专利名称：一种制备多互层岩土类模型材料的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及岩土力学试验技术领域，更具体涉及一种用于制备多互层岩土类模型 材料的装置，广泛应用于多互层岩体力学及土力学研究领域。
背景技术：
在地下工程、矿山工程、边坡工程等岩土力学领域，大量存在着互层复合岩土体， 通过实验手段研究互层复合岩土体力学及变形特征对指导工程建设具有重要意义。由于互 层复合岩土体是由多种不同属性、厚度、组分并以不同结合方式按照某种顺序组合而成的 天然层状材料，其力学和变形特性反映出了多相不均勻性、各相异性、层间界面力学性质、 复合体力学效应以及力学性质的不匹配性质等现象。由于自然界中赋存的互层岩土体尺度 相对于实验室尺度较大，因此找到适合实验室研究尺度的天然互层复合岩土体十分困难。最近几年兴起的一种行之有效的解决方法为应用相似理论将大尺度问题转变 为小尺度问题并针对小尺度模型在实验室内对岩土体开展实验研究，一般称该方法为相 似模拟实验。针对实验中需要的相似材料，相关专家进行了一些研究，如铁晶砂胶结岩 土相似材料及其制备方法(公开号CN1792990)，一种软岩相似材料及其制备方法(公开号 CN101614629)，一种改性相似材料及其制备方法(公开号CN101407397)，隧道工程模型材料 研究进展(《公路隧道》2007年)，地质力学模型试验新技术研究进展及工程应用(《岩石力学 与工程学报》2009年)。但以上研究均是针对均质材料进行的，无法模拟互层岩土体。互层复合岩土体相似模拟试验所涉及的模型材料应能反映出各层材料的不同组 分、不同结合方式及不同分布层厚等多参数特征，其存在的关键技术难题之一是如何高效 且高质量地制备符合多参数要求的互层岩土体模型材料块体。
发明内容
为了克服制备多互层岩土体物理模拟试验中的技术难题，本发明的目的是在于提 供了一种制备多互层岩土类模型材料的装置，使用该装置可高效地制备多互层模型材料块 体，所制备的模型材料块体单层厚度易调节、均质性好，满足多参数试验要求且试验数据精度尚。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是
本发明的基本思路是采用将多种相似材料逐层均勻铺设的方法获取多互层模型材料 块体。—种制备多互层岩土类模型材料的装置，它包括材料箱、平推板、T形架、调节螺 母、紧固螺栓，其特征在于T形架穿过平推板中部的方形孔后装配调节螺母，通过转动调 节螺母可调节T形架竖直方向的高度；装配好的平推板位于材料箱的顶部，平推板可沿材 料箱的顶部单方向水平滑动。所述的采用将多种相似材料逐层均勻铺设的方法获取多互层模型材料块体，通过 滑动平推板获得多个材料薄层，置于压力试验机下预压成型获得相应的多互层模型材料块
3体。所述的平推板主框架中部有凸起，凸起内部开有正方形孔，平推板主框架的两侧 底部各焊接第一条形钢、第二条形钢；
所述的材料箱由五块钢板组成，包括第一侧板、第二侧板、第三侧板、第四侧板及一块 底板，相邻侧板之间通过紧固螺栓相连，底板上钻有螺孔，第一侧板、第二侧板、第三侧板、 第四侧板底部分别焊接第一角钢、第二角钢、第三角钢、第四角钢，第一角钢、第二角钢、第 三角钢、第四角钢的相应部位开孔与底板上的螺孔相对应，第一侧板、第二侧板、第三侧板、 第四侧板通过紧固螺栓分别与底板相连，材料箱的第一侧板及第三侧板的顶部分别开有两 个螺孔，拧入螺栓后可方便地搬动材料箱。所述的所述的T形架为一倒T形钢架，由第三条形板及特殊螺栓组合而成，特殊螺 栓的横断面为带圆角的正方形，圆角部分攻丝，直边部分不攻丝。所述的调节螺母及T形架的特殊螺栓上均标有刻度。所述的T形架为一倒“T”形钢架，由一块条形板及一根特殊螺栓组合而成，其特殊 性在于特殊螺栓的横断面为带圆角的正方形且仅圆角部分为攻丝而直边部分为不攻丝。