阶梯状节理岩桥模型制备装置及其使用方法与流程

本发明属于实验模型制备领域，具体涉及阶梯状节理岩桥模型制备装置及其使用方法。

背景技术：

自然界广泛分布的天然岩体均是岩块和结构面的组合体，以节理裂隙为代表的结构面及其控制下所形成的岩桥是影响岩体稳定性的重要因素。根据地质力学、岩体力学等领域关于脆性岩石中节理裂隙等结构面的扩展机理、尺寸效应、力学机制方面的研究要求，在混凝土等脆性材料中制造不同尺寸、不同方位、不同间距、不同组合形式的阶梯状节理岩桥模型并应用于实验室研究是极为必要的。

目前应用于混凝土物理模型的节理制备技术大体上可分为切割和预制两类。切割是指待混凝土物理模型终凝之后，运用切割器具在指定位置切割形成尺寸、方位符合实验设计要求的节理：普通的岩石切割机是大型专业机械，只能实现从边缘至内部的切割路径，此外其圆盘状切割锋刃不能切割出平齐段口，因此具有操作复杂、成缝精度低、不能制备内部节理等诸多不足；对于小尺寸混凝土式样，采用钢锯条手动切割是一种方便有效、简单易行的节理制备方法，但其对于内部节理制备却束手无策。预制则是在混凝土初凝之时或制样之初运用铁片等器具在实验设计的节理位置占位并适时取出，待混凝土物理模型终凝后于相应位置形成节理：最为简单直接的预制节理方法就是在混凝土物理模型成型后在确定的位置插上预制铁片，初凝后拔出铁片形成人工节理，该方法简单易行、方便快捷，但其铁片在插入过程中极易偏离设计轨迹。

为了弥补上述各种方法的不足，得到更为合理、有效、精确、适用的节理制备方法，众多科研人员在长期的工作中发明了诸多人工节理制备装置。专利号201310723321.X公开的一种切割设备能精确制造出不同角度和不同连通率的节理，但是其切割路径依然必须从边缘至内部，无法制造出内部节理；专利号201510076538.5、专利号201310031407.2、专利号201520109083.8、专利号201521041507.8各自公开的制作带节理模型的装置，本质上都是制样模具与节理预制工具的复合体，虽然能通过各种思路制造出不同方位、不同尺寸、不同连通率的节理模型，但是各套装置均只适用于对应的节理岩体，局限性太强；专利号201510823732.5公开的一种节理制备装置及方法虽然解决了前述的局限性问题，但是其装料过程和振动、密实等后期工作将十分不便，必然影响式样的整体质量。阶梯状节理岩桥模型制备要求节理间距、尺寸、位置均能灵活变化以满足科学实验的对比性需求，因此，需要寻找一种能制造出不同方位、不同间距、不同尺寸、不同连通率的内部节理，具有普适性且不影响式样制备工艺的阶梯状节理制备方法。

技术实现要素：

为了满足上述需要，并使得节理制备方法达到相关要求，本发明提供一种阶梯状节理岩桥模型制备装置。

具体的技术方案为：

阶梯状节理岩桥模型制备装置，包括插片、上部定位组件、下部定位组件和底板，底板上有凹槽，下部定位组件安装在底板上的凹槽内；所述的下部定位组件上方安装有上部定位组件，所述的底板上还有竖直开口，所述的插片插在所述的竖直开口内；所述的上部定位组件包括两个立方体构件，所述的立方体构件之间留有空隙，两个立方体构件相对的侧面上有浅槽，浅槽用于插入插片。

所述的上部定位组件的两个立方体构件上有对应的水平配合孔，水平配合孔内穿插螺杆，螺杆端部用羊角螺母固定。

所述的下部定位组件的上表面也有凹槽，下部定位组件的凹槽侧边与底板的凹槽侧边相互垂直。

所述的下部定位组件由两块构件组成，插片从两块构件之间穿过；所述的两块构件上有对应的水平配合孔，水平配合孔内穿插螺杆，螺杆端部用羊角螺母固定。

阶梯状节理岩桥模型制备装置的使用方法为：在模具上制样成型，待其初凝后，不拆模，将插片竖置于模具开口面的相应位置，将底板穿入插片并平置于模具开口面上；安装下部定位组件，确保插片竖直并用三角板检验，目测定位组件夹持面平行后，安装螺杆并拧紧羊角螺母以紧固下部定位组件；安装上部定位组件，目测定位组件夹持面平行，安装螺杆并拧紧羊角螺母以紧固上部定位组件；用小型榔头连续垂向轻击插片上端，直至插片深入式样底部，节理贯通；取出装置，拔出插片，人工节理制造完成。

本发明提供的阶梯状节理岩桥模型制备装置及其使用方法，具有预制与切割相结合的特点，能实现内部造缝这一特殊要求，无需专配模具，制样装置可重复使用，造缝周期短，具有极强的普适性，基于该装置的制样工艺流程具有简单易行、方便快捷的优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的上部定位组件立体图；

