長方體巖石試樣三維斷續貫通裂隙制作裝置及方法

長方體巖石試樣三維斷續貫通裂隙制作裝置及方法
【專利摘要】本發明屬于巖土工程技術領域。一種長方體巖石試樣三維斷續貫通裂隙制作裝置及方法，包括機架、設置在機架上的電動絲鋸組件、三維移動組件、試樣固定組件和裂隙寬度控制組件，其采用三維移動組件和試樣固定組件，能夠實現真實巖石試樣的多方位三維調整，滿足貫通裂隙的制作要求，與此同時，通過電動絲鋸組件和裂隙寬度控制組件的配合，完成不同條數，不同傾角、不同寬度斷續預制裂隙的制作，在此過程中，通過裂隙寬度控制組件能夠有效的解決人工鋸絲切割所帶來的平直度和光滑度不足、不同試樣間的裂隙差異性大的問題，能夠最大限度的優化試驗結果，確保試驗結果的準確性，真實反映巖石的破裂規律。
【專利說明】
長方體巖石試樣三維斷續貫通裂隙制作裝置及方法
技術領域
[0001]本發明屬于巖土工程技術領域，具體涉及一種長方體巖石試樣三維斷續貫通裂隙制作裝置及方法。
【背景技術】
[0002]裂隙巖體是水利、采礦、交通、能源、國防等行業中最常見、最重要的介質之一。由于成巖作用以及構造運動，裂隙巖體內部存在不同尺度斷續貫通發育的裂隙。裂隙巖體直接影響著大型水電工程地下廠房、超長水工隧洞、能源地下儲存以及核廢料地下隔離等巖體工程的安全與穩定，是進行工程規劃、勘察、設計、施工以及長期運營過程中需要首先考慮的關鍵因素。國內外大量工程實踐表明，工程巖體的破裂失穩大多是在環境營力作用下，巖體內部各種尺度的裂紋萌生、擴展和貫通造成的。因此，研究裂隙巖體的力學性質及裂隙萌生、擴展、貫通過程是非常重要的基礎性研究工作，對于評價巖體工程的安全與穩定以及采取合理的支護措施都具有十分重要的意義。
[0003]室內試驗是研究裂隙巖體力學性質和破裂特征的有效途徑。一般采用在長方體試樣中預制裂隙的方法進行室內壓縮或剪切試驗。在試驗過程中，預制裂隙是一個較為困難的問題。由于模型試驗相對容易實施，該方面的試驗研究工作開展的較多。這一方法采用水泥砂漿、石膏、重晶石等材料按一定比例混合配制成類巖石材料模擬真實巖石，采用抽條法在模型試樣中預埋云母片、薄鋼片和鋁片等制作斷續貫通裂隙。然而，巖石是由不同礦物組成的介質，具有顯著的非均勻性、各向異性等特征，類巖石材料難以準確反映真實巖石材料的力學屬性和裂隙擴展機理。因此，在真實巖石中制作斷續貫通裂隙是研究裂隙巖體力學特性和裂隙擴展特征的關鍵步驟。

【發明內容】

[0004]本發明的目的是針對上述存在的問題和不足，提供一種長方體巖石試樣三維斷續貫通裂隙制作裝置及方法，其結構設計合理、緊湊，且能夠高效、快速批量制作三維斷續貫通裂隙。
為達到上述目的，所采取的技術方案是:
一種長方體巖石試樣三維斷續貫通裂隙制作裝置，包括機架、設置在機架上的電動絲鋸組件、三維移動組件、試樣固定組件和裂隙寬度控制組件；
所述的機架包括工作臺板和支腿，所述的工作臺板下部設置有下撐板，工作臺板上部設置有上撐板，所述的電動絲鋸組件包括由上擺桿、下擺桿、連桿和鋸絲構成的四連桿切割機構、以及設置在下撐板上的驅動電機、偏心輪和驅動臂，上擺桿和下擺桿分別設置在工作臺板的上下兩側，且上擺桿和下擺桿的中部分別與上撐板和工作臺板樞接，與鋸絲對應的工作臺板上設置有穿絲通孔；