平推板的中部有一凸起部分且凸起部分内部开有正方形孔，且孔的边长略小于T 形架的竖直部分的宽度，其作用是保证T形架相对于平推板只能沿竖直方向单自由度滑 移。平推板的两侧各焊接一块条形钢，且两块条形钢边缘之间的距离略小于材料箱的内部 宽度，其作用是保证平推板相对于材料箱只能做沿水平方向的单向运动，从而保证T形架 也只能平行于材料箱的底板平稳移动。所述的T形架为一倒“T”形钢架，由一块条形板及一根特殊螺栓组合而成。所述 特殊螺栓的特征为其横断面为带圆角的正方形，仅圆角部分攻丝，直边部分不攻丝。圆角 部分攻丝后与调节螺母相配，且两相对直边间的距离略小于平推板中部凸起部分的正方形 孔的边长，其目的是使T形架可以在竖直方向任意调节高度且调节过程中T形架不会发生 转动。所述的调节螺母周边标有刻度，所述的T形架的特殊螺栓的一个侧面也标有刻 度，刻度的读数方式与普通螺旋测微器相同，两组刻度配合读数可精确计算出T形架的调 节高度，其目的是精确控制单层模型材料的厚度。使用该装置制备多互层模型材料的基本过程如下 1、装配相关部件
组装材料箱的四块侧壁及一块底板，并将相应的紧固螺栓装配到位。通过转动调节螺 母预调T形架高度。2、铺设相似材料薄层
相似材料的添加按照从下到上的顺序进行，所添加材料的质量依据材料单层厚度确 定。首先铺设位于模型材料块体最底部的相似材料，称出相应质量的相似材料粉末后倒入 材料箱。单层相似材料添加到材料箱中之后，不能马上形成厚度均勻的薄层，可先使用毛 刷等工具将材料尽量均勻地铺开。将组装好的平推板及T形架置于材料箱之上，并同时转 动调节螺母来调节T形架底端到适当的高度。然后推动平推板带动T形架将相似材料铺开 成为厚度均勻的薄层。
取下平推板转动调节螺母将T形架调节到所需高度，单层材料的厚度应等于T形 架调节后的读数减去调节前的度数。加入第二层相似材料，类似铺设第一层材料的方式铺 设第二层相似材料薄层。依次类推进行操作，直至铺设完成最后一层相似材料。3、预压成型
将材料箱连同铺设好的模型材料块体置于压力试验机上，然后在多层材料顶部放置一 块大厚度长方形钢板，其目的是使材料在受压过程中能够受到均勻的压力。然后依据试验 要求，对材料箱中的多层材料进行预压，预压成型后，拆除材料箱的四块侧板，便可形成如 图所示的多互层模型材料块体。本发明的主要优点有
1)结构简单，易于加工；
2)操作简便，工作效率高；
3)所制备的多互层模型材料块体的单层厚度均勻，且厚度易调节；
4)所获得的同种材料的薄层均质性好，可效避免试验数据的离散性。
图1为一种制备多互层岩土类模型材料的装置的主视图。图2为一种制备多互层岩土类模型材料的装置的俯视图。图3为一种制备多互层岩土类模型材料的装置的左视图。图4为图1的拆分示意图。图5为一种制备多互层岩土类模型材料的装置的平推板的三视图。图6为一种制备多互层岩土类模型材料的装置的T形架的三视图。图7为一种制备多互层岩土类模型材料的装置所获得的模型材料块体的立体示 意图。图中1_第一侧板，2-第二侧板，3-第三侧板，4-第四侧板，5-底板，6-第一角钢， 7_第二角钢，8-第三角钢，9-第四角钢，10-紧固螺栓，11-平推板主框架，12-第一条形钢， 13-第二条形钢，14-特殊螺栓，15-第三条形钢，16-调节螺母，17-模型材料块体，18-材料 箱，19平推板，20-T形架。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步的详细阐述。本发明的基本思路是采用将多种相似材料逐层均勻铺设的方法获取多互层模型 材料块体17。本发明装置的主要部件包括材料箱18 (由第一侧板1、第二侧板2、第三侧板3、第 四侧板4、底板5及若干紧固螺栓10连接组合而成)、平推板19(由平推板主框架11及第一 条形钢12、第二条形钢13连接组合而成)、T形架20 (由特殊螺栓14及第三条形钢15连接 组合而成)、调节螺母16，其特征在于Τ形架20的特殊螺栓14穿过平推板主框架11中部 的方形孔后装配调节螺母16，通过转动调节螺母16可调节T形架20竖直方向的高度；装 配好的平推板19位于材料箱18的顶部，且平推板19可沿材料箱18的顶部单方向水平滑动。