用于制作不同倾角类裂隙岩石试件的模具及其制作方法

摘要

一种用于制作不同倾角类裂隙岩石试件的模具及其制作方法，模具外壳是由底板、前后侧板和左右侧板围成的方形无盖盒体，前后侧板中间对应开孔，孔内各安装一旋转插槽；旋转插槽是包括槽板和从板底垂直突起的连接螺杆的一体成型的T形结构；槽板安装在盒体内，连接螺杆分别从前后侧板上的孔中伸出，端部用螺母固定；两个插槽之间夹有裂隙模拟框，框两头分别嵌在槽内；裂隙模拟框由铁框架和框内的纸条组成，纸条排布呈网状，两头贴在框沿上。使用时可根据需要任意调整裂隙模拟框的角度，角度确定后向模具内浇筑类岩石试件材料，制作成不同倾角类裂隙岩石试件。本发明可方便快速、准确地调整裂隙倾角，结构简单，易于组装、拆卸方便，可重复利用。

说明书

技术领域

本发明涉及裂隙岩石相似模型试验技术领域，特别涉及一种一种用于制作不同倾角类裂隙岩石试件的模具及其制作方法。

背景技术

岩石中存在大量的、随机的天然缺陷，作为一种非均质的多相复合结构，其变形破坏力学规律主要受周围环境作用方式的影响；岩石的破坏力学特性非常复杂，受到的地应力和工程荷载不同，力学响应形式即具有显著差异，具有非线性、非连续和各向异性的特点。工程实践表明，岩体工程的失稳，大多数是由其内部节理或裂隙等缺陷扩展导致的。因此，深入研究岩体的物理力学性能如应力、应力-应变或破坏等是十分必要的工作，特别是工程岩体力学特征、力学参数及破坏机理，对工程实践具有指导作用。

为了测试和探讨含节理面岩体的变形与强度特性，目前主要的研究方法为模型试验方法。然而，对含有节理面的岩石材料进行模型试验研究时，类岩石试块的制作非常困难。目前的模型试验方法是采用混凝土或石膏作为制作类岩石试块的材料。现有工艺造成岩石裂隙面模型上下盘吻合程度差，不能反映裂隙面的真实情况；而岩石裂隙面的表面形态是影响其抗剪强度的重要因素，因此会对实验结果造成较大误差。裂隙面定位难度大，每调整一次裂隙面参数需重新制作模型，工作效率低、加工周期长且浪费模型材料。很难准确模拟类岩石试块中裂隙面的位置、倾角等，导致试块的精确性低，影响试验数据的可靠性。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种用于制作不同倾角类裂隙岩石试件的模具及其制作方法，其制作加工方便、结构简单、可重复利用、成本低且加工流程简洁的用于制作不同裂隙倾角的类岩石试验的模型。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于制作不同倾角类裂隙岩石试件的模具，其特征在于：包括一个由底板、前后侧板和左右侧板围成的方形无盖盒体；在所述前后侧板的中间对应位置上分别开有一个预留孔，所述预留孔内各安装一个旋转插槽；所述旋转插槽为一体成型的T形金属结构，包括槽板和从槽板底面垂直突起的连接螺杆；所述槽板安装在盒体内部，其底面紧贴盒体内侧面，槽板外侧开有槽口，前后侧板的两个槽口对向设置；所述连接螺杆分别从前后侧板上的预留孔中伸出，露在盒体外侧的端部旋有固定螺母，实现旋转插槽与前后侧板的连接固定；所述前后侧板的两个旋转插槽之间夹有随旋转插槽一起转动的裂隙模拟框，所述裂隙模拟框的长度与两个旋转插槽的槽底之间的距离相适应，其两头边框分别嵌在两个旋转插槽的槽内；所述裂隙模拟框由矩形的铁框架和贴在铁框架内的纸条组成，所述纸条均匀交叉排布呈网状，纸条的两头贴在铁框架的框沿上。

作为本发明的优选技术方案，所述前后侧板的外侧面上，在预留孔对应的位置上刻有角度或贴有刻度盘，所述刻度盘的中心开孔，开孔与预留孔重合且大小与预留孔的大小相适应；相应的，所述连接螺杆上高出刻度盘位置带有角度指示标识。

优选的，所述角度指示标识为刻在连接螺杆上的标记点、平行于连接螺杆中轴线的标示线或从连接螺杆上突出的指示针。

进一步的，所述旋转插槽的槽板为圆盘形或矩形，其上的槽口为长条状，旋转插槽的材料可以为钨钢、合金或铸铁。

优选的，所述旋转插槽的远离连接螺杆的两个端部与相应的前后侧板之间通过螺丝进一步加固连接。

优选的，所述旋转插槽可以紧贴前后侧板内侧，所述前后侧板为平整平面；旋转插槽也可以底部嵌在前后侧板内，相应的所述前后侧板的内侧面上设有以连接螺杆的中心为圆心、以旋转插槽的最长旋转半径为半径的圆形凹陷。

