含內置裂隙的多尺寸巖石模型試樣製作模具的製作方法

2024-04-03 21:07:05 2

本發明涉及含裂隙巖石模型試樣製作模具，尤其是一種多尺寸巖石模型試樣製作模具。

背景技術：

巖石中內部裂隙的存在破壞了自身的完整性和連續性。由於巖石中所含裂隙的個數、角度和空間位置的不同，導致了巖石的強度和變形特性存在明顯的差異性。因此開展巖石裂隙擴展及其破壞機理研究是至關重要的。由於天然巖石內部裂隙非常複雜，試驗研究中一般採用巖石裂隙相似模型試件，通過加入預製裂隙來模擬原巖。目前，模擬裂隙的材料為聚酯薄膜、牛皮紙、金屬片或水溶紙，內部裂隙是通過固定器固定在模具上；通常裂隙的傾角為30°、45°和60°，預製裂隙以單裂隙為主。上述現有技術解決了裂隙巖石模型的製作問題，主要還存在如下不足：(1)裂隙角度設置相對較少，一般只採用一些特徵性角度(0°、30°、45°、60°等)來模擬原巖；(2)較少考慮模具中預製裂隙不同空間位置的設置；(3)內置裂隙以單裂隙為主，較少設置雙裂隙、多裂隙；(4)模型試樣尺寸相對單一，較少涉及多尺寸巖石預製裂隙的模型試樣。

技術實現要素：

為了克服現有在試樣製作時不能調節任意裂隙角度和準確定位空間位置的不足，本發明提供一種原理簡單、操作方便、精度高、充分考慮多尺寸、多角度和不同空間位置的含內置裂隙的多尺寸巖石模型試樣製作模具。

本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：

一種含內置裂隙的多尺寸巖石模型試樣製作模具，所述模具包括底板、拼接側板、隔板和固線板，所述拼接側板、隔板均安裝在底板上，所述固線板的一端與一個拼接側板連接，所述固線板的另一端與相鄰的另一個拼接側板連接，所述拼接側板相對設置，所述隔板相對設置，兩塊隔板的兩端分別與拼接側板固定連接，拼接側板與隔板圍成澆注試樣的空間；

所述固線板上有用來固定水溶線的預留圓孔，所述預留圓孔內部刻有螺紋，帶帽螺栓安裝在所述預留圓孔內，帶帽螺栓分為固線螺栓和塞孔螺栓，所述固線螺栓中間設有孔隙，水溶線穿過所述孔隙固定在螺栓外部。

進一步，所述模具還包括用於限制固線板在試驗過程中的移動的限位板，所述限位板卡接在一個拼接側板、固線板和另一個拼接側板的上端。

再進一步，所述拼接側板的側面設有縱向卡槽，所述固線板的兩側設有縱向卡扣，所述縱向卡扣與所述縱向卡槽匹配。

更進一步，所述拼接側板包括兩塊端側板和中側板，兩塊端側板分別位於所述中側板的兩側，端側板與中側板之間均設置所述固線板。

所述拼接側板、隔板和固線板固定在底座的安裝槽內。

所述底座外側設有連接杆，所述連接杆設有雙頭螺栓，雙頭螺栓穿過隔板並與夾緊螺栓固定連接。

本發明的有益效果主要表現在：(1)整個模具拼接而成，構造簡單，拆裝方便。整體採用輕質鋁合金材料，自重輕，便於搬運。(2)通過拼接不同尺寸側板來滿足多尺寸模型試樣製作。(3)巧妙地利用固線板上的預留孔設置裂隙的多角度，改變固線板位置定位裂隙不同空間位置。(4)能夠滿足試驗要求布置單一裂隙、雙裂隙以及交叉裂隙，達到充分考慮巖石裂隙的分布要求。

