CN106092699A - 长方体岩石试样三维断续贯通裂隙制作装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩土工程技术领域。一种长方体岩石试样三维断续贯通裂隙制作装置及方法，包括机架、设置在机架上的电动丝锯组件、三维移动组件、试样固定组件和裂隙宽度控制组件，其采用三维移动组件和试样固定组件，能够实现真实岩石试样的多方位三维调整，满足贯通裂隙的制作要求，与此同时，通过电动丝锯组件和裂隙宽度控制组件的配合，完成不同条数，不同倾角、不同宽度断续预制裂隙的制作，在此过程中，通过裂隙宽度控制组件能够有效的解决人工锯丝切割所带来的平直度和光滑度不足、不同试样间的裂隙差异性大的问题，能够最大限度的优化试验结果，确保试验结果的准确性，真实反映岩石的破裂规律。

Description

长方体岩石试样三维断续贯通裂隙制作装置及方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种长方体岩石试样三维断续贯通裂隙制作装置及方法。

背景技术

裂隙岩体是水利、采矿、交通、能源、国防等行业中最常见、最重要的介质之一。由于成岩作用以及构造运动，裂隙岩体内部存在不同尺度断续贯通发育的裂隙。裂隙岩体直接影响着大型水电工程地下厂房、超长水工隧洞、能源地下储存以及核废料地下隔离等岩体工程的安全与稳定，是进行工程规划、勘察、设计、施工以及长期运营过程中需要首先考虑的关键因素。国内外大量工程实践表明，工程岩体的破裂失稳大多是在环境营力作用下，岩体内部各种尺度的裂纹萌生、扩展和贯通造成的。因此，研究裂隙岩体的力学性质及裂隙萌生、扩展、贯通过程是非常重要的基础性研究工作，对于评价岩体工程的安全与稳定以及采取合理的支护措施都具有十分重要的意义。

室内试验是研究裂隙岩体力学性质和破裂特征的有效途径。一般采用在长方体试样中预制裂隙的方法进行室内压缩或剪切试验。在试验过程中，预制裂隙是一个较为困难的问题。由于模型试验相对容易实施，该方面的试验研究工作开展的较多。这一方法采用水泥砂浆、石膏、重晶石等材料按一定比例混合配制成类岩石材料模拟真实岩石，采用抽条法在模型试样中预埋云母片、薄钢片和铝片等制作断续贯通裂隙。然而，岩石是由不同矿物组成的介质，具有显著的非均匀性、各向异性等特征，类岩石材料难以准确反映真实岩石材料的力学属性和裂隙扩展机理。因此，在真实岩石中制作断续贯通裂隙是研究裂隙岩体力学特性和裂隙扩展特征的关键步骤。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在的问题和不足，提供一种长方体岩石试样三维断续贯通裂隙制作装置及方法，其结构设计合理、紧凑，且能够高效、快速批量制作三维断续贯通裂隙。

为达到上述目的，所采取的技术方案是：

一种长方体岩石试样三维断续贯通裂隙制作装置，包括机架、设置在机架上的电动丝锯组件、三维移动组件、试样固定组件和裂隙宽度控制组件；

所述的机架包括工作台板和支腿，所述的工作台板下部设置有下撑板，工作台板上部设置有上撑板，所述的电动丝锯组件包括由上摆杆、下摆杆、连杆和锯丝构成的四连杆切割机构、以及设置在下撑板上的驱动电机、偏心轮和驱动臂，上摆杆和下摆杆分别设置在工作台板的上下两侧，且上摆杆和下摆杆的中部分别与上撑板和工作台板枢接，与锯丝对应的工作台板上设置有穿丝通孔；

所述的三维移动组件包括纵向移动单元、横向移动单元和旋转单元，所述的纵向移动单元包括固定设置在工作台板上的纵向滑槽、匹配滑动卡设在纵向滑槽中的纵向滑轨、和设置在纵向滑轨与纵向滑槽之间的调节动力推杆，所述的横向移动单元包括固定设置在纵向滑轨上的横向滑槽、匹配滑动卡设在横向滑槽内的横向滑轨、和设置在横向滑槽与横向滑轨之间的调节动力推杆，所述的旋转单元包括固定设置在横向滑轨上的圆形底板、旋转滑动嵌设在底板上的护臂筒体和呈圆周均布设置在底板与护臂筒体之间的定位螺栓，护臂筒体外侧的底板上刻设有包角为360°的角度刻度尺，底板中部开设有切割通孔，所述护臂筒体内侧的底板上设置有对中刻度尺；

