能精确定位岩桥交角和岩桥长度的多裂隙类岩石试样模具

摘要

本发明提供了一种能精确定位岩桥交角和岩桥长度的多裂隙类岩石试样模具，包括裂隙预制片、固定板、固定螺栓、底板、第一侧板、第二侧板和刻度板；所述底板、第一侧板、第二侧板、刻度板、固定板均由有机透明板材制作。通过对该模具的刻度板的水平位置的调整，再配合固定板上设置的固定缝的倾斜角度、尺寸和位置的改变，可实现裂隙预制片在模具中的位置、倾角等的调整，加之各刻度板的水平位置和固定板上的固定缝均可独立调整，因此通过上述结构与裂隙预制片的配合，可实现岩桥长度与岩桥交角的自由调整，该模具具有岩桥交角和岩桥长度的调整方法简单、调整方式多样化的特点。

说明书

技术领域

本发明属于岩石力学领域，特别涉及能精确定位岩桥交角和岩桥长度的多裂隙类岩石试样模具。

背景技术

人类生活在地球上层的岩石圈，许多工程如石油、矿业、水利、人防、交通等都涉及到岩体的力学特性。岩石圈中的岩体是各向异性和非连续的复杂结构体，普遍含有各种裂隙、节理、断层等不连续结构面，这些结构面在一定程度上决定了工程岩体结构的稳定性和安全性。

近年来，众研究者对岩石圈中含裂隙的岩体进行了大量的研究，且研究对象逐渐从单裂隙岩体扩展到了多裂隙岩体。由于自然界中的岩体裂隙分布具有很大的离散性，很难对真实裂隙岩石进行力学特性的规律性研究，因此，目前的研究基本上都是在利用模具和类岩体材料浇筑形成的含裂隙的类岩石试样的基础上进行的。在多裂隙岩体的研究中，岩桥长度与岩桥交角度是两个重要的影响因素，岩桥是指岩体中两条裂隙内尖端的连线，岩桥长度是指岩体中两条裂隙内尖端的连线的长度，岩桥交角是指岩桥与水平方向的夹角。研究者通过对不同岩桥长度与岩桥交角的岩石试样进行研究，发现岩桥长度和岩桥交角对岩体强度和弹性模量有着显著的影响。此外，岩桥长度和岩桥交角对自然界岩体节理与断层的贯通机理研究有着极大的价值，通过室内不同岩桥交角与岩桥长度的裂隙试样渐进破坏过程研究，可预测工程中不同裂隙扩展方式，提高工程施工的安全性。要系统研究多裂隙岩体中岩桥长度与岩桥交角度对岩体节理与断层的贯通机理、岩体强度、和弹性模量等方面的影响，必须依赖于合适的多裂隙类岩石试样模具。目前的多裂隙类岩石试样模具大多立足于裂隙倾角，裂隙连通率以及裂隙组数，尚无专门针对岩桥长度和交角的多裂隙类岩石试样模具的报道。

CN 102519767 A公开了制作类岩石试块裂隙面的模具，包括4个滑槽、不少于1根钢片定位杆、量角器、钢片、螺栓和钢片固定片，钢片固定片为设有切口的硬质薄片，粘贴在试块模具的底面，其切口宽度与钢片厚度相匹配。滑槽固定在试块模具侧壁顶部，钢片定位杆通过螺栓固定在滑槽上方，滑杆穿过钢片定位杆两端的孔并与钢片定位杆保持垂直，钢片一端固定在钢片定位杆的贯穿槽内，另一端插入钢片固定片的切口内。该模具可调整试块中裂隙面的间距、倾角等参数，还能实现多组裂隙面的制作，但该模具仍然存在以下不足：

