含内置裂隙的多尺寸岩石模型试样制作模具的制作方法

本发明涉及含裂隙岩石模型试样制作模具，尤其是一种多尺寸岩石模型试样制作模具。

背景技术：

岩石中内部裂隙的存在破坏了自身的完整性和连续性。由于岩石中所含裂隙的个数、角度和空间位置的不同，导致了岩石的强度和变形特性存在明显的差异性。因此开展岩石裂隙扩展及其破坏机理研究是至关重要的。由于天然岩石内部裂隙非常复杂，试验研究中一般采用岩石裂隙相似模型试件，通过加入预制裂隙来模拟原岩。目前，模拟裂隙的材料为聚酯薄膜、牛皮纸、金属片或水溶纸，内部裂隙是通过固定器固定在模具上；通常裂隙的倾角为30°、45°和60°，预制裂隙以单裂隙为主。上述现有技术解决了裂隙岩石模型的制作问题，主要还存在如下不足：(1)裂隙角度设置相对较少，一般只采用一些特征性角度(0°、30°、45°、60°等)来模拟原岩；(2)较少考虑模具中预制裂隙不同空间位置的设置；(3)内置裂隙以单裂隙为主，较少设置双裂隙、多裂隙；(4)模型试样尺寸相对单一，较少涉及多尺寸岩石预制裂隙的模型试样。

技术实现要素：

为了克服现有在试样制作时不能调节任意裂隙角度和准确定位空间位置的不足，本发明提供一种原理简单、操作方便、精度高、充分考虑多尺寸、多角度和不同空间位置的含内置裂隙的多尺寸岩石模型试样制作模具。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种含内置裂隙的多尺寸岩石模型试样制作模具，所述模具包括底板、拼接侧板、隔板和固线板，所述拼接侧板、隔板均安装在底板上，所述固线板的一端与一个拼接侧板连接，所述固线板的另一端与相邻的另一个拼接侧板连接，所述拼接侧板相对设置，所述隔板相对设置，两块隔板的两端分别与拼接侧板固定连接，拼接侧板与隔板围成浇注试样的空间；

所述固线板上有用来固定水溶线的预留圆孔，所述预留圆孔内部刻有螺纹，带帽螺栓安装在所述预留圆孔内，带帽螺栓分为固线螺栓和塞孔螺栓，所述固线螺栓中间设有孔隙，水溶线穿过所述孔隙固定在螺栓外部。

进一步，所述模具还包括用于限制固线板在试验过程中的移动的限位板，所述限位板卡接在一个拼接侧板、固线板和另一个拼接侧板的上端。

再进一步，所述拼接侧板的侧面设有纵向卡槽，所述固线板的两侧设有纵向卡扣，所述纵向卡扣与所述纵向卡槽匹配。

更进一步，所述拼接侧板包括两块端侧板和中侧板，两块端侧板分别位于所述中侧板的两侧，端侧板与中侧板之间均设置所述固线板。

所述拼接侧板、隔板和固线板固定在底座的安装槽内。

所述底座外侧设有连接杆，所述连接杆设有双头螺栓，双头螺栓穿过隔板并与夹紧螺栓固定连接。

本发明的有益效果主要表现在：(1)整个模具拼接而成，构造简单，拆装方便。整体采用轻质铝合金材料，自重轻，便于搬运。(2)通过拼接不同尺寸侧板来满足多尺寸模型试样制作。(3)巧妙地利用固线板上的预留孔设置裂隙的多角度，改变固线板位置定位裂隙不同空间位置。(4)能够满足试验要求布置单一裂隙、双裂隙以及交叉裂隙，达到充分考虑岩石裂隙的分布要求。

