CN116256208A - 一种考虑层理角度的弱胶结软岩试样制样装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种考虑层理角度的弱胶结软岩试样制样装置，包括，基座，基座顶端设置有转动端，转动端通过紧固件与基座顶端可拆卸连接；夹持件，固定在转动端顶端，夹持件内可拆卸连接有试样制备件；击实件，设置在试样制备件内且击实件外壁与试样制备件内壁适配，击实件用于击实试样制备件内的土层；角度观察件，具有一固定端和一刻度端，固定端与基座侧壁固接，刻度端与试样制备件侧壁固接，固定端与刻度端对应设置。本发明能够模拟出更符合工程实际的软岩，使其力学特性与内部结构以及破坏形式、破坏规律与实际情况更为接近。

Description

一种考虑层理角度的弱胶结软岩试样制样装置及制备方法

技术领域

本发明属于软岩试样制样装置技术领域，尤其涉及一种考虑层理角度的弱胶结软岩试样制样装置及制备方法。

背景技术

目前随着我国软岩巷道支护技术蓬勃发展，所遇到的涉及软岩的工程技术的问题也逐渐变多。为模拟出工程上所出现的实际问题，所以有学者发明出模拟实际软岩的制作工具与模拟软岩试样的制作方法。这类工具与方法所制作出来的模拟软岩试样为各水平层内各力学参数基本一致的理想试样。

但是软岩本身是松散、软弱的岩体。它具有强度低、孔隙率大，胶结力弱、压密程度差、成岩时间晚、风化程度高、受构造影响强、含膨胀矿物多、易破碎、不稳定的特性。这类传统的工具与方法所制作出来的模拟软岩试样的状态为理想状态，其试样的制作主要依靠分层填充、分层压实、整体取件来模拟出软岩试件，与实际工程所遇软岩存在较大差异。同时常规模拟出的软岩的力学参数如抗压强度、抗剪强度，以及破坏后的裂隙特征与裂缝规律都与实际有较大的出入。

同时软岩又具有重塑性、应变软化性，岩体组分中含有伊利石、蒙脱石、高岑石，亲水性强，对水十分敏感，吸水率高，膨胀力大，在遇水时会产生体积膨胀、崩解、蠕变等。而软岩的沉积形成过程中由于不均匀的沉积所体现出的成层性也是不同的，这就为人们模拟软岩试件提供新的思路与新的启发。

为了模拟出更符合工程实际的软岩，使其力学特性与内部结构以及破坏形式、破坏规律与实际情况更为接近。所以现在考虑到软岩的层理角度并且结合可旋转基座以及土样取件的角度，对软岩构件的制作工具与制作方法进行全面的提升。

因此有必要设计一种考虑层理角度的弱胶结软岩试样制样装置及制备方法用来解决上述的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种考虑层理角度的弱胶结软岩试样制样装置及制备方法，能够模拟出更符合工程实际的软岩，使其力学特性与内部结构以及破坏形式、破坏规律与实际情况更为接近。

为实现上述目的，本发明提供了一种考虑层理角度的弱胶结软岩试样制样装置，包括，

基座，所述基座顶端设置有转动端，所述转动端通过紧固件与所述基座顶端可拆卸连接；

夹持件，固定在所述转动端顶端，所述夹持件内可拆卸连接有试样制备件；

击实件，设置在所述试样制备件内且所述击实件外壁与所述试样制备件内壁适配，所述击实件用于击实所述试样制备件内的土层；

角度观察件，具有一固定端和一刻度端，所述固定端与所述基座侧壁固接，所述刻度端与所述试样制备件侧壁固接，所述固定端与所述刻度端对应设置。

进一步的，所述基座顶端开设有空腔，所述转动端为设置在所述空腔内的水平转柱，所述水平转柱两端与所述基座内壁转动连接，所述紧固件为中央固定螺丝，所述中央固定螺丝贯穿所述基座和所述水平转柱，所述中央固定螺丝与所述基座和所述水平转柱螺纹连接，所述水平转柱通过所述中央固定螺丝与所述基座固定。

进一步的，所述夹持件包括第一L型固定板，所述第一L型固定板底端与所述水平转柱远离所述基座的一端固接，所述第一L型固定板的一端相对设置有第二L型固定板，所述第二L型固定板远离所述第一L型固定板的一端螺纹连接有至少一个长条螺丝，所述长条螺丝末端贯穿所述第二L型固定板伸入所述第一L型固定板内，且所述长条螺丝与所述第一L型固定板和所述第二L型固定板螺纹连接，所述试样制备件位于所述第一L型固定板与所述第二L型固定板之间。

