一种模拟岩体结构的块体模型压制设备及方法与流程

本发明涉及地质力学模型试验技术领域，特别涉及一种模拟岩体结构的块体模型压制设备及方法。

背景技术：

地质力学模型试验广泛用于水利、采矿、隧道等岩石工程设计中，基于一定的相似原理对特定的工程结构及其赋存的地质环境进行缩尺模拟。这些地质力学模型试验既能够模拟岩土工程结构的特点，又能近似模拟岩体断层等地质因素对工程稳定性的影响，对岩体工程的设计与施工具有及其重要的指导意义，我国的大部分大中型拱坝基本都做过地质力学模型试验。

为了满足相似条件，地质力学模型试验对模拟坝体及周围基础岩体的相似材料的力学性质有着比较高的要求。可以使用重晶石粉、膨润土、特制胶水等组成的混合材料制作块体模型；再将块体模型加工砌筑成相应的坝体或岩体结构。一般而言，工程中更加关心坝体本身的安全和坝体附近的岩体的影响，因此地质模型试验中这部分区域往往采用小块体进行较为精细的模拟；而对于距离坝体较远或者本身性质完好，体积较大的岩体结构，其对坝体安全的影响较小，为了节省人力和时间，往往采用大块体模拟。

对于中国专利公开号cn103234796b，公开日2015.06.24，发明创造名称为模拟岩体结构的小块体模型压制设备，该申请公开了一种岩体结构小块体模型的压制设备，包括框架式底座，固定在框架式底座上的小块体模具、模具上顶块、推拉盖板、压力杠杆和限程拉杆；其中，小块体模具和推拉盖板安装在框架式底座上表面，模具上顶块设置在小块体模具下部，其上端面插入模拟岩体的小块体模具的腔体中，限程拉杆置于压力杠杆一端。经过试验可发现该设备存在许多不足之处：

第一，该装置只适用于压制小块体。对于大型的地质模型试验十分的耗时耗力，大型地质模型试验基本上只有坝体及其附近的岩体需要采用小块体模拟，而其它很大一部分区域需要采用大块体进行模拟；

第二，该装置采用人工控制。这对人的力量要求较高，一旦人产生疲劳或者本身的力量就比较小，则不容易将块体压密实导致所压制的块体的密度达不到要求而使地质模型的试验产生偏差，同时压块的效率也比较低；

第三，该装置不适用于压制密度较大的块体，块体密度越大就需要更大的力量施加于压力杠杆上，从而使块体压密，当块体密度较大时，人工不能压密至要求的密度；

第四，该装置在块体压好之后，使用辅助杠杆打开模具的推拉盖板时由于盖板的厚度较小容易造成杠杆在块体表面形成划痕，导致块体的质量变差；

第五，模型尺寸的调整的范围有限，往往只能在几个厘米的范围内进行调节，这样就限制了块体的尺寸。

这些不足严重制约了地质模型试验的进度和效果。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决地质模型试验中不能快速、精确、高质量制作大块体模型的技术问题，提供了一种模拟岩体结构的块体模型压制设备，本发明可以大大加快块体模型的制作速度，节省大量的人力、物力和时间；并且能够根据需要在比较大的范围内对块体的尺寸、形状和高度进行精确的调整，从而减少小块体的用量，缩短试验周期，能够更好地满足地质模型试验多种砌筑方案的需求，保证试验的顺利进行。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

本发明提供一种用于模拟岩体结构的块体模型压制设备，其包括：

支撑框架、气压顶、水平触杆、模具顶升部件、块体模具、限位调整件、自动控制阀和盖板启合装置；

块体模具位于支撑框架的上部；盖板启合装置控制块体模具的开启与闭合；

气压顶设置在支撑框架的底部；自动控制阀控制气压顶中的活塞上下移动；气压顶的上面设有模具顶升部件，并随着活塞移动带动模具顶升部件上下移动；

模具顶升部件位于块体模具下部，且随着其运动能将块体模具中块体混合料压实，并能够推出成型的块体模型；

水平触杆安装在模具顶升部件上，限位调整件固定在支撑框架的中间位置，通过水平触杆与限位调整件来控制预成型块体模型的高度。

更优选地，所述气压顶包括：

底部底座，顶部盖板，顶升筒体、伸缩杆筒体和伸缩杆；

所述气压顶通过底部底座固定于支撑框架的底部；顶升筒体的底端固定在底部底座上，上端设有顶部盖板；伸缩杆筒体设置在顶升筒体内部，伸缩杆筒体内部被活塞分割为上空腔和下空腔，且设有b气孔与该上空腔相通；设有a气孔与该下空腔相通；所述b气孔和a气孔分别通过气管与自动控制阀的两个气孔相接。