所述的试样固定组件包括对应设置在护臂筒体上的两夹紧动力推杆、和设置在夹紧动力推杆内端部的V型夹具；

所述的裂隙宽度控制组件包括平行设置在底板外侧的横向滑轨上的两立板、开设在立板顶部的调节滑槽、滑动卡设在两调节滑槽内的两滑块、和平行设置在两滑块之间的固定杆和移动杆，所述的滑块上开设有裂隙微调滑槽，移动杆匹配滑动开设在裂隙微调滑槽内，在移动杆与滑块之间、滑块与调节滑槽之间均设置有定位螺栓，所述的滑块上设置有千分尺。

所述的纵向滑槽通过多组U型夹具固定设置在工作台板上。

所述的调节动力推杆为螺杆、气缸或电动推杆的任一种，所述的夹紧动力推杆为螺杆、气缸或电动推杆中的任一种。

一种利用上述的长方体岩石试样三维断续贯通裂隙制作装置的裂隙制作方法，包括以下步骤：

①采集真实岩石样本，并对岩石样本进行切割打磨，形成长方体岩石试样，通过实体放样，确定多条断续预制裂隙的位置和尺寸，并在每条预制裂隙的两端进行钻孔，使得预制裂隙两端对应的岩石试样内形成贯穿顶底面的通透钻孔，且钻孔直径与预制裂隙的宽度相同；

②将长方体岩石试样放置在两V型夹具之间，参照底板上的对中刻度尺，调整岩石试样的方位，待其对称设置在护臂筒体的中间位置时，旋转夹紧动力推杆，推动V型夹具相向运动，夹紧岩石试样；

③转动护臂筒体，参照底板上的角度刻度尺，对岩石试样的角度进行调整，使得预制裂隙的长度方向与锯丝切割方向一致，即预制裂隙与移动杆平行，拧紧护臂筒体与底板之间的定位螺栓，将护臂筒体与底板完成固定；

④参照千分尺调节移动杆，将移动杆与固定杆之间的间距调整至预制裂隙的宽度，拧紧移动杆与滑块之间的定位螺栓，通过前后滑动滑块，使得移动杆与固定杆之间的间隙与预制裂隙上下对应重合，拧紧滑块与调节滑槽之间的定位螺栓；

⑤将三维移动组件固定在工作台板上，调整纵向移动单元和横向移动单元的调节动力推杆，使得岩石试样的预制裂隙其中一端的钻孔与上摆杆和下摆杆之间的锯丝相对应，将锯丝穿过钻孔，并拉紧固定连接设置在上摆杆和下摆杆之间；

⑥启动驱动电机，驱动电机带动偏心轮转动，由驱动臂驱动四连杆切割机构中的锯丝上下快速运动，转动横向滑槽和横向滑轨之间的调节动力推杆，驱动岩石试样横向移动，随着锯丝的快速上下运动，完成固定杆和移动杆之间的下方的岩石的磨蚀切割，当锯丝切割至预制裂隙另一端的钻孔处，停止转动横向滑槽和横向滑轨之间的调节动力推杆，关闭驱动电机，拆卸上摆杆和下摆杆之间的锯丝，完成一条三维断续贯通裂隙的制作；

⑦重复步骤③~⑥，在岩石试样内制作下一条预制裂隙，直至达到预定的裂隙条数。

所述的锯丝的直径较预制裂隙的宽度小0.1mm~0.2mm。

采用上述技术方案，所取得的有益效果是：

①本发明整体结构简单、操作方便、精度高、制作成本低，并且可以高效、快速批量地在真实长方体岩石试样中制作三维断续贯通裂隙，大大提高了力学实验的准确性，能够有效的反映岩石材料的力学属性和裂隙扩展机理；同时本申请能够实现不同条数，不同倾角、不同宽度的断续贯通裂隙的制作，相较于现有的人工制作裂隙，本发明可以机械化程度高，能够高精度批量制作岩石三维断续贯通裂隙，可以大幅提高工作效率。