附图说明

图1为本发明100mm×100mm×100mm岩石试样模具的俯视示意图；

图2为本发明100mm×100mm×200mm岩石试样模具的俯视示意图；

图3为本发明100mm×100mm×500mm岩石试样模具的俯视示意图；

图4为本发明端模板、中部模板的俯视示意图，上部分为端模板、下部分为中部模板；

图5为本发明固线板的示意图，左边部分为主视图，右边部分为侧视图；

图6为本发明限位板示意图，左边部分为主视图，右边部分为侧视图；

图7为本发明蝴蝶螺母示意图，左边部分为主视图，右边部分为侧视图；

图8为本发明固线螺栓、塞孔螺栓示意图；

图9为预制裂隙于中部不同角度布置示意图；

图10为预制裂隙于上部不同角度布置示意图；

图11为预制裂隙于下部不同角度布置示意图；

图12为水溶线固定和带帽螺栓布置图；

图中：1为夹紧螺栓，2为底座，3为双头螺栓，4为隔板，5为端侧板，6为限位板，7为固线板，8为中侧板，9为螺栓孔，10为纵向卡槽，11为固线板槽。

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11，一种含内置裂隙的多尺寸岩石模型试样制作模具，由底座2、拼接侧板、固线板7、隔板4、限位板6和双头螺栓3等构成。模具侧板由若干拼接侧板组成，位于底板前后，拼接时预留缝对称分布于整个模具。

固线板7位于预留缝两边侧板端部的纵向卡槽内，固线板上有预留圆孔，用来固定水溶线。固线板主体尺寸是10mm×10mm×100mm，外缘尺寸10mm×5mm×100mm，在外缘上凸出1mm×1mm×100mm的附加尺寸，起固定固线板两侧相连的侧板。圆孔内部刻有螺纹，可以连接带帽螺栓。带帽螺栓分为固线螺栓和塞孔螺栓。固线螺栓中间有1mm左右的孔隙，水溶线可以穿过螺栓固定在螺栓外部。塞孔螺栓起保护作用，防止岩石相似材料外流。

限位板6位于固线板上，主要起限制固线板在试验过程中的移动。其主体尺寸长30mm，宽12mm，内壁宽1mm。

拼接侧板分为端侧板中侧板两种类型。端侧板位于侧板两端，其主体尺寸为75mm×10mm×100mm，端侧板一边设有纵向卡槽，连接固线板，一边有预留d＝10mm的圆孔，便于穿过螺栓杆。中侧板位于侧板中部，其主体尺寸为90mm×10mm×100mm。中侧板两边都设有纵向卡槽，用于连接固线板，通过这两类侧板的拼接实现多尺寸试样制作。

底座2外侧有连接杆，连接杆可旋转。采用双头螺栓3连接，将其拧紧，从而固定整个模具。

本试验中所用裂隙模拟材料为水溶纸，裂隙固定材料为水溶线。水溶纸6mm宽，30mm长，水溶纸上孔洞距离水溶纸边缘5mm，并处于中间位置；水溶线的直径1mm。

通过选择不同类型的拼接侧板组装实现多尺寸试样制作。该模具可实现100mm×100mm×100mm、100mm×100mm×200mm、100mm×100mm×300mm、100mm×100mm×400mm、100mm×100mm×500mm等5种规格。主要拼接方法如下：

(1)100mm×100mm×100mm规格

两块端侧板和一个固线板拼接形成100mm×100mm×100mm模具尺寸的侧板；

(2)100mm×100mm×200mm规格

两块端侧板、一块中侧板和两个固线板拼接形成100mm×100mm×200mm模具尺寸的侧板；

(3)100mm×100mm×300mm规格

两块端侧板、两块中侧板和三个固线板拼接形成100mm×100mm×300mm模具尺寸的侧板；

(4)100mm×100mm×400mm规格

两块端侧板、三块中侧板和四个固线板拼接形成100mm×100mm×400mm模具尺寸的侧板；

(5)100mm×100mm×500mm规格

两块端侧板、四块中侧板和五个固线板拼接形成100mm×100mm×500mm模具尺寸的侧板；

多角度、多空间位置实现：固线板上有预留圆孔，共19个，分布在固线板上下。10孔一组为中部裂隙角度设置区，9孔一组为上部和下部裂隙角度设置区。通过改变固线板位置的方法来实现不同空间，为上部裂隙、中部裂隙、下部裂隙3种空间位置；孔与孔之间水溶线的连接实现多角度，不同空间位置角度种类不同。主要操作方法如下：

(1)模具组装时一侧固线板正放置、一侧固线板反放置，实现中部预制裂隙，可实现0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°等10种角度。