(1)该模具的结构较为复杂，由于钢片的两端分别固定在定位杆和钢片固定片中，钢片 一端插入定位杆的贯穿槽后是通过螺栓配合定位杆上的螺栓孔实现固定，另一端插入钢片固定片的切口中，因此在调整类岩石试样的岩桥长度和岩桥交角时，首先需要将粘贴在模具底面上的钢片固定片更换为切口符合试验需求的钢片固定片，然后拧松螺栓孔中的螺栓，调整好钢片在定位杆的贯穿槽中的位置后并通过螺栓将钢片固定，再拧松将钢片定位杆固定在滑槽中的螺栓，配合滑杆和量角器调整好钢片定位杆的位置后并用螺栓将钢片定位杆固定在滑槽中，最后将调整好位置的钢片的另一端插入钢片固定片对应的切口中固定，由前述内容可知，使用该模具在调整类岩石试样的岩桥长度和岩桥交角时的操作过程非常的繁琐，不利于类岩石试样制作效率的提高。(2)由于粘贴在模具底面上的钢片固定片上的切槽位置和形状必须与钢片的位置、角度和尺寸完全匹配才能实现钢片的固定，因此，只要任意一裂隙的倾角、尺寸或者位置发生变化，都需要重新制作和更换粘贴在模具底面上的钢片固定片，这不但会使类岩石试样的制作过程的复杂性，而且会增加类岩石试样的制作成本。(3)由于该模具中的滑杆穿过钢片定位杆两端的孔并与钢片定位杆保持垂直，因此被同一组相互平行的滑竿穿过的钢片定位杆始终是处于相互平行的状态，并且，通过滑杆和量角器调整钢片定位杆的位置时，固定在同一钢片定位杆上的各个钢片是相互关联的，因此调整时的机动性能低，使用该模具制作的多裂隙类岩石试样的裂隙倾角的可变角度也是较为有限的，导致岩桥长度及岩桥交角的调整方式较为有限、无法任意调整，因而难以满足对岩桥长度及岩桥交角的变化进行系统性研究的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能精确定位岩桥交角和岩桥长度的多裂隙类岩石试样模具，以简化岩桥交角和岩桥长度的调整方法、丰富岩桥长度和岩桥交角的调整方式，同时降低类岩石试样的制作成本。

本发明提供的能精确定位岩桥交角和岩桥长度的多裂隙类岩石试样模具，包括裂隙预制片、固定板、固定螺栓、底板、第一侧板、第二侧板和刻度板；

所述第一侧板为两块，第一侧板的左右两端周边均设有螺栓通孔，螺栓通孔的内侧设有两个与第二侧板厚度匹配的第二凹槽，两个第二凹槽中均设有与刻度板厚度和宽度匹配的条形通孔，两个第二凹槽中所设的条形通孔至少为2个且数量相同，所述条形通孔在各自所处的第二凹槽中分布成一列且与另一第二凹槽中对应的条形通孔位于同一高度；

所述第二侧板为两块，第二侧板上设有与第二凹槽中条形通孔数量相等且长度大于固定板长度的矩形镂空部，各矩形镂空部的设置位置与第二凹槽中各条形通孔的设置位置相同，各矩形镂空部两端端部的第二侧板上设有长度与矩形镂空部宽度相等、深度与刻度板厚度相 等的第三凹槽；

所述底板的上表面周边设有与第一侧板厚度匹配的两个第四凹槽及与第二侧板厚度匹配的两个第五凹槽；

所述刻度板为矩形板，刻度板的数量与第一侧板上两个第二凹槽中设置的条形通孔总数相同，各刻度板上均设有与固定板匹配的缺口，该缺口的边缘上设有与固定板厚度匹配的第一凹槽，在所述缺口两侧的刻度板边缘沿刻度板的长度方向设置有刻度；

所述固定板为设有固定缝的矩形板，数量与刻度板的数量相同，所述固定缝的尺寸与裂隙预制片的宽度和厚度匹配；

上述构件的组合方式：两块第一侧板的下端分别位于底板周边的两个第四凹槽中，两块第二侧板的下端分别位于底板周边的两个第五凹槽中，两块第二侧板的左右两端分别位于两块第一侧板的两个第二凹槽中，通过插装在两块第一侧板设置的螺栓通孔内的固定螺栓和螺母的组合将两块第一侧板和两块第二侧板结合为一体形成模具的边墙；各固定板分别嵌入在对应刻度板的缺口中，嵌有固定板的各刻度板分别插入第一侧板上的相应条形通孔以及第二侧板的相应矩形镂空部中，位于同一高度的两块固定板上的固定缝相互平行；所述裂隙预制片分别插装在位于同一高度处的两块固定板的固定缝中；

所述底板、第一侧板、第二侧板、刻度板、固定板均由有机透明板材制作。

上述模具中，所述刻度板的长度大于第二侧板的宽度。

上述模具中，所述有机透明板材为聚甲基丙烯酸甲酯板材或者聚碳酸酯板材，为了满足模具的强度要求，透明板材厚度至少为10mm。

上述模具中，所述第一侧板左右两端周边均设置至少2个螺栓通孔，随着模具尺寸的增加，可增加螺栓通孔的数量；第一侧板的两个第二凹槽中设置的条形通孔的数量根据实际的应用需求进行确定。

