制备含复杂断续裂隙的直剪试验类岩石岩样模具及方法与流程

1.本发明涉及岩体力学及岩体物理仿真模拟技术领域，尤其涉及一种制备含复杂断续裂隙的直剪试验类岩石岩样模具及方法。


背景技术：

2.自然界的岩体由完整岩石(即岩桥)与裂隙两种介质体共同组成。与完整岩石相比，裂隙的力学性质明显低很多。因此，岩体中裂隙的存在极大程度上削弱了岩体的质量，增加了岩体变形和破坏的可能性。根据裂隙在岩体内部的延伸程度，可将裂隙分为贯通结裂隙和断续裂隙。工程实践表明，含断续裂隙的岩体失稳路径是由原生裂隙和沿岩桥端部扩展所形成的断面共同组成。岩桥在端部易形成应力集中区，进而引起新裂纹沿端部开裂、扩展、贯通以及滑移，最终导致岩体的破坏。
3.岩体的抗剪强度参数对岩土工程的稳定性评价以及设计至关重要。岩体的失稳破坏往往会经过多条断续裂隙，每条裂隙的规模以及产出状态均会导致岩体抗剪强度的不同。可以看出，断续裂隙在岩体内部的数量、组合方式和几何特征对其抗剪强度起着关键的主导作用。
4.通常，自然界的岩体主要是赋存于压应力和剪应力共同作用的力学环境中。对于含断续裂隙的岩体而言，岩桥和裂隙面的剪切破坏同时受这两种应力的控制。直剪试验可以有效地模拟岩体所处的这种压剪应力状态，故它是一种被广泛用于确定岩体的抗剪强度参数的试验手段。
5.研究含断续裂隙的抗剪强度参数，必须充分考虑岩体内裂隙的几何发育特征。岩体的直剪试验属于破坏性试验，岩体被破坏后无法进行复原，即无法做到多次利用，因此每个岩样只能进行一次剪切试验。为了探索不同几何形态和产出特征的裂隙对岩体综合抗剪强度的影响，需要在野外采集包含不同发育特征的裂隙。然而，现场发育的裂隙形状、尺寸等特征迥异，无法实现试验中控制变量法的要求。此外，现场取样的费用高，运输过程困难，且室内对样品加工的过程是一项非常繁琐而复杂的工作，难以满足试验批量制作的需求。因此，对这种结构岩体的力学试验研究，国内外学者们常采用类岩石材料来模拟岩体。
6.目前，在室内直剪试验类岩石岩样中预制断续裂隙的手段主要是钢片抽条法，即将类岩石材料兑水混合均匀后倒入特定的模具内，在材料初凝前根据预先设定的裂隙几何特征将钢片插入到材料中，待材料静置完全凝固后将钢片抽出，可制作成含断续裂隙的类岩石岩样。
7.上述操作过程虽然简单，但缺乏精确衡量裂隙具体位置、倾角、张开度等几何特征的标尺，可能导致实际加工后的裂隙几何特征与设计参数之间存在一定的偏差，难以保证裂隙位置、倾角、张开度、宽度以及数量等几何特征的准确控制，造成后续试验结果的可靠性差。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种制备含复杂断续裂隙的直剪试验类岩石岩样模具及方法，以解决裂隙位置、倾角、张开度、宽度等几何特征难以准确控制的问题。
9.为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案在于：
10.一种制备含复杂断续裂隙的直剪试验类岩石岩样模具，包括模具主体、控制台和钢片组件；模具主体设置有上端开口的容纳空间；控制台安装于模具主体的侧壁，配置为可绕垂直于模具主体的侧壁的方向旋转；控制台包括倾角固定杆；倾角固定杆配置为可沿垂直于模具主体的侧壁的方向摆动并可卡接于模具主体的侧壁；钢片组件包括钢片和钢套，钢套插装于控制台，钢片插装于钢套和容纳空间。
11.进一步的，控制台还包括外旋转盘，外旋转盘插装于模具主体的侧壁的外侧，配置为可绕自身轴线旋转；外旋转盘上开设有第一通孔，钢套插装于第一通孔；外旋转盘与倾角固定杆铰接，倾角固定杆配置为可沿外旋转盘的轴线方向摆动。
12.进一步的，控制台还包括内旋转盘，内旋转盘插装于模具主体的侧壁的内侧；内旋转盘与外旋转盘同轴设置；内旋转盘上开设有第二通孔，钢套插装于第二通孔；第二通孔与第一通孔的大小、形状相同。
13.进一步的，外旋转盘上设置有圆盘定位销，内旋转盘上设置有圆盘定位孔；圆盘定位销插装于圆盘定位孔。
14.进一步的，控制台还包括旋转手柄；旋转手柄设置于外旋转盘背离内旋转盘的一侧；旋转手柄上开设有第三通孔，钢套插装于第三通孔。
15.进一步的，旋转手柄上开设有第一螺纹孔；螺栓螺接于第一螺纹孔，并在穿过钢套后抵接于钢片。