所述的平推板19的平推板主框架11中有凸起，凸起内部开有正方形孔，平推板主 框架11的两侧底部各焊接第一条形钢12、第二条形钢13。所述的材料箱18由五块钢板组成，第一侧板1、第二侧板2、第三侧板3、第四侧板 4及一块底板5，相邻侧板之间通过紧固螺栓10相连，底板5上钻有螺孔，第一侧板1、第二 侧板2、第三侧板3、第四侧板4底部分别焊接第一角钢6、第二角钢7、第三角钢8、第四角钢 9，分别焊接第一角钢6、第二角钢7、第三角钢8、第四角钢9相应部位开孔与底板5上的螺 孔相对应，第一侧板1、第二侧板2、第三侧板3、第四侧板4通过紧固螺栓10分别与底板5 相连，材料箱18的第一侧板1及第二侧板2顶部分别开有两个螺孔。所述的T形架20为一倒“T”形框架，由特殊螺栓14及第三条形板15组合而成， 特殊螺栓14的横断面为带圆角的正方形。所述的采用将多种相似材料逐层均勻铺设的方法获取多互层模型材料块体17，通 过多次滑动平推板19获得多个材料薄层，置于压力试验机下预压成型后获得相应的多互 层模型材料块体17。所述的平推板19的平推板主框架11中部有一凸起部分且凸起部分内部开有正方 形孔，平推板主框架11的两侧底部焊接第一条形钢12、第二条形钢13。所述的T形架20为一倒“T”形框架，由特殊螺栓14及第三条形板15组合而成， 特殊螺栓14的横断面为带圆角的正方形且仅圆角部分攻丝而直边部分不攻丝。所述的调节螺母16及T形架20的特殊螺栓14上均标有刻度。所述的材料箱18由第一侧板1、第二侧板2、第三侧板3、第四侧板4、底板5及若 干紧固螺栓10组成，相邻侧板之间通过紧固螺栓10相连。底板5上开有若干螺孔，第一侧 板1、第二侧板2、第三侧板3、第四侧板4底部分别焊接第一角钢6、第二角钢7、第三角钢 8、第四角钢9，第一角钢6、第二角钢7、第三角钢8、第四角钢9相应部位开孔与底板5上的 螺孔相对应，第一侧板1、第二侧板2、第三侧板3、第四侧板4通过若干紧固螺栓10分别与 底板5相连。材料箱第一侧板1及第二侧板2顶部分别开有两个螺孔，拧入普通螺栓后可 方便地搬动材料箱18。所述的平推板19的三视图(主视图、俯视图及左视图)如图5所示。平推板主框 架11中部有一凸起部分且凸起部分内部开有正方形孔，且孔的边长略小于T形架20的特 殊螺栓14的宽度，其作用是保证T形架20相对于平推板19只能做沿竖直方向的单自由度 滑移。平推板主框架11的两侧底部焊接第一条形钢12、第二条形钢13，第一条形钢12及 第二条形钢13外边缘之间的距离略小于材料箱18第一侧板1及第三侧板3内壁之间的距 离，其作用是保证平推板19相对于材料箱18只能做沿水平方向的单向运动，从而保证T形 架20也只能平行于材料箱18的底板5平稳移动。所述的T形架20的三视图(主视图、俯视图及左视图)如图5所示，为一倒“T”形 钢架，由特殊螺栓14及第三条形板15组合而成，所述特殊螺栓14的特征为其横断面为带 圆角的正方形，仅圆角部分攻丝，直边部分不攻丝。圆角部分攻丝后与调节螺母16相配，且 两相对直边间的距离略小于平推板主框架11中部凸起部分的正方形孔的边长，其目的是 使T形架20可以在竖直方向任意调节高度且调节过程中T形架20不会发生转动。所述的调节螺母16周边标有刻度，所述的T形架20的特殊螺栓14的一个侧面也
6标有刻度，刻度的读数方式与普通螺旋测微器相同，两组刻度配合读数可精确计算出T形 架20的调节高度，其目的是可精确控制单层材料的厚度。使用该装置制备多互层模型材料的基本过程如下 1、装配相关部件
组装材料箱18的第一侧板1、第二侧板2、第三侧板3、第四侧板4及底板5，并将相应 的紧固螺栓10装配到位。通过转动调节螺母16预调T形架20的高度。2、铺设相似材料薄层
