一种相似材料岩体试样断续节理精确定位制作装置的制作方法

本发明涉及岩体相似材料模型试验技术领域，更具体涉及一种能调节相似材料岩体断续裂隙位置、数量、角度、长度以及开度等几何参数并能精确定位其参数的裂隙制作装置。适用于相似材料岩体试样中不同数量及几何形式断续节理的精确定位与制作。

背景技术：

天然岩体中断层、节理等裂隙对岩体力学性质和工程稳定性有很大影响。一方面，岩体的变形破坏过程实质就是裂隙在工程扰动条件下的萌生、扩展、相互作用和贯通的过程，另一方面，岩体中赋存的复杂裂隙形式改变了岩体受力状态，进一步影响了工程岩体的破坏形式及失稳过程。因此，开展不同裂隙形式岩体的强度特征及破坏模式有较强的理论意义和工程价值。

目前裂隙岩体室内试验根据研究对象的不同可分为真实岩石材料和类岩石材料两类。真实岩石材料的选取使得试验结果更加接近于工程实际。但是，真实岩体试样试验难于重复，且难于制作各种不同裂隙形式。因此，目前室内研究广泛采用类岩石材料来模拟真实岩体的物理力学行为。为了研究裂隙几何参数对岩体强度及破坏特征的影响规律，就需要在同一岩体试样中制作不同几何形式以及不同数量的裂隙。近年来，国内外很多学者也在不断推进和发展类岩石材料中裂隙的精确定位和制作技术。已有许多学者在裂隙制作装置设计方面开展了大量的工作，得到了许多有益的成果与结论。

现有的裂隙制作装置包括两种基本类型，一是直接在试样浇筑过程中插入钢片的模式，另一种是在制样模具中预先固定好贯通钢片的制作模式。上述两种模式均存在一些不足之处：①对于第一种方法，钢片插入的过程中位置无法精确定位，从而造成实际裂隙形式与设置参数差异并导致后续理论分析产生偏差。此外，由于钢片的插入方向没有固定，极易造成钢片在插入的过程中偏离垂直方向而制样失败；②对于第二种方法，通过预先固定钢片的方法能够解决第一种方法裂隙制作过程的不确定性，但是却限制了裂隙数量和位置等参数，当要改变上述参数时往往需要重新制作整套模具，造成材料浪费。本发明涉及的一种相似材料岩体试样断续节理精确定位制作装置，能够精确定位裂隙位置并能调节裂隙数量、角度、长度以及开度等几何参数，为更加精准地制作试样提供有效保障。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于完善上述技术的不足，是在于提供了一种相似材料岩体试样断续节理精确定位制作装置，结构简单，操作方便，能快速地制作指定参数的断续裂隙，有效地保证了裂隙的高效制作和裂隙形式的丰富化，极大地有利于不同裂隙岩体强度及变形行为试验。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种相似材料岩体试样断续节理精确定位制作装置。它包括：第一裂隙定位支架、第二裂隙定位支架、第一裂隙纵向定位杆、第二裂隙纵向定位杆、裂隙横向定位杆以及裂隙角度定位装置。其特征在于：二组裂隙定位支架底板平行布置于试样模具的两侧，并通过裂隙定位支架锚固螺栓锚固在制样底板之上，用于固定纵向定位杆。四根裂隙定位支架通过自带螺纹与裂隙定位支架底板连接并固定。所述的纵向定位杆一侧沿纵向设有贯通凹槽，凹槽上方设有刻度，作为所述的横向定位杆的滑槽并对其进行定位。二组裂隙纵向定位杆分别与二组裂隙定位支架底板平行布置并通过螺丝固定在四根裂隙定位支架上，其中二组裂隙纵向定位杆的凹槽相对布置。裂隙横向定位杆通过两端的横向定位杆滑块卡在二组裂隙纵向定位杆的T形贯通凹槽中，并能沿着T形贯通凹槽轨道平行移动。裂隙角度定位装置由裂隙角度定位滑块、角度指针、角度刻度盘和伸缩杆组装而成，裂隙角度定位滑块和角度指针通过实心圆柱杆自带螺纹与角度刻度盘连接固定。伸缩杆固定在角度刻度盘下端中心处，且伸缩杆下端设置有螺丝孔用于钢片的连接固定。裂隙角度定位装置通过顶端裂隙角度定位滑块卡在裂隙横向定位杆下端的裂隙角度定位滑槽之中，并能沿裂隙角度定位滑槽轨道移动。通过移动裂隙横向定位杆和角度定位装置能够改变钢片在试样模具中的横纵坐标，从而实现裂隙位置的精确定位。具体的：通过滑动所述的横向定位杆对裂隙纵向坐标进行定位，通过滑动所述的裂隙角度定位装置对裂隙横向坐标进行定位。所述的角度定位装置通过裂隙角度定位滑块与裂隙横向定位杆连接，通过滑动角度定位装置来确定裂隙的横向坐标。所述的角度定位装置设有指针，所述的指针下端设有刻度转盘，与所述的指针一起确定裂隙角度。所述的刻度转盘下端设有伸缩杆，钢片通过螺栓固定在所述的伸缩杆之上。调节所述的伸缩杆长度，可以将所述的钢片固定在模具底面。