②本发明采用三维移动组件和试样固定组件，能够实现岩石试样的多方位三维调整，满足贯通裂隙的制作要求，与此同时，通过电动丝锯组件和裂隙宽度控制组件的配合，完成预制裂隙的制作，在此过程中，通过裂隙宽度控制组件能够有效的解决锯丝切割所带来的平直度和光滑度不足、不同试样间的裂隙差异性大的问题，能够最大限度的优化试验结果，确保试验结果的准确性，真实反映岩石的破裂规律。

附图说明

图1为长方体岩石试样的三维断续贯通裂隙的结构示意图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为三维移动组件、试样固定组件和裂隙宽度控制组件的连接结构示意图。

图4为图3的左视结构示意图。

图5为图3的俯视结构示意图。

图6为裂隙宽度控制组件的结构示意图。

图中序号：1为工作台板、2为支腿、3为下撑板、4为上撑板、5为上摆杆、6为下摆杆、7为连杆、8为锯丝、9为驱动电机、10为偏心轮、11为驱动臂、12为纵向滑槽、13为纵向滑轨、14为调节动力推杆、15为U型夹具、16为横向滑槽、17为横向滑轨、18为底板、19为护臂筒体、20为定位螺栓、21为角度刻度尺、22为切割通孔、23为对中刻度尺、24为夹紧动力推杆、25为V型夹具、26为立板、27为调节滑槽、28为滑块、29为固定杆、30为移动杆、31为裂隙微调滑槽、32为千分尺、33为岩石试样。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

实施例一：参见图1-图6，本发明一种长方体岩石试样三维断续贯通裂隙制作装置，长方体岩石试样三维断续贯通裂隙结构如图1所示，该岩石试样包括两条断续贯通裂隙，其裂隙宽度为d，裂隙倾角为α。本发明制作该裂隙的装置包括机架、设置在机架上的电动丝锯组件、三维移动组件、试样固定组件和裂隙宽度控制组件。

其中，机架包括工作台板1和支腿2，所述的工作台板1下部设置有下撑板3，工作台板上部设置有上撑板4，所述的电动丝锯组件包括由上摆杆5、下摆杆6、连杆7和锯丝8构成的四连杆切割机构、以及设置在下撑板3上的驱动电机9、偏心轮10和驱动臂11，上摆杆5和下摆杆6分别设置在工作台板1的上下两侧，且上摆杆5和下摆杆6的中部分别与上撑板4和工作台板1枢接，与锯丝8对应的工作台板1上设置有穿丝通孔，由驱动电机9通过偏心轮10和驱动臂11带动四连杆切割机构往复上下运动，带动锯丝8进行往复切割。

所述的三维移动组件包括纵向移动单元、横向移动单元和旋转单元，所述的纵向移动单元包括固定设置在工作台板1上的纵向滑槽12、匹配滑动卡设在纵向滑槽12中的纵向滑轨13、和设置在纵向滑轨13与纵向滑槽12之间的调节动力推杆14，所述的纵向滑槽12通过多组U型夹具15固定设置在工作台板1上；所述的横向移动单元包括固定设置在纵向滑轨13上的横向滑槽16、匹配滑动卡设在横向滑槽16内的横向滑轨17、和设置在横向滑槽16与横向滑轨17之间的调节动力推杆14，调节动力推杆14采用螺杆、电动推杆或者气缸均可；所述的旋转单元包括固定设置在横向滑轨17上的圆形底板18、旋转滑动嵌设在底板18上的护臂筒体19和呈圆周均布设置在底板18与护臂筒体19之间的定位螺栓20，护臂筒体19外侧的底板18上刻设有包角为360°的角度刻度尺21，底板18中部开设有切割通孔22，所述护臂筒体19内侧的底板18上设置有对中刻度尺23。

