本发明涉及一种模拟沉积岩成岩过程的实验模型制备装置和操作方法。具体涉及一种大尺寸实验研究用成岩控制因素模拟和岩体模型一体成型装置和操作方法，属于岩土工程与地质工程室内实验模型制作领域。主要由高温釜、成型室、成型配套组件、双向压裂结构、轴向施压结构、切割刀、可伸缩刀座、流体施压结构、分离及计量结构、传感控制单元和固定模块组成。
背景技术：
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采用室内重塑的岩土体样品进行缩尺实验是岩土工程与地质工程领域中一种十分重要的实验手段，能够让人们直观的观察到不同形态的岩土体在一定条件下的变化情况。而当下，室内缩尺实验所用岩土模型一般是采用胶黏剂粘各类类矿物粉末来制作的，其主要粘合成分为环氧树脂。采用这种方法制作的岩土体模型，其物理、化学性质与自然环境形成的岩体差异很大，不能很好的反应出岩土体本身的一些理化性质，而且还存在不同批次模型相似度低、误差大等问题，使用这种样品进行室内实验，往往会造成实验结果的失真。而且，常规的模型制作方法，除了3d打印技术，其余均不能在成岩的同时，控制岩土体结构构造的生成和排列，只能在模型制作完成后，再对其进行修整，这种修整，大多数时候对岩土体来说都是一种扰动，会破坏原本已经平衡的应力状态，对后续室内实验产生影响，而3d打印技术又无法制作出高强度的岩土体模型。最后，现有的成岩模拟制样装置体积都较小，制作样品的尺寸大多在厘米级别，不能满足岩土工程和地质工程室内等比实验的要求。所以，开发出一种利用自然界现成的岩土材料制作岩体工程与地质工程室内等比实验所需的大尺寸实验模型装置有重大的意义。
成岩作用表示的是岩体在沉积演化过程中所经历的一系列物理化学作用。不同于3d打印技术，通常所说的成岩作用是指沉积物在深埋环境下所经历的高温、高压和被热液包围的状态。而岩土体的结构构造和矿物成分的形成、分布都与成岩作用密切相关，岩土体所经历的成岩作用历史能直接影响岩土体工程性质的好坏。基于岩土材料的大尺寸实验模型制备装置是利用成岩作用原理，通过人为控制模拟地壳深处的高温高压环境，制作出契合实际工程条件的岩土体模型，采用这种方法制作的模型，其强度远高于使用3d打印制作的模型，已经接近或者达到了自然界原岩的强度。
技术实现要素：
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本发明的目的在于提供一种基于岩土材料的大尺寸实验模型制备装置及方法，模型制备装置由高温釜、成型室、成型配套组件、双向压裂结构、轴向施压结构、切割刀、可伸缩刀座、流体施压结构、分离及计量结构、传感控制单元和固定模块组成。各模块相互关联，共同组合为一种基于岩土材料的大尺寸实验模型制备装置。而结合本发明提供的装置操作方法，可以为岩土工程与地质工程室内缩尺实验提供大尺寸、高仿真岩土体样品，能等比例制作边坡、隧道、基坑或地下空间和地基基础等代表意义显著的工程模型，同时还可以实现断层带、裂隙和结构面的人为控制生成，结合膨胀式传感器，可以实时监测模型在各种工况实验条件下的物理、力学、化学指标的变化情况。
为达到上述目的，本发明提出了一种基于岩土材料的大尺寸实验模型制备装置及方法，包括：
高温釜，具有沿轴向贯穿的矩形容置腔，其顶面可中开，所述高温釜固定在所述固定模块上，用于给所述成型室提供高温环境；
成型室，为可扩展结构，固定在所述高温釜内，用于承载试样并完成整个反应过程，所述成型室在不添加任何成型配套组件的情况下，可分层制模，从而模拟自然界沉积岩的沉积序列，最低制模层厚为每相邻两个所述气体、液体排注口的间距，图2所画的形状和排注口仅为示意作用，具体形态，需根据实际情况定做；
成型配套组件，为单独制造的可扩展成型模具，如图3、4、5、6、7所示，模具采用高强度不锈钢或耐高温高压的柔性材料制作，保障足够的使用强度，图中所画，仅为示意作用，不限于具体形态和尺寸，可根据实际需要，更换为其他类型工程或地质体成型配套组件；成型配套组件不限于单独使用；
双向压裂结构：由轴向、侧向的两个可扩展的施压结构和所述成型室的顶、侧面的可开闭孔洞组成；在制样过程中孔洞一般处于关闭状态，两根加压杆也不与成型室接触，当需要在所制模型上形成定向裂隙时，孔洞打开，两个加压杆单独或者一同伸长至与模型接触，将应力施加于模型上，使其定向开裂；