所述的第一裂隙定位支架、第二裂隙定位支架与模具一边平行布置且分别布置于模具两侧，并通过螺栓将所述的第一裂隙定位支架、第二裂隙定位支架底板锚固在地板之上。所述的第一裂隙定位支架、第二裂隙定位支架底板上端设有一对有一定深度含内螺纹的螺丝孔，支架杆通过所述的螺丝孔与底板连接固定。所示支架杆上端设有螺纹，用于连接纵向定位杆。所述的纵向定位杆一侧沿垂直方向设有两个贯通孔，贯通孔位置与所述的支架杆对应，所述的支架杆上端穿过所述的纵向定位杆的垂直贯通孔，并通过螺丝固定，将所述的纵向定位杆与所述的第一裂隙定位支架、第二裂隙定位支架连接。所述的纵向定位杆另一侧沿纵向设有T形贯通凹槽，凹槽上方设有刻度，作为所述的横向定位杆的滑槽并对其进行定位。所述的第一裂隙纵向定位杆、第二裂隙纵向定位杆平行布置且T形凹槽相对布置，并分别固定在第一裂隙定位支架、第二裂隙定位支架上。所述的横向定位杆两端设有方形滑块，分别卡在两纵向定位杆滑槽之中。所述的横向定位杆下端设有贯通的T形凹槽，凹槽上方设有刻度，作为所述的裂隙角度定位装置的滑槽并对其进行定位。

所述的裂隙角度定位装置由裂隙角度定位滑块、角度指针、刻度转盘和伸缩杆组成。通过所述的裂隙角度定位滑块卡在横向定位杆下端裂隙角度定位T形滑槽之中实现所述的角度定位装置和横向定位杆的连接。所述的裂隙角度定位滑块下端有固定方向的指针，指针下设有可随钢片一起转动的刻度盘，通过指针所确定的刻度盘角度，可以换算出钢片的角度。所述的刻度盘下方设有固定在其上的伸缩杆，通过伸缩杆可以调节钢片高低并固定钢片，且能让刻度转盘随钢片同轴转动。

本发明通过裂隙定位支架将制作裂隙钢片悬挂于模具上方，并通过纵向定位杆和横向定位杆精确定位裂隙中心处的横纵坐标，通过角度定位装置精确调整裂隙角度。模具部件均采用不锈钢材料，且底板、裂隙定位支架、纵向定位杆之间均通过螺栓连接并固定，形成一个统一整体，增强系统稳定性。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

①裂隙位置精确定位。本发明裂隙制作装置通过纵向定位杆、横向定位杆、角度定位装置以及相应的刻度能对形成裂隙的钢片中心点横纵坐标以及角度进行精确定位，使得岩体裂隙形式制作与设计实现一致。通过上述装置能将裂隙的横纵坐标及角度控制在刻度读数误差以内，及横纵坐标误差控制在1mm以内，角度误差控制在1°以内。

②控制裂隙偏离。现有技术钢片的插入方向没有固定，极易造成钢片在插入的过程中偏离垂直方向导致制样失败，本发明通过垂直伸缩杆控制钢片插入方向并实现钢片固定，能有效防止钢片在插入过程中偏离垂直方向的现象。由于伸缩杆具有较强的刚度，通过控制器垂直度可以完全控制钢片的垂直程度，试验表明，本装置可将裂隙的垂直偏差控制在1%以内。

