一种含软弱夹层类岩体试件的制作装置及操作方法与流程

本发明涉及一种地下工程试验装置，具体地说是一种用于室内实验室制作含软弱夹层类岩体试件的装置及操作方法。

背景技术：

大量的岩土工程实践表明，软弱夹层在岩体中广泛存在，因其强度和刚度较低，对地下工程围岩和支护结构的整体稳定性非常不利，严重制约着地下工程的施工安全，因此开展含夹层岩体力学性质的试验研究对地下工程的施工和支护结构优化具有重要意义。然而，天然含夹层岩体通常软弱破碎，另外受制于尺寸和场地复杂性的影响，钻孔取芯的成功率极低。同时，所钻取岩芯中夹层的厚度、位置和倾角都是随机的，对于系统研究含软弱夹层岩体的力学行为来说往往难以满足要求。相反，采用室内预制含软弱夹层类岩体试件的方法容易实现，可重复性好，而且夹层的厚度、位置和倾角可人为控制，为室内试验研究含软弱夹层岩体的力学性质提供了一种新的思路。

目前，国内外关于含软弱夹层类岩石试件制作装置和操作方法的研究现状如下：

(1)《internationaljournalofrockmechanics&miningsciences》2006年第8期介绍了一种层状类岩体试件的制作方法，该方法利用一种薄层切割装置对预制好的两种均质模型块体进行切片，再将切片预压养护制作水平层状岩体，最后配合一种倾角可调节的钻孔支架进行取芯，该法虽可制作任意倾角的层状岩体试件，但制作工序复杂，操作繁琐，稍有不当会使切片破碎导致制作失败，同时该法只能制作需要压实成型的相似材料模型试件，对于水泥砂浆浇筑的类岩体试件难以适用。

(2)《岩土力学》2011年增刊2介绍了一种层状岩体模型材料制备方法，该法首先设计一种薄层切割装置，对预制好的两种力学特性迥异的均质模型块体进行切片，再利用薄层吸附平移装置将得到的两类薄层叠加，经过修葺、预压和养护成型，最后钻孔取样获取具有不同倾角和厚度比的层状岩体试样，与上述方法类似，该法虽可制作任意倾角的层状岩体试件，但也存在步骤繁多，操作不便的缺点，同时也只能制作需要压实成型的相似材料模型试件，不适用水泥砂浆类试件的制作。

(3)《煤炭学报》2013年增刊1介绍了一种含夹层盐岩试件的制作方法，其按照盐粉-夹层-盐粉的顺序，把制备好的材料先后添加到压制模具中，最后利用液压千斤顶压制成型，该法虽可制作出夹层盐岩试件，但只能制作水平倾角的夹层，难以满足任意倾角夹层试件的制作。

(4)《岩土力学》2017年第7期介绍了一种含层理岩石试件的制作方法，采用的是预先分层浇筑，养护成型后再通过水平或竖向钻孔的构筑取芯法，该法虽可制作任意厚度夹层的类岩体试件，但其只能制作0°和90°倾角夹层的试件，不能制作含任意倾角夹层的类岩体试件。

(5)申请号为201420140161.6的专利公开了一种四柱式土工材料含层理标准试件批量压型机构和操作方法，其通过采用不同角度的凸模和凹模压制层理试件，该法可一次性批量制作多个含层理的试件，但只能制作需要压实成型的相似材料模型试件，对于水泥砂浆浇筑的类岩体试件难以适用，同时也存在所制作试件层理倾角范围有限的缺点。

