专利名称：模拟岩体结构的小块体模型压制设备的制作方法
技术领域：
本发明属于地质力学模型试验技术领域，特别涉及用于模拟岩体结构的小块体模型的精细快速压制设备。
背景技术：
地质力学模型试验能够模拟岩土工程结构的特点，又能近似模拟岩体断层等地质因素对工程稳定性的影响，其在水利、采矿、隧道等岩石工程设计中起到了极其重要的作用并得到了广泛的应用，例如我国的大中型拱坝基本都做过地质力学模型试验。根据模型试验的相似率要求，地质力学模型试验对模拟坝体及周围基础岩体的相似材料的力学性质有着比较高的要求。清华大学水利系使用重晶石粉、膨润土、特制胶水等组成的混合材料制作小块体模型；再将小块体模型加工砌筑成相应的坝体或岩体结构。早期小块体模型的制作方法是将按一定比例混合的重晶石粉、膨润土、特制胶水的混合料搅拌均匀后在特制模具中浇筑成毛坯，待干燥后再进行砌筑加工。但是一个模型试验往往需要上万块甚至十余万块小块体模型，一个个小块体模型浇筑后再干燥工作量浩大，耗时耗力；同时，坝体及基础岩体不同位置的岩体参数不同，也就是小块体模型的配比等制作参数不同；而且小块体的制作模具形状、尺寸单一，这些都大大制约了地质力学模型试验的试验进度和技术发展。
发明内容
本发明的目的是为了解决地质力学模型试验中小块体模型的快速、高效制作问题，缩短小块体的制作周期，提供了一种模拟岩体结构的小块体模型压制设备。本发明可以大大加快小块体模型的制作速度，提高小块体模型的质量，节省大量的人力、物力；同时可以根据需要调节小块体的尺寸、形 状与高度；为地质力学模型试验的顺利进行提供保障。本发明提出的一种模拟岩体结构的小块体模型精细快速压制设备，其特征在于，该设备包括框架式底座，固定在框架式底座上的小块体模具、模具上顶块、推拉盖板、压力杠杆和限程拉杆；其中，小块体模具和推拉盖板安装在框架式底座上表面，模具上顶块设置在小块体模具下部，其上端面插入模拟岩体的小块体模具的腔体中，限程拉杆置于压力杠杆一端。本发明的有益结果是:本设备可以根据加入的混合料质量的不同制作出不同密度(即不同力学性质)的小块体模型；同时，本设备可以调节小块体模型的尺寸大小、形状与高度，根据需要制作出相应的小块体模型。本设备不仅大大提高了小块体模型制作的效率，而且制作出来的小块体模型尺寸精确，密度分布均匀、准确，砌筑加工时也比较方便；在本设备上手动加压一次成型，无需另外加工。同时，也减少用水，缩短了晾晒时间。设备使用方便，能够快速、精细、高效的压制在地质力学模型试验中模拟坝体及岩体基础结构的小块体模型，可以大大提高小块体模型的制作速度和质量，降低了模型试验的人力、物力消耗；设备简单易行，适应于推广。
图1为本发明的设备组成的侧剖面示意图:图2为本发明的设备俯视图:I为框架式底座，11为底座上横梁，12为底座下横梁；2为小块体模具，21为模具的外壳，22为外壳内部的钢模；3为模具上顶块，31为铁制顶块，32为顶杆；4为推拉盖板，其中41为铁制盖板(由铁质盖板411及辅助拉杆412组成)、42为连杆、43为杠杆(由竖向的支撑杆431与水平向的杠杆432组成)；5为压力杠杆，其中51为压力杆件、52为空心圆杆、53为竖向铁杆、54为固定件；6为限程拉杆，其中61为拉杆、62为复位弹簧、63为带孔的铁制调节件、631为竖向带孔铁板63的转动轴。
具体实施例方式本发明提出的一种模拟岩体结构的小块体模型精细快速压制设备，结合如附图及实施例详细说明如下:本发明的压制设备结构如图1所示，该设备包括框架式底座1，固定在框架式底座I上的小块体模具2、模具上顶块3、推拉盖板4、压力杠杆5和限程拉杆6 ;其中，小块体模具2和推拉盖板4安装在框架式底座I上表面，模具上顶块3设置在小块体模具2下部，其上端面插入模拟岩体的小块体模具2的腔体中，限程拉杆6置于压力杠杆5 —端。本设备的一种实施例如图1、图2所示，各部件的具体实施方式