③复杂多裂隙制作。本发明通过变换钢片形式即可实现不同几何参数裂隙的制作。特别地，对于制作多裂隙情况，可以在纵向定位杆中添加横向定位杆，也可以在同一横向定位杆中添加裂隙角度定位装置，通过多种组合即能简单地实现任意复杂裂隙形式的制作，这是目前所有断续节理裂隙装置所不能实现的。本发明设计精妙，且对于既定的制样模具，裂隙定位支架固定好之后无需拆卸，操作简单，能精确的裂隙的位置、数量、方向等几何参数，提高试样制备成功率。

附图说明

图1为一种相似材料岩体试样断续节理精确定位制作装置结构示意图。

图2为一种裂隙定位支架示意图。

图3为一种纵向定位杆结构示意图。

图4为一种纵向定位杆侧视图。

图5为一种横向定位杆正视图。

图6为一种裂隙角度定位装置结构图。

图7为一种刻度盘示意图。

图中，1为制样底板，2为试样模具，3为裂隙定位支架底板，4为裂隙定位支架锚固螺栓，5为裂隙定位支架杆，6为裂隙纵向定位杆，7为裂隙横向定位杆，8为裂隙角度定位装置，9为裂隙定位支架锚固孔，10为裂隙纵向定位杆锚固孔，11位裂隙纵向定位刻度，12为T形贯通凹槽，13位横向定位杆滑块，14位裂隙定位滑槽，15为裂隙角度定位滑块，16为角度指针，17为角度刻度盘，18为伸缩杆，19为钢片，20为角度刻度。

具体实施方式

实施例1：

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

一种相似材料岩体试样断续节理精确定位制作装置。它由制样底板1、试样模具2、裂隙定位支架底板3、裂隙定位支架锚固螺栓4、裂隙定位支架杆5，裂隙纵向定位杆6、裂隙横向定位杆7、裂隙角度定位装置8、裂隙定位支架锚固孔9、裂隙纵向定位杆锚固孔10、裂隙纵向定位刻度11，T形贯通凹槽12、横向定位杆滑块13、裂隙角度定位滑槽14、裂隙角度定位滑块15、角度指针16、角度刻度盘17、伸缩杆18、钢片19、角度刻度20组成。如图1所示，其连接关系是：二组裂隙定位支架底板3平行布置于试样模具2的两侧，并通过裂隙定位支架锚固螺栓4锚固在制样底板1之上。四根裂隙定位支架5通过自带螺纹与裂隙定位支架底板3连接并固定。二组裂隙纵向定位杆6分别与二组裂隙定位支架底板3平行布置并通过螺丝固定在四根裂隙定位支架5上，其中二组裂隙纵向定位杆6的凹槽相对布置。裂隙横向定位杆7通过两端的横向定位杆滑块13卡在二组裂隙纵向定位杆6的T形贯通凹槽12中，并能沿着T形贯通凹槽12轨道平行移动。裂隙角度定位装置8由裂隙角度定位滑块15、角度指针16、角度刻度盘17和伸缩杆18组装而成，裂隙角度定位滑块15和角度指针16通过实心圆柱杆自带螺纹与角度刻度盘17连接固定。伸缩杆18固定在角度刻度盘17下端中心处，且伸缩杆18下端设置有螺丝孔用于钢片19的连接固定。裂隙角度定位装置8通过顶端裂隙角度定位滑块15卡在裂隙横向定位杆7下端的裂隙角度定位滑槽14之中，并能沿裂隙角度定位滑槽14轨道移动。通过移动裂隙横向定位杆7和角度定位装置8能够改变钢片19在试样模具2中的横纵坐标，从而实现裂隙位置的精确定位。