进一步的，所述试样制备件包括一容纳盒，所述容纳盒顶端开口，所述容纳盒两侧壁与分别与所述第一L型固定板上的竖板内壁和所述第二L型固定板上的竖板内壁抵接。

进一步的，所述击实件包括与所述容纳盒内壁适配的接触板，所述接触板底端与土层表面接触，所述接触板顶端固接有两相对设置的固定杆，所述固定杆上穿设有击实块，所述击实块外壁与所述容纳盒内壁适配，且所述击实块与所述固定杆滑动连接，所述击实块顶端固接有提拉杆。

进一步的，所述角度观察件的固定端为固定在所述基座侧壁的指针，所述角度观察件的刻度端为固定在所述容纳盒外壁的旋转度数刻度表，所述指针与所述旋转度数刻度表对应设置。

进一步的，所述基座底部固接有两相对设置的套管，所述套管内穿设滑动有支撑杆，所述支撑杆顶端转动连接有接触头，两所述接触头顶端分别与所述第一L型固定板底端和所述第二L型固定板底端接触。

一种考虑层理角度的弱胶结软岩试样制备方法，制备步骤包括：

S1、制作试样：放置容纳盒至水平，向容纳盒内分层放入制备材料，对每一层制备材料击实；

S2、夹持试样：打开第一L型固定板和第二L型固定板的连接端，放入容纳盒，锁紧第一L型固定板和第二L型固定板夹持容纳盒；

S3、调节试样角度：旋转水平转柱改变容纳盒倾角，倾角调节完毕后固定容纳盒；

S4、切割试样：对试样进行垂直取土，取土完毕后切割试样上层和下层形成特定形状。

进一步的，步骤S1中，对每一层制备材料击实时，向所述容纳盒内置入接触板并接触制备材料表面，提拉击实块至预定高度，松开击实块打击接触板。

进一步的，步骤S4中，试样取土完毕后切割试样上层和下层获得圆柱状弱胶结软岩试样或空心圆柱状弱胶结软岩试样。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本技术方案通过设置角度可改变的试样制备件，模拟出更符合工程实际的软岩，使其力学特性与内部结构以及破坏形式、破坏规律与实际情况更为接近。考虑到软岩的层理角度并且结合可旋转基座以及土样取件的角度，对软岩构件的制作工具与制作方法进行全面的提升。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为试样制备装置的立体图；

图2为基座与夹持件连接关系的立体图；

图3为容纳盒的立体图；

图4为基座与水平转柱连接关系的爆炸图；

图5为击实件的立体图；

图6为接触板与固定杆连接关系的立体图；

图7为击实块与提拉杆连接关系的立体图；

图8为支撑杆与套管连接关系的立体图；

图9为实施例2的透视图；

图10为垂直取土装置取土状态的透视图；

图11为实施例3的立体图；

其中，1-基座，2-水平转柱，3-中央固定螺丝，4-第一L型固定板，5-第二L型固定板，6-长条螺丝，7-容纳盒，8-接触板，9-固定杆，10-击实块，11-提拉杆，12-指针，13-旋转度数刻度表，14-套管，15-支撑杆，16-接触头，17-环境模拟箱，18-喷雾板，19-储水箱，20-加热板，21-垂直取土装置，22-旋转杆，23-卡紧螺栓，24-旋转电机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

参照图1-8，本发明提供一种考虑层理角度的弱胶结软岩试样制样装置，包括，基座1，基座1顶端设置有转动端，转动端通过紧固件与基座1顶端可拆卸连接；夹持件，固定在转动端顶端，夹持件内可拆卸连接有试样制备件；击实件，设置在试样制备件内且击实件外壁与试样制备件内壁适配，击实件用于击实试样制备件内的土层；角度观察件，具有一固定端和一刻度端，固定端与基座1侧壁固接，刻度端与试样制备件侧壁固接，固定端与刻度端对应设置。

在进行试样制备时，通过试样制备件制作初始形态的试样，制作完毕后，将试样制备件放置在夹持件上，并旋转夹持件以改变试样制备件的倾斜角度，同时，通过角度观察件的固定端和刻度端观察试样制备件的倾斜角度，待试样制备件旋转到预定角度后，通过紧固件将试样制备件固定在基座1上，使其无法再旋转，最后利用垂直取土装置21进行取土，完成最终试样的制备。