上述模具中，所述裂隙预制片的宽度、厚度和材质根据制作类岩石试样的具体要求进行确定，例如可采用钢性材料制作的裂隙预制片制作带非填充型裂隙的类岩石试样，可采用脆性材料制作的裂隙预制片制作带填充型裂隙的类岩石试样。

使用上述模具制作多裂隙类岩石试样模具的方法如下：

①将两块第一侧板的下端分别插装在位于底板周边的两个第四凹槽中，将两块第二侧板的下端分别插装在位于底板周边的两个第五凹槽中、两块第二侧板的左右两端分别插装入两块第一侧板的两个第二凹槽中，通过插装在两块第一侧板设置的螺栓通孔内的固定螺栓和螺母的组合将两块第一侧板和两块第二侧板结合为一体形成模具的边墙，然后将各固定板分别 嵌入在对应刻度板的缺口中，将嵌有固定板的各刻度板分别插入第一侧板上的相应条形通孔以及第二侧板的相应矩形镂空部中，将裂隙预制片分别插装在位于同一高度处的两块固定板的固定缝中，再将类岩石浆料倒入模具中，振捣、抹平；

②将经过步骤①处理的模具静置至类岩石浆料凝固成型，依次拆掉固定螺栓、第一侧板、插装有刻度板的第二侧板以及底板，取出裂隙预制片得到裂隙为非填充型的多裂隙类岩石试样，或者剪掉凝固成型的试样表面的预制裂隙片得到裂隙为填充型的多裂隙类岩石试样。

步骤①中将裂隙预制片插装在固定缝中时，按照从模具的底板向上的方向依次插装，每插装一块裂隙预制片之后，便将类岩石浆料倒入模具中使类岩石浆料覆盖住刚插装的裂隙预制片并振捣、抹平，然后重复前述插装裂隙预制品和倒入类岩石浆料并振捣、抹平的操作，直到类岩石浆料覆盖住所有的裂隙预制片。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明提供的能精确定位岩桥交角和岩桥长度的多裂隙类岩石试样模具是专门针对岩桥长度和岩桥交角研究的一种新型多裂隙类岩石试样模具，由于该模具的第二侧板上设置了矩形镂空部、第一侧板上设置了条形通孔，刻度板上设置了用于嵌入固定板的缺口，嵌入固定板的刻度板插装在第一侧板的条形通孔和第二侧板的矩形镂空部中后可在水平方向上自由移动，通过对刻度板的水平位置的调整，再配合固定板上设置的固定缝的倾斜角度、尺寸和位置的改变，可实现裂隙预制片在模具中的位置、倾角等的调整，加之各刻度板的水平位置和固定板上的固定缝均可独立调整，因此通过上述结构与裂隙预制片的配合，可实现岩桥长度与岩桥交角的自由调整，与现有的多裂隙类岩石试样模具相比，具有岩桥交角和岩桥长度的调整方法简单、调整方式多样化的特点，使用本发明所述模具能有效提高类岩石试样的制作效率。

2.由于本发明所述模具中用于调整裂隙参数的各部件是相互独立的，因此使用本发明所述模具可以制作裂隙倾角、裂隙宽度、岩桥长度、岩桥交角单一变化的多裂隙类岩石试样，也可以制作上述各因素中两种或多种同时变化的多裂隙类岩石试样，裂隙调整方式自由且多样化，本发明所述模具更容易满足对岩桥长度及岩桥交角的变化进行系统性研究的需求。

3.采用本发明所述模具制作多裂隙类岩石试样时，只有需要调整固定板上的固定缝的角度和尺寸及位置时，才需要更换相应的固定板，若只是对裂隙的水平位置进行调整，无需更换新的固定板，与CN 102519767 A公开的模具相比，具有减少制作固定板的工序和降低类岩石试样的制作成本的优势。

4.由于本发明所述模具的底板、第一侧板、第二侧板、刻度板、固定板均由有机透明板 材制作，在浇筑类岩石试样的过程中，可直接观察到模具中的气泡情况并及时处理，这有利于减少因气泡造成的类岩石试样不同部位或不同批次制作的类岩石试样的孔隙率差异，从而减小类岩石试样力学性能差异，提高类岩石试样的质量。同时，有机透明板材的成本较低且切割方便，有利于降低模具的制作难度和成本。