轴向施压结构：分为上压杆组和下顶杆组，上压杆组由一根主杆和四根加压杆组成，下顶杆由四根加压杆组成，他们分别顶抵于所述成型室顶底面的四个方位，为所述样品室提供轴向压力；所述四根下顶杆可各自单独顶升，用于模拟成岩条件下的非均质地基形成环境，还可以用于制作包含交错层理或者地层尖灭现象的岩土体模型；进一步，所述上压杆组的主杆与四根加压杆通过分压结构连接，主杆压力通过四根加压杆传递给成型室；
所述切割刀通过所述可伸缩刀座固定在所示固定模块侧面，在所述高温釜和所述成型室同侧开有矩形刀孔，用于所述切割刀进入所述成型室；所述矩形刀孔设有关闭阀门，采用耐高温密封合金板制作，防止实验样品和高温热液的泄露；
其中，所述成型室为可扩展立方体结构，其长宽高的尺寸不低0.5m，与所述轴向施压结构和所述刀孔一起围成所述密闭空间；
所述流体施压结构为可扩展结构，与所述成型室通过所述气、液体的排注口连接，用于调节制模时试样的空隙流体压力；进一步地，所述流体施压结构包括：流体输送管路、气体液体源以及输送泵；所述气体、液体源通过所述输送泵、所述液体管路和气、液体采注口与所述成型室相连；根据需要，也可加装温、压监测设备。
所述分离及计量结构为可扩展结构，与所述成型室通过所述气、液体的排注口连接，用于收集产物，并对其进行分离储存和计量；进一步的，所述分离及计量结构依照连接次序，由如下几个部分组成：气、液体排注口、冷却器、气液分离器、液体收集测量装置和气体收集测量装置；根据需要，可在加装物质检测装置、元素分析装置和ph检测装置等。
所述传感控制单元包括：控制器、温度传感器、压力应变传感器和空隙流体压力变送器；进一步的，所述温度传感器设置在所述成型室外侧，与所述控制器相连，用于测量反应温度：进一步的，所述压力应变传感器设置在中部承台的下面，采用内部管线分别与所述轴向施压结构以及所述控制器相连；进一步的，所述空隙流体压力变送器分别通过内部管线与所述气体、液体输送泵和所述控制器相连；其中，在成岩模拟制模装置运转的情况下，所述各传感器同时开始工作，精确控制制模各个环节的温度、压力情况；进一步地，所述轴向施压油缸的压力输出范围为：0-200mpa，控制精度为：0.1mpa。进一步地，所述孔隙压力的范围是：0-100mpa，控制精度为：0.1mpa。进一步地，所述样品室内温度控制最高温度为：600℃，控制精度为：1℃。
所述传感控制单元通过内置导线分别与所述成型室、所述高温釜、所述切割刀、所述双向压裂结构、所述轴向施压结构、所述分离及计量结构以及所述流体施压结构相连，用于整体动作控制；进一步的，所述传感控制单元通过连接线与外接计算机相连能控制并实时监测所述成型室内温度、所述轴向施压结构施加的压力、整体位移以及所述流体施压结构的输出压力。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
1、本申请实施例中提供的一种基于岩土材料的大尺寸实验模型制备装置及方法，通过高温釜、成型室、成型配套组件、双向压裂结构、轴向施压结构、切割刀、可伸缩刀座、流体施压结构、分离及计量结构、传感控制单元和固定模块共同作用，模拟和监测沉积岩成岩过程的温度、静岩压力、液体压力、孔隙压力和构造应力，能够严格模拟成岩的地下环境，制作出与现实情况更接近的大尺寸、高仿真岩土体模型；
2、本申请实施例中提供的一种基于岩土材料的大尺寸实验模型制备装置及方法，能够基于上述结构，通关一定的操作方法和步骤，可以使用不同形状的成型配套组件来制作不同类型的岩土体实验模型，制作内容涵盖了边坡、隧道、地基基础、基坑和地下空间等常见工程对象的等比模型，同时还能人为控制断层带、裂隙和结构面的生成和分布，预留传感器埋设孔，能进行水、温度、应力和岩体的耦合实验；结合膨胀式传感器，可以实时监测模型在各种工况实验条件下的物理、力学、化学指标的变化情况；
3、本申请实施例中提供的一种基于岩土材料的大尺寸实验模型制备装置及方法，能够基于上述结构，通过分阶段成岩的方法，制作出包含不同层厚层理的沉积岩；通过调整下顶杆组各杆件的相对高差，再配合上切割刀，可以模拟自然界的沉积间断和地壳运动导致的交错层理、地层尖灭现象；
附图说明：
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为核心工作模块的三维结构示意图；
