砂浆凝固完成后进行脱模处理，形成第一节理的上表面；

(2)将第二模具从下往上套入模具I内，然后再将水泥砂浆倒入模具I中，完成指定高度浇筑后，用棍棒搅动保持内部无残留气体，再使用第三模具盖住其上表面；在第三模具的圆柱体凹槽处放入圆柱体金属块，金属块高度高于圆柱体凹槽，使第三模具的节理面与水泥砂浆充分接触并完成塑型，形成第一节理的下表面，与此同时也完成了第二节理上表面的制作，静置一段时间待水泥砂浆凝固完成后进行脱模处理；

(3)将第四模具从下往上套入模具I内，然后再将水泥砂浆倒入模具I中，浇筑到指定高度后停止浇筑，按压上表面使其保持水平，静置一段时间待水泥砂浆凝固完成后进行脱模处理，形成第二节理的下表面；

(4)将制作完成的三个试样进行拼凑，形成含2条自然节理面的闭合类岩石试样，用记号笔在试样衔接的地方做下标记，然后单独取下各个试样用相同配比的水泥砂浆对其外侧的锯齿状结构进行填充，按压进入其锯齿间的间隙中，使整个锯齿间隙都得到水泥砂浆的包裹，再将三个试样根据记号笔的位置进行拼凑；

(5)首先将步骤(4)中拼凑好的类岩石试样放入试样盒中，该类岩石试样高度高于试样盒高度；其次对准试样盒的底板刻度表进行放置，稍微抬高盖板将第一试样进行位置微调，使其上表面的圆柱体凹槽对准盖板内的第二滑块，再慢慢放下盖板使第二滑块完整嵌入凹槽内，对准盖板与两块第一侧板的螺纹孔，旋转螺丝使盖板下压，并且与类岩石试样充分受压固定；

(6)固定好之后再从试样盒盖板侧面空隙中倒入水泥砂浆，将水泥砂浆浇筑至盒内1/3高度时，停止浇筑，对试样盒进行震荡，静置10分钟后继续浇筑，同理浇筑到2/3高度后停止浇筑，再对试样盒进行震荡，静置10分钟，重复上述操作直至浇筑完成；

(7)静置24小时后拆模，对其进行切割打磨，并在标准条件下养护28天，得到含多条自然粗糙状态的三维非贯通闭合节理的类岩石试样。

10.根据权利要求9所述的含三维自然粗糙状态闭合节理类岩石试样制备方法，其特征在于，采用以下方法进行模具I的脱模：首先将上、下部分的弧形短板从竖直方向拉出，再将带有锯齿状部分的弧形短板慢慢从斜向下方向取出，最后将弧形长板慢慢从斜向下方向取出，完成模具I的拆卸。

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