16.进一步的，模具主体包括底座和l形侧板；两个l形侧板围成矩形框，底座连接于矩形框的下侧；底座上开设有第四通孔，第四通孔与容纳空间连通。
17.进一步的，l形侧板上开设有第五通孔，外旋转盘和内旋转盘插装于第五通孔；第五通孔的内壁设置有圆环凸台，外旋转盘和内旋转盘分别抵接于圆环凸台。
18.进一步的，l形侧板上开设有倾角定位孔，至少两个倾角定位孔绕第五通孔的轴线布置；倾角固定杆一端可插装于倾角定位孔。
19.本发明的另一方面，提供了一种制备含复杂断续裂隙的直剪试验类岩石岩样模具的方法，包括下步骤：
20.确定参数：根据室内直剪试验的目的设计室内直剪试验方案，确定待制类岩石岩样中包含的裂隙条数、张开度、宽度、倾角；
21.制作模具主体：根据直剪仪器中直剪盒的规格和要求，确定所使用模具的长、宽、高，加工制作模具主体；
22.安装控制台：按照室内直剪试验方案，安装控制台；
23.组装钢片组件：根据室内直剪试验方案选择相应厚度、宽度和长度的钢片和对应的钢套；向控制台中插入钢套后再向钢套中插入钢片，向第一螺纹孔中拧入螺栓，防止钢片组件在后续浇筑和振捣中产生错动；然后转动旋转手柄使得钢片达到所需的倾角，将倾角固定杆插入到倾角定位孔中；
24.涂抹润滑剂：在试验开始前，在容纳空间的内壁和钢片的表面涂抹一层润滑剂；
25.制备类岩石岩样：按照试验设计的质量配比，分别对石膏粉、石英砂和水进行称重，混合并充分搅拌均匀，倒入备好的模具中捣实；
26.取出类岩石岩样：将制备的类岩石岩样在室温条件下静置，待类岩石岩样初凝后，用钳子夹紧钢片的端部，将钢片从类岩石岩样内抽出，然后用脱模枪通过第四通孔将类岩石岩样推出；
27.制备其他类岩石岩样：根据直剪试验方案，重复组装钢片组件步骤到取出类岩石岩样步骤，以制备含任意倾角、不同张开度和宽度的裂隙的类岩石岩样；
28.类岩石岩样养护：将制备完成的类岩石岩样在室温条件下进行养护，待类岩石岩样完全凝固后，即可进行后续的直剪试验。
29.综合上述技术方案，本发明所能实现的技术效果在于：
30.本发明提供的制备含复杂断续裂隙的直剪试验类岩石岩样模具，包括模具主体、控制台和钢片组件；模具主体设置有上端开口的容纳空间；控制台安装于模具主体的侧壁，配置为可绕垂直于模具主体的侧壁的方向旋转；控制台包括倾角固定杆；倾角固定杆配置为可沿垂直于模具主体的侧壁的方向摆动并可卡接于模具主体的侧壁；钢片组件包括钢片和钢套，钢套插装于控制台，钢片插装于钢套和容纳空间。
31.本发明通过控制台的位置实现对裂隙位置的精确定位；通过旋转控制台来改变钢片的角度，从而实现类岩石岩样的裂隙倾角精准可控；通过更换不同厚度和宽度的钢片可制备不同张开度和宽度的裂隙，从而准确控制裂隙的张开度和宽度，并且只需更换钢片组件即可灵活制备多种规格裂隙的岩样，降低了模具的制造成本和操作难度，提高了直剪试验结果的可靠性。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1为本发明实施例提供的制备含复杂断续裂隙的直剪试验类岩石岩样模具的结构示意图；
34.图2为模具主体的结构示意图；
35.图3为模具主体的仰视图；
36.图4为l形侧板的结构示意图
37.图5为控制台的结构示意图；
38.图6为控制台的主视图；
39.图7为外旋转盘的结构示意图；
40.图8为内旋转盘的结构示意图；
41.图9为钢片组件的结构示意图。
42.图标：100-模具主体；200-控制台；300-钢片组件；110-底座；120-l形侧板；210-外旋转盘；220-内旋转盘；230-旋转手柄；240-倾角固定杆；310-钢片；320-钢套；211-第一通孔；212-圆盘定位销；221-第二通孔；222-圆盘定位孔；231-第三通孔；321-挡边；322-定位
通孔；a-容纳空间；b-第四通孔；c-第五通孔；d-圆环凸台；e-倾角定位孔。
具体实施方式
43.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
44.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
46.目前，在室内直剪试验类岩石岩样中预制断续裂隙的手段主要是钢片抽条法，此方法操作简单，但缺乏精确衡量裂隙具体位置、倾角、张开度等几何特征的标尺，可能导致实际加工后的裂隙几何特征与设计参数之间存在一定的偏差，难以保证裂隙位置、倾角、张开度、宽度等几何特征的准确控制，造成后续试验结果的可靠性差。