图3为倾斜边坡成型配套组件的三维结构示意图；
图4为直立边坡成型配套组件的三维结构示意图；
图5为隧道成型配套组件的三维结构示意图；
图6为断层成型配套组件的三维结构示意图；
图7为基坑或地下空间成型配套组件的三维结构示意图；
具体实施方式：
本申请实施例通过提供一种基于岩土材料的大尺寸实验模型制备装置及方法，解决现有技术中装置的制模尺寸小、不能包含层理和其他沉积结构、不同批次模型相似度低、误差大、不能一次成型的技术问题；达到了扩大模拟装置的可控模拟状态，整个制作过程，一次成型，无需后续加工即可开展后续实验，大大提升了室内模型实验的效率，而且整个制作过程的温、压情况全部由电脑控制，无需人工参与，减小误差，保障了每批次模型的相似度，为后续开展的岩土工程和地质工程室内模型实验提供了高相似度的实验材料，从根本上提高实验结果的精度和准确性。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。
请参考图1，为本发明一种基于岩土材料的大尺寸实验模型制备装置整体结构的示意图。如图所示，包括：电脑1、控制器2、核心工作模块3、产物分离及计量模块4和空隙流体施压模块5组成。产物分离及计量模块4依次由冷却器6、气液分离器7、液体测量装置9、液体收集装置8和气体测量装置10、气体收集装置11。反应中产生的气体、液体通过冷却分离后，分别保存于气体收集装置和液体收集装置中。流体施压结构5依次由空隙流体压力变送器12和液体输送泵13、气体输送泵14组成，通过管路将气、液体以一定的压力注入成型室3-6中；其中，控制器2通过导线将核心工作模块3和电脑1相连，使得使用者能通过电脑实时监控并采集数据以及控制整个装置的运行状态。产物分离及计量模块4和空隙流体施压模块5通过气、液体的排注口模块4与核心工作模块3和控制器2相连，能够通过电脑实时监控成型室3-6中的液体、气体产生情况和温、压力状况，进而对其进行调控。
请参考图2，为本发明一种基于岩土材料的大尺寸实验模型制备装置核心工作模块的三维结构示意图。如图所示，在本模块中，可以模拟高温高压的沉积岩成岩环境以及完成整个制模过程的全部反应，组件包括：高温釜3-4、成型室3-6、切割刀3-19、双向压裂结构3-9、可伸缩刀座3-18、上压杆组：主杆3-2和分压杆3-3、下顶杆组3-10、三级承台：第1级承台3-20、第2级承台3-13、第3级承台3-11、支撑固定结构3-12、气体、液体的排注口3-5、过滤金属片3-14、温度传感器3-15、传感器线路集成盒3-1；其中：高温釜3-4具有可中开的上顶和沿轴向贯穿的四个通道用于上压杆组的四个分压杆3-3穿过；成型室3-6包含于高温釜3-4的容置腔中部，成型室3-6的顶底面与容置腔的顶底面有一定间隙，成型室3-6为可扩展立方体，尺寸可根据具体情况确定，成型室3-6采用内壳为高强度特种钢材料，外层紧裹一层铜壳，即保证了样品室的强度，也保证了样品室与高温釜3-4的热传导效率。上压杆组的分压杆3-3和下顶杆组3-10各分别顶抵于成型室3-6的两端，上压杆组的轴向力通过主杆3-2和四个分压杆3-3共同施加，下顶杆组3-10由四个分压杆组成，可以分别单独控制每个杆件的抬升与下降。
在本发明中，所述高温釜3-4采用可以耐受高温高压强度的合金钢制成。该合金钢在高温(700℃)高压(350mpa)条件下不会产生蠕变、破损及开裂，不会导致筒体微漏，保证了模拟实验过程的安全性。
在成型室3-6前面设有气体、液体的排注口3-5和过滤金属片3-14。该过滤金属片3-14为单向耐弱酸碱的金属滤片，具有一定的渗透性和刚性；成型室3-6顶、侧面上分别设有可开启的孔洞3-7；
进一步地，所述流体施压结构5通过所述气体、液体的排注口3-5与所述成型室3-6相连，用于施加空隙、流体压力；
进一步的，所述分离及计量结构4通过所述气体、液体的排注口3-5与所述成型室3-6连接，用于收集产物，并对其进行分离储存和计量；
所述三级承台，从下往上依次为：第1级承台3-20、第2级承台3-13、第3级承台3-11，他们与所述支撑固定结构3-12一同组成所述固定模块；第1级承台3-20上放置所述高温釜3-4、成型室3-6和下顶杆组3-10；第2级承台3-13的底面与所述上顶杆组的四根分压杆3-3连接；第2级承台顶面为所述上顶杆组的主杆3-2；第3级承台底面与所述上顶杆组的主杆3-2相连接，上面设置有传感器线路集成盒3-1。