所述的三維移動組件包括縱向移動單元、橫向移動單元和旋轉單元，所述的縱向移動單元包括固定設置在工作臺板上的縱向滑槽、匹配滑動卡設在縱向滑槽中的縱向滑軌、和設置在縱向滑軌與縱向滑槽之間的調節動力推桿，所述的橫向移動單元包括固定設置在縱向滑軌上的橫向滑槽、匹配滑動卡設在橫向滑槽內的橫向滑軌、和設置在橫向滑槽與橫向滑軌之間的調節動力推桿，所述的旋轉單元包括固定設置在橫向滑軌上的圓形底板、旋轉滑動嵌設在底板上的護臂筒體和呈圓周均布設置在底板與護臂筒體之間的定位螺栓，護臂筒體外側的底板上刻設有包角為360°的角度刻度尺，底板中部開設有切割通孔，所述護臂筒體內側的底板上設置有對中刻度尺；
所述的試樣固定組件包括對應設置在護臂筒體上的兩夾緊動力推桿、和設置在夾緊動力推桿內端部的V型夾具；
所述的裂隙寬度控制組件包括平行設置在底板外側的橫向滑軌上的兩立板、開設在立板頂部的調節滑槽、滑動卡設在兩調節滑槽內的兩滑塊、和平行設置在兩滑塊之間的固定桿和移動桿，所述的滑塊上開設有裂隙微調滑槽，移動桿匹配滑動開設在裂隙微調滑槽內，在移動桿與滑塊之間、滑塊與調節滑槽之間均設置有定位螺栓，所述的滑塊上設置有千分尺。
[0005]所述的縱向滑槽通過多組U型夾具固定設置在工作臺板上。
[0006]所述的調節動力推桿為螺桿、氣缸或電動推桿的任一種，所述的夾緊動力推桿為螺桿、氣缸或電動推桿中的任一種。
[0007]一種利用上述的長方體巖石試樣三維斷續貫通裂隙制作裝置的裂隙制作方法，包括以下步驟:
①采集真實巖石樣本，并對巖石樣本進行切割打磨，形成長方體巖石試樣，通過實體放樣，確定多條斷續預制裂隙的位置和尺寸，并在每條預制裂隙的兩端進行鉆孔，使得預制裂隙兩端對應的巖石試樣內形成貫穿頂底面的通透鉆孔，且鉆孔直徑與預制裂隙的寬度相同；
②將長方體巖石試樣放置在兩V型夾具之間，參照底板上的對中刻度尺，調整巖石試樣的方位，待其對稱設置在護臂筒體的中間位置時，旋轉夾緊動力推桿，推動V型夾具相向運動，夾緊巖石試樣；
③轉動護臂筒體，參照底板上的角度刻度尺，對巖石試樣的角度進行調整，使得預制裂隙的長度方向與鋸絲切割方向一致，即預制裂隙與移動桿平行，擰緊護臂筒體與底板之間的定位螺栓，將護臂筒體與底板完成固定；
④參照千分尺調節移動桿，將移動桿與固定桿之間的間距調整至預制裂隙的寬度，擰緊移動桿與滑塊之間的定位螺栓，通過前后滑動滑塊，使得移動桿與固定桿之間的間隙與預制裂隙上下對應重合，擰緊滑塊與調節滑槽之間的定位螺栓；
⑤將三維移動組件固定在工作臺板上，調整縱向移動單元和橫向移動單元的調節動力推桿，使得巖石試樣的預制裂隙其中一端的鉆孔與上擺桿和下擺桿之間的鋸絲相對應，將鋸絲穿過鉆孔，并拉緊固定連接設置在上擺桿和下擺桿之間；
⑥啟動驅動電機，驅動電機帶動偏心輪轉動，由驅動臂驅動四連桿切割機構中的鋸絲上下快速運動，轉動橫向滑槽和橫向滑軌之間的調節動力推桿，驅動巖石試樣橫向移動，隨著鋸絲的快速上下運動，完成固定桿和移動桿之間的下方的巖石的磨蝕切割，當鋸絲切割至預制裂隙另一端的鉆孔處，停止轉動橫向滑槽和橫向滑軌之間的調節動力推桿，關閉驅動電機，拆卸上擺桿和下擺桿之間的鋸絲，完成一條三維斷續貫通裂隙的制作； ⑦重復步驟③?⑥，在巖石試樣內制作下一條預制裂隙，直至達到預定的裂隙條數。
[0008]所述的鋸絲的直徑較預制裂隙的寬度小0.lmm~0.2mm。
[0009]采用上述技術方案，所取得的有益效果是:
①本發明整體結構簡單、操作方便、精度高、制作成本低，并且可以高效、快速批量地在真實長方體巖石試樣中制作三維斷續貫通裂隙，大大提高了力學實驗的準確性，能夠有效的反映巖石材料的力學屬性和裂隙擴展機理；同時本申請能夠實現不同條數，不同傾角、不同寬度的斷續貫通裂隙的制作，相較于現有的人工制作裂隙，本發明可以機械化程度高，能夠高精度批量制作巖石三維斷續貫通裂隙，可以大幅提高工作效率。