更优选地，所述模具顶升部件包括：

传力筒、模具顶板、紧固螺钉、连接螺杆和锁定螺母；

传力筒的上端固定有模具顶板；

连接螺杆开有通孔，该通孔的中心线垂直于连接螺杆的轴线，该通孔供水平触杆穿过；

连接螺杆底端与伸缩杆固定，连接螺杆的上端伸入传力筒中，并用固定螺母锁死。

更优选地，所述限位调整件包括：

限位螺杆和固定块；所述固定块固定于支撑框架的中部横梁上；所述限位螺杆与该固定块通过螺纹连接；

所述限位螺杆的螺杆头高度决定了所述水平触杆被提升的位置。

更优选地，所述块体模具包括：

模具壳体、模具钢模和模具盖板；

模具壳体固定于支撑框架上，模具壳体内部放置模具钢模；该模具钢模具有内部空腔，所述内部空腔的下端用模具顶板顶住；所述内部空腔的尺寸与所述模具顶板的外形尺寸相同；

模具盖板固定于模具壳体上面。

更优选地，所述模具钢模的形状包括但不限于矩形、三角形、平行四边形。

更优选地，所述盖板启合装置包括：

盖板连接件、丝杠螺母组件和摇柄；

盖板启合装置通过盖板连接件与块体模具的模具盖板相连；丝杠螺母组件中的丝杠的一端固定在盖板连接件上，另一端与摇柄相连；丝杠螺母组件中的螺母固定在支撑框架上。

更优选地，所述盖板启合装置还包括：

扣件；所述扣件包括扣手和扣盒；在模具盖板上固定有扣盒，并在模具壳体上设置可翻转的扣手。

更优选地，所述自动控制阀包括：

开关、气阀、输气管、c气孔和d气孔；

所述输气管与气泵相接，c气孔与气压顶上的a气孔通过气管相连，d气孔与气压顶上的b气孔通过气管相连；

开关和气阀用于控制气体的流向，气阀的左边界有两个透气材料做成的小孔；

开关打开，气泵中气体经过输气管，气阀，c气孔和d气孔到达a气孔和b气孔使气压顶的伸缩杆向上运动；开关关闭，气泵中气体无法进入输气管，此时气压顶中的气压大于大气压，气体反向流回气阀，从气阀左边界的小孔流出，同时伸缩杆逐渐回到原位。

本发明还提供一种模拟岩体结构的块体模型压制方法，其利用上述的一种模拟岩体结构的块体模型压制设备，所述块体模型压制方法包括：

将称好得混合料加入模具钢模的内部空腔中；通过盖板启合装置使模具盖板关闭；

打开自动控制阀，气压顶的伸缩杆在气压的作用下向上运动，带动水平触杆和模具顶升部件向上运动，使模具顶板对模具钢模的内部空腔中的混合料进行压密；直至水平触杆和限位调整件中的限位螺杆的螺杆头接触，运动停止；

通过盖板启合装置打开模具盖板；并将水平触杆从连接螺杆中抽出；此时模具顶板继续向上运动，将压好的块体模型推出模具钢模。

由上述本发明的技术方案可以看出，本发明具有如下技术效果：

本设备中的块体模具5可以为大体积模具，能够压制岩体结构大块体模型，大大减少了小块体模型的使用量，减少了模型的压制时间和砌筑时间。

本设备通过气泵和气压顶实现岩体结构大块体的自动压制，不需要人工手动加压，减少人工负担，提高了压块的效率。

本设备能够压制大密度块体，气泵能够输出8-10个标准大气压的气体，提供的最大压力可达到1吨力，远远大于人力，可以解决大密度块体无法压密的问题。

本设备能够精确地压制出质量完好的块体，解决了在取出块体由于人工操作失误而导致块体存在划痕和缺损的问题；制作出来的块体模型尺寸精确，密度分布均匀，使块体更加便于砌筑。

本设备可以根据需要在比较大范围调整块体模型的形状、尺寸和高度，能够很好地适应地质模型试验多种砌筑方案的需要。

设备使用方便，能够自动、快速、精细、高效的压制地质力学模型试验模拟岩体结构的大块体模型，大大的减少了小块体模型的使用，降低了模型试验的人力、物力消耗；并且设备结构更为简单，操作容易，省时省力，便于推广使用。

附图说明

图1为本发明的一种模拟岩体结构的块体模型压制设备的结构示意图；

图2为本发明中的气压顶的结构示意图；

图3为本发明中的模具顶升部件的结构示意图；

图4为本发明中的块体模具的结构示意图；

图5为本发明中的的自动控制阀的结构示意图；

附图中：

支撑框架1、气压顶2、水平触杆3、模具顶升部件4、块体模具5、限位调整件6、自动控制阀7、盖板启合装置8；底部横梁13、中部横梁14、顶部横梁15，左侧梁11和右侧梁12；底部底座21、顶部盖板22、顶升筒体23、伸缩杆筒体24、伸缩杆25；a气孔211、b气孔221；传力筒41、模具顶板42、紧固螺栓43、连接螺杆44和锁定螺母45；模具壳体51、模具钢模52、模具盖板53；开关71、气阀72、输气管73、c气孔74、d气孔75。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明提出的一种模拟岩体结构的块体模型压制设备，结构如图1所示，该设备包括支撑框架1，气压顶2、水平触杆3、模具顶升部件4、块体模具5、限位调整件6、自动控制阀7和盖板启合装置8。