本发明的一个实施例中，基座1优选采用倒T型结构，即该基座1具有一尺寸相对较大的底盘用于支撑，在底盘顶端固接有一支柱，该支柱的顶端设置有活动端。

参照图4，进一步优化方案，基座1顶端开设有空腔，转动端为设置在空腔内的水平转柱2，水平转柱2两端与基座1内壁转动连接，紧固件为中央固定螺丝3，中央固定螺丝3贯穿基座1和水平转柱2，中央固定螺丝3与基座1和水平转柱2螺纹连接，水平转柱2通过中央固定螺丝3与基座1固定。

可以理解的，空腔用于容纳水平转柱2，水平转柱2可相对于基座1旋转，因此可调节夹持件的倾斜角度，当需要水平转柱2与基座1相对固定时，将中央固定螺丝3旋转插入基座1与水平转柱2中，通过中央固定螺丝3与基座1的螺纹连接的摩擦力，使得水平转柱2不易相对于基座1旋转移动，当需要改变水平转柱2的倾斜角度时，可一手抓握夹持件，另一手通过螺丝刀等工具旋转中央固定螺丝3，将中央固定螺丝3由水平转柱2取出。

参照图1、图2，进一步优化方案，夹持件包括第一L型固定板4，第一L型固定板4底端与水平转柱2远离基座1的一端固接，第一L型固定板4的一端相对设置有第二L型固定板5，第二L型固定板5远离第一L型固定板4的一端螺纹连接有至少一个长条螺丝6，长条螺丝6末端贯穿第二L型固定板5伸入第一L型固定板4内，且长条螺丝6与第一L型固定板4和第二L型固定板5螺纹连接，试样制备件位于第一L型固定板4与第二L型固定板5之间。

可以理解的，第一L型固定板4的水平板一端与第二L型固定板5水平板的一端相对设置且通过长条螺丝6连接，第一L型固定板4的竖板与第二L型固定板5的竖板相对设置且两竖板之间夹持有试样制备件，在长条螺丝6的作用下，第一L型固定板4的竖板与第二L型固定板5的竖板之间的距离可调节，从而实现对试样制备件的夹持和拆卸。

其中，长条螺丝6可设置有1个、2个、3个等。

参照图3，进一步优化方案，试样制备件包括一容纳盒7，容纳盒7顶端开口，容纳盒7两侧壁与分别与第一L型固定板4上的竖板内壁和第二L型固定板5上的竖板内壁抵接。容纳盒7用于容纳试样，将不同的制备材料分层的置入容纳盒7内并通过击实件压实，再将容纳盒7置于第一L型固定板4的竖板与第二L型固定板5的竖板之间。

具体的，容纳盒7优选采用五片带有卡槽可相互拼接的钢片组成，即四个侧壁与底壁接缝密实的空心长方体状。

参照图5、图6、图7，进一步优化方案，击实件包括与容纳盒7内壁适配的接触板8，接触板8底端与土层表面接触，接触板8顶端固接有两相对设置的固定杆9，固定杆9上穿设有击实块10，击实块10外壁与容纳盒7内壁适配，且击实块10与固定杆9滑动连接，击实块10顶端固接有提拉杆11。

可以理解的，接触板8与容纳盒7内壁适配以覆盖容纳盒7内的土层所有表面，同时，两固定杆9对称布置，通过击实块10上的提拉杆11控制击实块10的落距，使各水平层的压实功基本相同，使其密实程度基本相同，完成试样的初始制备过程。

进一步的，固定杆9顶端固接有限位块。限位块用于对击实块10限位，避免击实块10脱离固定杆9。

参照图1，进一步优化方案，角度观察件的固定端为固定在基座1侧壁的指针12，角度观察件的刻度端为固定在容纳盒7外壁的旋转度数刻度表13，指针12与旋转度数刻度表13对应设置。指针12固定在基座1上，指针12的指向端为固定状态，而旋转度数刻度表13跟随容纳盒7旋转，因此指针12与旋转度数刻度表13配合可有效对容纳盒7的旋转角度进行观察。

参照图8，进一步优化方案，基座1底部固接有两相对设置的套管14，套管14内穿设滑动有支撑杆15，支撑杆15顶端转动连接有接触头16，两接触头16顶端分别与第一L型固定板4底端和第二L型固定板5底端接触。支撑杆15顶端连接有转动的接触头16，根据容纳盒7的旋转角度，相对于的调节两支撑杆15以及接触头16的位置，从而实现对第一L型固定板4底端和第二L型固定板5底端的支撑。

具体的，支撑杆15可通过螺栓(图中未示出)与套管14可拆卸连接。或者，支撑杆15可通过摩擦力与套管14连接，即支撑杆15需要较大的外力才可在套管14内移动，从而实现对容纳盒7的支撑。