[0010]②本發明采用三維移動組件和試樣固定組件，能夠實現巖石試樣的多方位三維調整，滿足貫通裂隙的制作要求，與此同時，通過電動絲鋸組件和裂隙寬度控制組件的配合，完成預制裂隙的制作，在此過程中，通過裂隙寬度控制組件能夠有效的解決鋸絲切割所帶來的平直度和光滑度不足、不同試樣間的裂隙差異性大的問題，能夠最大限度的優化試驗結果，確保試驗結果的準確性，真實反映巖石的破裂規律。
【附圖說明】
[0011]圖1為長方體巖石試樣的三維斷續貫通裂隙的結構示意圖。
[0012]圖2為本發明的結構示意圖。
[0013]圖3為三維移動組件、試樣固定組件和裂隙寬度控制組件的連接結構示意圖。
[0014]圖4為圖3的左視結構示意圖。
[0015]圖5為圖3的俯視結構不意圖。
[0016]圖6為裂隙寬度控制組件的結構示意圖。
[0017]圖中序號:I為工作臺板、2為支腿、3為下撐板、4為上撐板、5為上擺桿、6為下擺桿、7為連桿、8為鋸絲、9為驅動電機、10為偏心輪、11為驅動臂、12為縱向滑槽、13為縱向滑軌、14為調節動力推桿、15為U型夾具、16為橫向滑槽、17為橫向滑軌、18為底板、19為護臂筒體、20為定位螺栓、21為角度刻度尺、22為切割通孔、23為對中刻度尺、24為夾緊動力推桿、25為V型夾具、26為立板、27為調節滑槽、28為滑塊、29為固定桿、30為移動桿、31為裂隙微調滑槽、32為千分尺、33為巖石試樣。
【具體實施方式】
[0018]以下結合附圖對本發明的【具體實施方式】做詳細說明。
[0019]實施例一:參見圖1-圖6，本發明一種長方體巖石試樣三維斷續貫通裂隙制作裝置，長方體巖石試樣三維斷續貫通裂隙結構如圖1所示，該巖石試樣包括兩條斷續貫通裂隙，其裂隙寬度為d，裂隙傾角為CU本發明制作該裂隙的裝置包括機架、設置在機架上的電動絲鋸組件、三維移動組件、試樣固定組件和裂隙寬度控制組件。
[0020]其中，機架包括工作臺板I和支腿2，所述的工作臺板I下部設置有下撐板3，工作臺板上部設置有上撐板4，所述的電動絲鋸組件包括由上擺桿5、下擺桿6、連桿7和鋸絲8構成的四連桿切割機構、以及設置在下撐板3上的驅動電機9、偏心輪10和驅動臂11，上擺桿5和下擺桿6分別設置在工作臺板I的上下兩側，且上擺桿5和下擺桿6的中部分別與上撐板4和工作臺板I樞接，與鋸絲8對應的工作臺板I上設置有穿絲通孔，由驅動電機9通過偏心輪10和驅動臂11帶動四連桿切割機構往復上下運動，帶動鋸絲8進行往復切割。
[0021]所述的三維移動組件包括縱向移動單元、橫向移動單元和旋轉單元，所述的縱向移動單元包括固定設置在工作臺板I上的縱向滑槽12、匹配滑動卡設在縱向滑槽12中的縱向滑軌13、和設置在縱向滑軌13與縱向滑槽12之間的調節動力推桿14，所述的縱向滑槽12通過多組U型夾具15固定設置在工作臺板I上;所述的橫向移動單元包括固定設置在縱向滑軌13上的橫向滑槽16、匹配滑動卡設在橫向滑槽16內的橫向滑軌17、和設置在橫向滑槽16與橫向滑軌17之間的調節動力推桿14，調節動力推桿14采用螺桿、電動推桿或者氣缸均可；所述的旋轉單元包括固定設置在橫向滑軌17上的圓形底板18、旋轉滑動嵌設在底板18上的護臂筒體19和呈圓周均布設置在底板18與護臂筒體19之間的定位螺栓20，護臂筒體19外側的底板18上刻設有包角為360°的角度刻度尺21，底板18中部開設有切割通孔22，所述護臂筒體19內側的底板18上設置有對中刻度尺23。