所述的试样固定组件包括对应设置在护臂筒体19上的两夹紧动力推杆24、和设置在夹紧动力推杆24内端部的V型夹具25，其中夹紧动力推杆采用电动推杆、气缸或螺杆均可。

所述的裂隙宽度控制组件包括平行设置在底板18外侧的横向滑轨17上的两立板26、开设在立板26顶部的调节滑槽27、滑动卡设在两调节滑槽27内的两滑块28、和平行设置在两滑块之间的固定杆29和移动杆30，所述的滑块28上开设有裂隙微调滑槽31，移动杆30匹配滑动开设在裂隙微调滑槽31内，在移动杆30与滑块28之间、滑块28与调节滑槽27之间均设置有定位螺栓20，所述的滑块28上设置有千分尺32。

实施例二：参见图1-图6，一种利用实施例一所述的长方体岩石试样三维断续贯通裂隙制作装置的裂隙制作方法，包括以下步骤：

①采集真实岩石样本，并对岩石样本进行切割打磨，形成长方体岩石试样，通过实体放样，确定两条断续预制裂隙的位置和尺寸，并在每条预制裂隙的两端进行钻孔，使得预制裂隙两端对应的岩石试样内形成贯穿顶底面的通透钻孔，且钻孔直径与预制裂隙的宽度相同。

②将长方体岩石试样放置在两V型夹具之间，参照底板上的对中刻度尺，调整岩石试样的方位，待其对称设置在护臂筒体的中间位置时，旋转夹紧动力推杆，推动V型夹具相向运动，夹紧岩石试样。

③转动护臂筒体，参照底板上的角度刻度尺，对岩石试样的角度进行调整，使得预制裂隙的长度方向与锯丝切割方向一致，即预制裂隙与移动杆平行，拧紧护臂筒体与底板之间的定位螺栓，将护臂筒体与底板完成固定。

④参照千分尺调节移动杆，将移动杆与固定杆之间的间距调整至预制裂隙的宽度，拧紧移动杆与滑块之间的定位螺栓，通过前后滑动滑块，使得移动杆与固定杆之间的间隙与预制裂隙上下对应重合，拧紧滑块与调节滑槽之间的定位螺栓。

⑤将三维移动组件固定在工作台板上，调整纵向移动单元和横向移动单元的调节动力推杆，使得岩石试样的预制裂隙其中一端的钻孔与上摆杆和下摆杆之间的锯丝相对应，所述的锯丝的直径较预制裂隙的宽度小0.1mm~0.2mm，将锯丝穿过钻孔，并拉紧固定连接设置在上摆杆和下摆杆之间。

⑥启动驱动电机，驱动电机带动偏心轮转动，由驱动臂驱动四连杆切割机构中的锯丝上下快速运动，转动横向滑槽和横向滑轨之间的调节动力推杆，驱动岩石试样横向移动，随着锯丝的快速上下运动，完成固定杆和移动杆之间的下方的岩石的磨蚀切割，当锯丝切割至预制裂隙另一端的钻孔处，停止转动横向滑槽和横向滑轨之间的调节动力推杆，关闭驱动电机，拆卸上摆杆和下摆杆之间的锯丝，完成一条三维断续贯通裂隙的制作。

⑦重复步骤③~⑥，在岩石试样内制作下一条预制裂隙，直至达到预定的裂隙条数。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (5)

1.一种长方体岩石试样三维断续贯通裂隙制作装置，其特征在于：包括机架、设置在机架上的电动丝锯组件、三维移动组件、试样固定组件和裂隙宽度控制组件；

所述的机架包括工作台板和支腿，所述的工作台板下部设置有下撑板，工作台板上部设置有上撑板，所述的电动丝锯组件包括由上摆杆、下摆杆、连杆和锯丝构成的四连杆切割机构、以及设置在下撑板上的驱动电机、偏心轮和驱动臂，上摆杆和下摆杆分别设置在工作台板的上下两侧，且上摆杆和下摆杆的中部分别与上撑板和工作台板枢接，与锯丝对应的工作台板上设置有穿丝通孔；

