符合室内直剪试验要求的非规则原岩结构面试样的制作模具的制作方法

本发明涉及一种符合室内直剪试验要求的非规则原岩结构面试样的制作模具，适用于非规则原岩结构面抗剪强度特性的试验研究，属工程技术领域。

背景技术：

岩体结构面为岩体中的断层、软弱层面、节理、软弱片理和软弱带等各种力学作用形成的破裂面和破裂带。由于原岩结构面取样难度大、成本高、周期长，造成结构面直剪试验常采用模型结构面来代替原岩结构面进行抗剪强度试验研究。模型结构面是根据原岩结构面的力学性质及表面形态等因素制作出与原岩结构面相似的试样用于直剪试验。由于岩石成因的复杂性以及原岩结构面表面形态的不确定性，通过相似材料依据相似比原理模拟制作的模型结构面试样与原岩结构面试样存在一定的差距，难以反映天然原岩结构面的固有物理力学特性。

直剪试验要求原岩结构面试样的外部形状是规则的，通常是方形结构面试样。原岩结构面一般赋存于岩体中，需要经过现场选样、切割、送输等环节才能制成符合直剪试验要求的规则结构面试样，费用高、工期长、难度大。然而由于结构面赋存深度、产状及位置等因素的复杂性常常难以获得规则的标准尺寸结构面试样，相比而言，出露地表的非规则外形(如多边形等)的原岩结构面更易在现场获得，而非规则外形的原岩结构面难以直接开展直剪试验，需要进行外部形状的处理。为了更好测试原岩结构面的抗剪强度特性，需将非规则外型的原岩结构面转化为规则形状的标准尺寸结构面试样。

技术实现要素：

为了解决非规则原岩结构面制样困难，无法直接开展直剪试验和资源利用率低等不足，本发明提供一种有效地制作出符合直剪试验要求的非规则原岩结构面试样，而且简单易行、操作方便、费用底、容易拆卸、便于试验研究的符合室内直剪试验要求的非规则原岩结构面试样的制作模具。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种符合室内直剪试验要求的非规则原岩结构面试样的制作模具，所述制作模具包括模具下盘、模具中盘和模具上盘，所述模具下盘包括模具下盘l型侧板、模具下盘l型侧板连接件、底板与侧板连接件以及底板，两块模具下盘l型侧板之间通过模具下盘l型侧板连接件连接，所述模具下盘l型侧板与底板之间通过底板与侧板连接件连接；

所述模具中盘包括第一模具中盘连接板、第二模具中盘连接板、模具中盘侧板连接件和模具上盘定位连接件，第一模具中盘连接板和第二模具中盘连接板分别对边设置，所述第一模具中盘连接板与第二模具中板连接板通过模具中盘侧板连接件连接并形成无顶无底方形盒；模具上盘定位连接件位于模具中盘四边的中心位置，模具中盘四边的下端通过铰链与模具下盘连接；所述第一模具中盘连接板和第二模具中盘连接板上均安装原岩固定件，所述原岩固定件伸入所述模具中盘，四个原岩固定件的定位端分别定位所述非规则原岩试样的四个方向并将非规则原岩试样固定于模具的中心位置；

所述模具上盘包括模具上盘l型侧板和模具上盘l型侧板连接件，两个模具上盘l型侧板之间通过模具上盘l型侧板连接件连接；

所述模具下盘填充岩样的空腔填充下盘填充层，所述非规则原岩试样位于模具中盘，所述模具中盘填充结构面保护层，所述模具上盘的空腔填充岩样上盘填充层；岩样上盘填充层、结构面保护层、岩样下盘填充层与非规则原岩试样组成符合试验要求的规则外型原岩结构面试样。

进一步，所述的原岩固定件包括固定端、螺纹杆、螺帽和端部橡胶垫，所述固定端位于原岩固定件的端部，通过端部橡胶垫作用于非规则原岩试样上使得固定端与非规则原岩试样紧密接触，所述螺纹杆的一端与固定端连接，所述螺纹杆的另一端穿过模具中盘，通过螺帽来改变螺纹杆在模具内部的长度使非规则原岩试样位于模具的中心位置。

