含有软弱夹层且厚度可调及刚性约束的结构面模型制作模具的制作方法

本发明涉及直剪试验结构面模型制作模具的技术领域，尤其是含有软弱夹层且厚度可调及刚性约束的结构面模型制作模具。

背景技术：

结构面对工程中岩体稳定性有着控制性的影响，尤其是含有软弱夹层的软弱结构面。软弱结构面是岩体中具有一定厚度的软弱带，与相邻两侧的岩体相比具有高压缩、低强度等特征，其通常控制着岩体的变形及稳定性。在实际的工程项目中，往往是由于软弱夹层的存在导致事故频发，造成了严重的生命财产损失，因此，通过直剪试验获得含软弱夹层结构面力学特性方面研究就显得尤为重要。

获取含软弱夹层的岩体结构面试样通常有野外现场取样和室内制作两种手段。野外现场获取含有软弱夹层的原岩结构面试样时存在如下不足：1)软弱夹层易扰动，难以获得与现场所处状态相一致的含有软弱夹层的原岩体结构面试样；2)现场难以获取与含软弱夹层的原岩结构面性质近似一致的多组试样，无法通过多组试样的直剪试验获得结构面力学指标；3)现场取样存在难度大、费用高、取样周期长、风险高等不足。因此，室内制作成为获取含软弱夹层岩体结构面试样的重要方法。

为了获得与现场相一致的含有软弱夹层岩体结构面试样，在室内试样制作时需要有以下3个方面来保持试样测试的可靠性：1)与现场条件相同的软弱夹层厚度；2)与现场相一致的软弱夹层约束条件；3)可实现试样先压缩后剪切的试验条件。通常室内含有软弱夹层岩体结构面试样制作步骤是先制作出岩体结构面模型试样，然后再进行软弱夹层的铺设，在制作过程中不但存在夹层铺设困难、厚度难以调节的问题，而且软弱夹层的约束方式常采用蜡封法，难以与现场的约束方法相一致，且压缩过程和剪切过程中难以保持与现场相一致的受力状态。

技术实现要素：

为了能够满足含有软弱夹层的结构面模型室内直剪试验的要求，本发明提供了一种含有软弱夹层且厚度可调及刚性约束的结构面模型制作模具，能解决软弱夹层的铺设困难、软弱夹层厚度难以调节以及软弱夹层约束与现场不一致的问题，且在直剪试验过程中能够实现先压缩再剪切的试验条件。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种含有软弱夹层且厚度可调及刚性约束的结构面模型制作模具，包括底板、前侧板、后侧板、前后侧板固定螺栓、左侧板、右侧板、软弱夹层底部约束板、软弱夹层前后侧约束板、软弱夹层顶部约束板、可移动结构面面板和固定结构面面板；

所述底板的中间部位用于放置软弱夹层底部约束板，所述底板侧边固定前侧板、后侧板、左侧板和右侧板；

所述前侧板和后侧板为大小相同的侧板，在底板上对称放置，作为模型试样制样过程中的前后侧板；

所述左侧板分别与前侧板、后侧板连接，所述的左侧板可在前后侧板上移动，所述左侧板与前侧板、后侧板以及可移动结构面面板形成左侧腔室；所述的右侧板分别与前侧板、后侧板连接，所述右侧板与前后侧板以及固定结构面面板形成右侧腔室；

所述的软弱夹层底部约束板为浇筑在模型试样外侧的部件，所述软弱夹层底部约束板中间设置铰链，中间铰链分为两部分，分别为铰和弹簧；软弱夹层底部约束板右侧部分是作为固定端，设有与模型试样相连接的加固筋；所述软弱夹层底部约束板固定在前后侧板上；所述的软弱夹层顶部约束板固定在前后侧板上；软弱夹层顶部约束板中间设置铰链，中间铰链分为两部分，分别为铰和弹簧；

所述软弱夹层前侧约束板和软弱夹层后侧约束板是浇筑在模型试样的前后两侧，且分置于试样前后两侧，软弱夹层前后侧约束板由左右两块板组成，将软弱夹层前后侧约束板固定在前后侧板上，且两板之间呈现相互嵌套的状态，两板之间存在直剪试验所需的压缩空间，所述软弱夹层前侧约束板和软弱夹层后侧约束板上设有与模型试样相连接的加固筋。

所述固定结构面面板与软弱夹层前后侧约束板中固定连接，与前后侧板相连接；所述可移动结构面面板可在前后侧板上进行水平移动。

进一步，所述的底板为两侧具有滑槽的板状结构，底板截面呈“山”字型，在底板顶面中间部位留有凹槽，用于放置软弱夹层底部约束板，侧边有用于固定侧板的孔位；所述前后侧板通过前后侧板固定螺栓将前后侧板固定在底板上。