所述的三维移动组件包括纵向移动单元、横向移动单元和旋转单元，所述的纵向移动单元包括固定设置在工作台板上的纵向滑槽、匹配滑动卡设在纵向滑槽中的纵向滑轨、和设置在纵向滑轨与纵向滑槽之间的调节动力推杆，所述的横向移动单元包括固定设置在纵向滑轨上的横向滑槽、匹配滑动卡设在横向滑槽内的横向滑轨、和设置在横向滑槽与横向滑轨之间的调节动力推杆，所述的旋转单元包括固定设置在横向滑轨上的圆形底板、旋转滑动嵌设在底板上的护臂筒体和呈圆周均布设置在底板与护臂筒体之间的定位螺栓，护臂筒体外侧的底板上刻设有包角为360°的角度刻度尺，底板中部开设有切割通孔，所述护臂筒体内侧的底板上设置有对中刻度尺；

所述的试样固定组件包括对应设置在护臂筒体上的两夹紧动力推杆、和设置在夹紧动力推杆内端部的V型夹具；

所述的裂隙宽度控制组件包括平行设置在底板外侧的横向滑轨上的两立板、开设在立板顶部的调节滑槽、滑动卡设在两调节滑槽内的两滑块、和平行设置在两滑块之间的固定杆和移动杆，所述的滑块上开设有裂隙微调滑槽，移动杆匹配滑动开设在裂隙微调滑槽内，在移动杆与滑块之间、滑块与调节滑槽之间均设置有定位螺栓，所述的滑块上设置有千分尺。

2.根据权利要求1所述的长方体岩石试样三维断续贯通裂隙制作装置，其特征在于：所述的纵向滑槽通过多组U型夹具固定设置在工作台板上。

3.根据权利要求1所述的长方体岩石试样三维断续贯通裂隙制作装置，其特征在于：所述的调节动力推杆为螺杆、气缸或电动推杆的任一种，所述的夹紧动力推杆为螺杆、气缸或电动推杆中的任一种。

4.一种利用权利要求1~3任一所述的长方体岩石试样三维断续贯通裂隙制作装置的裂隙制作方法，其特征在于：包括以下步骤：

①采集真实岩石样本，并对岩石样本进行切割打磨，形成长方体岩石试样，通过实体放样，确定多条断续预制裂隙的位置和尺寸，并在每条预制裂隙的两端进行钻孔，使得预制裂隙两端对应的岩石试样内形成贯穿顶底面的通透钻孔，且钻孔直径与预制裂隙的宽度相同；

②将长方体岩石试样放置在两V型夹具之间，参照底板上的对中刻度尺，调整岩石试样的方位，待其对称设置在护臂筒体的中间位置时，旋转夹紧动力推杆，推动V型夹具相向运动，夹紧岩石试样；

③转动护臂筒体，参照底板上的角度刻度尺，对岩石试样的角度进行调整，使得预制裂隙的长度方向与锯丝切割方向一致，即预制裂隙与移动杆平行，拧紧护臂筒体与底板之间的定位螺栓，将护臂筒体与底板完成固定；

④参照千分尺调节移动杆，将移动杆与固定杆之间的间距调整至预制裂隙的宽度，拧紧移动杆与滑块之间的定位螺栓，通过前后滑动滑块，使得移动杆与固定杆之间的间隙与预制裂隙上下对应重合，拧紧滑块与调节滑槽之间的定位螺栓；

⑤将三维移动组件固定在工作台板上，调整纵向移动单元和横向移动单元的调节动力推杆，使得岩石试样的预制裂隙其中一端的钻孔与上摆杆和下摆杆之间的锯丝相对应，将锯丝穿过钻孔，并拉紧固定连接设置在上摆杆和下摆杆之间；

⑥启动驱动电机，驱动电机带动偏心轮转动，由驱动臂驱动四连杆切割机构中的锯丝上下快速运动，转动横向滑槽和横向滑轨之间的调节动力推杆，驱动岩石试样横向移动，随着锯丝的快速上下运动，完成固定杆和移动杆之间的下方的岩石的磨蚀切割，当锯丝切割至预制裂隙另一端的钻孔处，停止转动横向滑槽和横向滑轨之间的调节动力推杆，关闭驱动电机，拆卸上摆杆和下摆杆之间的锯丝，完成一条三维断续贯通裂隙的制作；

⑦重复步骤③~⑥，在岩石试样内制作下一条预制裂隙，直至达到预定的裂隙条数。

5.根据权利要求4所述的裂隙制作方法，其特征在于：所述的锯丝的直径较预制裂隙的宽度小0.1mm~0.2mm。