图3为本发明的上部定位组件俯视图；

图4为本发明的下部定位组件立体图；

图5为本发明的底板立体图。

具体实施例

结合实施例说明本发明的具体实施方式。

如图1所示阶梯状节理岩桥模型制备装置，包括插片1、上部定位组件2、下部定位组件3和底板4，如图5所示，底板4上有凹槽，下部定位组件3安装在底板4上的凹槽内；所述的下部定位组件3上方安装有上部定位组件2，所述的底板4上还有竖直开口9，所述的插片1插在所述的竖直开口9内；所述的上部定位组件2包括两个立方体构件，所述的立方体构件之间留有空隙，两个立方体构件相对的侧面上有浅槽8，浅槽8用于插入插片1。

如图2和图3所示，所述的上部定位组件2的两个立方体构件上有对应的水平配合孔6，水平配合孔6内穿插螺杆5，螺杆5端部用羊角螺母7固定。

如图4所示，所述的下部定位组件3的上表面也有凹槽，下部定位组件3的凹槽侧边与底板4的凹槽侧边相互垂直。

所述的下部定位组件3由两块构件组成，插片1从两块构件之间穿过；所述的两块构件上有对应的水平配合孔6，水平配合孔6内穿插螺杆5，螺杆5端部用羊角螺母7固定。

阶梯状节理岩桥模型制备装置的使用方法为：制样成型，待其初凝后，不拆模，将插片1竖置于模具开口面的相应位置，将底板4穿入插片1并平置于模具开口面上；安装下部定位组件3，确保插片1竖直并用三角板检验，目测定位组件夹持面平行后，安装螺杆并拧紧羊角螺母以紧固下部定位组件3；安装上部定位组件2，目测定位组件夹持面平行，安装螺杆并拧紧羊角螺母以紧固上部定位组件2；用小型榔头连续垂向轻击插片1上端，直至插片1深入式样底部，节理贯通；取出装置，拔出插片1，人工节理制造完成。

所述的插片1是厚度满足设计要求的矩形薄片，长度需大于设备高度与模具高度的总和，宽度为10mm。

所述的底板4是一种带凹槽装置，长宽均应大于制样模具的对角线长度，凹槽内部厚5mm，凹槽两侧凸起部分厚10mm，中部开有用于与插片1配合且尺寸足够大的竖直开口9。

所述的下部定位组件3由左右两个构件组成，构件设有左侧凸起，右立方体构件设有右侧凸起，左右立方体构件拼接即可形成凹槽，立方体构件沿高度方向的中部位置对称布置有两个贯穿左右的水平配合孔6，用以穿插螺杆5。

所述的上部定位组件2由前后两个立方体构件组成，立方体构件对称布置有四个贯穿前后的水平配合孔6，用以穿插螺杆5，立方体构件内侧壁布置有与插片配合的浅槽8。

所述的螺杆5长度大于穿插孔6，直径略小于穿插孔6，两端开设有足够长的螺纹段，用以与羊角螺母7配合。

实施例1：制备位置居中、宽为10mm的单条张开节理。

按照前述要求制备装置，底板1尺寸150mm×150mm×5mm，以上各部件尺寸与底板尺寸严密配合；下部定位组件3厚50mm，上部定位组件2高100mm；插片长300mm，宽10mm，厚1mm。按照相似材料要求配制出混凝土物理模型，装填于内部尺寸为10cm×10cm×10cm的钢质模具中，振动密实，养护6h。

将插片1竖置于模具开口面的中间位置，将底板4穿入插片1并平置于模具开口面上；安装下部定位组件3，确保插片1竖直并用三角板检验，目测定位组件夹持面平行后，安装螺杆并拧紧羊角螺母以紧固下部定位组件3；安装上部定位组件2，目测定位组件夹持面平行，安装螺杆并拧紧羊角螺母以紧固上部定位组件2；用小型榔头连续竖向轻击插片上端，直至插片深入式样底部，节理贯通；取出装置，拔出插片，人工节理制造完成。待混凝土终凝，拆模，测量底部裂缝位置，裂缝居中，几乎无偏离。

实施例2：制备位置居中、宽为30mm的单条张开节理。

取出实施例1所制模型，待其终凝，用铅笔在预制节理对应位置划直线作为标记，将普通钢锯条穿过节理裂隙，沿着直线标记扩展节理裂隙，形成位置居中、宽为30mm的单条张开节理。

实施例3制备任意位置、任意方向、任意间距、任意尺寸、任意连通率、任意组合方式的阶梯状节理岩桥模型。

对制样成型、尺寸符合要求的混凝土物理模型，养护6h后，按照实验设计要求找准阶梯状节理岩桥的布置位置并做好标记，按照实施例1的方式插片，按照实施例2控制节理尺寸；重复上述操作，阶梯状节理岩桥制备完成，待式样养护期满，方可拆模取样，测量底部裂缝位置，裂缝均无偏离，各节理的位置、方向、间距、尺寸、组合方式及式样连通率均符合设计要求。