其中块体模具5和盖板启合装置8位于支撑框架1的上部；盖板启合装置8控制块体模具5的开启与闭合；自动控制阀7控制气压顶2中的活塞上下移动；气压顶2设置在支撑框架1的底部；气压顶2的上面设有模具顶升部件4，并随着活塞移动带动模具顶升部件4上下移动；模具顶升部件4位于块体模具5下部，且随着其运动能将块体模具5中块体混合料压实，并能够推出成型的块体模型；水平触杆3安装在模具顶升部件4上，限位调整件6固定在支撑框架1的中间位置，限位螺杆的螺杆头高度决定了所述水平触杆3被提升的位置，通过设定水平触杆3与限位调整件6的高度来控制预成型块体模型的高度。

各部件的具体实施方式分别说明如下：

上述支撑框架1的结构依然参照图1，其由槽钢焊接而成，共分上中下三层，每层由两根槽钢并排布置作为支撑的横梁，分别形成底部横梁13、中部横梁14、顶部横梁15；左右两侧各布置两根槽钢作为支撑的侧梁，形成左侧梁11和右侧梁12，从而使设备在使用过程中保持整体稳定，同时便于其它构件的布置。

上述气压顶2固定于支撑框架1的底部横梁13上，该气压顶2的结构如图2所示，其包括底部底座21，顶部盖板22，顶升筒体23、伸缩杆筒体24和伸缩杆25。

底部底座21固定在支撑框架1的底部横梁13上；顶升筒体23为夹层筒体结构，该夹层筒体结构设计可以减轻整个其气压顶2的重量，顶升筒体23的底端固定在底部底座21上，上端设有顶部盖板22；伸缩杆筒体24设置在顶升筒体23内部，伸缩杆筒体24内部被活塞分割为上空腔和下空腔，且设有b气孔221与该上空腔相通；设有a气孔211与该下空腔相通。该b气孔221和a气孔211分别通过气管与自动控制阀7的两个气孔相接。伸缩杆25与活塞相连，活塞与伸缩杆25在伸缩杆筒体24内可以上下移动。当气泵接通之后，气体通过气管传至气压顶2，当伸缩杆筒体24的下空腔中的气压增大时，活塞会推动伸缩杆25在伸缩杆筒体24中向上运动；反之，活塞会拉动伸缩杆25在伸缩杆筒体24中向下运动。

模具顶升部件4的结构如图3所示，包括传力筒41、模具顶板42、紧固螺钉43、连接螺杆44和锁定螺母45。

传力筒41的上端固定有模具顶板42。该传力筒41与模具顶板42通过紧固螺钉43固定，这样便于模具顶板42的更换；当然，传力筒41与模具顶板42之间也可以采用焊接等方式固定连接。传力筒41的中心开有螺纹孔，用于旋入连接螺杆44，这样的螺纹连接结构方便连接和拆卸模具顶板42。

连接螺杆44开有通孔，该通孔的中心线垂直于连接螺杆44的轴线，该通孔可以是长方形通孔，也可以为圆孔，水平触杆3能够从该通孔中穿过。连接螺杆44底端与伸缩杆25固定(可以通过焊接方式固定，也可以通过其它方式固定，如通过法兰连接方式固定等等)，连接螺杆44的上端伸入传力筒41中，并用固定螺母45锁死，以防止其松动。

上述限位调整件6包括限位螺杆和固定块；固定块固定于中部横梁14两槽钢之间，限位螺杆与该固定块通过螺纹连接。当水平触杆3被伸缩杆25带动向上运动至限位螺杆的螺杆头位置时，被限位螺杆挡住，则停止运动；通过调整限位螺杆的螺杆头的垂直高度可使水平触杆3在不同的位置停止运动。

上述块体模具5的结构如图4所示，包括模具壳体51、模具钢模52和模具盖板53。

模具壳体51焊接于支撑框架1的中部横梁14和顶部横梁15之间，模具壳体51内部放置模具钢模52；该模具钢模52具有内部空腔，该内部空腔用于放入混合料以便后续挤压形成块体模型。模具盖板53固定于模具壳体51上面。为了将放入模具钢模52内部空腔中的混合料压制成型为块体模型，该模具钢模52的内部空腔的尺寸与位于其下面的模具顶升部件4中的模具顶板42的外形尺寸相同。