优选的，所述刻度盘与固定螺母之间还设有六角螺母和压盖，所述固定螺母为盖帽螺母。

更优选的，所述纸条分别沿平行和垂直于铁框架的某一边的两个方向间隔均匀排布，形成均匀的十字格网状。

更优选的，所述底板、前后侧板和左右侧板的材料相同，可以为钨钢、合金或铸铁，所述底板、前后侧板和左右侧板的相邻板之间的连接为企口连接，并且用螺栓加固。

此外，本发明还涉及上述用于制作不同倾角类裂隙岩石试件的模具的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、准备材料和试验工具：包括底板、前后侧板、左右侧板、旋转插槽及相关连接件的制作与准备；

步骤二、安装刻度盘：在前后侧板对应位置开预留孔，在预留孔外侧安装刻度盘；

步骤三、制作裂隙模拟框：结合不同的试验需求将废纸裁剪成同一宽度的纸条，并按同一间距编制成网格状固定在铁框架上，形成裂隙模拟框；

步骤四、组装模型的方形无盖盒体：由底板、前后侧板和左右侧板围成方形无盖盒体，底板、前后侧板和左右侧板的相邻板之间的连接为企口连接，并且用螺栓加固；

步骤五、安装旋转插槽：在模型盒体内侧刷上润滑油，在前后侧板的预留孔内安装旋转插槽；

步骤六、安装裂隙模拟框：将裂隙模拟框插入模型前后侧板的旋转插槽中，在连接螺杆的端部临时安装固定螺母但不紧固；

步骤七、调整旋转插槽：将旋转插槽调节到所需的角度，最后紧固固定螺母和螺丝将旋转插槽和前后侧板固定；

步骤八、浇筑类岩石试件材料：向制作好的模具内浇筑类岩石试件材料，制作成不同倾角类裂隙岩石试件。

与现有技术相比，本发明的技术优势在于：

（1）本发明模具结构简单，易于加工，组装、拆卸方便、可重复利用，有效节约材料，降低成本；

（2）本发明模具可通过旋转插槽实现裂隙模拟框与模型左右侧板之间的夹角即试块中节理的倾角，从而模拟不同的节理倾角，方便快捷；

（3）本发明模型使得不同倾角类裂隙岩石试件的制作流程简洁，提高了试件制备效率，根据相似理论的计算和反复的试验调整,配置出与现实工程中的岩石特性较符合的类岩石材料,浇筑进模具后即可制作出复合实际工程的裂隙岩石试件；

（4）本发明公开的模型采用废纸编制裂隙，变废为宝，节约资源。

附图说明

图1是本发明涉及的用于制作不同倾角类裂隙岩石试件的模具的整体外观结构示意图；

图2是图1中连接螺杆43的中轴线所在的水平剖面的剖面结构示意图；

图3为图2中A-A剖面的剖面结构示意图；

图4为本发明涉及的旋转插槽3及其端部连接构件的立体结构示意图；

图5为本发明涉及的模拟裂隙体系的废纸条5和铁框架6的结构示意图。

附图标记：1-底板、2-左右侧板、3-前后侧板、4-旋转插槽、41-槽板、42-槽口、43-连接螺杆、5-裂隙模拟框、51-纸条、52-铁框架、6-螺栓、7-螺丝、8-刻度盘、9-六角螺母、10-压盖、11-固定螺母、12-预留孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明实施例涉及一种用于制作不同倾角类裂隙岩石试件的模具，如图1、2和3，其包括一个由底板1、前后侧板3和左右侧板2围成的方形无盖盒体，内侧尺寸为100×100×100mm（长×宽×高），其底板1、前后侧板3和左右侧板2的材料相同，可以为钨钢、合金或铸铁；所述底板1、前后侧板3和左右侧板2的相邻板之间的连接为企口连接，并且用螺栓6加固。在所述前后侧板3的中间对应位置上分别开有一个预留孔12，所述预留孔12内各安装一个旋转插槽4；所述旋转插槽4为一体成型的T形金属结构，包括槽板41和从槽板底面垂直突起的连接螺杆43；所述槽板41安装在盒体内部，其底面紧贴盒体内侧面，槽板41外侧开有槽口42，前后侧板3的两个槽口对向设置；所述连接螺杆43分别从前后侧板3上的预留孔中伸出，露在盒体外侧的端部旋有固定螺母11，实现旋转插槽4与前后侧板3的连接固定；

