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?lián)醢?、左右?cè)板、圓形轉(zhuǎn)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(dǎo)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(fù)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(xué)試驗。本發(fā)明的試驗裝置結(jié)構(gòu)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(xiàn)有設(shè)備，分析不同條件對試件力學(xué)性質(zhì)的影響，對現(xiàn)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(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及巖土力學(xué)試驗技術(shù)，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(shù)】
[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(jié)構(gòu)面(如層面、片理面等)的巖體。自然界中具有層狀構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhì)病害，造成巨大的經(jīng)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(zāi)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(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬分析方法。物理模型試驗就是以相似理論為基礎(chǔ)，根據(jù)相似判據(jù)制作與原型成一定比例關(guān)系的含夾層類巖體來模擬巖體的破壞過程。而現(xiàn)有物理模型試驗一般以平面模型為主，且設(shè)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(xiàn)場試驗方法存在如下不足:一、現(xiàn)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(fù)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(xué)特性來說缺乏規(guī)律性；二、現(xiàn)場取樣無法大量復(fù)制相同條件下的層狀巖體。
[0005]數(shù)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(zhì)，且計算過程相對室內(nèi)試驗過程耗時減少，但在通常情況下，層狀巖體表現(xiàn)為非均質(zhì)和各向異性，并且常具有很強的非線性，而數(shù)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(jié)果的可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)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(fù)性好，能根據(jù)前期現(xiàn)場勘察數(shù)據(jù)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(shù)指導(dǎo)。
[0007]本發(fā)明的目的是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)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(cè)板、圓形轉(zhuǎn)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(dǎo)槽，兩塊U型板垂直焊接在平板上，上下?lián)醢搴妥笥覀?cè)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(zhuǎn)盤，通過轉(zhuǎn)動圓形轉(zhuǎn)盤，改變上下?lián)醢搴妥笥覀?cè)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(biāo)有間隔為10°、范圍為0°~180°的刻度值，調(diào)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(jīng)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(dǎo)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(shè)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(diào)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(guān)巖體工程有代表性的天然夾層材料，獲取夾層材料內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角和泊松比物理力學(xué)參數(shù)，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(jié)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(diào)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(diào)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(xué)試驗，獲得含夾層類巖體相關(guān)力學(xué)參數(shù)。
[0012]步驟4)用取芯機鉆頭向下鉆孔時，開始以慢速300轉(zhuǎn)/分~350轉(zhuǎn)/分鉆孔取芯，防止轉(zhuǎn)速過快斷芯，鉆入30_后增加鉆速至600轉(zhuǎn)/分~700轉(zhuǎn)/分。
[0013]步驟4)所述的調(diào)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(xiàn)有技術(shù)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(jié)構(gòu)簡單，操作方便，通過調(diào)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(xiàn)夾層厚度和傾角、圓柱體試件的高徑比、尺寸效應(yīng)等對含夾層類巖體的影響分析。
[0016]2、將圓柱體試件依次轉(zhuǎn)移至試驗裝置中進行加載，加載和取芯裝置可充分利用現(xiàn)有設(shè)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(yīng)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(xiàn)場取回的不規(guī)則的巖樣，通過上下?lián)醢搴妥笥覀?cè)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(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步具體的說明。圖中半圓形角度器1、上下?lián)醢?、左右側(cè)板3、圓形轉(zhuǎn)盤4、圓形轉(zhuǎn)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(dǎo)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?lián)醢?、左右側(cè)板3、圓形轉(zhuǎn)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(dǎo)槽20，U型板26和U型板14垂直焊接在平板6上，上下?lián)醢?和左右側(cè)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(zhuǎn)盤28和圓形轉(zhuǎn)盤4，通過轉(zhuǎn)動圓形轉(zhuǎn)盤28和圓形轉(zhuǎn)盤4，改變上下?lián)醢?和左右側(cè)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(biāo)有間隔為10°、范圍為0°?180°的刻度值，調(diào)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(jīng)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(dǎo)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(shè)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(diào)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(guān)巖體工程有代表性的天然夾層材料，獲取夾層材料內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角和泊松比物理力學(xué)參數(shù)，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(jié)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(diào)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(zhuǎn)/分~350轉(zhuǎn)/分鉆孔取芯，防止轉(zhuǎn)速過快斷芯，鉆入30mm后增加鉆速至600轉(zhuǎn)/分~700轉(zhuǎn)/分；
5)調(diào)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(xué)試驗，獲得含夾層類巖體相關(guān)力學(xué)參數(shù)。
【權(quán)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?lián)醢?2)、左右側(cè)板(3)、圓形轉(zhuǎn)盤(4)、圓形轉(zhuǎn)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(dǎo)槽(20 )，U型板(26 )和U型板(14 )垂直焊接在平板(6 )上，上下?lián)醢?2 )和左右側(cè)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(zhuǎn)盤(28)和圓形轉(zhuǎn)盤(4)，通過轉(zhuǎn)動圓形轉(zhuǎn)盤(28)和圓形轉(zhuǎn)盤(4)，改變上下?lián)醢?2)和左右側(cè)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(biāo)有間隔為10°、范圍為0°~180°的刻度值，調(diào)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(jīng)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(dǎo)槽(20)上移動，蝶形螺母(11)固定螺桿(10)的位置。
2.根據(jù)權(quán)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(quán)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(shè)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(diào)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(guān)巖體工程有代表性的天然夾層材料，獲取夾層材料內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角和泊松比物理力學(xué)參數(shù)，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(jié)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(diào)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(diào)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(xué)試驗，獲得含夾層類巖體相關(guān)力學(xué)參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)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(zhuǎn)/分~350轉(zhuǎn)/分鉆孔取芯，防止轉(zhuǎn)速過快斷芯，鉆入30mm后增加鉆速至600轉(zhuǎn)/分~700轉(zhuǎn)/分。
5.根據(jù)權(quán)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(diào)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(jù)權(quán)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(quán)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(xué)