47.有鉴于此，本发明提供了一种制备含复杂断续裂隙的直剪试验类岩石岩样模具，包括模具主体100、控制台200和钢片组件300；模具主体100设置有上端开口的容纳空间a；控制台200安装于模具主体100的侧壁，配置为可绕垂直于模具主体100的侧壁的方向旋转；控制台200包括倾角固定杆240；倾角固定杆240配置为可沿垂直于模具主体100的侧壁的方向摆动并可卡接于模具主体100的侧壁；钢片组件300包括钢片310和钢套320，钢套320插装于控制台200，钢片310插装于钢套320和容纳空间a。
48.本发明通过控制台200的位置实现对裂隙位置的精确定位；通过旋转控制台200来改变钢片310的角度，从而实现类岩石岩样的裂隙倾角精准可控；通过更换不同厚度和宽度的钢片310可制备不同张开度和宽度的裂隙，从而准确控制裂隙的张开度和宽度，并且只需更换钢片组件300即可灵活制备多种规格裂隙的岩样，降低了模具的制造成本和操作难度，提高了直剪试验结果的可靠性。
49.以下结合图1-图9对本实施例提供的制备含复杂断续裂隙的直剪试验类岩石岩样模具的结构和形状进行详细说明：
50.本实施例的可选方案中，模具主体100包括底座110和l形侧板120，如图2所示。具体的，由两个l形侧板120围成矩形框，底座110连接于矩形框的下侧以形成容纳空间a。进一步的，底座110上开设有第四通孔b，如图3所示，第四通孔b与容纳空间a连通并作为进气孔，以便于使用脱模枪将制备好的类岩石岩样从模具内推出。
51.底座110的四周设置有沉头通孔，l形侧板120与底座110连接的一侧设置有六边形沉头孔，如图4所示；通过内六角螺钉和螺母将底座110与l形侧板120连接，螺母设置于六边形沉头孔内，内六角螺钉从下向上插入底座110和l形侧板120。进一步的，两个l形侧板120对接的侧边通过蝶形螺栓和螺母连接，相应的，如图4所示，l形侧板120的竖直边设置有通孔。通过螺栓连接实现模具主体100的可拆卸性，在遇到类岩石岩样不易取出时可通过拆卸
模具主体100取出岩样。
52.本实施例的可选方案中，l形侧板120上开设有两个第五通孔c，控制台200安装于第五通孔c，如图2所示，两个l形侧板120相对的一侧均设置有第五通孔c且两个l形侧板120上的第五通孔c同轴，
53.显而易见的，第五通孔c的数量可根据裂隙的数量进行增减，即控制台200的数量可根据裂隙的数量进行相应的增减。具体的，第五通孔c的圆心位于l形侧板120高度的二分之一处，以保证裂隙位于岩样的中心，确保裂隙位置的准确。
54.进一步的，l形侧板120上开设有倾角定位孔e，至少两个倾角定位孔e绕第五通孔c的轴线布置；倾角固定杆240一端可插装于倾角定位孔e。具体的，倾角定位孔e与倾角固定杆240的截面形状、尺寸相同，以保证倾角固定杆240插入倾角定位孔e后不发生晃动，从而保证控制台200不发生转动，进而使插入控制台200的钢片310的角度保持固定，确保裂隙倾角的准确性。需要说明的是，倾角定位孔e为非贯通孔，避免容纳空间a与倾角定位孔e连通导致液体流出。
55.进一步的，多个倾角定位孔e绕第五通孔c的轴线布置，可根据试验需要设定间隔，如间隔5
°
、间隔10
°
，且倾角定位孔e布置成半圆环即可满足钢片310的角度需要。
56.本实施例的可选方案中，如图9所示，钢片组件300包括钢片310和钢套320。其中，钢片310的厚度对应裂隙的张开度，钢片310的宽度对应裂隙的宽度，即通过更换不通宽度和厚度的钢片310即可改变裂隙的宽度和张开度，从而制备多种裂隙的类岩石岩样。
57.钢套320套装于钢片310并插装于控制台200，从而使钢片310与控制台200连接，可通过旋转控制台200来控制钢片310的倾角，以实现对裂隙倾角的控制。进一步的，钢套320上设置有挡边321，挡边321抵接于控制台200，钢套320插入控制台200的一端与l形侧板120的内侧平齐，以保证容纳空间a平整。