所述前后侧板3的两个旋转插槽4之间夹有随旋转插槽4一起转动的裂隙模拟框5，所述裂隙模拟框5的长度与两个旋转插槽4的槽底之间的距离相适应，宽度可以随需要进行调整，其两头边框分别嵌在两个旋转插槽4的槽内；

如图5，所述裂隙模拟框5由矩形的铁框架51和贴在铁框架51内的纸条52组成，所述纸条52均匀交叉排布呈网状，纸条52的两头贴在铁框架51的框沿上。本发明实施例的纸条52分别沿平行和垂直于铁框架的某一边的两个方向间隔均匀排布，形成均匀的十字格网状。铁框架中纸条宽度为10mm，其间距为10mm，将纸条从框架中间往两边依次进行粘贴，固定在铁框架51上，用于模拟裂隙，铁片框架薄，按试验需要可加工不同长度的铁框架51，铁框架51可在旋转插槽中自由移动。铁框架51长度为100～120mm，其宽度为100，厚度为2.5mm。

如图4，所述前后侧板3的外侧面上，在预留孔12对应的位置上刻有角度或贴有刻度盘8，所述刻度盘8的中心开孔，开孔与预留孔12重合且大小与预留孔12的大小相适应；相应的，所述连接螺杆43上高出刻度盘8位置带有角度指示标识。通过刻度盘8调节插槽的角度，并采用六角螺母9和盖形螺母12将旋转插槽4和前后侧板3固定在一起，也可直接在侧板上刻角度，通过旋转插槽4确定铁框架52与模型侧壁间的夹角。所述角度指示标识为刻在连接螺杆43上的标记点、平行于连接螺杆43中轴线的标示线或从连接螺杆43上突出的指示针。

所述旋转插槽4的槽板41为椭圆盘形或矩形，其上的槽口42为长条状，旋转插槽4的材料可以为钨钢、合金或铸铁。所述旋转插槽4的远离连接螺杆43的两个端部与相应的前后侧板3之间通过螺丝7进一步加固连接。所述旋转插槽4可以紧贴前后侧板3的内侧，所述前后侧板3为平整平面；旋转插槽4也可以底部嵌在前后侧板3内，相应的，所述前后侧板3的内侧面上设有以连接螺杆43的中心为圆心、以旋转插槽4的最长旋转半径为半径的圆形凹陷。本实施例槽板41为矩形，尺寸为80×14×6mm（长×宽×高），槽孔42尺寸为80×3×3mm（长×宽×高）。

此外，所述刻度盘8与固定螺母11之间还设有六角螺母9和压盖10，所述固定螺母11为盖帽螺母。所述底板1、前后侧板3和左右侧板2的材料相同，可以为钨钢、合金或铸铁；所述底板1、前后侧板3和左右侧板2的相邻板之间的连接为企口连接，并且用螺栓6加固。本实施例中，通过旋转插槽调节铁框架51与模型侧壁间的夹角即试块中节理的倾角，一旦倾角确定后拧紧螺丝7和固定螺母11将旋转插槽4与前后侧板3固定。

本发明还涉及上述用于制作不同倾角类裂隙岩石试件的模具的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、准备材料和试验工具：包括底板1、前后侧板3、左右侧板2、旋转插槽4及相关连接件的制作与准备，例如类岩石试件所需的材料，废纸等，考虑试验的一致性，收集同一类型的废纸，制作过程中可以统一使用废弃的杂志；

步骤二、安装刻度盘8：在前后侧板3对应位置开预留孔12，在预留孔外侧安装刻度盘8；

步骤三、制作裂隙模拟框5：结合不同的试验需求将废纸裁剪成同一宽度的纸条52，并按同一间距编制成网格状固定在铁框架51上，形成裂隙模拟框5；结合不同的试验需求可将废纸裁剪成同一宽度的纸条，并按同一间距编制成网格状固定在裂隙模拟框架5上，如图5所示。

步骤四、组装模型的方形无盖盒体：由底板1、前后侧板3和左右侧板2围成方形无盖盒体，底板1、前后侧板3和左右侧板2的相邻板之间的连接为企口连接，并且用螺栓6加固；

步骤五、安装旋转插槽4：在模型盒体内侧刷上润滑油，在前后侧板3的预留孔内安装旋转插槽4；

步骤六、安装裂隙模拟框5：将裂隙模拟框5插入模型前后侧板3的旋转插槽4中，在连接螺杆43的端部临时安装固定螺母11但不紧固；

步骤七、调整旋转插槽4：将旋转插槽4调节到所需的角度，最后紧固固定螺母11和螺丝7将旋转插槽4和前后侧板3固定；

步骤八、浇筑类岩石试件材料：向制作好的模具内浇筑类岩石试件材料，制作成不同倾角类裂隙岩石试件。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例陈述的具体形式，本发明的保护范围涵盖本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。