附圖說明

圖1為本發明100mm×100mm×100mm巖石試樣模具的俯視示意圖；

圖2為本發明100mm×100mm×200mm巖石試樣模具的俯視示意圖；

圖3為本發明100mm×100mm×500mm巖石試樣模具的俯視示意圖；

圖4為本發明端模板、中部模板的俯視示意圖，上部分為端模板、下部分為中部模板；

圖5為本發明固線板的示意圖，左邊部分為主視圖，右邊部分為側視圖；

圖6為本發明限位板示意圖，左邊部分為主視圖，右邊部分為側視圖；

圖7為本發明蝴蝶螺母示意圖，左邊部分為主視圖，右邊部分為側視圖；

圖8為本發明固線螺栓、塞孔螺栓示意圖；

圖9為預製裂隙於中部不同角度布置示意圖；

圖10為預製裂隙於上部不同角度布置示意圖；

圖11為預製裂隙於下部不同角度布置示意圖；

圖12為水溶線固定和帶帽螺栓布置圖；

圖中：1為夾緊螺栓，2為底座，3為雙頭螺栓，4為隔板，5為端側板，6為限位板，7為固線板，8為中側板，9為螺栓孔，10為縱向卡槽，11為固線板槽。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步描述。

參照圖1～圖11，一種含內置裂隙的多尺寸巖石模型試樣製作模具，由底座2、拼接側板、固線板7、隔板4、限位板6和雙頭螺栓3等構成。模具側板由若干拼接側板組成，位於底板前後，拼接時預留縫對稱分布於整個模具。

固線板7位於預留縫兩邊側板端部的縱向卡槽內，固線板上有預留圓孔，用來固定水溶線。固線板主體尺寸是10mm×10mm×100mm，外緣尺寸10mm×5mm×100mm，在外緣上凸出1mm×1mm×100mm的附加尺寸，起固定固線板兩側相連的側板。圓孔內部刻有螺紋，可以連接帶帽螺栓。帶帽螺栓分為固線螺栓和塞孔螺栓。固線螺栓中間有1mm左右的孔隙，水溶線可以穿過螺栓固定在螺栓外部。塞孔螺栓起保護作用，防止巖石相似材料外流。

限位板6位於固線板上，主要起限制固線板在試驗過程中的移動。其主體尺寸長30mm，寬12mm，內壁寬1mm。

拼接側板分為端側板中側板兩種類型。端側板位於側板兩端，其主體尺寸為75mm×10mm×100mm，端側板一邊設有縱向卡槽，連接固線板，一邊有預留d＝10mm的圓孔，便於穿過螺栓杆。中側板位於側板中部，其主體尺寸為90mm×10mm×100mm。中側板兩邊都設有縱向卡槽，用於連接固線板，通過這兩類側板的拼接實現多尺寸試樣製作。

底座2外側有連接杆，連接杆可旋轉。採用雙頭螺栓3連接，將其擰緊，從而固定整個模具。

本試驗中所用裂隙模擬材料為水溶紙，裂隙固定材料為水溶線。水溶紙6mm寬，30mm長，水溶紙上孔洞距離水溶紙邊緣5mm，並處於中間位置；水溶線的直徑1mm。

通過選擇不同類型的拼接側板組裝實現多尺寸試樣製作。該模具可實現100mm×100mm×100mm、100mm×100mm×200mm、100mm×100mm×300mm、100mm×100mm×400mm、100mm×100mm×500mm等5種規格。主要拼接方法如下：

(1)100mm×100mm×100mm規格

兩塊端側板和一個固線板拼接形成100mm×100mm×100mm模具尺寸的側板；

(2)100mm×100mm×200mm規格

兩塊端側板、一塊中側板和兩個固線板拼接形成100mm×100mm×200mm模具尺寸的側板；

(3)100mm×100mm×300mm規格

兩塊端側板、兩塊中側板和三個固線板拼接形成100mm×100mm×300mm模具尺寸的側板；

(4)100mm×100mm×400mm規格

兩塊端側板、三塊中側板和四個固線板拼接形成100mm×100mm×400mm模具尺寸的側板；

(5)100mm×100mm×500mm規格

兩塊端側板、四塊中側板和五個固線板拼接形成100mm×100mm×500mm模具尺寸的側板；

多角度、多空間位置實現：固線板上有預留圓孔，共19個，分布在固線板上下。10孔一組為中部裂隙角度設置區，9孔一組為上部和下部裂隙角度設置區。通過改變固線板位置的方法來實現不同空間，為上部裂隙、中部裂隙、下部裂隙3種空間位置；孔與孔之間水溶線的連接實現多角度，不同空間位置角度種類不同。主要操作方法如下：

(1)模具組裝時一側固線板正放置、一側固線板反放置，實現中部預製裂隙，可實現0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°等10種角度。