再进一步，所述底板与侧板连接件包括连接件、螺纹杆、螺帽以及连接耳，所述连接件与连接耳为一体，所述螺纹杆一端与连接件可转动地连接。

更进一步，所述模具下盘l型侧板连接件和模具上盘l型侧板连接件均包括连接件、螺纹杆以及螺帽，所述连接件与连接耳为一体以，所述螺纹杆一端与连接件连接，所述螺纹杆另一端与螺帽连接。

所述岩样下盘填充层采用细石混凝土作为原料现浇制作，所述岩样下盘填充层位于结构面保护层9的下部，非规则原岩试样1的下部位于岩样下盘填充层中；

所述的结构面保护层位于岩样下盘填充层与岩样上盘填充层中间，结构面保护层采用碎木屑填充；

所述的岩样上盘填充层采用细石混凝土作为原料现浇制作，位于结构面保护层的上部，非规则原岩试样的上部位于其岩样上盘填充层中。

本发明的有益效果主要表现在：能够制作出标准尺寸和外型的原岩结构面。该制作模具及制作方法具有如下优点：

1、本发明的制作模具与制样方法适用范围广泛，适用于各种不规则外型及非标准尺寸的原岩结构面制作。

2、本发明的制作模具与制样方法克服了原岩结构面因为形状不规则无法开展直剪试验的缺点，本发明能制作出标准外型的原岩结构面试样。

3、本发明的制作模具与制作方法简单易行、操作方便、价格低廉，容易拆卸，便于试验研究。

4、本发明操作方法简便，试验人员熟悉制作流程后即可完成。

5、本模具制作出的标准外型的原岩结构面试样，用于直剪试验时，剪切的对象为未破坏的原岩结构面，能够直接反映出原岩结构面的性质。

附图说明

图1为规则外型原岩结构面制作方法图；

图2为1-1剖面图；

图3为原岩固定件详图；

图4为模具下盘俯视图；

图5为模具下盘l型侧板详图；

图6为模具下盘底板俯视图；

图7为模具中下盘三维图；

图8为模具中下盘剖面图；

图9为模具中盘俯视图；

图10为模具中盘的分解侧板详图，其中，(a)是第一模具中盘连接板的示意图，(b)是第二模具中盘连接板的示意图；

图11为模具上盘俯视图；

图12为模具上盘l型侧板详图；

其中：1为非规则原岩试样、2为结构面、3为模具下盘、31为模具下盘l型侧板、32为模具下盘l型侧板连接件、321为连接件、322为螺纹杆、323为螺帽、33为模具下盘底板与侧板连接件、331为连接件、332为螺纹杆、333为螺帽、334为连接耳、34为底板、4为模具中盘、41为第一模具中盘连接板、42为第二模具中盘连接板、43为模具中盘侧板连接件、44为模具上盘定位连接件、5为铰链、6为原岩固定件、61为固定端、62为螺纹杆、63为螺帽、7为模具上盘、71为模具上盘l型侧板、72为模具上盘l型侧板连接件、8为岩样下盘填充层、9为结构面保护层、10为岩样上盘填充层。

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12，一种符合直剪试验要求的非规则原岩结构面试样的制作模具，包括模具下盘3、模具下盘l型侧板31、模具下盘l型侧板连接件32、模具下盘底板与侧板连接件33、连接件331、螺纹杆332、螺帽333、连接耳334、底板34、模具中盘4、模具中盘连接板41、模具中盘连接板42、模具中盘侧板连接件43、模具上盘定位连接件44、铰链5、原岩固定件6、固定端61、螺纹杆62、螺帽63、端部橡胶垫、模具上盘7、模具上盘l型侧板71、模具上盘l型侧板连接件72、岩样下盘填充层8、结构面保护层9和岩样上盘填充层10。

非规则原岩试样1内包括结构面2。结构面2为非规则原岩试样1中的未贯通或者已贯通结构面。非规则原岩试样1的外型与尺寸不受限制，通过原岩固定件6将其固定于模具中盘4的中心位置，即模具内部的中心位置。