进一步的，所述切割刀3-19与所述可伸缩刀座3-18一起固定在所述支撑固定结构3-12上；所述切割刀3-19可以通过所述刀孔3-16进入所述成型室3-6内，切割样品；
请参考图3、图4、图5、图6、图7，为本发明一种基于岩土材料的大尺寸实验模型制备装置的成型配套组件的三维结构示意图。图3和图4所示组件为边坡成型组件15-1、15-2，可用于制作包含平台、斜坡、直立坡的边坡等比模型，其中，斜坡角度、平台/斜坡比例和坡面光滑度不限于某一特定值，可根据实际需要调整，特殊情况下可制作全斜坡面；图5所示组件为隧道成型组件15-3，可用于制作隧道等比模型，其中隧道直径和形态不限于某一固定模式，可根据实际需要调整洞径和形态；图6所示组件为断层生成组件15-4，可用于生成岩体内的断层带，使用耐高温高压的薄片材料制成。图6所示，仅为示意作用，具体形态，需根据实际情况定做；进一步的，所述的成型配套组件不限于单独使用，可任意组件之间组合搭配，用于制作出含有复杂空间形态的岩体模型，所有成型配套组件不限于固体表面光滑，可根据工程实际情况在表面加入一些起伏；图7所示组件为基坑或地下空间成型组件，是由耐高温高压的柔性材料制成，底部设有高压气管，与所述气体、液体的排注口3-5连接，用于注入或排出气体。本组件由可拆卸的两个部分组成，单独使用基坑组件15-5-2时，可用于生成明挖的工程基坑，当顶盖15-5-1和基坑组件15-5-2组合使用时，可用于生成暗挖的地下空间硐室；组件底部设有高压气管15-5-3，使用时与气体、液体的排注口连接，用于在制模过程中给组件内部注入或排出气体，其中基坑或地下空间的尺寸和形态不限于某一特定值，可根据实际需要调整；
本发明提供的一种基于岩土材料的大尺寸实验模型制备装置，其操作方法如下：
1.在制作常规岩体模型时，将所需矿物组合放入所述成型室3-6内，关闭成型室3-6和高温釜3-4侧面的矩形刀孔3-16，上压杆组的分压杆3-3和下顶杆组3-10分别顶抵于成型室3-6的顶底面，下顶杆组3-10降至最低水平位置就绪后，开始逐渐施加轴向压力；同时高温釜3-4和流体施压结构5给试样提供一定的成岩温度和维持一定的空隙流体压力，产物分离及计量模块4开始工作，传感控制单元2也时刻检测仪器的各项指标；
2.在制作含有水平层理的模型时，操作与制作常规岩体样品类似，为了模拟沉积岩的沉积序列，增加了将制模材料依次分层放入所述成型室3-6内的步骤，其余同上；
3.在制作含有交错层理或者存在地层尖灭现象的模型时，需要分为如下几步：首先将部分制模材料依次放入所述成型室3-6内制模，在第一阶段制模结束后，所述轴向施压结构的下顶杆组部分顶升，使岩体模型倾斜，随后所述刀孔3-16打开，所述切割刀3-19进入所述成型室削去部分模型，清理碎屑物。然后，顶升的下顶杆恢复水平，放入新的试样材料开始制模，重复此步骤，可以制作出含有交错层理或者存在地层尖灭现象的沉积岩模型；
4.在制作隧道等比模型时，只需要在制模前将成型配套组件15-3埋入成型室内的制模材料中，然后按照流程1操作即可，如需制作层状岩层中的隧道等比模型，根据步骤2操作即可；
5.在制作包含基坑或者地下空间的等比模型时，操作步骤与隧道类似，只需要将隧道成型组件换为基坑或者地下空间成型配套组件15-5即可。但，在制作地下空间等比模型需要注意一下两点：一、制模过程中应保持轴向压力与模型内部气压一致，防止组件变形；二、制模介绍后，需要通过抽气的方式将地下空间组件与模型剥离，以免组件对模型内壁起支撑作用，影响后续实验结果；
6.在制作不同坡角的边坡等比模型时，只需要将成型室的上顶板换为边坡的成型配套组件15-1或15-2，然后将制模材料放入所述成型室内，按照常规制模流程操作即可，如需制作层状岩层中的边坡模型，根据步骤2操作即可；
7.在制作包含断层带的等比模型时，需要将断层生成薄片15-4连同制模材料一同放入成型室中，然后按照常规制作模型，由于断层生成薄片的采用耐高温高压的特种材质制成，他们的存在会使所制岩土体内部产生物理分割，当制样完成后，通过液压机械臂拔出薄片后所留下的空隙即可视为断层带。