一种含裂隙类岩石材料制备试验装置及使用方法

1.本发明属于岩石材料制备的技术领域，具体涉及一种含裂隙类岩石材料制备试验装置及使用方法。


背景技术：

2.由于风化、侵蚀等物理作用和节理岩壁间剪切错动的影响，岩石节理中将产生一定厚度的充填物，形成充填岩石节理，其在天然岩体中是广泛存在的。由于天然充填岩石节理试件具有现场取样困难、成本高且试件具有离散性的不足，同时天然充填岩石节理试件上下表面间充填介质厚度的精确量测也十分困难。通过类岩石相似材料制备与实际岩石节理具有相同岩石强度和表面形貌特征的人工模拟岩石节理试件，是目前岩石力学界获取室内试验所需大批量岩石节理试件普遍采用的制样方法，基于相似模拟理论，在实验室利用石膏、沙子、水泥等材料制备类岩石材料来代替原岩材料重塑岩石可以有效再现不同裂隙条件下的破裂岩石力学特性研究，为实际工程应用提供科学依据。对于含各种节理形式的岩石材料力学性能的研究具有重要的实际意义，故可以方便、快捷地制作节理类岩石试件模具的设计尤为关键。
3.中国专利cn106248449b，一种制作含非贯通型裂隙的类岩石试样的模具，通过设计的两组裂隙角度调节块，实现固定位置处岩石试样时裂隙预制片任意角度安置，即可实现在某一固定位置处安置任意角度的片状裂隙，但是该发明在同一水平线上仅可设置一个裂隙，无法满足更多使用情况。
4.中国专利申请cn111665105a，一种实现类岩石粗糙节理试件充填度精确控制的试验装置和方法，提出一种类岩石粗糙节理试件充填度精确控制的试验装置，在完成准备工作后，分别安装上半部分节理试件与下半部分节理试件，由手柄与锁止装置控制两部分节理间的填充介质的厚度，并且通过数显百分表显示充填介质的厚度。但该发明在控制裂隙节理面形状方面没有很好的表现，未提及裂隙节理面形状的控制。
5.中国专利申请cn111487114a，一种可调节试件尺寸的节理类岩石制作模具及方法，公开了一种可调节试件尺寸的节理类岩石制作模具及方法，该装置可以解决精确调控类岩石试件的尺寸的问题，并可制作确定数量和倾角的节理，但该发明通过预制钢片通过钢片固定槽垂直插入到试件中，从而形成节理面的方法并不能形成较为复杂的节理面或复杂完整裂隙。
6.中国专利申请cn112362442a，一种类岩石试样制作模具及其使用方法，能预制不同尺寸和方位的双裂隙或者多裂隙类岩石试样制作模具及其使用方法，但其不可控制试件的尺寸大小。
7.综上所述，现有的含裂隙类岩石材料制备各有其特殊功能和用途，但是适用性不够全面，对于各类裂隙不能实现任意使用，对于浇筑模型的裂隙宽度较难掌控，同时少有装置实现模型浇筑和裂隙精准充填一体化。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种含裂隙类岩石材料制备试验装置及使用方法，以解决现有的含裂隙类岩石材料制备适用性不够全面的问题。
9.为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：第一方面，一种含裂隙类岩石材料制备试验装置，其包括底板、静侧板和动侧板；静侧板固定于底板上，静侧板的边端与三角辅助挡板的一边相连，三角辅助挡板的另一边固定于底板上；动侧板活动设于底板上，并与静侧板之间形成裂隙安置腔；静侧板与动侧板上设有至少一组裂隙安置结构；裂隙安置结构包括至少一组裂隙结构，裂隙结构位于裂隙安置腔内；静侧板与动侧板之间的连接处均设有用于限定动侧板水平方向位移的连接件；三角辅助挡板上设有至少两个调节螺栓，调节螺栓穿过三角辅助挡板并与动侧板接触相连。
10.进一步地，三角辅助挡板上预留有三个第一螺纹孔，三个第一螺纹孔分别位于三角辅助挡板的三角位置；并通过三个固定螺栓与三个第一螺纹孔的螺纹配合，将三角辅助挡板分别与静侧板和底板固定连接。