附图说明

图1是本发明所述模具的结构示意图；

图2是本发明所述模具的第一侧板的结构示意图；

图3是本发明所述模具的第二侧板的结构示意图；

图4是本发明所述模具的底板的结构示意图；

图5是本发明所述模具的刻度板的结构示意图；

图6是本发明所述模具的固定板的结构示意图；

图7是本发明所述模具的刻度板与固定板组合后的示意图；

图8是本发明所述模具的第二侧板与嵌有固定板的刻度板组合后的示意图；

图中，1—底板、1-1—第四凹槽、1-2—第五凹槽、2—第一侧板、2-1—螺栓通孔、2-2—第二凹槽、2-3—条形孔、3—第二侧板、3-1—矩形镂空部、3-2—第三凹槽、4—刻度板、4-1—缺口、4-2—第一凹槽、4-3—刻度、5—裂隙预制片、6—固定板、6-1—固定缝、7—固定螺栓。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图对本发明所述能精确定位岩桥交角和岩桥长度的多裂隙类岩石试样模具及其使用方法进一步说明。

实施例1

本实施例中，能精确定位岩桥交角和岩桥长度的多裂隙类岩石试样模具的结构示意图如图1所示，包括裂隙预制片5、固定板6、固定螺栓7、底板1、第一侧板2、第二侧板3和刻度板4。

所述第一侧板的结构示意图如图2所示，第一侧板2为两块，第一侧板的左右两端周边均设有两个螺栓通孔2-1，螺栓通孔2-1的内侧设有两个与第二侧板3厚度匹配的第二凹槽2-2，两个第二凹槽2-2中均设有与刻度板厚度和宽度匹配的条形通孔2-3，两个第二凹槽2-2中所设的条形通孔均为两个，所述条形通孔在各自所处的第二凹槽中分布成一列且与另一第二凹槽中对应的条形通孔位于同一高度。

所述第二侧板的结构示意图如图3所示，第二侧板3为两块，第二侧板上设有两个矩形 镂空部3-1，矩形镂空部3-1的长度大于固定板6的长度，各矩形镂空部3-1的设置位置与第二凹槽2-2中各条形通孔2-3的设置位置相同，各矩形镂空部3-1两端端部的第二侧板上设有长度与矩形镂空部宽度相等、深度与刻度板厚度相等的第三凹槽3-2。

所述底板的结构示意图如图4所示，底板1的上表面左右周边设有与第一侧板2厚度匹配的两个第四凹槽1-1，底板1的上表面前后周边设有与第二侧板3厚度匹配的两个第五凹槽1-2。

所述刻度板的结构示意图如图5所示，刻度板4为矩形板，刻度板的数量为四块，各刻度板上均设有与固定板6匹配的缺口4-1，该缺口的上边缘上设有与固定板厚度匹配的第一凹槽4-2，在所述缺口两侧的刻度板边缘沿刻度板的长度方向设置有刻度4-3。

所述固定板的结构如图6所示，固定板6为设有固定缝6-1的矩形板，固定板的数量为四块，所述固定缝6-1的尺寸与裂隙预制片5的宽度和厚度匹配。

上述构件的组合方式：两块第一侧板2的下端分别位于底板周边的两个第四凹槽1-1中，两块第二侧板3的下端分别位于底板周边的两个第五凹槽1-2中，两块第二侧板3的左右两端分别位于两块第一侧板的两个第二凹槽2-2中，通过插装在两块第一侧板设置的螺栓通孔内的固定螺栓7和螺母的组合将两块第一侧板和两块第二侧板结合为一体形成模具的边墙；各固定板6分别嵌入在对应刻度板的缺口4-1中，如图7所示，嵌有固定板的各刻度板分别插入第一侧板上的相应条形通孔2-3以及第二侧板的相应矩形镂空部3-1中，如图8所示，位于同一高度的两块固定板6上的固定缝6-1相互平行；所述裂隙预制片5为两块，分别插装在位于同一高度处的两块固定板的固定缝6-1中。