本发明装置包含二组裂隙定位支架，每组裂隙定位支架由裂隙定位支架底板3、二根裂隙定位支架锚固螺栓4和二根裂隙定位支架杆5连接而成。其中，裂隙定位支架底板3通过二根裂隙定位支架锚固螺栓4锚固在制样底板1之上，二根裂隙定位支架杆5通过自带螺纹对称固定在裂隙定位支架底板3的两侧，如图2所示。相应的，本发明装置包含二组裂隙纵向定位杆6，如图3、4所示，每组裂隙纵向定位杆6一侧含有二个沿垂直方向贯通的螺栓连接孔10，其位置与二根裂隙定位支架杆5位置相对应。将二根裂隙定位支架杆5分别穿过上述二个螺栓连接孔10并用螺丝预紧，实现裂隙纵向定位杆6与裂隙定位支架的连接固定。本发明装置可以实现多裂隙的制作，在制作多裂隙时，需设置多组裂隙横向定位杆7和裂隙角度定位装置8，其安装方式与一组裂隙横向定位杆7和裂隙角度定位装置8相同。如图5所示，裂隙横向定位杆7两端包含二个方形滑块13，其下端为沿横向贯通的裂隙角度定位滑槽14。裂隙横向定位杆7布置于二组裂隙纵向定位杆6之间且两端方形滑块13能分别卡入二组裂隙纵向定位杆6的T形贯通凹槽12之中，实现裂隙横向定位杆7的安装以及沿T形贯通凹槽12自由移动。如图7所示，裂隙角度定位装置8由裂隙角度定位滑块15、角度指针16、角度刻度盘17和伸缩杆18组装而成。其中，裂隙角度定位滑块15下端为实心圆柱连接杆且自带螺纹，角度指针16焊接在实心圆柱体杆中心。角度刻度盘17中心有一定深度带内螺纹圆孔，与裂隙角度定位滑块15下端实心圆柱连接杆对应。裂隙角度定位滑块15和角度指针16通过实心圆柱杆自带螺纹与角度刻度盘17连接固定。伸缩杆18固定在角度刻度盘17下端中心处，且伸缩杆18下端设置有螺丝孔用于钢片19的连接固定。通过伸缩杆18的伸缩可以调节钢片19所在高度并实现裂隙在模具中的固定，通过旋转钢片19带动角度刻度盘17旋转，并通过角度指针16精确确定裂隙所处角度。通过滑动横向定位杆7，可以带动钢片19沿纵向滑动，并通过裂隙纵向定位刻度11精确确定钢片19中心点纵向坐标。通过滑动裂隙角度定位装置8，可以带动钢片19沿横向滑动，并通过裂隙横向定位刻度精确确定钢片中心点横向坐标。

具体实施过程：

1、单裂隙试样

采用类岩石试样尺寸为60mm×40mm×120mm，试样材料采用水泥砂浆，预制裂隙类型为贯通单裂隙，裂隙中心位于试样中心，倾角45°，长度20mm，厚度0.1mm。制作这一裂隙需二组裂隙定位支架、二组裂隙纵向定位杆6、一组裂隙横向定位杆7、一组裂隙角度定位装置8和一根裂隙制作钢片。一种相似材料岩体试样断续节理精确定位制作装置使用方法及具体步骤为：

（1）2组裂隙定位支架底板3平行布置，并通过裂隙定位支架锚固螺栓4将裂隙定位支架底板3锚固在制样底板1上；

（2）将裂隙定位支架杆5固定在将裂隙定位支架底板3之上，并将二组裂隙纵向定位杆6固定在裂隙定位支架杆5之上，将横裂隙向定位杆7卡入二组相对平行设置的裂隙纵向定位杆6之中，并将裂隙角度定位装置8卡入裂隙横向定位杆7下的凹槽14中；

（3）量取制样模具中试样左下角角点与横向纵向杆刻度零点之间的距离差；

（4）滑动裂隙横向定位杆7和裂隙角度定位装置8，使其刻度值在步骤(3)中所量取距离差的基础上分别增加60mm和30mm，旋转钢片19，调整裂隙角度为45°并固定；

（5）将一定配比的水泥砂浆搅拌均匀后，缓慢倒入模具中并充分振捣刮平，然后调整伸缩杆长度，将上述确定好位置和角度的钢片19沿垂直方向插入凝固前的水泥砂浆中，使其完全贯穿，再缩短伸缩杆长度，拔出钢片，移动裂隙横向定位杆7到模具区域外；