本发明的一个实施例中，第一L型固定板4的水平板底端与第二L型固定板5水平板的底端开设有滑道(图中未示出)，该滑道用于容纳接触头16。

一种考虑层理角度的弱胶结软岩试样制备方法，制备步骤包括：

S1、制作试样：放置容纳盒7至水平，向容纳盒7内分层放入制备材料，对每一层制备材料击实。首先将容纳盒7放于水平地面处，根据使用要求将软岩制备材料分层放入容纳盒7中，并且利用击实件分层击实，通过击实件上的提拉杆11控制击实块10的落距，使各水平层的压实功基本相同，使其密实程度基本相同，完成试样的初始制备过程。

S2、夹持试样：打开第一L型固定板4和第二L型固定板5的连接端，放入容纳盒7，锁紧第一L型固定板4和第二L型固定板5夹持容纳盒7。打开第一L型固定板4和第二L型固定板5，将容纳盒7放于第一L型固定板4和第二L型固定板5之间，通过一侧的长条螺丝6连接第一L型固定板4和第二L型固定板5，实现对容纳盒7的固定，同时，调节两支撑杆15位置，使得接触头16置入滑道内。

S3、调节试样角度：旋转水平转柱2改变容纳盒7倾角，倾角调节完毕后固定容纳盒7。手持容纳盒7并旋转该容纳盒7，在旋转过程中贯穿容纳盒7的旋转角度，待旋转角度满足预定值后，将中央固定螺丝3插入水平转柱2内，实现水平转柱2相对于基座1的固定。

S4、切割试样：对试样进行垂直取土，取土完毕后切割试样上层和下层形成特定形状。

具体的，参照图10，垂直取土装置21包括一立架，该立架顶端螺纹连接有一连接杆，该立架顶端固接有旋转电机24，连接杆通过旋转电机24驱动旋转，连接杆末端可更换的连接有一底端开口且内部中空的圆柱体，在进行垂直取土时，将该立架上的圆柱体移动至容纳盒7上方，通过旋转连接杆，使得圆柱体旋转下移进入试样内，通过该圆柱体自上而下垂直取土，而后对上下部进行切割，得到最终试样。

进一步优化方案，步骤S1中，对每一层制备材料击实时，向容纳盒7内置入接触板8并接触制备材料表面，提拉击实块10至预定高度，松开击实块10打击接触板8。

进一步优化方案，步骤S4中，试样取土完毕后切割试样上层和下层获得圆柱状弱胶结软岩试样或空心圆柱状弱胶结软岩试样。

其中，当获得空心圆柱状弱胶结软岩试样时，圆柱体顶端内壁固接有另一圆筒体，该圆筒体用于对试样中心位置取土，以获得空心圆柱状弱胶结软岩试样。

实施例2

参照图9，与实施例1不同之处在于，设置有环境模拟箱17，基座1和容纳盒7均位于环境模拟箱17内，环境模拟箱17顶部内壁固接有喷雾板18，喷雾板18连通有储水箱19，环境模拟箱17内壁固接有加热板20。

该设置下，可将试样置于环境模拟箱17内，设置特定的温度和湿度，进一步提高试样制备的真实性。

实施例3

参照图11，与实施例1不同之处在于，容纳盒7可以在四个方向上旋转。具体的，容纳盒7靠近第一L型固定板4和靠近第二L型固定板5的侧壁上固接有旋转杆22，两旋转杆22分别贯穿第一L型固定板4和第二L型固定板5且与两固定板转动连接，一旋转杆22上螺纹连接有两卡紧螺栓23，卡紧螺栓23位于第一L型固定板4和第二L型固定板5的竖板两侧，第一L型固定板4或第二L型固定板5外壁面固定有另一旋转度数刻度表13。

该设置下，容纳盒7通过水平转柱2水平旋转，在旋转杆22的作用下，容纳盒7可向与水平旋转垂直的方向进行旋转，即容纳盒7可向四个方向旋转，更好的模拟实际情况，同时，在对容纳盒7进行固定时，通过旋转卡紧螺栓23，利用两卡紧螺栓23夹持第一L型固定板4和第二L型固定板5的竖直板，即可实现对容纳盒7的固定。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种考虑层理角度的弱胶结软岩试样制样装置，其特征在于：包括，

