一種含夾層類巖體制作模型試驗裝置及其試驗方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種含夾層類巖體模型制作試驗裝置及其試驗方法。包括半圓形角度器、上下擋板、左右側板、圓形轉盤、取芯機鉆頭、平板、平板角度控制桿、固定螺桿、底板、夾層模型試件、U型板和導槽，試驗步驟如下：將巖塊按照輪廓中心線放置并固定；制作夾層材料并澆模，將試件緊固，取芯后更換取芯機鉆頭并改變試件位置重復鉆孔，切割得到不同高徑比的試件；或得到不同夾層傾角的試件；再進行力學試驗。本發(fā)明的試驗裝置結構簡單，適用于制造不同夾層厚度、傾角、厚度和高徑比的試件，取芯和切割加工裝置可充分利用現有設備，分析不同條件對試件力學性質的影響，對現場取回的不規(guī)則巖樣，能直接進行取芯操作，提高了試驗效率，縮短了試驗時間。
【專利說明】一種含夾層類巖體制作模型試驗裝置及其試驗方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及巖土力學試驗技術，尤其涉及一種含夾層類巖體制作模型試驗裝置及其試驗方法。
【背景技術】
[0002]含夾層巖體又稱板裂巖體，是指分布有一組占絕對優(yōu)勢結構面(如層面、片理面等)的巖體。自然界中具有層狀構造的沉積巖占陸地面積的2/3，在人類工程活動中將遇到大量的含夾層巖體穩(wěn)定問題，由于含夾層類巖體具有明顯的橫觀各向同性，巖體強度不僅取決于完整巖塊強度，優(yōu)勢結構面的發(fā)育程度對層狀巖體工程的穩(wěn)定性常常起決定作用，層狀巖體受地下水滲流、地震等因素的影響，容易發(fā)生滑坡、崩塌等地質病害，造成巨大的經濟損失。因此為了有效控制層狀巖體強度和變形行為，減少由此造成的工程災害，必須對其破壞機理和破壞模式進行深入的研究。
[0003]目前研究方法主要有物理模型試驗、現場試驗和數值模擬分析方法。物理模型試驗就是以相似理論為基礎，根據相似判據制作與原型成一定比例關系的含夾層類巖體來模擬巖體的破壞過程。而現有物理模型試驗一般以平面模型為主，且設計夾層傾角都是水平方向，無法模擬含夾層類巖體節(jié)理真實狀態(tài)。
[0004]而現場試驗方法存在如下不足:一、現場層狀巖體取樣時，天然含夾層頁巖受尺寸、鉆孔取芯深度和場地復雜性等影響，獲取十分困難，而且?guī)r體夾層的厚度和傾角都是隨機分布，對于研究其力學特性來說缺乏規(guī)律性；二、現場取樣無法大量復制相同條件下的層狀巖體。
[0005]數值模擬分析方法雖然能快速改變模擬的層狀巖體物理性質，且計算過程相對室內試驗過程耗時減少，但在通常情況下，層狀巖體表現為非均質和各向異性，并且常具有很強的非線性，而數值模擬定義的材料不能反映巖塊自身變形的特征，這些都會影響到巖土工程穩(wěn)定過程的正確模擬以及最終結果的可靠性。

【發(fā)明內容】

[0006]針對現有技術中的不足之處，本發(fā)明提供了一種含夾層類巖體制作模型試驗裝置及其試驗方法，該方法模型試樣制取容易、可重復性好，能根據前期現場勘察數據真實地模擬不同物理條件下的含夾層類巖體，相似模型試驗保證了地層賦存狀態(tài)，可更好地觀測分析夾層巖體破壞過程，為研究層狀巖體破壞機理和破壞模式提供充分的理論支持和技術指導。
[0007]本發(fā)明的目的是采用如下技術方案實現的:
1.一種含夾層類巖體制作模型試驗裝置，包括半圓形角度器、擋板、側板、圓形轉盤、取芯機鉆頭、平板、平板角度控制桿、固定螺桿、底板、夾層模型試件、U型板和導槽，兩塊U型板垂直焊接在平板上，上下擋板和左右側板分別連接在穿過U型板的螺桿上，且與平板垂直，螺桿的前端分別固定有圓形轉盤，通過轉動圓形轉盤，改變上下擋板和左右側板在平板上的位置，使取芯機鉆頭能同一夾層模型試件上鉆取得到多個圓柱體試件，平板與底板、半圓形角度器通過鉸接螺栓相連，半圓形角度器上標有間隔為10°、范圍為0°~180°的刻度值，調節(jié)平板與水平面的傾角，使平板底部輪廓線與半圓形角度器上某特定角度的刻度線重合，能在取芯機鉆頭鉆孔下得到不同夾層傾角的圓柱體試件，底板通過螺栓和螺母固定于地面上，平板角度控制桿與平板通過鉸接螺栓連接，平板控制桿上鉆有螺孔，用螺桿經螺孔使平板控制桿位置始終保持水平并通過蝶形螺母、固定，螺桿在底板的導槽上移動，蝶形螺母固定螺桿的位置。
[0008]一種含夾層類巖體制作模型試驗裝置，所述的平板中心刻有邊長為20(T300mm的凹槽。
[0009]一種含夾層類巖體制作模型試驗裝置的試驗方法，包括如下步驟: O夾層模型試件為立方體，由巖塊和巖塊之間的夾層材料按一定的厚度相間組成，選擇夾層模型試件邊長為150mnT200mm，用計算機輔助設計繪制需要放置巖塊的輪廓中心線，輪廓中心線間距為15mnT30mm，通過改變巖塊的輪廓中心線間距調節(jié)夾層材料的厚度，打印輪廓中心線并貼于鋼模上部，選取巖體工程中的巖塊并切割成長寬高為(150mnT200mm) X(10mnTl5mm) X (150mnT200mm)，以輪廓中心線為中軸線放置巖塊并緊固鋼模螺栓，使巖塊被夾緊；
2)選取相關巖體工程有代表性的天然夾層材料，獲取夾層材料內聚力、內摩擦角和泊松比物理力學參數，得到用于制作夾層材料的普通硅酸鹽水泥、細沙灰砂比為0.4-0.5、水灰比為0.35^0.5，同時加入1%~1.5%的速凝劑；
3)先將稱量好的水泥、細沙、速凝劑放入攪拌器中攪拌均勻，再將量好的水倒入攪拌器中攪拌均勻，然后將其倒入步驟I)已組裝好的模具中，用鋼絲振搗至表面不再有大量氣泡溢出，抹平表面，為了避免由于試件材料強度和變形特性的變化而造成試驗結果的差異，每一批的試件都采用相同的材料、配合比、養(yǎng)護時間、模具；
4)將厚度為6mnTl0mm,邊長為200mm的木板墊放在步驟3)制作好的類巖體層狀模型下面，防止切削到最后巖石突然開裂使巖樣有塌角，再將夾層模型試件放置于含夾層類巖體制作模型試驗裝置的平板上，調整平板與水平面的傾角，再將螺桿上的蝶形螺母擰緊，在夾層模型試件的頂端用取芯機鉆頭向下鉆孔。
[0010]5)調整夾層模型試件在平板上的位置，再用取芯機鉆頭進行鉆孔取芯，在同一夾層模型試件上鉆取得到多個圓柱體試件，再對圓柱體試件進行切割，得到高徑比為廣2的圓柱體試件。
[0011]6)將制得的圓柱體試件進行力學試驗，獲得含夾層類巖體相關力學參數。
[0012]步驟4)用取芯機鉆頭向下鉆孔時，開始以慢速300轉/分~350轉/分鉆孔取芯，防止轉速過快斷芯，鉆入30_后增加鉆速至600轉/分~700轉/分。
[0013]步驟4)所述的調整平板與水平面的傾角，分別為0°、10°、20°、30°、40°、50° 60°、70°、80° 或 90°。
[0014]所述的取芯機鉆頭大小為50mm、75mm或100mm。
[0015]與現有技術相比，本發(fā)明的一種含夾層類巖體制作模型試驗裝置及其試驗方法，具有如下優(yōu)點:
1、本發(fā)明的試驗裝置結構簡單，操作方便，通過調節(jié)輪廓中心線間距和模型試件傾斜角度，可以得到不同夾層厚度和傾角的夾層模型試件，更換金剛鉆頭大小并對圓柱體試件進行切割，可得到不同高徑比的圓柱體試件，能更真實地模擬不同夾層厚度和傾角的含夾層類巖體，可以實現夾層厚度和傾角、圓柱體試件的高徑比、尺寸效應等對含夾層類巖體的影響分析。
[0016]2、將圓柱體試件依次轉移至試驗裝置中進行加載，加載和取芯裝置可充分利用現有設備，能有效地加快試驗進度，可批量制作不同夾層厚度和傾角、高徑比、尺寸效應等的圓柱體試件，提高了試驗效率。
[0017]3、基座處的角度讀取器可以方便、快速地確定放于試驗裝置中的含夾層類巖體模型角度。
[0018]4、對于現場取回的不規(guī)則的巖樣，通過上下擋板和左右側板的夾緊，能直接對其進行取芯操作，無需前期先將其澆筑成規(guī)則形狀，節(jié)約了時間。
[0019]5、試驗方法改進了含夾層類巖體相似模型試驗制作流程，提高了試驗裝置利用率，加快了試驗進程。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明裝置的主視圖；
圖2為本發(fā)明裝置的立體圖；
圖3為本發(fā)明夾層模型試件的俯視圖；
圖4為不同傾角圓柱體試件立體圖；
圖5為不同高徑比圓柱體試件主視圖。
【具體實施方式】
[0021]下面通過實施例并結合附圖，對本發(fā)明的技術方案作進一步具體的說明。圖中半圓形角度器1、上下擋板2、左右側板3、圓形轉盤4、圓形轉盤28、取芯機鉆頭5、平板6、螺栓7、螺母8、平板角度控制桿9、固定螺桿10、蝶形螺母11、底板12、夾層模型試件13、U型板14、U型板26、螺桿15、螺桿27、鉸接螺栓16、蝶形螺母17、鉸接螺栓18、凹槽19、和導槽20、蝶形螺母21。
[0022]實施例1:
如圖1和圖2所示，本發(fā)明包括半圓形角度器1、上下擋板2、左右側板3、圓形轉盤4、取芯機鉆頭5、平板6、平板角度控制桿9、固定螺桿10、底板12、夾層模型試件13、U型板14、U型板26和導槽20，U型板26和U型板14垂直焊接在平板6上，上下擋板2和左右側板3分別連接在穿過U型板26和U型板14的螺桿27和螺桿15上，且與平板6垂直，螺桿27和螺桿15的前端分別固定有圓形轉盤28和圓形轉盤4，通過轉動圓形轉盤28和圓形轉盤4，改變上下擋板2和左右側板3在平板6上的位置，使取芯機鉆頭5能同一夾層模型試件13上鉆取得到多個圓柱體試件25，平板6中心刻有邊長為20(T300mm的凹槽19，用于放置厚度為6mnTl0mm,邊長為200mm的木板,平板6與底板12、半圓形角度器I通過鉸接螺栓18相連，半圓形角度器I上標有間隔為10°、范圍為0°?180°的刻度值，調節(jié)平板6與水平面的傾角，使平板6底部輪廓線與半圓形角度器I上某特定角度的刻度線重合，能在取芯機鉆頭5鉆孔下得到不同夾層傾角的圓柱體試件，底板12通過螺栓7和螺母8固定于地面上，平板角度控制桿9與平板6通過鉸接螺栓16連接，平板控制桿9上鉆有螺孔，用螺桿10經螺孔使平板控制桿9位置始終保持水平并通過蝶形螺母17和蝶形螺母21固定，螺桿10在底板12的導槽20上移動，蝶形螺母11固定螺桿10的位置。
[0023]一種含夾層類巖體制作模型試驗裝置的試驗方法，包括如下步驟:
O夾層模型試件為立方體，由巖塊23和巖塊之間的夾層材料22按一定的厚度相間組成，選擇夾層模型試件邊長為150mnT200mm，用計算機輔助設計繪制需要放置巖塊23的輪廓中心線，輪廓中心線24間距為15mnT30mm，通過改變巖塊的輪廓中心線24間距調節(jié)夾層材料22的厚度，打印并貼于鋼模29上部，選取巖體工程中的巖塊23并切割成長寬高為(150mm~200mm) X (10mm^1 5mm)X (150mm~200mm),以輪廊中心線為中軸線放置巖塊2并緊固鋼模螺栓，使巖塊23被夾緊；2)選取相關巖體工程有代表性的天然夾層材料，獲取夾層材料內聚力、內摩擦角和泊松比物理力學參數，得到用于制作夾層材料的普通硅酸鹽水泥、細沙灰砂比為0.4~0.5、水灰比為0.35~0.5，同時加入1%~1.5%的速凝劑；
3)先將稱量好的水泥、細沙、速凝劑放入攪拌器中攪拌均勻，再將量好的水倒入攪拌器中攪拌均勻，然后將其倒入步驟I)已組裝好的模具中，用鋼絲振搗至表面不再有大量氣泡溢出，抹平表面，為了避免由于試件材料強度和變形特性的變化而造成試驗結果的差異，每一批的試件都采用相同的材料、配合比、養(yǎng)護時間、模具；
4)將厚度為6mnTl0 mm，邊長為200mm的木板墊放在步驟3)制作好的類巖體層狀模型下面，防止切削到最后巖石突然開裂使巖樣有塌角，再將夾層模型試件放置于含夾層類巖體制作模型試驗裝置的平板6上，以10°為間隔，調整平板與水平面的傾角，再將螺桿上的蝶形螺母擰緊，在夾層模型試件的頂端用取芯機鉆頭5向下鉆孔，取芯機鉆頭5大小為50_、75mm或IOOmm ;向下鉆孔時，開始以慢速300轉/分~350轉/分鉆孔取芯，防止轉速過快斷芯，鉆入30mm后增加鉆速至600轉/分~700轉/分；
5)調整夾層模型試件在平板上的位置，再用取芯機鉆頭5進行鉆孔取芯，在同一夾層模型試件13上鉆取得到多個圓柱體試件，再對圓柱體試件進行切割，得到高徑比為廣2的圓柱體試件30 ；
6)將制得的圓柱體試件進行力學試驗，獲得含夾層類巖體相關力學參數。
【權利要求】
1.一種含夾層類巖體制作模型試驗裝置，其特征在于，包括半圓形角度器(I)、上下擋板(2)、左右側板(3)、圓形轉盤(4)、圓形轉盤(28)、取芯機鉆頭(5)、平板(6)、平板角度控制桿(9)、固定螺桿(10)、底板(12)、夾層模型試件(13)、U型板(14)、U型板(26)和導槽(20 )，U型板(26 )和U型板(14 )垂直焊接在平板(6 )上，上下擋板(2 )和左右側板(3 )分別連接在穿過U型板(26)和U型板(14)的螺桿(27)和螺桿(15)上，且與平板(6)垂直，螺桿(27)和螺桿(15)的前端固定有圓形轉盤(28)和圓形轉盤(4)，通過轉動圓形轉盤(28)和圓形轉盤(4)，改變上下擋板(2)和左右側板(3)在平板(6)上的位置，使取芯機鉆頭(5)能在同一夾層模型試件(13)上鉆取得到多個圓柱體試件(25)，平板(6)與底板(12)、半圓形角度器(I)通過鉸接螺栓(18)相連，半圓形角度器(I)上標有間隔為10°、范圍為0°~180°的刻度值，調節(jié)平板(6)與水平面的傾角，使平板(6)底部輪廓線與半圓形角度器(I)上某特定角度的刻度線重合，能在取芯機鉆頭(5)鉆孔下得到不同夾層傾角的圓柱體試件，底板(12)通過螺栓(7)和螺母(8)固定于地面上，平板角度控制桿(9)與平板(6)通過鉸接螺栓(16)連接，平板控制桿(9)上鉆有螺孔，用螺桿(10)經螺孔使平板控制桿(9)位置始終保持水平并通過蝶形螺母(17)、(21)固定，螺桿(10)在底板(12)的導槽(20)上移動，蝶形螺母(11)固定螺桿(10)的位置。