當水溶線穿過左10號和右10號時，將裂隙置於中間可實現0°角。

當水溶線穿過左11號和右11號時，將裂隙置於中間可實現5°角。

當水溶線穿過左12號和右12號時，將裂隙置於中間可實現10°角。

當水溶線穿過左13號和右13號時，將裂隙置於中間可實現15°角。

當水溶線穿過左14號和右14號時，將裂隙置於中間可實現20°角。

當水溶線穿過左15號和右15號時，將裂隙置於中間可實現25°角。

當水溶線穿過左16號和右16號時，將裂隙置於中間可實現30°角。

當水溶線穿過左17號和右17號時，將裂隙置於中間可實現35°角。

當水溶線穿過左18號和右18號時，將裂隙置於中間可實現40°角。

當水溶線穿過左19號和右19號時，將裂隙置於中間可實現45°角。

(2)模具組裝時兩側固線板均正放置，實現上部預製裂隙，可實現0°、5°、10°、15°、20°等5種角度。

當水溶線穿過左5號和右5號時，將裂隙置於中間可實現0°角。

當水溶線穿過左6號(右6號)和右4號(左4號)時，將裂隙置於中間可實現5°角。

當水溶線穿過左7號(右7號)和右3號(右3號)時，將裂隙置於中間可實現10°角。

當水溶線穿過左8號(右8號)和右2號(右2號)時，將裂隙置於中間可實現15°角。

當水溶線穿過左9號(右9號)和右1號(右1號)時，將裂隙置於中間可實現20°角。

(3)模具組裝時兩側固線板均倒放置，實現下部預製裂隙，可實現0°、5°、10°、15°、20°等5種角度。

當水溶線穿過左5號和右5號時，將裂隙置於中部可實現0°角。

當水溶線穿過左4號(右4號)和右6號(左6號)時，將裂隙置於中間可實現5°角。

當水溶線穿過左3號(右3號)和右7號(左7號)時，將裂隙置於中間可實現10°角。

當水溶線穿過左2號(右2號)和右8號(左8號)時，將裂隙置於中間可實現15°角。

當水溶線穿過左1號(右1號)和右9號(左9號)時，將裂隙置於中間可實現20°角。

本實施例中，不同尺寸的巖石試樣製作，以100mm×100mm×100mm、100mm×100mm×200mm、100mm×100mm×500mm三種尺寸類巖石試樣製作為例。

(1)100mm×100mm×100mm巖石試樣

選取四塊端側板和兩個固線板。按順序在底座的一側凹槽上將端側板1、固線板1、端側板2依次插入，另一側凹槽上同樣布置。然後組裝模具。將兩塊隔板順著拼接好的側板上的凹形槽插入側板，採用雙頭螺栓將其固定，圍至形成100mm×100mm×100mm澆築試樣的空間。

(2)100mm×100mm×200mm巖石試樣

選取四塊端側板、兩塊中側板和四個固線板。按順序在底座的一側凹槽上將端側板1、固線板1、中側板1、固線板2、端側板2依次插入，另一側凹槽上同樣布置。然後組裝模具。將兩塊隔板順著拼接好的側板上的凹形槽插入側板，採用雙頭螺栓將其固定，圍至形成100mm×100mm×200mm澆築試樣的空間。

(3)100mm×100mm×500mm巖石試樣

選取四塊端側板、八塊中側板和十個固線板。按順序在底座的一側凹槽上將端側板1、固線板1、中側板1、固線板2、中側板2、固線板3、中側板3、固線板4、中側板4、固線板5、端側板2板依次插入，另一側凹槽上同樣布置。然後組裝模具。將兩塊隔板順著拼接好的側板上的凹形槽插入側板，採用雙頭螺栓將其固定，圍至形成100mm×100mm×500mm澆築試樣的空間。

單裂隙、雙裂隙、多裂隙試樣製作過程如下：

(1)單裂隙試樣製作，以100mm×100mm×100mm尺寸類巖石試樣為例

按不同尺寸類巖石試樣製作方法得到100mm×100mm×100mm試樣澆築空間。準備一條水溶線，一端穿過之前組裝好的固線板1上的固線螺栓，將螺栓外側的水溶線纏繞於螺帽，旋進螺栓，將水溶線固定住；然後穿過水溶紙上的孔洞；最後將另一端水溶線穿過另一端固線螺栓,通過收拉水溶線，調節水溶紙位置,並將水溶線用同樣的方法固定於另一端固線螺栓外側，這樣完成單裂隙試樣製作。