相似材料添加按照从下到上的顺序进行，所添加材料的质量依据材料单层厚度确定。 首先铺设位于模型材料块体17最底部的相似材料，称出相应质量的相似材料粉末后倒入 材料箱18。单层相似材料添加到材料箱18中之后，不能马上形成厚度均勻的薄层，可先使用 毛刷等工具将材料尽量均勻地铺开。将组装好的平推板19及T形架20置于材料箱18之 上，并同时转动调节螺母16来调节T形架底端到适当的高度。然后推动平推板19带动T 形架20将相似材料铺开成为厚度均勻的薄层。取下平推板19转动调节螺母16将T形架20调节到所需高度，单层材料的厚度应 等于T形架20调节后的读数减去调节前的度数。加入第二层相似材料，类似铺设第一层材 料的方式铺设第二层相似材料薄层。依次类推进行操作，直至铺设完成最后一层相似材料。3、预压成型
将材料箱18置于压力试验机上，然后在多层材料顶部放置一块大厚度长方形钢板，其 目的是使材料在受压过程中能够受到均勻的压力。然后依据试验要求，对材料箱18中的多 层材料进行一定时间的预压，预压成型后，拆除材料箱18的第一侧板1、第二侧板2、第三侧 板3及第四侧板4，便可形成如图7所示的多互层模型材料块体17。然后采用该模型材料块体17开展相应的岩土力学试验。
权利要求
一种制备多互层岩土类模型材料的装置，包括材料箱(18)、平推板(19)、T形架(20)、调节螺母(16)、紧固螺栓(10)，其特征在于T形架(20)穿过平推板(19)中的方形孔后装配调节螺母(16)，平推板(19)位于材料箱(18)的顶部；所述的平推板主框架(11)中部有凸起，凸起内部开有正方形孔，平推板主框架(11)的两侧底部各焊接第一条形钢(12)、第二条形钢(13)；所述的材料箱18由五块钢板组成，第一侧板(1)、第二侧板(2)、第三侧板(3)、第四侧板(4)及一块底板(5)，相邻侧板之间通过紧固螺栓(10)相连，底板(5)上钻有螺孔，第一侧板(1)、第二侧板(2)、第三侧板(3)、第四侧板(4)底部分别焊接第一角钢(6)、第二角钢(7)、第三角钢(8)、第四角钢(9)，第一角钢(6)、第二角钢(7)、第三角钢(8)、第四角钢(9)的相应部位开孔与底板(5)上的螺孔相对应，第一侧板(1)、第二侧板(2)、第三侧板(3)、第四侧板(4)通过紧固螺栓(10)分别与底板(5)相连，材料箱(18)的第一侧板(1)及第三侧板(3)的顶部分别开有两个螺孔。
2.根据权利要求1所述的一种制备多互层岩土类模型材料的装置，其特征在于所述 的T形架(20)为一倒T形钢架，由第三条形板(15)及螺栓(14)组合，螺栓(14)的横断面 为带圆角的正方形，圆角部分为攻丝，直边部分为不攻丝。
3.根据权利要求1所述的一种制备多互层岩土类模型材料的装置，其特征在于所述 的调节螺母(16)及T形架(20)的螺栓(14)上均标有刻度。
全文摘要
本发明公开了一种制备多互层岩土类模型材料的装置，包括材料箱、平推板、T形架、调节螺母及紧固螺栓，其特征在于T形架穿过平推板中的方形孔后装配调节螺母，平推板位于材料箱的顶部；平推板中有凸起，凸起内部开有正方形孔，平推板的两侧底部各焊接一块条形钢；材料箱由五块钢板组成，第一、第二、第三、第四侧板及一块底板，相邻侧板之间通过紧固螺栓相连，底板上钻有螺孔，第一、第二、第三、第四侧板底部均焊有角钢，角钢部位开孔与底板上的螺孔相对应，第一、第二、第三、第四侧板通过紧固螺栓分别与底板相连，材料箱左右侧板分别开有两个螺孔。本发明结构简单，易于加工，操作简便，工作效率高。
文档编号G01N1/28GK101949790SQ201010275729
公开日2011年1月19日 申请日期2010年9月8日 优先权日2010年9月8日
发明者孔君凤, 屈丹安, 张桂民, 施锡林, 李银平, 杨春和 申请人:中国科学院武汉岩土力学研究所