所述底板1、第一侧板2、第二侧板3、刻度板4、固定板6均由聚甲基丙烯酸甲酯板材制作，所述裂隙预制片5由钢板制作。

使用本实施例所述模具制作多裂隙类岩石试样模具的方法如下：

①将两块第一侧板的下端分别插装在位于底板周边的两个第四凹槽中，将两块第二侧板的下端分别插装在位于底板周边的两个第五凹槽中、两块第二侧板的左右两端分别插装入两块第一侧板的两个第二凹槽中，通过插装在两块第一侧板设置的螺栓通孔内的固定螺栓和螺母的组合将两块第一侧板和两块第二侧板结合为一体形成模具的边墙，然后将各固定板分别嵌入在对应刻度板的缺口中，将嵌有固定板的四块刻度板分别插入第一侧板上的相应条形通孔以及第二侧板的相应矩形镂空部中，将两块裂隙预制片分别插装在位于同一高度处的两块固定板的固定缝中，再将类岩石浆料倒入模具中，振捣、抹平；

步骤①中将裂隙预制片插装在固定缝中时，按照从模具的底板向上的方向依次插装，每 插装一块裂隙预制片之后，便将类岩石浆料倒入模具中使类岩石浆料覆盖住刚插装的裂隙预制片并振捣、抹平，然后重复前述插装裂隙预制品和倒入类岩石浆料并振捣、抹平的操作，直到类岩石浆料覆盖住所有的裂隙预制片；

②将经过步骤①处理的模具静置至类岩石浆料凝固成型，依次拆掉固定螺栓、第一侧板、插装有刻度板的第二侧板以及底板，取出裂隙预制片得到裂隙为非填充型的多裂隙类岩石试样。

实施例2

本实施例中，能精确定位岩桥交角和岩桥长度的多裂隙类岩石试样模具的结构示意图类似于图1，包括裂隙预制片5、固定板6、固定螺栓7、底板1、第一侧板2、第二侧板3和刻度板4。

所述第一侧板的结构示意图类似于图2，第一侧板2为两块，第一侧板的左右两端周边均设有两个螺栓通孔2-1，螺栓通孔2-1的内侧设有两个与第二侧板3厚度匹配的第二凹槽2-2，两个第二凹槽2-2中均设有与刻度板厚度和宽度匹配的条形通孔2-3，两个第二凹槽2-2中所设的条形通孔均为三个，所述条形通孔在各自所处的第二凹槽中分布成一列且与另一第二凹槽中对应的条形通孔位于同一高度。

所述第二侧板的结构示意图类似于图3，第二侧板3为两块，第二侧板上设有三个矩形镂空部3-1，矩形镂空部3-1的长度大于固定板6的长度，各矩形镂空部3-1的设置位置与第二凹槽2-2中各条形通孔2-3的设置位置相同，各矩形镂空部3-1两端端部的第二侧板上设有长度与矩形镂空部宽度相等、深度与刻度板厚度相等的第三凹槽3-2。

所述底板的结构示意图如图4所示，底板1的上表面左右周边设有与第一侧板2厚度匹配的两个第四凹槽1-1，底板1的上表面前后周边设有与第二侧板3厚度匹配的两个第五凹槽1-2。

所述刻度板的结构示意图如图5所示，刻度板4为矩形板，刻度板的数量为六块，各刻度板上均设有与固定板6匹配的缺口4-1，该缺口的上边缘上设有与固定板厚度匹配的第一凹槽4-2，在所述缺口两侧的刻度板边缘沿刻度板的长度方向设置有刻度4-3。

所述固定板的结构如图6所示，固定板6为设有固定缝6-1的矩形板，固定板的数量为六块，所述固定缝6-1的尺寸与裂隙预制片5的宽度和厚度匹配。

上述构件的组合方式：两块第一侧板2的下端分别位于底板周边的两个第四凹槽1-1中，两块第二侧板3的下端分别位于底板周边的两个第五凹槽1-2中，两块第二侧板3的左右两端分别位于两块第一侧板的两个第二凹槽2-2中，通过插装在两块第一侧板设置的螺栓通孔 内的固定螺栓7和螺母的组合将两块第一侧板和两块第二侧板结合为一体形成模具的边墙；各固定板6分别嵌入在对应刻度板的缺口4-1中，如图7所示，嵌有固定板的各刻度板分别插入第一侧板上的相应条形通孔2-3以及第二侧板的相应矩形镂空部3-1中，类似于图8，位于同一高度的两块固定板6上的固定缝6-1相互平行；所述裂隙预制片5为三块，分别插装在位于同一高度处的两块固定板的固定缝6-1中。

所述底板1、第一侧板2、第二侧板3、刻度板4、固定板6均由聚碳酸酯板材制作，所述裂隙预制片5由钢板制作。