该模具钢模52可以为大体积模具，可根据模型试验的需要设计不同形状、不同尺寸，包括但不限于矩形、三角形、平行四边形等，所压制块体的尺寸变化范围可由10cm×10cm到30cm×30cm。当装入或更换模具钢模52时，可以自块体模具5的上面操作，也可以自块体模具5的下面操作。当在块体模具5的下面更换模具钢模52以及更换模具顶板42时，需将传力筒41与模具顶板42之间的紧固螺钉43去掉，然后再更换模具顶板42和模具钢模52。

盖板启合装置8包括盖板连接件、丝杠螺母组件和摇柄；盖板启合装置8通过盖板连接件与块体模具5的模具盖板53相连；丝杠螺母组件中的丝杠的一端固定在盖板连接件上，另一端与摇柄相连；丝杠螺母组件中的螺母固定在支撑框架1上。逆时针转动摇柄使丝杠推进并带动模具盖板53运动，使模具盖板53封闭模具钢模52；顺时针方向转动摇柄使丝杠后腿并带动模具盖板53运动，可以使模具盖板53重新打开。

在压制块体模型过程中，为了使模具盖板53受力平稳，盖板启合装置8还包括扣件。该扣件包括扣手和扣盒；在模具盖板53上固定有扣盒，并在模具壳体51上设置可翻转的扣手。当模具盖板53封上后，通过扣盒与扣手的配合使用，可以使模具盖板53紧紧盖在模具壳体51上。当需要打开模具盖板53时，先将扣手打开，再操作摇柄。

上述的自动控制阀7的结构如图5所示，包括开关71，气阀72，输气管73，c气孔74和d气孔75。输气管73与气泵相接，c气孔74与气压顶2上的a气孔211通过气管相连，d气孔75与气压顶2上的b气孔221通过气管相连；开关71和气阀72用于控制气体的流向，气阀72的左边界有两个透气材料做成的小孔；开关71打开，气泵中气体经过输气管73，气阀72，c气孔74和d气孔75到达a气孔211和b气孔221使气压顶2的伸缩杆25向上运动；开关71关闭，气泵中气体无法进入输气管73，此时气压顶2中的气压大于大气压，气体反向流回气阀72，从气阀72左边界的小孔流出，同时伸缩杆25和水平触杆3逐渐回到原位。

本发明还提供一种模拟岩体结构的块体模型压制方法，其工作过程如下：

首先，需要做好如下准备工作：

(1)制备用于形成块体模型的混合料：

将重晶石粉、膨润土、特制胶水等按照一定的配比混合，将粉料上下搅拌均匀；

(2)取料：

根据要求的大块体模型密度、尺寸、形状计算小块体模型的重量。根据该重量称取出混合料。

(3)将压制设备就位：

根据试验要求选择所需要模具钢模52形状和尺寸，模具顶板42的形状和尺寸与模具钢模52相对应，并将其安装在模具外壳中；调整模具顶升部件4的模具顶板42位于上述块体模具5中的模具钢模52内腔最底部。

确定所需块体的高度之后，调节限位螺杆的螺杆头的高度。

接通气泵与输气管73。

上述准备工作做好后，进行后续块体模型的压制过程：

(4)逆时针转动盖板启合装置8的摇柄，将块体模具5的模具盖板53打开，通过漏斗将称好得混合料加入模具钢模52的内部空腔中；反向转动摇柄使模具盖板53关闭。

(5)打开自动控制阀7，气压顶2的伸缩杆25在气压的作用下向上运动，带动水平触杆3、模具顶升部件4向上运动，使模具顶板42对模具钢模52的内部空腔中的混合料进行压密；直至水平触杆3和限位调整件6中的限位螺杆的螺杆头接触，运动停止，表明块体模型已压密至要求的高度。

(6)顺时针转动摇柄，打开模具盖板53；并然后将水平触杆3从连接螺杆44中抽出；此时模具顶板42继续向上运动，将压好的块体模型推出模具钢模52，以便后续将块体模型取出。

(7)重复(4)-(6)步骤进行下一模型制作。

本设备使用过程中，通过气泵、自动控制阀7和气压顶2实现自动加压，由水平触杆3以及限位调整件6能精确自动控制加压的终止，无需人工手动通过杠杆施加压力，能够节约人力和压块时间；气泵能够持续输出高压气体，所提供的压力远远大于手动施加的压力，能够压制更大密度，更大尺寸的大块体，大量减少小块体的使用；盖板启合装置8能够避免专利公开号cn103234796b使用推拉盖板时，辅助拉杆造成对块体的划痕和磨损，因此本设备能够保证块体的质量。而且本设备使用更为方便，操作更为简单易行，块体模型的压制效率更高，可以广泛使用在地质模型试验中。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不限定本发明。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。