所述的结构面2为非规则原岩试样1中的软弱部分。结构面2存在于非规则原岩试样1中，结构面2的个数不确定，由非规则原岩试样1本身的性质决定。

所述的模具下盘3包括模具下盘l型侧板31、模具下盘l型侧板连接件32、底板与侧板连接件33以及底板34。模具下盘3的侧板由两个l型侧板31组成，两个l型侧板之间通过模具下盘l型侧板连接件32连接。模具下盘l型侧板连接件32包括连接件321、螺纹杆322以及螺帽323。连接件321与连接耳334应为一体以提高底板与侧板连接件32的整体稳定性。螺纹杆322一端与连接件321连接，另一端与螺帽323连接。螺纹杆322与连接件321连接的一端应可以转动，与螺帽323连接的一端，螺帽323是与螺纹相配合的螺帽。底板34与侧板之间通过底板与侧板连接件33连接。底板与侧板连接件33包括连接件331、螺纹杆332、螺帽333以及连接耳334。连接件331与连接耳334应为一体以提高底板与侧板连接件33的整体稳定性。螺纹杆332一端与连接件331连接，另一端与螺帽333连接。螺纹杆332与连接件331连接的一端应可以转动，与螺帽333连接的一端，螺帽333是与螺纹相配合的螺帽。模具下盘l型侧板31与模具下盘l型侧板连接件32、底板与侧板连接件33之间应为一整体。

所述的模具中盘4包括模具中盘连接板41、模具中盘连接板42、模具中盘侧板连接件43和模具上盘定位连接件44。模具中盘4上端通过模具上盘定位连接件44与模具上盘3连接，模具中盘4下端通过铰链5与模具下盘3连接。模具中盘侧板连接件43与模具中盘连接板41、模具中盘连接板42之间应为一整体。模具中盘4是由四个侧板组成的无顶无底方形盒，四个侧板包括两个模具中盘连接板41和两个模具中盘连接板42，模具中盘连接板41与模具中盘连接板42之间通过模具中盘侧板连接件43连接。模具上盘定位连接件44位于模具中盘4四边的中心位置，其与模具中盘之间连接宜采用焊接。当将模具上盘7放置在模具中盘4上时，模具上盘定位连接件44能够很好的将两者连接。

所述的铰链5用来连接模具下盘3与模具中盘4。模具中盘4通过铰链5与模具下盘3连接，可以更方便地拆卸模具。

所述的原岩固定件6包括固定端61、螺纹杆62、螺帽63和端部橡胶垫。其作用主要将非规则原岩试样1固定于模具的中心位置。固定端61位于原岩固定件6的端部，通过端部橡胶垫作用于非规则原岩试样1上，使得固定端61与非规则原岩试样1紧密接触。螺纹杆62的一端与固定端61连接，两者为一体，以增加原岩固定件6的整体性；另一端穿过模具中盘4，通过螺帽63来改变螺纹杆62在模具内部的长度，使非规则原岩试样1位于模具的中心位置。首先将非规则原岩试样1置于模具中盘4的中心位置，然后选择合适长度的螺纹杆62，在螺纹杆62的端部放置端部橡胶垫，以便使螺纹杆62的端部与非规则原岩试样1较好的连接，最后将螺纹杆62穿过模具中盘4的四个侧板，并将螺帽63旋转到螺纹杆62的合适位置，通过旋转螺帽63调节模具内螺纹杆62的长度来固定非规则原岩试样1的位置，使之在模具中盘4的中心位置。

所述的模具上盘7包括模具上盘l型侧板71和模具上盘l型侧板连接件72。模具上盘l型侧板连接件72与模具上盘l型侧板71之间应为一整体。模具上盘7下端通过模具上盘定位连接件44与模具中盘4连接。模具上盘7的侧板由两个l型侧板71组成，两个l型侧板之间通过模具上盘l型侧板连接件72连接，模具上盘l型侧板连接件72包括连接件、螺纹杆以及螺帽，连接关系与模具下盘l型侧板连接件32相同。

