环向均匀加载预应力和竖向加载稳定应力的试件制作模具

摘要

本发明公开了一种环向均匀加载预应力和竖向加载稳定应力的试件制作模具及其使用方法。该试件模具包括一个模具盖板，两瓣侧模具，一个模具底座，三个圆弧形可压缩垫块，三条喉箍，若干感压纸和若干不同质量的配重块。通过本发明，确保在试样成型过程中受到环向均匀预应力和竖向稳定压力的作用，再现实际地质工程中原位岩体所处的地应力环境的应力状态以及其在成岩过程中所受到的地应力作用效果。在确保试样能够深度还原其成岩过程中地应力及其变化规律的基础上，再研究人类工程开挖活动形成的二次扰动对其破坏的影响规律，如此方可能保证后续实验结果的准确性和可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及块体岩石和注浆材料组合成岩圆柱试件制作，具体涉及一种环向均匀加载预应力和竖向加载稳定应力的试件制作模具及其使用方法。

背景技术

成岩作用是指在一定压力、温度的影响下，由松散的沉积物转变为沉积岩的过程。成岩作用多发生在地下几千米以内的地质环境中，成岩作用的主要方式有：压实作用、胶结作用、重结晶作用和新矿物的生长。其中，煤岩赋存在地下几百米甚至几千米处，在其成岩过程中不仅要承受上覆岩层的垂直应力，还要受周围岩体的水平应力。

众所周知，在煤矿开采领域，注浆加固围岩、注浆加固煤柱以及充填开采技术都是为了保证围岩或者煤柱的稳定性，安全高效的将煤炭资源开采出来，为研究注浆加固效果和充填效果，实验室通常用注浆材料浇筑模具，制备试样，进而研究注浆材料试样的力学特性。然而在制备试样的过程中，忽略了工程实际中注浆材料和岩体的组合成岩过程，以及成岩过程中的组合岩体所承受的水平应力和垂直应力作用。环向均匀加载预应力和竖向加载稳定应力的试件模具是一种实验室内浇筑试样的辅助工具，它可以模拟块体岩石和水泥砂浆组合成岩过程中受到的垂直应力和水平应力，使得制备出来的圆柱试样能够经受其成岩过程所承受的地应力，使其更加接近实际状态下组合岩体的受力状态，如此方可确保后续实验室试验结果更加准确可信，有效地消除试验误差。

中国专利申请CN201922317230.1公开了一种制备含轴向裂隙的圆柱状试样的模具，该发明在浇筑试件前，将3D打印机打印的插片放置于模具内，再用水泥砂浆浇筑试件，从而可以直接制取含预制裂隙的圆柱状试样，无需经由钻样机钻去芯样。但是该模具并没有考虑到水泥沙浆与岩体的组合成岩过程，亦没有考虑到试样成岩过程中所受的水平应力和垂直应力作用。

中国专利申请CN201920769941.X公开了一种用于制备三轴压缩试验试样的成型模具，该专利通过在底座上设置试样模具、支撑在底座上且用于固定试样模具的压紧机构和与所述试样模具配合的顶出杆，将制样与脱模功能集于一体。该模具虽然顶部有压紧机构以及侧向有约束模具的卡箍，但是顶部的压紧机构和卡箍只是起到了固定侧模具的作用，并没有主动给试样施加垂直应力和环向应力，即并未能够实现试件在固结及其成岩过程中地应力的有效施加。

综上可知，现存的制备圆柱状试样的模具和工具中，均不能实现组合成岩过程中施加岩石所受的水平应力和垂直应力的效果，导致浇筑出来的试样及其固结过程均处于无围压状态，这与地下岩石在成岩过程中所经受的不同大小的垂直应力及水平应力存在本质区别，这将会对后期研究因人类采掘活动而引起的岩石的二次破坏规律造成显著偏差。

发明内容

本发明旨在提供一种环向均匀加载预应力和竖向加载稳定应力的试件制作模具及其使用方法，操作简便，实用性强，便于广泛推广。

本发明通过环向设置喉箍，竖向设置盖板和配重块，确保制样过程中试样受到环向均匀预应力和竖向稳定压力，使制备得到的试样更加接近工程实际的天然应力状态，制样过程考虑了试样组合成岩过程中的受力情况，能保证后续实验结果的准确性和可信性。

本发明提供了一种环向均匀加载预应力和竖向加载稳定应力的试件制作模具，包括：模具主体，模具主体由上下依次连接的一个模具盖板，两瓣侧模具，一个模具底座组成，在模具主体的外侧面的上、中、下三个部位分别设有三个圆弧形可压缩垫块，三条喉箍，若干感压纸和若干不同质量的配重块；所述的模具底座形状为阶梯状圆柱，所述的模具盖板形状为阶梯状圆柱，模具盖板上部通过配重块施加稳定压力；所述的两瓣侧模具，均为半圆柱筒结构，二者连接处一瓣设置成凹槽式接头侧模具，另一瓣设置成凸棱式接头侧模具，两瓣侧模具内嵌围成一个圆柱筒组合模具。

上述装置中，模具底座的上部横截面积与模具圆柱内腔的相同；模具盖板的下部横截面积与模具圆柱内腔的相同。

上述装置中，所述的喉箍为不锈钢材料，布置在侧模具上中下三个位置，通过调紧喉箍向模具表面传递环向预应力。

所述的圆弧形可压缩垫块和喉箍组合使用，分别设置在模具主体的外侧面的上、中、下三个部位，垫块可以在喉箍调紧时被压缩，贴合在侧模具表面，使喉箍调紧力可以通过圆弧形可压缩垫块传递到侧模具表面，进而传递给试样，避免在箍头和侧模具表面之间出现应力真空区。