(6)申请号为201820844669.2的专利公开了一种带有不同角度夹层的标准圆柱试件组合模具及操作方法，其通过三个环形模之间的凸台和凹槽定位配合，从而制作不同倾角和深度的夹层试件，然而该模具只能制作一种厚度和一种倾角的含夹层试件，对于不同厚度和不同倾角含夹层试件的制作需预先配套制作相应的模具，因此该模具功能比较单一，能耗相对较高，同时该模具也存在所制作夹层的倾角范围有限的缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述现有制作装置和方法的不足，提供一种构造简单，拆卸方便、容易操作、节能环保的含软弱夹层类岩体试件的制作装置及操作方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种含软弱夹层类岩体试件的制作装置，包括浇筑模具和旋转底座；所述浇筑模具由两块相同的半圆柱形侧模、底模、顶模组成；两块半圆柱形侧模组合在一起形成圆柱形侧模，圆柱形侧模的底部与底模可拆卸式相连，圆柱形侧模的顶部与顶模可拆卸式相连，所述的顶模为半圆形；侧模、底模、顶模组合在一起形成了浇筑空间；

所述旋转底座由支架、旋转平板、螺杆、螺帽和角度控制旋钮组成；

所述旋转平板为一块具有一定厚度的长方体有机玻璃板，平板顶面开有与浇筑模具底模直径相同的圆形凹槽，凹槽内分布有三个与底模底面螺栓孔相对应的螺栓孔，用于将浇筑模具与旋转平板采用螺栓固定为一整体；

旋转平板内部设有螺纹孔，所述的螺杆穿过螺纹孔，螺杆的两端安装在支架上，一端与螺帽相连，实现其在支架上的固定，另一端与角度控制旋钮相连，所述角度控制旋钮，可以调节螺杆和旋转平板的角度，进而控制软弱夹层的倾角。

作为进一步的技术方案，所述侧模为两个半圆柱形有机玻璃筒；侧模内壁刻有沿着高度方向的长度标尺，用于控制软弱夹层的位置和厚度；侧模上侧表面和下侧表面分别分布有三个螺栓孔，用于将顶模和底模与侧模固定为一体，形成浇筑空间。

作为进一步的技术方案，所述底模为圆形有机玻璃板，底模顶面开有环形凹槽，用于插入侧模。凹槽下方分布有三个贯通的与侧模下侧表面螺栓孔对应的螺栓孔，用于固定侧模与底模。在底模下表面距离环形凹槽内边界一定距离的位置分布有螺栓孔，用于固定底模和旋转平板。

作为进一步的技术方案，所述顶模为稍大于半圆形的有机玻璃板，靠近顶模外边缘分布有与侧模上表面螺栓孔相对应的贯通螺栓孔，用于固定侧模和顶模。顶模的作用在于浇筑较大倾角软弱夹层时阻挡浇筑材料从模具顶部流出，从而达到制作任意倾角夹层的目的。

作为进一步的技术方案，所述螺杆为一根有机玻璃杆，其穿过旋转平板侧面的螺杆孔后通过高强有机玻璃胶与旋转平板粘结成为一个整体；螺杆左侧端部刻有螺纹，可通过螺帽使其与支架固定，从而达到固定旋转平板和浇筑模具的目的；螺杆右侧为角度控制旋钮，转动旋钮即可使螺杆、旋转平板以及固定在旋转平板上的浇筑模具一起转动，进而控制软弱夹层的倾角。

作为进一步的技术方案，所述支架为两块相同的长方体有机玻璃板与一块圆形有机玻璃板组成的框架结构，具体的采用高强有机玻璃胶粘结为一体的框架结构；两个长方体有机玻璃板相互平行，且与圆形有机玻璃板垂直，两块有机玻璃板在相同高度位置处分布有与螺杆直径相同的螺杆孔，用于架设螺杆；其中一个玻璃板外侧表面标有以螺孔为圆心的角度刻盘，用于调节角度控制旋钮转动的角度，从而到达所需软弱夹层倾角的目的。

本发明还提供了一种利用含软弱夹层类岩体试件制作装置进行含夹层试件制作的方法，步骤如下：

1)组装浇筑模具

将两块相同的半圆形侧模对齐后插入底模顶面的环形凹槽内，侧模外侧采用透明胶带缠绕固定，随后将顶模置于侧模顶部，并采用固定螺栓将侧模、底模和顶模固定为一个整体，以形成浇筑空间。