11.进一步地，调节螺栓包括螺纹螺栓、两组固定螺丝、两组垫片和接触块；螺纹螺栓的一端位于三角辅助挡板的外侧；螺纹螺栓另一端穿过预先制有第二螺纹孔的三角辅助挡板，并与接触块固定连接，接触块与动侧板接触相连；并通过两组垫片和固定螺丝的配合将螺纹螺栓锁定于三角辅助挡板上。
12.进一步地，连接件包括连接板、两个连接螺丝、固定螺丝和垫片；连接板上开设有两个适配连接螺丝的螺孔；连接板一端通过连接螺丝活动设于静侧板一侧的轨道上，连接板另一端通过连接螺丝、固定螺丝和垫片的配合固定于动侧板上。
13.进一步地，裂隙安置结构包括裂隙安置轨道、两根螺纹柱状支撑和至少一组裂隙结构；裂隙安置轨道位于动侧板和静侧板上方；螺纹柱状支撑一端配合固定螺丝和垫片固定于裂隙安置轨道一端上，螺纹柱状支撑另一端配合固定螺丝和垫片固定于动侧板的轨道上；另一根螺纹柱状支撑一端配合固定螺丝和垫片固定于裂隙安置轨道另一端上，螺纹柱状支撑另一端配合固定螺丝和垫片固定于静侧板的轨道上。
14.进一步地，裂隙结构包括预制裂隙钢板和用于夹持预制裂隙钢板的夹具；夹具的上端与固定螺丝一端相连，固定螺丝另一端固定于裂隙安置轨道上。
15.进一步地，裂隙结构包括至少两根固定条和预制裂隙；固定条一端固定于裂隙安置轨道上，其另一端与预制裂隙上预留的孔螺纹连接。
16.第二方面，一种含裂隙类岩石材料制备试验装置的使用方法，包括制作非贯通裂隙和制作贯通裂隙。
17.进一步地，制作非贯通裂隙，包括以下步骤：s1、将静侧板焊接于底板上，并通过三个固定螺栓将三角辅助挡板分别与静侧板和动侧板固定连接；s2、采用两组连接件将动侧板与静侧板活动相连，以限制动侧板水平方向的运动；s3、在三角辅助挡板上设置两组调节螺栓，调节螺栓底部的接触块与动侧板接触，以限制动侧板垂直方向运动；
s4、选择裂隙安置结构数量，并将裂隙安置轨道固定于动侧板和静侧板的轨道上；s5、通过裂隙安置轨道将裂隙结构设于裂隙安置腔内，即将夹具的上端与固定螺丝一端相连，固定螺丝另一端固定于裂隙安置轨道上，再将预制裂隙钢板夹持于夹具内；s6、进行浇筑材料的配合与分层浇筑，待24小时后，依次拆除裂隙安置轨道和裂隙结构，直至完成所有裂隙安置结构、预制裂隙钢板和夹具的拆除，并继续进行养护，直至试件养护完成；s7、拆除连接件，退出调节螺栓，直至接触块与动侧板之间预留有拆除动侧板的空间，拆除动侧板后，取出类岩石试件。
18.进一步地，制作贯通裂隙包括以下步骤：t1、将静侧板焊接于底板上，并通过三个固定螺栓将三角辅助挡板分别与静侧板和动侧板固定连接；t2、采用两组连接件将动侧板与静侧板活动连接，以限制动侧板水平方向的运动；t3、在三角辅助挡板上设置两组调节螺栓，调节螺栓底部的接触块与动侧板接触，以限制动侧板垂直方向运动；t4、选择裂隙安置结构数量，并将裂隙安置轨道固定于动侧板和静侧板的轨道上；t5、通过裂隙安置轨道将裂隙结构设于裂隙安置腔内，即将固定条一端固定于裂隙安置轨道上，其另一端与预制裂隙上预留的孔螺纹连接；t6、进行浇筑材料的配合与分层浇筑，待24小时后，依次拆除裂隙安置轨道和裂隙结构，直至完成裂隙安置结构、固定条和预制裂隙的拆除，并继续进行养护，直至试件养护完成；t7、调节连接件至松动状态，通过调节螺栓的调节，同时测量裂隙宽度，当两类岩石试块间预留裂隙达到预设值时，采用材料填充裂隙，待填充稳定后，拆除连接件，退出调节螺栓，直至接触块与动侧板之间预留有拆除动侧板的空间，拆除动侧板后，取出类岩石试件。
19.本发明提供的含裂隙类岩石材料制备试验装置及使用方法，具有以下有益效果：1、本发明相对于传统类岩石制模设备具有更灵活的模型尺寸控制能力，并且拆模方便，操作简单，制模设备使用寿命长，适用范围广。
20.2、本发明通过裂隙安置结构，实现预制类岩石试件在任意位置，安装任意角度与数量的非贯通块状、与任意角度与形状的贯通裂隙，同时可根据试验要求灵活选择预制裂隙的使用形状、数量、组合方式，能较好的满足各种复杂预制类岩石节理的制备。