所述的感压纸受到压力时会变成红色，颜色浓度也会随着压力的大小而发生改变，因此感压纸可以用来反映喉箍施加的环向预应力大小，感压纸围绕侧模具表面喉箍布置的上中下位置分别缠绕一圈。

本发明提供了上述环向均匀加载预应力和竖向加载稳定应力的试件制作模具的使用方法，包括如下步骤：

第一步，首先将两瓣侧模具和模具底座进行组装，凸棱侧模具的凸棱不完全插入凹槽侧模具的凹槽中，观察两瓣侧模具的顶部咬合处，给凸棱在凹槽内留下1mm左右的可移动空间，方便喉箍调紧；

第二步，向凸棱侧模具内装入和凸棱侧模具内腔相匹配的半圆柱状岩石试样，而后向凹槽侧模具内装入水泥砂浆试样，使岩石试样和水泥砂浆在外力的作用下紧密接触；

第三步， 在侧模具外表面上中下三个位置贴感压纸，将带有圆弧形可压缩垫块的喉箍固定在侧模具外表面上中下三个位置；盖上模具盖板；

第四步，缓慢调紧喉箍上的螺丝，给模具内的试样施加环向预应力，环向预应力大小可以通过感压纸反映出具体数值，根据需求施加所需要的环向预应力大小。竖向稳定应力由模具盖板自重和配重块提供。

第五步， 在恒定的环向压力和竖向压力作用下养护24小时，然后脱模，取样，制样结束。

本发明的有益效果：

本发明在制样过程中可以保证试样受到环向均匀预应力和竖向稳定压力，使制备得到的试样更加接近工程实际的天然应力状态，制样过程考虑了试样组合成岩过程中的受力情况，能保证后续实验结果的准确性和可信性。

附图说明

图1为本发明的试件模具主视图（剖视）；

图2为图1的试件模具剖视图；

图3为本发明的喉箍和圆弧形可压缩垫块连接图；

图4为本发明的侧模具和喉箍装配立体图；

图5为本发明的凹槽式侧模具立体图；

图6为本发明的凸棱式侧模具立体图；

图中，1-模具盖板、2-侧模具、3-模具底座、4-喉箍、5-感压纸、6-圆弧形可压缩垫块、7-半圆柱状岩石试样、8-水泥砂浆试样、9-配重块、2-1—凹槽式接头侧模具、2-2—凸棱式接头侧模具、4-1—钢带、4-2—螺丝、4-3—箍头。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

一种环向均匀加载预应力和竖向加载稳定应力的试件制作模具，包括：模具主体，模具主体由上下依次连接的一个模具盖板1，两瓣侧模具2，一个模具底座3组成，在模具主体的外侧面的上、中、下三个部位分别设有三个圆弧形可压缩垫块6，三条喉箍4，若干感压纸5和若干不同质量的配重块9；所述的模具底座3形状为阶梯状圆柱，所述的模具盖板1形状为阶梯状圆柱，模具盖板1上部通过配重块施加稳定压力；所述的两瓣侧模具2，均为半圆柱筒结构，二者连接处一瓣设置成凹槽式接头侧模具2-1，另一瓣设置成凸棱式接头侧模具2-2，两瓣侧模具内嵌围成一个圆柱筒组合模具。

上述装置中，模具底座3的上部横截面积与模具圆柱内腔的相同；模具盖板1的下部横截面积与模具圆柱内腔的相同。

上述装置中，所述的喉箍4为不锈钢材料，布置在侧模具2的上中下三个位置，通过调紧喉箍4向模具表面传递环向预应力。

所述的圆弧形可压缩垫块6和喉箍4组合使用，分别设置在模具主体的外侧面的上、中、下三个部位，垫块可以在喉箍调紧时被压缩，贴合在侧模具表面，使喉箍调紧力可以通过圆弧形可压缩垫块传递到侧模具表面，进而传递给试样，避免在箍头和侧模具表面之间出现应力真空区。

所述的感压纸5受到压力时会变成红色，颜色浓度也会随着压力的大小而发生改变，因此感压纸可以用来反映喉箍4施加的环向预应力大小，感压纸围绕侧模具表面喉箍布置的上中下位置分别缠绕一圈。

本发明提供了上述环向均匀加载预应力和竖向加载稳定应力的试件制作模具的使用方法，包括如下步骤：

第一步，首先将两瓣侧模具和模具底座进行组装，凸棱侧模具的凸棱不完全插入凹槽侧模具的凹槽中，观察两瓣侧模具的顶部咬合处，给凸棱在凹槽内留下1mm左右的可移动空间，方便喉箍调紧；

第二步，向凸棱侧模具内装入和凸棱侧模具内腔相匹配的半圆柱状岩石试样，而后向凹槽侧模具内装入水泥砂浆试样，使岩石试样和水泥砂浆在外力的作用下紧密接触；

第三步，在侧模具外表面上中下三个位置贴感压纸，将带有圆弧形可压缩垫块的喉箍固定在侧模具外表面上中下三个位置；盖上模具盖板；

第四步，缓慢调紧喉箍上的螺丝，给模具内的试样施加环向预应力，环向预应力大小可以通过感压纸反映出具体数值，根据需求施加所需要的环向预应力大小。竖向稳定应力由模具盖板自重和配重块提供。

第五步，在恒定的环向压力和竖向压力作用下养护24小时，然后脱模，取样，制样结束。