所述的岩样下盘填充层8，常采用细石混凝土作为原料现浇制作，位于结构面保护层9的下部，非规则原岩试样1的下部位于其中，其外部形状和模具外形一样。

所述的结构面保护层9位于岩样下盘填充层8与岩样上盘填充层10中间，在制作试样的过程中，结构面保护层9一般采用碎木屑等无粘结的材料填充，岩样制作完成后将其取出，以保证在做直剪试验中，剪切的对象为原岩结构面2，而不是结构面保护层9。

所述的岩样上盘填充层10，常采用细石混凝土作为原料现浇制作，位于结构面保护层9的上部，非规则原岩试样1的上部位于其中。岩样上盘填充层10、结构面保护层9、岩样下盘填充层8与非规则原岩试样1组成符合试验要求的规则外型原岩结构面试样。

本实施例的制作模具实现的一种符合试验要求的非规则外型原岩结构面的制作方法，所述方法包括以下步骤：

1)选择模具尺寸。根据室内直剪试验要求及现场取得的非规则原岩结构面试样的形状和大小选择相应尺寸的模具。

2)组装模具下盘3。首先将两个l形侧板31通过模具下盘l形侧板连接件32进行连接，然后将连接好的侧板通过模具下盘底板与侧板连接件33与模具底板34连接。

3)组装模具中盘4。首先通过旋转将模具中盘连接板41与模具下盘侧板在同一垂直面内，然后通过旋转将模具中盘连接板42与模具中盘连接板41契合，并通过模具中盘侧板连接件43将模具中盘四个侧板连接牢固。

4)组装模具上盘7。首先将两个l形侧板71通过模具上盘l形侧板连接件72进行连接，最终形成无底无顶的方形盒。

5)固定非规则原岩试样1。首先将非规则原岩试样1置于模具中盘4的中心位置，然后选择合适长度的螺纹杆62，在螺纹杆62的端部放置端部橡胶垫，以便使螺纹杆62的端部与非规则原岩试样1较好的连接，最后将螺纹杆62穿过模具中盘4的四个侧板，并将螺帽63旋转到螺纹杆62的合适位置，通过旋转螺帽63调节模具内螺纹杆62的长度来固定非规则原岩试样1的位置，使之在模具中盘4的中心位置。

6)根据实际情况选择岩样上、下盘填充层的现浇材料(本发明以细石混凝土为例)，然后开始制作岩样下盘填充层8。

7)浇筑模具下盘内的混凝土。在模具下盘3内浇筑混凝土，其高度与模具下盘3的上表面一致，将浇筑好的试样放在振动台上进行振捣以保证气泡的排出，浇筑的填充层作为岩样下盘填充层8。

8)待岩样下盘填充层8达到试验强度80％后，将模具上盘7通过模具上盘定位连接件44与模具中盘4连接，然后向模具中盘4内填满一些松散的材料(本发明以木屑为例)，形成结构面保护层9。

9)浇筑模具上盘内的混凝土。向模具上盘7内浇筑混凝土，将浇筑好的试样连同模具放在振动台上进行振捣以保证气泡的排出，振捣结束后应将试样的表面刮平，浇筑的填充层即为岩样上盘填充层10。

10)模具拆卸。待浇筑的试样完全成型后，首先通过模具上盘l型侧板连接件72对模具上盘7进行拆除；然后对模具中盘4进行拆除，拆除模具中盘4时，应首先拆除原岩固定件6，然后通过模具中盘侧板连接件43拆除模具中盘连接板41与模具中盘连接板42之间的连接；最后拆除模具下盘3，拆除模具下盘3时，应首先通过底板与侧板连接件33拆除模具下盘底板34与侧板的连接，然后通过模具下盘l型侧板连接件32拆除模具下盘侧板之间的连接。

11)试样养护。待拆除后的试样放在恒温、恒湿的养护室内进行养护，直至达到养护龄期，取样后可进行室内直剪试验。