[0022]所述的試樣固定組件包括對應設置在護臂筒體19上的兩夾緊動力推桿24、和設置在夾緊動力推桿24內端部的V型夾具25，其中夾緊動力推桿采用電動推桿、氣缸或螺桿均可。
[0023]所述的裂隙寬度控制組件包括平行設置在底板18外側的橫向滑軌17上的兩立板26、開設在立板26頂部的調節滑槽27、滑動卡設在兩調節滑槽27內的兩滑塊28、和平行設置在兩滑塊之間的固定桿29和移動桿30，所述的滑塊28上開設有裂隙微調滑槽31，移動桿30匹配滑動開設在裂隙微調滑槽31內，在移動桿30與滑塊28之間、滑塊28與調節滑槽27之間均設置有定位螺栓20，所述的滑塊28上設置有千分尺32。
[0024]實施例二:參見圖1-圖6，一種利用實施例一所述的長方體巖石試樣三維斷續貫通裂隙制作裝置的裂隙制作方法，包括以下步驟:
①采集真實巖石樣本，并對巖石樣本進行切割打磨，形成長方體巖石試樣，通過實體放樣，確定兩條斷續預制裂隙的位置和尺寸，并在每條預制裂隙的兩端進行鉆孔，使得預制裂隙兩端對應的巖石試樣內形成貫穿頂底面的通透鉆孔，且鉆孔直徑與預制裂隙的寬度相同。
[0025]②將長方體巖石試樣放置在兩V型夾具之間，參照底板上的對中刻度尺，調整巖石試樣的方位，待其對稱設置在護臂筒體的中間位置時，旋轉夾緊動力推桿，推動V型夾具相向運動，夾緊巖石試樣。
[0026]③轉動護臂筒體，參照底板上的角度刻度尺，對巖石試樣的角度進行調整，使得預制裂隙的長度方向與鋸絲切割方向一致，即預制裂隙與移動桿平行，擰緊護臂筒體與底板之間的定位螺栓，將護臂筒體與底板完成固定。
[0027]④參照千分尺調節移動桿，將移動桿與固定桿之間的間距調整至預制裂隙的寬度，擰緊移動桿與滑塊之間的定位螺栓，通過前后滑動滑塊，使得移動桿與固定桿之間的間隙與預制裂隙上下對應重合，擰緊滑塊與調節滑槽之間的定位螺栓。
[0028]⑤將三維移動組件固定在工作臺板上，調整縱向移動單元和橫向移動單元的調節動力推桿，使得巖石試樣的預制裂隙其中一端的鉆孔與上擺桿和下擺桿之間的鋸絲相對應，所述的鋸絲的直徑較預制裂隙的寬度小0.lmm~0.2mm，將鋸絲穿過鉆孔，并拉緊固定連接設置在上擺桿和下擺桿之間。
[0029]⑥啟動驅動電機，驅動電機帶動偏心輪轉動，由驅動臂驅動四連桿切割機構中的鋸絲上下快速運動，轉動橫向滑槽和橫向滑軌之間的調節動力推桿，驅動巖石試樣橫向移動，隨著鋸絲的快速上下運動，完成固定桿和移動桿之間的下方的巖石的磨蝕切割，當鋸絲切割至預制裂隙另一端的鉆孔處，停止轉動橫向滑槽和橫向滑軌之間的調節動力推桿，關閉驅動電機，拆卸上擺桿和下擺桿之間的鋸絲，完成一條三維斷續貫通裂隙的制作。
[0030]⑦重復步驟③?⑥，在巖石試樣內制作下一條預制裂隙，直至達到預定的裂隙條數。
[0031]以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特征和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明的范圍內。本發明要求的保護范圍由所附的權利要求書及其等同物界定。
【主權項】
