一种便携式原岩结构面表面形貌加工装置及其操作方法与流程

本发明涉及岩土工程室内试验设备领域，尤其涉及一种便携式原岩结构面表面形貌加工装置及其操作方法。

背景技术：

野外环境下岩石含有结构面，岩石在滑动时往往沿结构面发生滑移，滑动面具有一定的起伏，即粗糙度。岩石的剪切特性与表面的粗糙程度有关，岩石的表面形态对剪切特性有很大的影响。选取野外岩石研究它的剪切特性，能够更好地与工程现场条件形成对照，对结构面相关的理论及滑坡防治工程等应用具有重要意义。

为了研究粗糙度对剪切性质的影响，现有技术还只能采用模拟材料来进行岩样的研究，进行模拟材料试验的优点是可使用同种材料进行对照试验，目前还没有针对原岩进行对照试验的取样方法，对于原岩设置对照组，需要制作具有相同表面形貌的原岩结构面。原岩结构面的上下盘在取样、切割、搬运及安装过程中结构面的表明形态易破损，造成上下盘结构面的吻合度差，而结构面的表面形态是影响其抗剪强度的重要因素，会对实验结果造成较大误差。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种便携式原岩结构面表面形貌加工装置及其操作方法，可以用于制作一系列用于直剪试验的岩样模型，使原岩结构面具有相同的表面形貌，以开展具有相同粗糙度的原岩结构面的对照试验。

本发明提供一种便携式原岩结构向表向形貌加工装置，包括切割器结构、岩样放置结构和辅助结构，其中：

所述切割器结构包括固定在一块实心板上的两个切割电机，所述切割电机的角度可进行调整，且两个切割电机的角度调整的旋转线为同一直线；

所述岩样放置结构包括含导轨的底座、岩样放置底盘、以及岩样位置调整装置，所述岩样位置调整装置用于固定岩样的左右位置，位于所述岩样位置底盘上，所述岩样位置调整装置以及所述岩样位置底盘共同放置在含导轨的底座上；

所述辅助结构包括上下位置调整结构、支架、齿轮、摇杆、以及接在切割器结构实心板上的水冷系统，所述上下位置调整结构连接所述切割器结构与所述支架，用于调整支架与切割器结构的距离，所述切割器结构位于所述支架上方，所述支架覆盖住所述岩样放置结构，所述岩样放置结构从所述支架前后穿过，所述齿轮与所述摇杆连接所述岩样放置底盘，用于控制岩样在导轨上前后运动。

进一步地，所述切割器结构的调整角度为0至90度，可固定并用游标量角器校核。

进一步地，当对切割电机进行角度调整时，切割电机的边缘与切割电机所依附的实心板平面的垂直距离将发生变化，在支架与所述切割器结构的下边缘有上下位置调整结构，利用所述调整结构可将切割器结构的下边缘调整到一个固定位置，然后再调整切割电机的角度以到达切割位置。

进一步地，所述岩样位置调整装置由岩样位置调整装置上部以及岩样位置调整装置下部组成，两部分形成契合结构，其中所述岩样位置调整装置下部由多个单元块并列组装而成，单元块之间含有方形垫片，整个岩样位置调整装置下部结构固定在岩样放置底盘上，所述单元块上设有前后槽和左右槽，其中前后槽为燕尾形，所述岩样位置调整装置上部的上边缘与岩样固定连接，下边缘有与单元块契合的上块结构，上块结构上有与左右槽对应的凸体，凸体上有与前后槽对应的燕尾形缺口，通过放置一根与前后槽空出来的截面相同的销棒可将岩样的左右位置固定，从而形成确定每次切割位置的定位板。

进一步地，所述导轨伸出支架前后覆盖范围，方便取下切割出的小块岩样。

本发明还提供一种便携式原岩结构面表面形貌加工装置的操作方法，包括以下步骤：

s1、考虑到边界效应，首先将长方体的岩石在其他简单切割仪器上进行不含规则锯齿的水平切割，得到需要进行锯齿形状切割的岩样；

s2、通过岩样位置调整装置的单元块以及上块结构将要进行切割的岩样固定在初始位置，即第一个锯齿形切割的中心要与上块结构的燕尾形缺口对应，然后将该整体放置在含导轨的底座上，并与可控制岩样前后移动的齿轮摇杆系统相连接；

s3、调整切割齿轮的角度，然后通过上下位置调整结构将切割器下边缘调整到一个固定位置，接着切割器再调整距离h到达切割位置，其中距离h为切割的深度；

s4、开启水冷系统、开启切割器开关，然后转动摇杆使得岩样沿切割方向移动，此时岩样依次经过两个切割器，完成一次切割，即形成一个锯齿形状；

s5、等岩样运动出切割范围，暂时关闭切割器开关、水冷系统开关，调整岩样至下一个切割位置，即通过岩样位置调整装置使岩样左右移动；

s6、继续转动摇杆，完成下一次齿轮切割，切割过程中如有切出的块体应在岩样运动出切割范围后及时取出；

s7、取出完成锯齿形切割的岩样，在其他切割机上加工另一方向的水平部分，即得到最终所需的岩样。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

(1)本发明解决了原岩结构面取样吻合度差、易破坏、不能做多种起伏度的直剪试验等问题，本发明提供的便携式原岩结构面表面形貌加工装置不受尺寸影响，切割角度可调节，具有应用面广的特点，可满足室内结构面实验的制样要求；