再进一步，所述的左侧板的上部左右两边处设置有可穿入螺栓的孔位，根据所制试样要求将左侧板移动至所要求位置，利用左侧板固定螺栓将左侧板固定在前后侧板上，以实现固定效果，用以与其他侧板共同形成模型试样的制样腔室。

所述的右侧板利用右侧板固定螺栓将其与前后侧板和底板相连接，作为固定侧板，用以与其他侧板共同形成模型试样的制样腔室。

所述的软弱夹层底部约束板的前后设置压缩过程中限制软弱夹层挤出的侧限孔位，在进行压缩过程中，在软弱夹层底部约束板的孔位和软弱夹层顶部约束板的孔位之间穿入连接杆，通过螺母拧紧，以防止软弱夹层在压缩过程中的挤出，实现压缩过程的侧限；

软弱夹层底部约束板设有固定孔位，通过软弱夹层底部约束板固定螺栓将其固定在前后侧板上。

所述软弱夹层顶部约束板设有固定孔位，通过软弱夹层顶部约束板固定螺栓将其固定在前后侧板上。

在填入软弱夹层的过程中，软弱夹层顶部约束板将前端板转动90°，利用拉钩进行固定，实现软弱夹层从上部填入。

所述软弱夹层前后侧约束板的左右两块板分别设置孔位，通过软弱夹层前后侧约束板固定螺栓将软弱夹层前后侧约束板固定在前后侧板上。

所述固定结构面面板与软弱夹层前后约束板中的右侧板共用螺栓，与前后侧板相连接，所述固定结构面面板的顶部有拉环，便于脱膜时拆除；所述可移动结构面面板的上部前后两侧设置孔位，穿入可移动结构面面板固定螺栓，利用可移动结构面面板固定螺栓将可移动结构面面板固定在前后侧板上。

本发明的有益效果主要表现在：

(1)能够针对不同的结构面选择所需要的结构面形态来完成结构面模型的制作。

(2)岩石结构面与软弱夹层共同在模具中制作成型，实现了岩石结构面试样制作与软弱夹层一体化制作。

(3)能够根据现场实测软弱夹层的厚度来实现不同软弱夹层厚度的模型试样制作。

(4)本发明所采用含有软弱夹层且厚度可调及刚性约束的结构面模型制作模具制作而成的含有软弱夹层的结构面模型试样可实现在压缩过程中完全刚性约束，防止软弱夹层挤出；在剪切过程中，试样在剪切方向能够自由剪切，另外两侧具有刚性约束。

附图说明

图1为本发明的俯视图。

图2为本发明的正视图。

图3为本发明的左视图。

图4为图1中1-1剖面图。

图5为本发明的底板立体图。

图6为本发明的前后侧板俯视图。

图7为本发明的左侧板示意图。

图8为本发明的软弱夹层顶部约束板俯视图。

图9为本发明的软弱夹层顶部约束板正视图。

图10为本发明的软弱夹层顶部约束板左视图。

图11为本发明的软弱夹层底部约束板俯视图。

图12为本发明的软弱夹层底部约束板正视图。

图13为本发明的软弱夹层底部约束板左视图。

图14为本发明的软弱夹层顶部和底部约束板铰链局部示意图。

图15为本发明的软弱夹层前后侧约束板俯视图。

图16为本发明中的软弱夹层前后侧约束板左视图。

图17为图4中含有软弱夹层结构面试样的剖面图。

图18为制作完成的含有软弱夹层的结构面试样压缩过程俯视图(图中箭头表示压缩方向)。

图19为制作完成的含有软弱夹层的结构面试样压缩过程正视图(图中箭头表示压缩方向)。

图20为图19中2-2剖面图(图中箭头表示压缩方向)。

图21为图18中3-3剖面图(图中箭头表示压缩方向)。

图22为制作完成的含有软弱夹层的结构面试样剪切过程俯视图(图中箭头表示剪切方向)。

图23为制作完成的含有软弱夹层的结构面试样剪切过程正视图(图中箭头表示剪切方向)。

图24为图23中4-4剖面图(图中箭头表示剪切方向)。

图25为图22中5-5剖面图(图中箭头表示剪切方向)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图25，一种含有软弱夹层且厚度可调及刚性约束的结构面模型制作模具，包括底板1、前侧板2和后侧板3、前后侧板固定螺栓12、左侧板4、左侧板固定螺栓14、右侧板5、右侧板固定螺栓13、软弱夹层底部约束板6、软弱夹层底部约束板固定螺栓27、软弱夹层前后侧约束板7和8、软弱夹层前后侧约束板固定螺栓16和17、软弱夹层顶部约束板9、软弱夹层顶部约束板固定螺栓18、可移动结构面面板10、可移动结构面面板固定螺栓15、固定结构面面板11、固定结构面面板固定螺栓17。

