一种用于层状岩样一次成型的实验模具的制作方法

本实用新型涉及各向异性岩石实验领域，特别地，涉及横观各向同性岩石材料试验岩样的制作。

背景技术：

各向异性作为岩石的重要性质之一，很早就被岩石力学与工程界所认识，随着岩石力学理论和试验研究的不断完善，越来越多的工程问题需要考虑岩石的各向异性特点。特别是在大型的地下工程问题中，如果岩石各向异性特征十分明显，忽略岩石各向异性特性或者将情况视为各向同性的情况，往往掩盖了岩石自身的本质特性。

层状岩体是典型的复杂岩体之一，通常具有正交各向异性特性或横观各向同性特性，层理面大多属于物质分异面，平行层理面方向岩体的组成及物理力学特性基本相同，而非层理面方向的岩体组成则有很大差异。

目前对各向异性岩体的试验多是针对现场自然形成的岩石进行研究，在提取和制备试样的过程中存在一些实际的困难和不便，而且现场的试样多为单一层理构造的情况，这不利于多方面和多角度地对层状岩体进行研究。

针对横观各向同性岩石材料物理力学性质的研究，目前开始有部分学者通过人工预制成层岩石材料系统分析各向异性岩石材料的物理力学特性及破坏机理，但是制作方法较为复杂。

CN201510024487.1公开了一种用于复合岩层相似模拟的类岩石试样的制备及取样方法，包括以下步骤：a.组装模具，并制备至少两种不同材质的模拟复合岩层的相似材料，所述组装模具由方形底板、经螺栓固定围在方形底板周边的挡板构成的箱体，箱体的两侧挡板内间隔对称开有多个可插装隔板的凹槽；b.根据实验需要，在箱体两侧挡板内的凹槽中插装至少一块隔板，将配制好的不同相材质的似材料交替浇筑到隔层中，边浇筑边手动捣实，再用振动机进行捣实，之后将浇筑的相似材料表面抹平；c.待浇筑材料初凝后，将隔板抽出，让多层浇筑材料自然接触凝结为一体；d.待多层浇筑材料自然接触凝结24小时后，拆除模具，将已成型的类岩石试块放入水中养护21天，以达到预定的强度；e.将养护好的类岩石试块自然晾干，固定在特制的钻取平台上，根据类岩石试样的实验要求，调整钻取平台的角度，通过岩样取样机竖直向下对类岩石试块进行取样，得到不同岩层角度的复合岩层相似模拟试样；所述调整平台的角度为0-75°。

该发明存在隔板抽出时间不易控制，超过初凝时间易导致两互层之间胶合不够牢固，而低于初凝时间易导致抽出隔板时破坏层状材料的完整性；在岩石石块制备完成后还需通过钻孔打磨等一系列流程来制备出岩石试样；需制作专门的底座用以控制岩样的层理角度，底座的稳定性需要有保障，否则在钻样过程中易产生摆动导致取出的岩样并不顺直或者所取得层理角度并不准确，而且相邻孔间的岩石材料将无法利用，产生大量浪费。

虽然上述技术的改进和创新推动了类岩石试样制作的进步，但是由于层状岩石制作流程复杂，层状岩石相似材料实验试样的制作仍然是个难题。

技术实现要素：

本实用新型目的在于提供一种用于层状岩样一次成型的实验模具，该实用新型主要针对目前横观各向同性岩样制备过程繁琐不利于重复开展等技术问题，解决了横观各向同性岩样难以获取，层状岩石实验岩样的制作流程复杂，钻孔提取岩石试样难度大的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种用于层状岩样一次成型的实验模具，包括底座、约束导杆、环形模具片，所述底座上设置有凹槽，所述约束导杆通过所述凹槽焊接在所述底座上，所述环形模具片上的边缘设置有用于将环形模具片固定在约束导杆上的凹槽，所述凹槽的横截面与所述约束导杆的横截面形状一致。

特别地，所述底座厚度不小于10mm，使在实验时模具能保持稳定及底座能保持一定的承重能力。

特别地，所述底座底部设置有用于对接气泵的气孔，便于后期采用气泵法进行脱模取样。

特别地，所述约束导杆伸出所述底座的高度为120mm，以解决装模过程中压实导致的试件高度小于试模高度的问题。

特别地，所述环形模具片有多个，放置于底座的模具片上表面与水平面成一定的β角，放置于最顶面的模具片的下表面与水平面成一定的β角，其余环形模具片上下面与水平面成一定的β角，所述β具体指实验时岩样与水平面的夹角，所述环形模具片的厚度都是相同的，所述所有环形模具片叠加起来构成一个内径50mm，高度120mm两端封闭的空心圆柱体构件。该设置方便制成不同角度等厚度的互岩实验试样，因为作为层状岩石等效实验材料，不等厚材料较难获取一般的、规律性的结果。