(2)本发明可依次制作结构面的上下盘试验，且制作的结构面上下盘采用相同的方法，吻合度高，极大地提高了直剪试验的可用岩样范围；

(3)本发明提供的便携式原岩结构面表面形貌加工装置具有操作简便、快捷、使用成本低的特点，方便进行岩石试样的对照试验研究。

附图说明

图1是本发明实施例提供的便携式原岩结构面表面形貌加工装置的正视图；

图2是本发明实施例提供的便携式原岩结构面表面形貌加工装置的俯视图；

图3是本发明实施例提供的便携式原岩结构面表面形貌加工装置的i-i剖面图；

图4是本发明实施例提供的岩样位置调整装置的示意图；

图5是本发明实施例提供的岩样位置调整装置的上下部结构图；

图6是本发明实施例提供的摇杆齿轮系统控制岩样前后移动的示意图；

图7是本发明实施例提供的切割面以及需要取出的块体图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

本发明的实施例提供了一种便携式原岩结构面表面形貌加工装置，包括切割器结构、岩样放置结构和辅助结构，请参考图1、图2、及图3，其中：

切割器结构由实心板1、切割电机2组成，两个切割电机2固定在实心板1上，切割电机2的角度可进行调整，且两个切割器角度调整的旋转线为同一直线，调整角度为0至90度，可固定并用游标量角器校核；

岩样放置结构由含导轨的底座5、岩样放置底盘6、岩样位置调整装置7组成，请参阅图4，岩样位置调整装置7由岩样位置调整装置上部71和岩样位置调整装置下部72组成，其中岩样位置调整装置下部72由多个单元块73并列组装而成，单元块73之间含有方形垫片74，整个岩样位置调整装置下部72固定在岩样放置底盘6上。请参阅图5，单元块73上设有前后槽75和左右槽76，岩样位置调整装置上部71的上边缘与岩样固定连接，下边缘有与单元块73契合的上块结构77，上块结构77上有与左右槽76对应的凸体78，凸体78上有与前后槽75对应的燕尾形缺口79，通过放置一根与前后槽75空出来的截面相同的销棒可将岩样的左右位置固定，从而形成确定每次切割位置的定位板；

辅助结构由上下位置调整结构3、支架4、齿轮8，摇杆9、以及图中未标识的接在实心板1上的水冷系统组成，上下位置调整结构3连接切割器结构与支架4，用于调整支架与切割器结构的距离，请参考图6，齿轮8以及摇杆9用于控制岩样在导轨上前后运动，切割器结构位于支架4上，岩样放置结构从支架4的前后穿过，且可在支架4中前后运动，其中底座5中的导轨伸出支架4的前后覆盖范围，方便取下切割出的小块。

本实施例给出的岩样大小为(100×100×100)mm，其中一侧边界效应长度为10mm，岩样切割深度为7mm，切割角度为45度，共切割六个锯齿结构，剩下6mm为另一侧边界效应长度，最终切割形状如图7中虚线所示。

实际操作时，先放好支架4，调整切割电机2的两个刀片的角度呈45度，且两个切割电机的角度指向不同，指向差异为180度，以对应一个锯齿形状的等腰三角形的两条边的位置。切割过程如下：首先将岩样在其他简单切割仪器上切割出10mm的边界效应长度，即在距顶面7mm的位置切割出10mm深的缝隙；然后将此岩样固定在岩样位置调整装置7上，如图4所示，其中第一个锯齿形切割的中心要与岩样位置调整装置上部71的上块结构77上的燕尾形缺口79对应，并在岩样放置底盘6上组装含前后槽75和左右槽76的单元块73和方形垫片74，其中单元块73有六个，调整单元块73的前后槽75对应所需切割的锯齿形状的中心；接着将岩样位置调整装置上部71的上块结构77上的燕尾形缺口79和第一个单元块73的前后槽75对应，插入与缺口79燕尾截面相同的销棒，便固定了岩样的左右位置；确定岩样的顶面位置，通过上下调整装置3把切割电机2的下缘调整到岩样顶面所在位置，然后向下调整7mm，即切割深度，然后将岩样沿导轨移出支架4的覆盖范围，并打开水冷系统和切割器2的开关，转动摇杆9使得岩样向切割器结构运动，与两个切割电机2接触，完成第一个锯齿切割。

切割完第一个锯齿后，应暂时关闭水冷系统和切割电机，取出图7中所示的小块a，再调整单元块73与上块结构77的组合位置，即将上块结构77的燕尾形缺口79和第二个单元块73的前后槽75对应，插入与燕尾截面相同的销棒，再次启动水冷系统和切割电机，转动摇杆9，进行第二个锯齿的切割，切割完第二个锯齿后可取出图7中的小块b。重复上述过程，切割完第六个锯齿后将岩样取出卸下，在其他切割器上完成另一侧的边界效应长度切割，即对图7中小块c的切割，最终得到图7中虚线所示的锯齿形表面。

本实施例充分考虑了直剪试验所需岩样的特征，能够按照预定的形状控制原岩的结构面，制作多个锯齿状的表面；使用两个切割刀片进行一次切割，精简了结构，且控制上准确可靠，进行一次试样加工一次设置即可，无需二次调整角度；岩样位置调整由上下部结构以及销棒完成，位置调整操作方便快捷，每次只需移动上部结构并插入销棒固定，能够结构自锁，保证了左右位置的准确与稳定；整体结构紧凑，同时岩样可运动出框架范围，方便观察切割状态并取出切割形成的块体；岩样安装好进行切割的过程中仅需要关注岩样在导轨上的前进和后退，且通过摇杆控制，大大简化了操作。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。