所述的底板1为两侧具有滑槽的板状结构，底板1截面呈“山”字型，在底板1顶面中间部位留有凹槽，用于放置软弱夹层底部约束板6，侧边有用于固定侧板的孔位101。

所述的前侧板2和后侧板3为大小相同的侧板，在底板1上对称放置，通过前后侧板固定螺栓12将前后侧板固定在底板1上，作为模型试样制样过程中的侧板。

所述的左侧板4可在前后侧板2、3上移动，左侧板4的上部左右两边处设置孔位401，穿入左侧板固定螺栓14，根据所制试样要求将左侧板4移动至所要求位置，利用左侧板固定螺栓14将左侧板4固定在前后侧板2、3上，以实现固定效果，用以与其他侧板共同形成模型试样的制样腔室(即左侧板4与前后侧板2、3以及可移动结构面面板10形成的腔室填入试样材料形成左侧结构面试样22)。

所述的右侧板5利用右侧板固定螺栓13将其与前后侧板2、3和底板1相连接，作为固定侧板，用以与其他侧板共同形成模型试样的制样腔室(即右侧板5与前后侧板2、3以及固定结构面面板11形成的腔室填入试样材料形成右侧结构面试样24)。

所述的软弱夹层底部约束板6为浇筑在模型试样外侧的部件，软弱夹层底部约束板6中间设置铰链21，中间铰链分为两部分，分别为铰2101和弹簧2102，铰链21的作用是在模型试样剪切过程中能够绕其转动，不影响剪切过程。软弱夹层底部约束板6右侧部分602是作为固定端，设有与模型试样相连接的加固筋604，前后约束板上设置压缩过程中限制软弱夹层挤出的侧限孔位603，在进行压缩过程中，在软弱夹层底部约束板6的孔位603和软弱夹层顶部约束板9的孔位903之间穿入连接杆25，通过螺母26拧紧，以防止软弱夹层在压缩过程中的挤出，实现压缩过程的侧限。软弱夹层底部约束板6设有固定孔位2701，通过软弱夹层底部约束板固定螺栓27将其固定在前后侧板2、3上。软弱夹层底部约束板6的作用是作为模型试样软弱夹层底部约束，可实现压缩过程中的完全侧限和剪切过程中的自由剪切。

所述的软弱夹层顶部约束板9作用与软弱夹层底板约束板6一样，作为约束模型试样中软弱夹层的约束板，软弱夹层顶部约束板9设有固定孔位1801，通过软弱夹层顶部约束板固定螺栓18将其固定在前后侧板2、3上；软弱夹层顶部约束板9中间设置铰链21，中间铰链分为两部分，分别为铰2101和弹簧2102，铰链21的作用是在模型试样剪切过程中能够绕其转动，不影响压缩和剪切的过程；在填入软弱夹层的过程中，软弱夹层顶部约束板9将前端板转动90°，利用拉钩19进行固定，实现软弱夹层从上部填入。

所述的前后侧约束板7、8是浇筑在模型试样的前后两侧，软弱夹层前侧约束板与软弱夹层后侧约束板大小相同，相互对称，分置于试样前后两侧，软弱夹层前后侧约束板均分为左右两块板7和8，分别设置孔位，通过软弱夹层前后侧约束板固定螺栓16和17将软弱夹层前后侧约束板7、8固定在前后侧板2、3上，两板之间呈现相互嵌套的状态，两板之间存在直剪试验所需的压缩空间701，板上设有与模型试样相连接的加固筋702和801，以达到能够顺利进行压缩的目的。

所述的固定结构面面板11是作为两块结构面面板中固定的结构面面板，不进行移动，固定结构面面板11与软弱夹层前后约束板中的右侧板8共用螺栓17，与前后侧板2、3相连接，达到固定目的，而且顶部有拉环20，便于脱膜时拆除。

所述的可移动结构面面板10可在前后侧板2、3上进行移动，可移动结构面面板10的上部前后两侧设置孔位，穿入可移动结构面面板固定螺栓15，根据具体试样中软弱夹层24厚度要求将可移动结构面面板10滑动至所要求位置，利用可移动结构面面板固定螺栓15将可移动结构面面板固定在前后侧板2、3上，形成模型试样的左侧结构面空间。