基座(1)，所述基座(1)顶端设置有转动端，所述转动端通过紧固件与所述基座(1)顶端可拆卸连接；

夹持件，固定在所述转动端顶端，所述夹持件内可拆卸连接有试样制备件；

击实件，设置在所述试样制备件内且所述击实件外壁与所述试样制备件内壁适配，所述击实件用于击实所述试样制备件内的土层；

角度观察件，具有一固定端和一刻度端，所述固定端与所述基座(1)侧壁固接，所述刻度端与所述试样制备件侧壁固接，所述固定端与所述刻度端对应设置。

2.根据权利要求1所述的考虑层理角度的弱胶结软岩试样制样装置，其特征在于：所述基座(1)顶端开设有空腔，所述转动端为设置在所述空腔内的水平转柱(2)，所述水平转柱(2)两端与所述基座(1)内壁转动连接，所述紧固件为中央固定螺丝(3)，所述中央固定螺丝(3)贯穿所述基座(1)和所述水平转柱(2)，所述中央固定螺丝(3)与所述基座(1)和所述水平转柱(2)螺纹连接，所述水平转柱(2)通过所述中央固定螺丝(3)与所述基座(1)固定。

3.根据权利要求2所述的考虑层理角度的弱胶结软岩试样制样装置，其特征在于：所述夹持件包括第一L型固定板(4)，所述第一L型固定板(4)底端与所述水平转柱(2)远离所述基座(1)的一端固接，所述第一L型固定板(4)的一端相对设置有第二L型固定板(5)，所述第二L型固定板(5)远离所述第一L型固定板(4)的一端螺纹连接有至少一个长条螺丝(6)，所述长条螺丝(6)末端贯穿所述第二L型固定板(5)伸入所述第一L型固定板(4)内，且所述长条螺丝(6)与所述第一L型固定板(4)和所述第二L型固定板(5)螺纹连接，所述试样制备件位于所述第一L型固定板(4)与所述第二L型固定板(5)之间。

4.根据权利要求3所述的考虑层理角度的弱胶结软岩试样制样装置，其特征在于：所述试样制备件包括一容纳盒(7)，所述容纳盒(7)顶端开口，所述容纳盒(7)两侧壁与分别与所述第一L型固定板(4)上的竖板内壁和所述第二L型固定板(5)上的竖板内壁抵接。

5.根据权利要求4所述的考虑层理角度的弱胶结软岩试样制样装置，其特征在于：所述击实件包括与所述容纳盒(7)内壁适配的接触板(8)，所述接触板(8)底端与土层表面接触，所述接触板(8)顶端固接有两相对设置的固定杆(9)，所述固定杆(9)上穿设有击实块(10)，所述击实块(10)外壁与所述容纳盒(7)内壁适配，且所述击实块(10)与所述固定杆(9)滑动连接，所述击实块(10)顶端固接有提拉杆(11)。

6.根据权利要求4所述的考虑层理角度的弱胶结软岩试样制样装置，其特征在于：所述角度观察件的固定端为固定在所述基座(1)侧壁的指针(12)，所述角度观察件的刻度端为固定在所述容纳盒(7)外壁的旋转度数刻度表(13)，所述指针(12)与所述旋转度数刻度表(13)对应设置。

7.根据权利要求3所述的考虑层理角度的弱胶结软岩试样制样装置，其特征在于：所述基座(1)底部固接有两相对设置的套管(14)，所述套管(14)内穿设滑动有支撑杆(15)，所述支撑杆(15)顶端转动连接有接触头(16)，两所述接触头(16)顶端分别与所述第一L型固定板(4)底端和所述第二L型固定板(5)底端接触。

8.一种考虑层理角度的弱胶结软岩试样制备方法，根据权利要求1-7任意一项所述的考虑层理角度的弱胶结软岩试样制样装置，其特征在于：制备步骤包括：

S1、制作试样：放置容纳盒(7)至水平，向容纳盒(7)内分层放入制备材料，对每一层制备材料击实；

S2、夹持试样：打开第一L型固定板(4)和第二L型固定板(5)的连接端，放入容纳盒(7)，锁紧第一L型固定板(4)和第二L型固定板(5)夹持容纳盒(7)；

S3、调节试样角度：旋转水平转柱(2)改变容纳盒(7)倾角，倾角调节完毕后固定容纳盒(7)；

S4、切割试样：对试样进行垂直取土，取土完毕后切割试样上层和下层形成特定形状。

9.根据权利要求8所述的考虑层理角度的弱胶结软岩试样制备方法，其特征在于：步骤S1中，对每一层制备材料击实时，向所述容纳盒(7)内置入接触板(8)并接触制备材料表面，提拉击实块(10)至预定高度，松开击实块(10)打击接触板(8)。

10.根据权利要求8所述的考虑层理角度的弱胶结软岩试样制备方法，其特征在于：步骤S4中，试样取土完毕后切割试样上层和下层获得圆柱状弱胶结软岩试样或空心圆柱状弱胶结软岩试样。

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