特别地，所述β＝0～90°。本实用新型课制成角度为0～90°的互岩实验岩样。

特别地，所述约束导杆不少于4根，对称布置在所述底座上，便于环形模具片的放置及固定。

特别地，所述导杆为圆柱形构件，便于环形模具片的放置及固定。

本实用新型具有以下有益效果：本实用新型的一种用于层状岩样一次成型的实验模具，用所述模具制作岩样可以达到一次成型试样的效果，减少了钻孔取芯等工序，缩短了试验时间；模具可在岩样初凝脱模后重复使用；可以针对某一特定层理角度的情况进行专门制样；岩石材料一次成型，避免了制作材料的浪费；操作过程简单，单人即可操作完成，大大节约了劳动力、工序时间和材料。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本实用新型还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本实用新型作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是本实用新型底座和约束导杆的构造图；

图2是本实用新型环形模具片的构造图；

图3是本实用新型角度为75°实施例的侧视图；

图4是本实用新型角度为75°实施例的正视图；

图5是本实用新型角度为90°实施例横向放置的视图；

图6是本实用新型角度为90°实施例的俯视图；

附图标记说明：

1、约束导杆，2、底座，3、环形模具片，4、凹槽，5、PVC U型夹。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

参见图1，提供一种用于层状岩样一次成型的实验模具，包括底座2、约束导杆1、环形模具片3，所述底座2上设置有凹槽，所述约束导杆1通过所述凹槽焊接在所述底座2上，所述环形模具片3上的边缘设置有用于将环形模具片3固定在约束导杆1上的凹槽4，所述凹槽的横截面与所述约束导杆的横截面形状一致，所述横截面具体指用一个水平面去截凹槽和约束导杆得到的平面图形，通过该凹槽4便于实验时将环形模具片3固定在所述约束导杆1上。

所述底座2厚度不小于10mm，底部设置有用于对接气泵的气孔，便于后期采用气泵法进行脱模取样。

所述约束导杆1伸出所述底座2的高度为120mm，以解决装模过程中压实导致的试件高度小于试模高度的问题。

所述环形模具片3有多个，由内径50mm，高度120mm两端封闭的空心圆柱体构件根据实验时岩样需与水平面成的夹角β角(β＝0～90°)等角度等厚度切割而成，放置于底座的环形模具片3上表面与水平面成一定的β角，放置于最顶面的环形模具片3的下表面与水平面成一定的β角，其余环形模具片3上下面与水平面均成β角，所述环形模具片3的厚度都是相同的，因此所有环形模具片3按切割顺序叠加起来还是构成内径50mm，高度120mm两端封闭的空心圆柱体。该设置方便制成不同角度等厚度的互岩实验试样，因为作为层状岩石等效实验材料，不等厚材料较难获取一般的、规律性的结果。

所述约束导杆1为圆柱体构件，数量不少于4根，对称布置在所述底座2上，便于环形模具片3的放置及固定。

当实验角度过大时，模具需水平放置，方便岩样材料放入环形模具片3中。

参见图2和图3，当实验所需角度为0～90°(不含90°)，本实施例的使用过程如下：

1)在底座2底部放置一张纸，以免稠状材料从底座的气泵孔流出。将第一层的环形模具片3放于底座2上，通过凹槽4与约束导杆1固定，取适量配置好的稠状材料A放入圆环中，用小平铲压实抹平，保证材料填补密实；

2)将第二层环形模具片3放置在前一层环形模具片3上，通过凹槽4与约束导杆1固定后，取适量配置好的稠状材料B放入，同样用小平铲将材料压实抹平，这样的操作过程实现了A、B两种材料的互层分布；

3)重复步骤2)，直至模具完全填满；

4)对模具内材料进行压实，经过压制及稳压过程后，在岩样养护1-2天后，将气泵接于底座2底部气孔，采用气压将岩样推出进行脱模取样；

5)将已成型的层状岩石试样放入实验室养护28天；

6)待岩样达到预期强度后，采用打磨机将试样上下端面进行打磨，以达到实验要求的精度。

参见图4和图5，当实验所需角度为90°，本实施例的使用过程如下：

1)在任意一根约束导杆1的顶部上加一个PVC U型夹5，所述PVC U型夹5的脚高等于所述约束导杆1到所述底座2外边缘的距离，目的是为了保持整个模具的平衡，然后横置底盘2和约束导杆1，在横置的模具保持水平平衡后，开始堆叠放置环形模具片3；

2)放置第一层的环形模具片3，通过凹槽4与约束导杆1固定，取适量配置好的稠状材料A放入圆环中，用小平铲压实抹平，保证材料填补密实；

2)将第二层环形模具片3放置在前一层环形模具片3上，通过凹槽4与约束导杆1固定后，取适量配置好的稠状材料B放入，同样用小平铲将材料压实抹平，这样的操作过程实现了A、B两种材料的互层分布；

3)重复步骤2)，直至模具完全填满；

4)对模具内材料进行压实，经过压制及稳压过程，在岩样养护1-2天后，将气泵接于底座2底部气孔，采用气压将岩样推出进行脱模取样；

5)将已成型的层状岩石试样放入实验室养护28天；

6)待岩样达到预期强度后，采用打磨机将试样上下端面进行打磨，以达到实验要求的精度。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。