（6）待试样完全成型后，拆模并将制作好的试样取出，在相应的条件下养护至设计龄期；

（7）试样养护好之后，量取试样正反两侧裂隙中心处坐标以及裂隙实际角度用来甄别实际制作出的裂隙与设计裂隙几何参数的差异以及裂隙偏离情况。试验表明，通过本装置制作出的裂隙坐标误差可以控制在1mm以内，角度误差可以控制在1°以内，垂直偏差控制在1%以内。

2、三裂隙试样

采用类岩石试样尺寸为60mm×40mm×120mm，试样材料采用水泥砂浆，预制裂隙类型为贯通三裂隙，以试样左下角为坐标原点，裂隙1中心位于试样中心，与水平方向倾角45°，长度20mm，厚度0.2mm，裂隙2横纵坐标分别为40mm和80mm，与水平方向倾角30°，长度20mm，厚度0.1mm，裂隙3横纵坐标分别为20mm和50mm，与水平方向倾角90°，长度10mm，厚度0.1mm。制作这一裂隙需二组裂隙定位支架、二组裂隙纵向定位杆6、一组裂隙横向定位杆7、三组裂隙角度定位装置8和3根裂隙制作钢片。一种相似材料岩体试样断续节理精确定位制作装置使用方法及具体步骤为：

（1）2组裂隙定位支架底板3平行布置，并通过裂隙定位支架锚固螺栓4将裂隙定位支架底板3锚固在制样底板1上；

（2）将三组钢片分别固定在三组裂隙角度定位装置8中的伸缩杆之上，三组裂隙角度定位装置8分别对应裂隙1、裂隙2和裂隙3；

（3）将裂隙定位支架杆5固定在将裂隙定位支架底板3之上，并将二组裂隙纵向定位杆6固定在裂隙定位支架杆5之上，将横裂隙向定位杆7卡入二组相对平行设置的裂隙纵向定位杆6之中，并将第一组裂隙角度定位装置8卡入裂隙横向定位杆7下的凹槽14中；

（4）量取制样模具中试样左下角角点与横向纵向杆刻度零点之间的距离差；

（5）滑动裂隙横向定位杆7和第一组裂隙角度定位装置8，使其刻度值在步骤(4)中所量取距离差的基础上分别增加60mm和30mm，旋转钢片19，调整裂隙角度为45°并固定；

（6）将一定配比的水泥砂浆搅拌均匀后，缓慢倒入模具中并充分振捣刮平，然后调整伸缩杆长度，将上述确定好位置和角度的钢片19沿垂直方向插入凝固前的水泥砂浆中，使其完全贯穿，再缩短伸缩杆长度，拔出钢片，移动裂隙横向定位杆7到模具区域外；

（7）取下第一组裂隙角度定位装置8，将第二组裂隙角度定位装置8卡入裂隙横向定位杆7下的凹槽14中，滑动裂隙横向定位杆7和第二组裂隙角度定位装置8，使其刻度值在步骤(4)中所量取距离差的基础上分别增加80mm和40mm，旋转钢片19，调整裂隙角度为0°并固定。调整伸缩杆长度，将上述确定好位置和角度的钢片19沿垂直方向插入凝固前的水泥砂浆中，使其完全贯穿，再缩短伸缩杆长度，拔出钢片，移动裂隙横向定位杆7到模具区域外；

（8）取下第二组裂隙角度定位装置8，将第三组裂隙角度定位装置8卡入裂隙横向定位杆7下的凹槽14中，滑动裂隙横向定位杆7和第三组裂隙角度定位装置8，使其刻度值在步骤(4)中所量取距离差的基础上分别增加50mm和20mm，旋转钢片19，调整裂隙角度为90°并固定。调整伸缩杆长度，将上述确定好位置和角度的钢片19沿垂直方向插入凝固前的水泥砂浆中，使其完全贯穿，再缩短伸缩杆长度，拔出钢片，移动裂隙横向定位杆7到模具区域外；

（9）待试样完全成型后，拆模并将制作好的试样取出，在相应的条件下养护至设计龄期；

（10）试样养护好之后，量取试样正反两侧裂隙中心处坐标以及裂隙实际角度用来甄别实际制作出的裂隙与设计裂隙几何参数的差异以及裂隙偏离情况。试验表明，通过本装置制作出的裂隙坐标误差可以控制在1mm以内，角度误差可以控制在1°以内，垂直偏差控制在1%以内。