当水溶线穿过左10号和右10号时，将裂隙置于中间可实现0°角。

当水溶线穿过左11号和右11号时，将裂隙置于中间可实现5°角。

当水溶线穿过左12号和右12号时，将裂隙置于中间可实现10°角。

当水溶线穿过左13号和右13号时，将裂隙置于中间可实现15°角。

当水溶线穿过左14号和右14号时，将裂隙置于中间可实现20°角。

当水溶线穿过左15号和右15号时，将裂隙置于中间可实现25°角。

当水溶线穿过左16号和右16号时，将裂隙置于中间可实现30°角。

当水溶线穿过左17号和右17号时，将裂隙置于中间可实现35°角。

当水溶线穿过左18号和右18号时，将裂隙置于中间可实现40°角。

当水溶线穿过左19号和右19号时，将裂隙置于中间可实现45°角。

(2)模具组装时两侧固线板均正放置，实现上部预制裂隙，可实现0°、5°、10°、15°、20°等5种角度。

当水溶线穿过左5号和右5号时，将裂隙置于中间可实现0°角。

当水溶线穿过左6号(右6号)和右4号(左4号)时，将裂隙置于中间可实现5°角。

当水溶线穿过左7号(右7号)和右3号(右3号)时，将裂隙置于中间可实现10°角。

当水溶线穿过左8号(右8号)和右2号(右2号)时，将裂隙置于中间可实现15°角。

当水溶线穿过左9号(右9号)和右1号(右1号)时，将裂隙置于中间可实现20°角。

(3)模具组装时两侧固线板均倒放置，实现下部预制裂隙，可实现0°、5°、10°、15°、20°等5种角度。

当水溶线穿过左5号和右5号时，将裂隙置于中部可实现0°角。

当水溶线穿过左4号(右4号)和右6号(左6号)时，将裂隙置于中间可实现5°角。

当水溶线穿过左3号(右3号)和右7号(左7号)时，将裂隙置于中间可实现10°角。

当水溶线穿过左2号(右2号)和右8号(左8号)时，将裂隙置于中间可实现15°角。

当水溶线穿过左1号(右1号)和右9号(左9号)时，将裂隙置于中间可实现20°角。

本实施例中，不同尺寸的岩石试样制作，以100mm×100mm×100mm、100mm×100mm×200mm、100mm×100mm×500mm三种尺寸类岩石试样制作为例。

(1)100mm×100mm×100mm岩石试样

选取四块端侧板和两个固线板。按顺序在底座的一侧凹槽上将端侧板1、固线板1、端侧板2依次插入，另一侧凹槽上同样布置。然后组装模具。将两块隔板顺着拼接好的侧板上的凹形槽插入侧板，采用双头螺栓将其固定，围至形成100mm×100mm×100mm浇筑试样的空间。

(2)100mm×100mm×200mm岩石试样

选取四块端侧板、两块中侧板和四个固线板。按顺序在底座的一侧凹槽上将端侧板1、固线板1、中侧板1、固线板2、端侧板2依次插入，另一侧凹槽上同样布置。然后组装模具。将两块隔板顺着拼接好的侧板上的凹形槽插入侧板，采用双头螺栓将其固定，围至形成100mm×100mm×200mm浇筑试样的空间。

(3)100mm×100mm×500mm岩石试样

选取四块端侧板、八块中侧板和十个固线板。按顺序在底座的一侧凹槽上将端侧板1、固线板1、中侧板1、固线板2、中侧板2、固线板3、中侧板3、固线板4、中侧板4、固线板5、端侧板2板依次插入，另一侧凹槽上同样布置。然后组装模具。将两块隔板顺着拼接好的侧板上的凹形槽插入侧板，采用双头螺栓将其固定，围至形成100mm×100mm×500mm浇筑试样的空间。

单裂隙、双裂隙、多裂隙试样制作过程如下：

(1)单裂隙试样制作，以100mm×100mm×100mm尺寸类岩石试样为例

按不同尺寸类岩石试样制作方法得到100mm×100mm×100mm试样浇筑空间。准备一条水溶线，一端穿过之前组装好的固线板1上的固线螺栓，将螺栓外侧的水溶线缠绕于螺帽，旋进螺栓，将水溶线固定住；然后穿过水溶纸上的孔洞；最后将另一端水溶线穿过另一端固线螺栓,通过收拉水溶线，调节水溶纸位置,并将水溶线用同样的方法固定于另一端固线螺栓外侧，这样完成单裂隙试样制作。