(2)雙裂隙試樣製作，以100mm×100mm×200mm尺寸類巖石試樣為例

按不同尺寸類巖石試樣製作方法得到100mm×100mm×200mm試樣澆築空間。準備兩條水溶線，一條水溶線一端穿過之前組裝好的固線板1上的固線螺栓，將螺栓外側的水溶線纏繞於螺帽，旋進螺栓，將水溶線固定住；然後穿過水溶紙上的孔洞；最後將另一端水溶線穿過另一端固線螺栓,收拉水溶線，調節水溶紙位置,並將水溶線用同樣的方法固定於另一端固線螺栓外側。另一條水溶線採用同樣的方法穿過固線板2，這樣完成雙裂隙試樣製作。

(3)多裂隙試樣製作，以100mm×100mm×500mm尺寸類巖石試樣為例

按不同尺寸類巖石試樣製作方法得到100mm×100mm×500mm試樣澆築空間。準備5條水溶線，一端穿過固線板1上的固線螺栓，將螺栓外側的水溶線纏繞於螺帽，旋進螺栓，將水溶線固定住；然後穿過水溶紙上的孔洞，最後將另一端水溶線穿過另一端固線螺栓,收拉水溶線，調節水溶紙位置,並將水溶線用同樣的方法固定於另一端固線螺栓外側。另四條水溶線採用同樣的方法分別穿過固線板2、固線板3、固線板4、固線板5，這樣完成多裂隙試樣製作。

製作中部單裂隙45°角巖石試樣，以100mm×100mm×100mm類為例，過程如下：

(1)組裝模具

按不同尺寸類巖石試樣製作方法得到100mm×100mm×100mm試樣澆築空間，兩側固線板放置相反。

(2)固定裂隙

選取兩個固線螺栓分別置於兩側固線板上19號預留孔洞，其他預留孔洞用塞縫螺栓封閉。將水溶線穿過一側的固線螺栓上的小孔，然後將水溶線穿過水溶紙的孔洞。最後，將水溶線穿過另一側固線板上固線螺栓小孔，通過收拉水溶線調節水溶紙位置,並將水溶線綁紮於孔洞螺栓外側螺帽。

(3)試樣製作

當裂隙固定在目標位置上時，配置一定配合比的類巖石相似材料，緩緩倒入模型中，振搗，抹平。待試樣成型後，進行拆模，試樣便製作完成。

製作上部雙裂隙20°角巖石試樣，以100mm×100mm×200mm類為例，過程如下：

(1)組裝模具

按不同尺寸類巖石試樣製作方法得到100mm×100mm×200mm試樣澆築空間，兩側對應的固線板都是正插入側板。

(2)固定裂隙

選取四個固線螺栓，兩個置於固線板上1號預留孔洞，另外兩個置於固線板上9號螺栓，其他預留孔洞用塞縫螺栓封閉。將水溶線穿過一側的固線螺栓上的小孔，然後將水溶線穿過水溶紙的孔洞。最後，將水溶線穿過另一側固線板上固線螺栓小孔,通過收拉水溶線調節水溶紙位置,並將水溶線綁紮於孔洞螺栓外側螺帽。

(3)試樣製作

當裂隙固定在目標位置上時，配置一定配合比的類巖石相似材料，緩緩倒入模型中，振搗，抹平。待試樣成型後，進行拆模，試樣便製作完成。

製作下部多裂隙20°角巖石試樣，以100mm×100mm×500mm類為例，過程如下：

(1)組裝模具

按不同尺寸類巖石試樣製作方法得到100mm×100mm×500mm試樣澆築空間，兩側對對應的固線板都是倒插入側板。

(2)固定裂隙

選取十個固線螺栓，五個置於固線板上1號預留孔洞，另外五個置於固線板上9號螺栓，其他預留孔洞用塞縫螺栓封閉。將水溶線穿過一側的固線螺栓上的小孔，然後將水溶線穿過水溶紙的孔洞。最後，將水溶線穿過另一側固線板上固線螺栓小孔,通過收拉水溶線調節水溶紙位置,並將水溶線綁紮於孔洞螺栓外側螺帽。

(3)試樣製作

當裂隙固定在目標位置上時，配置一定配合比的類巖石相似材料，緩緩倒入模型中，振搗，抹平。待試樣成型後，進行拆模，試樣便製作完成。