2)固定浇筑模具

将组装完成的浇筑模具卡入旋转平板顶面的圆形凹槽内，并采用固定螺栓将浇筑模具与旋转平板固定为一体。

3)固定旋转平板

根据所制夹层的倾角，调节角度控制旋钮，当旋转平板转动到所需的位置后，采用螺帽将旋转平板与支架固定为一体。

4)浇筑试件

首先将搅拌均匀的水泥砂浆倒入浇筑模具至所需位置刻度处，并置于振动台上不断震动，待水泥砂浆密实后倒入石膏液至所需位置刻度处，同时不断震动密实。最后转动角度控制旋钮使浇筑模具转至竖直方向，倒入水泥砂浆至浇筑模具顶部并不断震动，直至密实为止。

5)脱模与养护

从旋转平板上取下浇筑模具静置，待水泥砂浆和石膏液固化成型后，拆掉底模和顶模，撕下侧模外侧包裹的透明胶带即可完成脱模。随后，将脱模后的夹层试件放于养护室常温养护。

本发明具有如下有益效果：

(1)采用旋转底座和浇筑模具组合的方法，解决了含软弱夹层岩体试件制作时夹层厚度难以精确确定，夹层倾角范围有限的难题，为地下工程中人工复合岩体的制作提供了新的方法。

(2)本发明涉及的含软弱夹层类岩体试件的制作装置构造简单、拆卸容易，同时具有可重复循环利用、节能环保的优点。

(3)本发明提出的含软弱夹层类岩体试件的制作方法简单易学，方便实用，具有广阔的应用前景。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为含软弱夹层类岩体试件制作装置具示意图；

图2为浇筑模具示意图；

图3为旋转底座示意图；

图4为底模示意图；

图5为顶模示意图；

图中，1为侧模；2为底模；3为顶模；4为长度标尺；5为固定螺栓；6为支架；7为旋转平板；8为螺杆；9为螺帽；10为角度控制旋钮；11为角度刻盘。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种含软弱夹层类岩体试件的制作装置及操作方法。

实施例1

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，含软弱夹层类岩体试件的制作装置，其特征是，包括浇筑模具和旋转底座。

浇筑模具由两块相同的半圆形侧模1、底模2、顶模3和固定螺栓组成；具体的，在本实施例中，侧模1为两个内径5cm，外径6cm，高度11cm的半圆形有机玻璃筒。侧模1内壁刻有沿着高度方向的长度标尺，用于控制软弱夹层的位置和厚度。侧模1上侧表面和下侧表面分别分布有三个螺栓孔，用于将顶模和底模与侧模固定为一体，形成浇筑空间。

在本实施例中，底模2为一块厚度2cm的圆形有机玻璃板，底模2顶面开有宽度和深度各1cm的环形凹槽，用于插入侧模1。不难理解的，在其他实施例中，底模的厚度和环形凹槽的宽度、深度等可以根据实际需要进行设置。

凹槽下方分布有多个贯通的与侧模下侧表面螺栓孔对应的螺栓孔，用于固定侧模与底模；优选的，螺栓孔的个数为3个。进一步的，在底模下表面距离环形凹槽内边界一定距离的位置分布有多个螺栓孔，用于固定底模和旋转平板；优选的，螺栓孔的个数设置为3个，3个螺栓孔沿着底模的圆周方向均匀分布。螺栓孔距离环形凹槽内边界的距离可以根据实际情况进行设置，没有特定要求。

在本实施例中，顶模3为稍大于半圆形的有机玻璃板，靠近顶模3外边缘分布有与侧模上表面螺栓孔相对应的三个贯通螺栓孔，用于固定侧模和顶模。顶模的作用在于浇筑较大倾角软弱夹层时阻挡浇筑材料从模具顶部流出，从而达到制作任意倾角夹层的目的。