(2)双裂隙试样制作，以100mm×100mm×200mm尺寸类岩石试样为例

按不同尺寸类岩石试样制作方法得到100mm×100mm×200mm试样浇筑空间。准备两条水溶线，一条水溶线一端穿过之前组装好的固线板1上的固线螺栓，将螺栓外侧的水溶线缠绕于螺帽，旋进螺栓，将水溶线固定住；然后穿过水溶纸上的孔洞；最后将另一端水溶线穿过另一端固线螺栓,收拉水溶线，调节水溶纸位置,并将水溶线用同样的方法固定于另一端固线螺栓外侧。另一条水溶线采用同样的方法穿过固线板2，这样完成双裂隙试样制作。

(3)多裂隙试样制作，以100mm×100mm×500mm尺寸类岩石试样为例

按不同尺寸类岩石试样制作方法得到100mm×100mm×500mm试样浇筑空间。准备5条水溶线，一端穿过固线板1上的固线螺栓，将螺栓外侧的水溶线缠绕于螺帽，旋进螺栓，将水溶线固定住；然后穿过水溶纸上的孔洞，最后将另一端水溶线穿过另一端固线螺栓,收拉水溶线，调节水溶纸位置,并将水溶线用同样的方法固定于另一端固线螺栓外侧。另四条水溶线采用同样的方法分别穿过固线板2、固线板3、固线板4、固线板5，这样完成多裂隙试样制作。

制作中部单裂隙45°角岩石试样，以100mm×100mm×100mm类为例，过程如下：

(1)组装模具

按不同尺寸类岩石试样制作方法得到100mm×100mm×100mm试样浇筑空间，两侧固线板放置相反。

(2)固定裂隙

选取两个固线螺栓分别置于两侧固线板上19号预留孔洞，其他预留孔洞用塞缝螺栓封闭。将水溶线穿过一侧的固线螺栓上的小孔，然后将水溶线穿过水溶纸的孔洞。最后，将水溶线穿过另一侧固线板上固线螺栓小孔，通过收拉水溶线调节水溶纸位置,并将水溶线绑扎于孔洞螺栓外侧螺帽。

(3)试样制作

当裂隙固定在目标位置上时，配置一定配合比的类岩石相似材料，缓缓倒入模型中，振捣，抹平。待试样成型后，进行拆模，试样便制作完成。

制作上部双裂隙20°角岩石试样，以100mm×100mm×200mm类为例，过程如下：

(1)组装模具

按不同尺寸类岩石试样制作方法得到100mm×100mm×200mm试样浇筑空间，两侧对应的固线板都是正插入侧板。

(2)固定裂隙

选取四个固线螺栓，两个置于固线板上1号预留孔洞，另外两个置于固线板上9号螺栓，其他预留孔洞用塞缝螺栓封闭。将水溶线穿过一侧的固线螺栓上的小孔，然后将水溶线穿过水溶纸的孔洞。最后，将水溶线穿过另一侧固线板上固线螺栓小孔,通过收拉水溶线调节水溶纸位置,并将水溶线绑扎于孔洞螺栓外侧螺帽。

(3)试样制作

当裂隙固定在目标位置上时，配置一定配合比的类岩石相似材料，缓缓倒入模型中，振捣，抹平。待试样成型后，进行拆模，试样便制作完成。

制作下部多裂隙20°角岩石试样，以100mm×100mm×500mm类为例，过程如下：

(1)组装模具

按不同尺寸类岩石试样制作方法得到100mm×100mm×500mm试样浇筑空间，两侧对对应的固线板都是倒插入侧板。

(2)固定裂隙

选取十个固线螺栓，五个置于固线板上1号预留孔洞，另外五个置于固线板上9号螺栓，其他预留孔洞用塞缝螺栓封闭。将水溶线穿过一侧的固线螺栓上的小孔，然后将水溶线穿过水溶纸的孔洞。最后，将水溶线穿过另一侧固线板上固线螺栓小孔,通过收拉水溶线调节水溶纸位置,并将水溶线绑扎于孔洞螺栓外侧螺帽。

(3)试样制作

当裂隙固定在目标位置上时，配置一定配合比的类岩石相似材料，缓缓倒入模型中，振捣，抹平。待试样成型后，进行拆模，试样便制作完成。