21.3、本发明动侧板具有灵活移动和固定的特点，可适用于任意厚度尺寸的预制裂隙模具，并制备标准尺寸的类岩石节理试件；除此，本发明可用于类岩石试件的浇筑，其方向上的尺寸可灵活调整，也可以用于贯通岩石节理填充厚度的精确控制。
附图说明
22.图1为本发明一种含裂隙类岩石材料制备试验装置的结构示意图；图2为本发明所述装置预制贯通裂隙时装置的结构示意图；图3为本发明所述装置的自由活动安装式的裂隙安置结构示意图；图4为本发明所述装置的两类裂隙结构示意图；
图5为本发明所述装置的调节螺栓的结构示意图。
23.图6为本发明所述装置的动侧板与静侧板间的连接件结构示意图。
24.其中，1、底板；2、静侧板；3、三角辅助挡板；4、动侧板；5、调节螺栓；5-1、螺纹螺栓；5-2、接触块；6、固定螺栓；7、连接件；7-1、连接板；7-2、连接螺丝；8-1、裂隙安置轨道；8-2、螺纹柱状支撑；8-3、夹具；8-4、预制裂隙钢板；8-5、固定条；8-6、预制裂隙。
具体实施方式
25.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
26.根据本技术的第一个实施例，参考图1，本方案的含裂隙类岩石材料制备试验装置，包括底板1、静侧板2和动侧板4。
27.静侧板2与动侧板4上设有至少一组裂隙安置结构，裂隙安置结构包括至少一组裂隙结构，裂隙结构位于裂隙安置腔内。
28.静侧板2固定于底板1上，静侧板2的边端与三角辅助挡板3的一边相连，三角辅助挡板3的另一边固定于底板1上；动侧板4活动设于底板1上，并与静侧板2之间形成裂隙安置腔，裂隙安置腔可容纳多组裂隙结构。
29.静侧板2与动侧板4之间的连接处均设有用于限定动侧板4水平方向位移的连接件7；三角辅助挡板3上设有至少两个调节螺栓5，调节螺栓5穿过三角辅助挡板3并与动侧板4接触相连。
30.底板1、静侧板2、三角辅助挡板3、动侧板4、调节螺栓5、固定螺栓6、连接件7和裂隙安置结构均由高强度不锈钢板材制成。
31.具体的，参考图5，调节螺栓5的结构为：调节螺栓5包括螺纹螺栓5-1、两组固定螺丝、两组垫片和接触块5-2，螺纹螺栓5-1的一端位于三角辅助挡板3的外侧，以便操作；螺纹螺栓5-1另一端穿过预先制有第二螺纹孔的三角辅助挡板3，并与接触块5-2固定连接，接触块5-2与动侧板4接触相连；并通过两组垫片和固定螺丝的配合将螺纹螺栓5-1锁定于三角辅助挡板3上。
32.在具体作业时，通过两组大直径的螺纹螺栓5-1穿过预先制有第二螺纹孔的三角辅助挡板3，通过旋转螺纹螺栓5-1控制调节螺栓5的整体位置，再通过两组固定螺丝和配套的两组垫片对调节螺栓5的整体位置进行固定，通过调节螺栓5的旋转推动，可带动动侧板4在底板1上的移动，即实现动侧板4与静侧板2在轨道范围内垂直方向移动的固定。
33.参考图6，连接件7的结构为：连接件7包括连接板7-1、两个连接螺丝7-2、固定螺丝和垫片；连接板7-1上开设有两个适配连接螺丝7-2的螺孔；连接板7-1一端通过连接螺丝7-2活动设于静侧板2一侧的轨道上，连接板7-1另一端通过连接螺丝7-2、固定螺丝和垫片的配合固定于动侧板4上。
34.在具体作业时，两组连接件7随着动侧板4的位置调节可在静侧板2的轨道范围内自由平移，由此实现动侧板4与静侧板2在轨道范围内水平方向移动的固定和限位。
35.参考图3和图4，裂隙安置结构包括裂隙安置轨道8-1、两根螺纹柱状支撑8-2和至少一组裂隙结构。
36.裂隙安置轨道8-1位于动侧板4和静侧板2上方；螺纹柱状支撑8-2一端配合固定螺丝和垫片固定于裂隙安置轨道8-1一端上，螺纹柱状支撑8-2另一端配合固定螺丝和垫片固定于动侧板4的轨道上；另一根螺纹柱状支撑8-2一端配合固定螺丝和垫片固定于裂隙安置轨道8-1另一端上，螺纹柱状支撑8-2另一端配合固定螺丝和垫片固定于静侧板2的轨道上。
37.在具体作业时，根据试验设计要求选用若干组裂隙安置结构，各组裂隙安置轨道8-1通过两对螺纹柱状支撑8-2与固定螺丝以及配套的垫片固定在动侧板4和静侧板2的轨道上，随后根据试验设计要求安装若干组裂隙结构，本实施例包括两种裂隙结构实施方式。