58.本实施例的可选方案中，控制台200还包括外旋转盘210、内旋转盘220和旋转手柄230，如图5所示。外旋转盘210从l形侧板120的外侧插装于第五通孔c，内旋转盘220从l形侧板120的外侧插装于第五通孔c，第五通孔c的内壁设置有圆环凸台d，外旋转盘210和内旋转盘220相对的端面分别抵接于圆环凸台d，从而通过圆环凸台d对外旋转盘210和内旋转盘220进行定位，确保内旋转盘220背离外旋转盘210的一侧与l形侧板120的内侧平齐，以保证容纳空间a平整。
59.进一步的，外旋转盘210上设置有圆盘定位销212，内旋转盘220上设置有圆盘定位孔222，如图7、图8所示；圆盘定位销212插装于圆盘定位孔222，从而将外旋转盘210和内旋转盘220连接。外旋转盘210和内旋转盘220的可拆卸连接，便于更换不同规格的控制台200，以适应更多规格的钢片组件300，从而扩大可制造裂隙的宽度和张开度的范围。
60.旋转手柄230连接于外旋转盘210背离内旋转盘220的一侧，通过转动旋转手柄230带动外旋转盘210和内旋转盘220绕自身轴线转动。具体而言，旋转手柄230由两块平行设置的钢板组成，两块钢板的间隙形成第三通孔231；相应的，外旋转盘210上开设有第一通孔211，内旋转盘220上开设有第二通孔221；第一通孔211、第二通孔221与第三通孔231均为矩形孔，且三个通孔对正、大小、形状相同。钢套320依次插装于第三通孔231、第一通孔211和第二通孔221，挡边321抵接于旋转手柄230的端面，三个通孔的轴线与外旋转盘210的轴线同轴，以便于控制旋转角度。
61.进一步的，如图5、图9所示，旋转手柄230上开设有第一螺纹孔，钢套上开设有定位通孔322。第一螺纹孔和定位通孔322同轴设置，螺栓螺接于第一螺纹孔并穿过定位通孔322后抵接于钢片310，从而将钢片310锁定，防止钢片310发生移动，减少因浇筑和振捣过程导致的裂隙位置的错动；同时还可以将螺栓的末端加工成圆柱，圆柱与定位通孔322配合使钢套320被可靠定位，避免钢套320移动，圆柱的端部抵接于钢片310，螺栓的螺纹段仍旧与第一螺纹孔螺接。通过圆柱与定位通孔322配合，相比于螺纹与定位通孔322配合更稳定更准确。
62.进一步的，外旋转盘210与倾角固定杆240铰接，倾角固定杆240配置为可沿外旋转盘210的轴线方向摆动，如图5所示，倾角固定杆240成l形，短边插入倾角定位孔e，长边与外旋转盘210铰接。
63.本实施例的可选方案中，钢片310采用矩形钢板制成，需要更换规格时，同时更换不同规格的钢片310和相应的钢套320即可，无需更换控制台200，极大节约了成本，避免了制造更多的模具主体100和控制台200，降低了更换裂隙规格的复杂程度，提高了类岩石岩样的制备效率。
64.本实施例提供的制备含复杂断续裂隙的直剪试验类岩石岩样模具的方法如下：
65.确定参数：根据室内直剪试验的目的设计室内直剪试验方案，确定待制类岩石岩样中包含的裂隙条数、张开度、宽度、倾角；
66.制作模具主体100：根据直剪仪器中直剪盒的规格和要求，确定所使用模具的长、宽、高，加工制作模具主体100；
67.安装控制台200：按照室内直剪试验方案，安装控制台200；
68.组装钢片组件300：根据室内直剪试验方案选择相应厚度、宽度和长度的钢片310和对应的钢套320；向控制台200中插入钢套320后再向钢套320中插入钢片310，向第一螺纹孔中拧入螺栓，防止钢片组件300在后续浇筑和振捣中产生错动；然后转动旋转手柄230使得钢片310达到所需的倾角，将倾角固定杆240插入到倾角定位孔e中；
69.涂抹润滑剂：在试验开始前，在容纳空间a的内壁和钢片310的表面涂抹一层润滑剂；
70.制备类岩石岩样：按照试验设计的质量配比，分别对石膏粉、石英砂和水进行称重，混合并充分搅拌均匀，倒入备好的模具中捣实；
71.取出类岩石岩样：将制备的类岩石岩样在室温条件下静置，待类岩石岩样初凝后，用钳子夹紧钢片310的端部，将钢片310从类岩石岩样内抽出，然后用脱模枪通过第四通孔b将类岩石岩样推出；
72.制备其他类岩石岩样：根据直剪试验方案，重复组装钢片组件300步骤到取出类岩石岩样步骤，以制备含任意倾角、不同张开度和宽度的裂隙的类岩石岩样；
73.类岩石岩样养护：将制备完成的类岩石岩样在室温条件下进行养护，待类岩石岩样完全凝固后，即可进行后续的直剪试验。
74.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术
方案的范围。