本实施例以制作含有软弱夹层且厚度可调及刚性约束的结构面为例，其尺寸大小为100mm×100mm×210mm的试样，软弱夹层厚度为10mm。

结合附图详细说明本发明的实施方案：

(1)选择结构面面板形态。根据试验测试要求，选择相应结构面面板形貌。

(2)底板1放置。将底板1放置于找平的地面上。

(3)前侧板2和后侧板3的安装。将前后侧板2、3分别放置在底板1两侧凹槽内，利用前后侧板固定螺栓12将前后侧板2、3固定在底板1上。

(4)右侧板5的安装。利用右侧板固定螺栓13将右侧板5与前后侧板2、3以及底板1相连接，达到固定的目的。

(5)软弱夹层底部约束板6的安装。将软弱夹层底部约束板6放入底板1上部的凹槽内，利用软弱夹层底部约束板固定螺栓27将软弱夹层底部约束板6固定在前后侧板2、3上，并在软弱夹层底部约束板6铰链21及左侧部分板601上铺上一层隔离膜，防止软弱夹层底部约束板6铰链21及左侧部分板601与结构面试样浇筑在一起，达到分离的效果。

(6)软弱夹层前后侧约束板7、8的安装。利用软弱夹层前后侧约束板固定螺栓16、17将软弱夹层前后侧约束板固定在前后侧板2、3上。

(7)固定结构面面板11。利用固定结构面面板固定螺栓17将固定结构面面板11固定在前后侧板2、3上。

(8)软弱夹层顶部约束板9的安装。利用软弱夹层顶部约束板固定螺栓18将软弱夹层顶部约束板9固定在前后侧板2、3上，并将软弱夹层顶部约束板9铰链21左侧板901绕铰链转动90°，利用拉钩19固定。

(9)软弱夹层厚度的确定。根据试验要求确定软弱夹层的厚度，本次实施例中软弱夹层的厚度为10mm。

(10)可移动结构面面板10的安装。根据试验要求，选择试验所需的软弱夹层厚度(此处为10mm)，将可移动结构面面板10移动到所要求的位置，即与固定结构面面板11相距10mm处位置，利用可移动结构面面板固定螺栓15将可移动结构面面板10固定在前后侧板2、3上。

(11)左侧板4的安装。根据(9)中可移动结构面面板10的位置，为确保结构面试样尺寸保持不变，将左侧板4移动到相应位置，使得左侧板4与可移动结构面面板10之间的距离即为结构面试样的尺寸，即将左侧板4移动到与可移动结构面面板10相距100mm处，并且用左侧板固定螺栓14将左侧板4固定在前后侧板2、3上。

(12)涂脱模剂。安装结束后需要在组装好的制作模具的内表面涂一层涂膜剂，方便模具的拆除，此处使用机油作为脱模剂。

(13)浇筑岩石模拟材料。向制作模具中浇筑相应的岩石模拟材料，此处使用水泥砂浆材料。

(14)岩石模拟材料振捣密实及抹平处理。将浇筑好岩石模拟材料进行振动密实，振动结束后进行表面抹平处理。

(15)拆除结构面面板。将浇筑好的试样连同模具一起养护至初凝强度，将固定结构面面板和可移动结构面面板拆除。

(16)浇筑软弱夹层材料。将配制好的软弱夹层材料浇筑到左右侧结构面之间的空隙中，此处软弱夹层材料选择淤泥质土。

(17)软弱夹层振捣密实及抹平处理。将浇筑好软弱夹层材料放到专用振动台上，进行振动密实，振动结束后进行表面抹平处理。

(18)拆模。将带有软弱夹层的结构面试样静置养护1d，拆除结构面制作模具。并松开软弱夹层顶部约束板的拉钩。

(19)养护。将拆除模具后的带有软弱夹层的结构面试样放入专用养护室内进行养护。

(20)更换步骤(9)中软弱夹层的厚度，重复步骤(10)-(19)可实现含有不同软弱夹层厚度的结构面试样制作。

(21)更换步骤(1)中的结构面面板，重复步骤(2)-(19)可实现不同类型结构面面板的含有软弱夹层结构面试样的制作。

综上所述，本发明提供了一种含有软弱夹层且厚度可调及刚性约束的结构面模型制作模具及制作方法，调整可移动结构面面板与左侧板的位置，即可实现软弱夹层厚度的变化，同样四块侧面约束板不仅可实现在压缩过程中软弱夹层不被挤出，而且可以实现制作完成的试样能够直接拿到直剪仪上进行直剪试验。