在本实施例中，所述旋转底座由支架6、旋转平板7、螺杆8、螺帽9和角度控制旋钮10组成。所述旋转平板为一块具有一定厚度的长方体有机玻璃板，平板顶面开有与浇筑模具底模直径相同的圆形凹槽，圆形凹槽内分布有三个与底模底面螺栓孔相对应的螺栓孔，用于将浇筑模具的底模与旋转平板采用螺栓固定为一整体。旋转平板通过螺杆和螺帽与支架固定为一整体结构。所述角度控制旋钮10，可以调节螺杆和旋转平板的角度，进而控制软弱夹层的倾角。

具体的，螺杆8为一根有机玻璃杆，其穿过旋转平板侧面的螺杆孔后通过高强有机玻璃胶与旋转平板粘结成为一个整体。螺杆8左侧端部刻有螺纹，可通过螺帽9使其与支架固定，从而达到固定旋转平板和浇筑模具的目的。螺杆8右侧为角度控制旋钮10，转动角度控制旋钮10即可使螺杆8、旋转平板7以及固定在旋转平板7上的浇筑模具一起转动，进而控制软弱夹层的倾角。

支架6为两块相同的长方体有机玻璃板与一块具有一定厚度的圆形有机玻璃板采用高强有机玻璃胶粘结为一体的框架结构。两块有机玻璃板在相同高度位置处分布有与螺杆直径相同的螺杆孔，用于架设螺杆。右侧玻璃板外侧表面标有以螺孔为圆心的角度刻盘，用于调节角度控制旋钮转动的角度，从而到达所需软弱夹层倾角的目的。

本发明中，两块半圆形侧模1对齐插入底模2的环形凹槽内，顶模3置于侧模2顶部，侧模2内壁刻有长度标尺4，底模2和顶模3与侧模1通过固定螺栓5固定为一整体，形成浇筑模具。支架6与旋转平板7通过螺杆8和螺帽9固定为一整体，形成旋转底座。浇筑模具的底模2与旋转底座上的旋转平板7通过固定螺栓5固定为一体。角度控制旋钮10的指针对准角度刻盘11上的指定刻度处。

实施例2

本实施例中公开了一种利用含软弱夹层类岩体试件制作装置进行含夹层试件制作的方法，包括以下步骤：

1)组装浇筑模具

将两块相同的半圆形侧模1对齐后插入底模2顶面的环形凹槽内，侧模1外侧采用透明胶带缠绕固定，随后将顶模3置于侧模1顶部，采用固定螺栓5将底模2和顶模3与侧模1固定为一个整体，以形成浇筑空间。

2)固定浇筑模具

将组装完成的浇筑模具卡入旋转平板7顶面的圆形凹槽内，并采用固定螺栓5将浇筑模具与旋转平板7固定为一体。

3)固定旋转平板

根据所制软弱夹层的倾角，调节角度控制旋钮10，使其指针转动到角度刻盘11所需的位置后，通过螺杆8和螺帽9将旋转平板7与支架6固定为一体。

4)浇筑试件

首先将搅拌均匀的水泥砂浆从顶模3的开口处倒入浇筑模具至长度标尺4所需的位置刻度处，并置于振动台上不断震动，待水泥砂浆密实后倒入石膏液至长度标尺4所需的位置刻度处，同时不断震动密实。最后转动角度控制旋钮10使浇筑模具旋转至竖直方向，倒入水泥砂浆至浇筑模具顶部并不断震动，直至水泥砂浆密实为止。

5)脱模与养护

拆卸底模2和旋转平板7间的固定螺栓5，从旋转平板7上取下浇筑模具静置一段时间，待水泥砂浆和石膏液固化成型后，拆卸底模2和顶模3与侧模间的固定螺栓5，取出侧模1，撕下侧模1外侧包裹的透明胶带即可完成脱模。随后，将脱模后的夹层试件放于养护室常温养护28天。

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