2.根據權利要求1所述的一種含夾層類巖體制作模型試驗裝置，其特征在于，平板(6)中心刻有邊長為20(T300mm的凹槽(19)。
3.一種用權利要求 1所述的含夾層類巖體制作模型試驗裝置的試驗方法，其特征在于包括如下步驟: O夾層模型試件(13)為立方體，由巖塊(23)和巖塊之間的夾層材料(22)按一定的厚度相間組成，選擇夾層模型試件邊長為150mnT200mm，用計算機輔助設計繪制需要放置巖塊(23)的輪廓中心線(24)，輪廓中心線(24)間距為15mnT30mm，通過改變巖塊的輪廓中心線(24)間距調節(jié)夾層材料(22)的厚度，打印輪廓中心線(24)并貼于鋼模(29)上部，選取巖體工程中的巖塊(23)并切割成長寬高為(I50mm~200mm) X (10mm~15mm)X (150mm~200mm),以輪廓中心線(24)為中軸線放置巖塊(23)并緊固鋼模螺栓，使巖塊(23)被夾緊；2)選取相關巖體工程有代表性的天然夾層材料，獲取夾層材料內聚力、內摩擦角和泊松比物理力學參數，得到用于制作夾層材料的普通硅酸鹽水泥、細沙灰砂比為0.0.5、水灰比為`0.35~0.5，同時加入1%~1.5%的速凝劑； 3)先將稱量好的水泥、細沙、速凝劑放入攪拌器中攪拌均勻，再將量好的水倒入攪拌器中攪拌均勻，然后將其倒入步驟I)已組裝好的模具中，用鋼絲振搗至表面不再有大量氣泡溢出，抹平表面，為了避免由于試件材料強度和變形特性的變化而造成試驗結果的差異，每一批的試件都采用相同的材料、配合比、養(yǎng)護時間、模具； 4)將厚度為6mnTl0mm,邊長為200mm的木板墊放在步驟3)制作好的類巖體層狀模型下面，防止切削到最后巖石突然開裂使巖樣有塌角，再將夾層模型試件(13)放置于含夾層類巖體制作模型試驗裝置的平板(6)上，調整平板與水平面的傾角，再將螺桿上的蝶形螺母擰緊，在夾層模型試件的頂端用取芯機鉆頭(5)向下鉆孔； 5)調整夾層模型試件在平板上的位置，再用取芯機鉆頭(5)進行鉆孔取芯，在同一夾層模型試件(13)上鉆取得到多個圓柱體試件，再對圓柱體試件進行切割，得到高徑比為廣2的圓柱體試件(30)；6)將制得的圓柱體試件進行力學試驗，獲得含夾層類巖體相關力學參數。
4.根據權利要求3所述的含夾層類巖體制作模型試驗裝置的試驗方法，其特征在于:步驟4)用取芯機鉆頭(5)向下鉆孔時，開始以慢速300轉/分~350轉/分鉆孔取芯，防止轉速過快斷芯，鉆入30mm后增加鉆速至600轉/分~700轉/分。
5.根據權利要求3所述的含夾層類巖體制作模型試驗裝置的試驗方法，其特征在于:步驟4)所述的調整平板與水平面的傾角，分別為0°、10°、20°、30°、40°、50° 60°、70°、80°或 90°。
6.根據權利要求3所述的 含夾層類巖體制作模型試驗裝置的試驗方法，其特征在于:取芯機鉆頭(5)大小為50mm、75mm或100mm。
【文檔編號】G01N1/28GK103983494SQ201410251747
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年6月9日 優(yōu)先權日:2014年6月9日
【發(fā)明者】曹平, 歐可, 李好月, 韓東亞, 曹日紅, 陳沖, 董力瑋, 劉帝旭, 龍龍, 陳瑞文, 王飛 申請人:中南大學