分别说明如下:本实施例的框架式底座I由槽钢焊制而成，高约60cm，底部为“工”字型钢架，尺寸130cm*130cm，使整体设备在使用时保持稳定性。中部设置两层横梁(上横梁11和下横梁12)。本实施例的小块体模具2由上下敞口的外壳21及设置在外壳内腔中的钢模22 ；如图1、2所示(本实施例根据模拟岩体的具体需要设计了多种内膛形状的上下敞口钢模，一共有2cm*2cm到16cm*8cm,矩形、三角形等共12种形状尺寸的钢模具,可加工12种不同形状尺寸的精细小块体模型，使用时可以根据实际需要选择装配在外壳内)。本实施例外壳高20cm,夕卜部尺寸18cm*10cm,内部尺寸为16cm*8cm,外壳上部开有一横向的通孔,供盖板插入，使模具上端开口封闭。本实施例的模具上顶块3由焊接成一体的铁制顶块31和顶杆32组成，顶块的形状与钢模的内膛形状相同，也有与12种钢模具形状一一相对应的12种顶块，从模具2的下口插入钢模内膛中，并能在内膛中上下移动；顶杆为3cm直径的圆杆，圆杆下端插入到在底座的上横梁11层中心的一竖向直径3cm的小孔中，用以保证顶杆32始终沿着竖直方向上下运动。顶杆32的中部与压力杠杆5通过直径为2.5cm的螺栓铰结。本实施例的压力杠杆5包括压力杆件51、空心圆杆52、竖向铁杆53和固定件54 ；压力杠杆5设置在框架式底座中部，左端的压力杆件51的截面为边长5cm的正方形；右端的空心圆杆52截面为 直径3cm，与压力杆件51右端相焊接；竖向铁杆53的截面为矩形，竖向铁杆53上部与压力杆件51中部偏左部通过直径2.5cm的转动螺栓铰接，竖向铁杆53下部与固定在底座的下横梁12层上的固定件54通过转动螺栓铰接。压力杆件51左端部与模具上顶块3的顶杆32中部铰接，使顶杆32随压力杆件5连动。当压力杠杆5右端的空心圆杆52下压时，顶杆32同时上升并保持竖直使顶块31在模具中向上顶，将模具中的粉料挤压成小块体模型。本实施例的限程拉杆6包括拉杆61、复位弹簧62、带孔的铁制调节件63及转轴631。限程拉杆6固定在框架式底座I右边框上，设置在压力杠杆5左端部的上方，拉杆61右半部为螺杆，螺杆左端部设一限位螺母，拉杆穿过框架式底座I右边框的小孔，复位弹簧62套在拉杆61上，置于边框内，并通过限位螺母使弹簧一直处于压缩状态，在边框小孔右端的限程拉杆6还设有一螺母，用于固定拉杆61的最小拉出长度；竖向带孔铁板63在转轴631处铰接在框架式底座顶板下面，顶部与拉杆61左端相铰接，下端顶在压力杆件51上，竖向带孔铁板63可以绕转轴631转动，调节压力杠杆5的最大下压尺寸，进而控制顶块3的最大上顶的高度，使小块体模具的高度得到控制。本实施例的推拉盖板4如图2所示，由依次连接的铁制盖板41、连杆42和杠杆43组成。铁制盖板41由盖板411及辅助拉杆412组成，辅助拉杆412平行于盖板411推拉方向，并且其右端与盖板411左端焊接；连杆42右端与辅助拉杆412通过螺栓铰接，左端与杠杆43通过螺栓铰接；如图1所示，杠杆43由竖向的支撑杆431与水平向的杠杆432组成两部分组成，竖向的支撑杆431与铁质盖板41等高，底部焊接在底座上表面上，顶部与水平向杠杆432通过螺栓铰接。盖板打开时，在水平向杠杆432尾部顺时针用力，其杠杆432绕顺时针转动，带动连杆42运动,进而带动铁质盖板41向左平动。本设备在加压过程中，粉料的自 重相比于压力大小可以忽略，所以粉料的上下层可以近似为均匀加压，也就是小块体模具材料分布均匀；经验表明，粉料的从下向上加压比从上向下压的块体模型的质量更好，密度分布更均匀，所以本设备是从下向上传压压制；避免了以前的浇筑晾干过程中模块中重粉料的沉淀造成下重上轻。本设备设置了压力杆件5、推拉盖板4的杠杆432等多个杠杆，大大方便了人员操作。本发明已经在地质力学模型试验中得到试用，实践表明小块体模型的制作速度得到了很大的提高，而且压制成的小块体模型质量分布均匀，强度和粘结度符合试验要求。