38.第一种为：制作非贯通裂隙时，裂隙结构包括预制裂隙钢板8-4和用于夹持固定预制裂隙钢板8-4的夹具8-3；夹具8-3的上端与固定螺丝一端相连，固定螺丝另一端固定于裂隙安置轨道8-1上，且一个裂隙钢板8-4配合使用一个夹具8-3，可根据实际需要选择裂隙钢板8-4和夹具8-3配对的数量。
39.第二种为：制作贯通裂隙时，裂隙结构包括至少两根固定条8-5和预制裂隙8-6；固定条8-5一端固定于裂隙安置轨道8-1上，其另一端与预制裂隙8-6上预留的孔螺纹连接，用于制备各类预制裂隙8-6，且两个固定条8-5对应一个预制裂隙8-6。
40.根据本技术的第二个实施例，参考图1，本实施例装置制作非贯通型裂隙的类岩石试样的步骤如下：步骤s1、将静侧板2焊接于底板1上，并通过三个固定螺栓6将三角辅助挡板3分别与静侧板2和动侧板4固定连接；步骤s2、三角辅助挡板3通过3个固定螺栓6同时与静侧板2和底板1固定连接；动侧板4放置在底板1上部，动侧板4通过两组连接件7与静侧板2连接，两组连接件7用于对动侧板4的水平方向运动加以限制；步骤s3、三角辅助挡板3上安置两组调节螺栓5，调节螺栓5底部的接触块5-2与动侧板4接触，按照实验设计要求尺寸，通过两组调节螺栓5对动侧板4的垂直方向运动加以限制；步骤s4、根据试验设计要求，选择具体数量的裂隙安置结构，并根据需要选择若干预制裂隙钢板8-4和与之对应的夹具8-3，一个裂隙钢板8-4配合使用一个夹具8-3，其具体数量根据实际试验需求而定；步骤s5、将夹具8-3的上端与固定螺丝一端相连，固定螺丝另一端固定于裂隙安置轨道8-1上，再将预制裂隙钢板8-4夹持于夹具8-3内，以完成模型的安装；步骤s6、进行浇筑材料的配合，与分层浇筑，待24小时后，依次拆除裂隙安置轨道8-1上所有固定螺丝、垫片、所有裂隙安置轨道8-1、螺纹柱状支撑8-2、预制裂隙钢板8-4、夹具8-3，以完成裂隙安置结构的拆除，并继续进行养护；待试件养护完成；步骤s7、拆除两组连接件7，将调节螺栓5向类岩石试件所在位置处相反方向旋转，直至接触块5-2与动侧板4间预留有较大空间；随后拆除动侧板4，取出类岩石试件。
41.根据本技术的第三个实施例，参考图2，本实施例装置制作贯通型裂隙的类岩石试
样的步骤如下：步骤t1、将静侧板2焊接于底板1上，并通过三个固定螺栓6将三角辅助挡板3分别与静侧板2和动侧板4固定连接；步骤t2、三角辅助挡板3通过3个固定螺栓6同时与静侧板2和底板1固定连接；动侧板4放置在底板1上部，动侧板4通过两组连接件7与静侧板2连接，两组连接件7用于对动侧板4的水平方向运动加以限制；步骤t3、三角辅助挡板3上安置两组调节螺栓5，调节螺栓5底部的接触块5-2与动侧板4接触，按照实验设计要求尺寸，通过两组调节螺栓5对动侧板4的垂直方向运动加以限制；步骤t4、根据试验设计要求，选择具体数量的裂隙安置结构，并根据需要选择安装若干固定条8-5和预制裂隙8-6；步骤t5、将固定条8-5一端固定于裂隙安置轨道8-1上，其另一端与预制裂隙8-6上预留的孔螺纹连接，以上完成模型的安装。
42.步骤t6、进行浇筑材料的配合，与分层浇筑，待24小时后，依次拆除裂隙安置轨道8-1上所有固定螺丝、垫片、所有裂隙安置轨道8-1、螺纹柱状支撑8-2、预制裂隙8-6和固定条8-5，以完成裂隙安置结构的拆除，并继续进行养护，待试件养护完成；步骤t7、首先调节两组连接件7至较为松动状态，按照试验设计要求，调节螺栓5辅以量测裂隙宽度，直至两类岩石试块间预留的裂隙满足设计要求，并使用材料充填裂隙，待稳定之后，依次拆除两组连接件7，将调节螺栓5向类岩石试件所在位置处相反方向旋转，直至接触块5-2与动侧板4间预留较大空间；随后拆除动侧板4，取出类岩石试件。
43.虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。