本设备的工作过程说明如下:准备过程(I)将重晶石粉、膨润土、特制胶水等按照一定的配比混合，将粉料上下搅拌均匀；(2)根据需要，选择合适的钢模形状，对应的模具上顶块3形状，并将其安装在底座I上部的外壳21中；根据要求的小块体模具高度调节限程拉杆6的右端螺母；(3)根据要求的小块体模型密度、尺寸、形状计算小块体模型的质量；小块体模型制作过程:(4)使用杠杆432打开模具2的推拉盖板4，称取设定质量的混合粉料，用漏斗加入模具2中，关闭推拉盖板4;(5)在压力杠杆52右端手动向下施压，到压不动为止；力通过杠杆的转化，使上顶块将钢模膛体中的粉末下部加压力并成形为设定高度的小块体模型；(6)使用杠杆432打开模具2的推拉盖板4,将限程拉杆6拉出，再使用压力杠杆52将压制好的小块体模型从模具2中缓缓顶出； (7)重复步骤4) -6 )进行下一小块体模型制作。
权利要求
1.一种模拟岩体结构的小块体模型精细快速压制设备，其特征在于，该设备包括框架式底座，固定在框架式底座上的小块体模具、模具上顶块、推拉盖板、压力杠杆和限程拉杆；其中，小块体模具和推拉盖板安装在框架式底座上表面，模具上顶块设置在小块体模具下部，其上端面插入模拟岩体的小块体模具的腔体中，限程拉杆置于压力杠杆一端。
2.如权利要求1所述设备，其特征在于，所述小块体模具由上下敞口的外壳及设置在外壳内腔中的钢模所组成；所述钢模包括多种内膛形状的上下敞口的钢模，所述外壳上部开有一横向的通孔，供盖板插入，使模具上端开口封闭。
3.如权利要求2所述设备，其特征在于，所述模具上顶块由焊接成一体的铁制顶块和顶杆组成，顶块的形状与钢模的内膛形状相同，包括与多种钢模具形状一一相对应的多种顶块，顶块从模具的下口插入钢模内膛中，并能在内膛中上下移动；顶杆下端插入到在底座的上横梁的一竖向孔中，用以保证顶杆始终沿着竖直方向上下运动；顶杆的中部与压力杠杆通过螺栓铰结。
4.如权利要求1所述设备，其特征在于，所述压力杠杆包括压力杆件、空心圆杆、竖向铁杆和固定件；压力杠杆设置在框架式底座中部，左端的压力杆件的截面为正方形；右端的空心圆杆与压力杆件右端相焊接；竖向铁杆的截面为矩形，竖向铁杆上部与压力杆件中偏左部通过转动螺栓铰接，竖向铁杆下部与固定在底座的下横梁上的固定件通过转动螺栓铰接；压力杆件左端部与模具上顶块的顶杆中部铰接，使顶杆随压力杆件连动。
5.如权利要求1所述设备，其特征在于，所述限程拉杆包括拉杆、复位弹簧、带孔的铁制调节件及转轴；限程拉杆固定在框架式底座右边框上，设置在压力杠杆左端部的上方，拉杆右半部为螺杆，螺杆左端部设一限位螺母，拉杆穿过框架式底座右边框的小孔，复位弹簧套在拉杆上，置于边框内，并通过限位螺母使弹簧一直处于压缩状态，在边框小孔右端的限程拉杆还设有一螺母，用于固定拉杆的最小拉出长度；竖向带孔铁板在转轴处铰接在框架式底座顶板下面，顶部与拉杆左端相铰接，下端顶在压力杆件上，竖向带孔铁板绕转轴转动，调节压力杠杆的最大下压尺寸。
6.如权利要求1所述设备，其特征在于，所述推拉盖板由依次连接的铁制盖板、连杆和杠杆组成；铁制盖板由盖板及辅助拉杆组成，辅助拉杆平行于盖板推拉方向，并且其右端与盖板左端焊接； 连杆右端与辅助拉杆通过螺栓铰接，左端与杠杆通过螺栓铰接；杠杆由竖向的支撑杆与水平向的杠杆两部分组成，竖向的支撑杆与铁质盖板等高，底部焊接在底座上表面上，顶部与水平向杠杆通过螺栓铰接。
全文摘要
本发明涉及模拟岩体结构的小块体模型压制设备，属于地质力学模型试验技术领域,该设备包括框架式底座，固定在框架式底座上的小块体模具、模具上顶块、推拉盖板、压力杠杆和限程拉杆；其中，小块体模具和推拉盖板安装在框架式底座上表面，模具上顶块设置在小块体模具下部，其上端面插入模拟岩体的小块体模具的腔体中，限程拉杆置于压力杠杆一端。本发明可以大大加快小块体模型的制作速度，提高小块体模型的质量，节省大量的人力、物力；同时可以根据需要调节小块体的尺寸、形状与高度；为地质力学模型试验的顺利进行提供保障。
文档编号G01N1/28GK103234796SQ20131015074
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月26日 优先权日2013年4月26日
发明者刘耀儒, 杨强, 程立, 杨若琼 申请人:清华大学