1.一種長方體巖石試樣三維斷續貫通裂隙制作裝置，其特征在于:包括機架、設置在機架上的電動絲鋸組件、三維移動組件、試樣固定組件和裂隙寬度控制組件； 所述的機架包括工作臺板和支腿，所述的工作臺板下部設置有下撐板，工作臺板上部設置有上撐板，所述的電動絲鋸組件包括由上擺桿、下擺桿、連桿和鋸絲構成的四連桿切割機構、以及設置在下撐板上的驅動電機、偏心輪和驅動臂，上擺桿和下擺桿分別設置在工作臺板的上下兩側，且上擺桿和下擺桿的中部分別與上撐板和工作臺板樞接，與鋸絲對應的工作臺板上設置有穿絲通孔； 所述的三維移動組件包括縱向移動單元、橫向移動單元和旋轉單元，所述的縱向移動單元包括固定設置在工作臺板上的縱向滑槽、匹配滑動卡設在縱向滑槽中的縱向滑軌、和設置在縱向滑軌與縱向滑槽之間的調節動力推桿，所述的橫向移動單元包括固定設置在縱向滑軌上的橫向滑槽、匹配滑動卡設在橫向滑槽內的橫向滑軌、和設置在橫向滑槽與橫向滑軌之間的調節動力推桿，所述的旋轉單元包括固定設置在橫向滑軌上的圓形底板、旋轉滑動嵌設在底板上的護臂筒體和呈圓周均布設置在底板與護臂筒體之間的定位螺栓，護臂筒體外側的底板上刻設有包角為360°的角度刻度尺，底板中部開設有切割通孔，所述護臂筒體內側的底板上設置有對中刻度尺； 所述的試樣固定組件包括對應設置在護臂筒體上的兩夾緊動力推桿、和設置在夾緊動力推桿內端部的V型夾具； 所述的裂隙寬度控制組件包括平行設置在底板外側的橫向滑軌上的兩立板、開設在立板頂部的調節滑槽、滑動卡設在兩調節滑槽內的兩滑塊、和平行設置在兩滑塊之間的固定桿和移動桿，所述的滑塊上開設有裂隙微調滑槽，移動桿匹配滑動開設在裂隙微調滑槽內，在移動桿與滑塊之間、滑塊與調節滑槽之間均設置有定位螺栓，所述的滑塊上設置有千分尺。2.根據權利要求1所述的長方體巖石試樣三維斷續貫通裂隙制作裝置，其特征在于:所述的縱向滑槽通過多組U型夾具固定設置在工作臺板上。3.根據權利要求1所述的長方體巖石試樣三維斷續貫通裂隙制作裝置，其特征在于:所述的調節動力推桿為螺桿、氣缸或電動推桿的任一種，所述的夾緊動力推桿為螺桿、氣缸或電動推桿中的任一種。4.一種利用權利要求1?3任一所述的長方體巖石試樣三維斷續貫通裂隙制作裝置的裂隙制作方法，其特征在于:包括以下步驟: ①采集真實巖石樣本，并對巖石樣本進行切割打磨，形成長方體巖石試樣，通過實體放樣，確定多條斷續預制裂隙的位置和尺寸，并在每條預制裂隙的兩端進行鉆孔，使得預制裂隙兩端對應的巖石試樣內形成貫穿頂底面的通透鉆孔，且鉆孔直徑與預制裂隙的寬度相同； ②將長方體巖石試樣放置在兩V型夾具之間，參照底板上的對中刻度尺，調整巖石試樣的方位，待其對稱設置在護臂筒體的中間位置時，旋轉夾緊動力推桿，推動V型夾具相向運動，夾緊巖石試樣； ③轉動護臂筒體，參照底板上的角度刻度尺，對巖石試樣的角度進行調整，使得預制裂隙的長度方向與鋸絲切割方向一致，即預制裂隙與移動桿平行，擰緊護臂筒體與底板之間的定位螺栓，將護臂筒體與底板完成固定； ④參照千分尺調節移動桿，將移動桿與固定桿之間的間距調整至預制裂隙的寬度，擰緊移動桿與滑塊之間的定位螺栓，通過前后滑動滑塊，使得移動桿與固定桿之間的間隙與預制裂隙上下對應重合，擰緊滑塊與調節滑槽之間的定位螺栓； ⑤將三維移動組件固定在工作臺板上，調整縱向移動單元和橫向移動單元的調節動力推桿，使得巖石試樣的預制裂隙其中一端的鉆孔與上擺桿和下擺桿之間的鋸絲相對應，將鋸絲穿過鉆孔，并拉緊固定連接設置在上擺桿和下擺桿之間； ⑥啟動驅動電機，驅動電機帶動偏心輪轉動，由驅動臂驅動四連桿切割機構中的鋸絲上下快速運動，轉動橫向滑槽和橫向滑軌之間的調節動力推桿，驅動巖石試樣橫向移動，隨著鋸絲的快速上下運動，完成固定桿和移動桿之間的下方的巖石的磨蝕切割，當鋸絲切割至預制裂隙另一端的鉆孔處，停止轉動橫向滑槽和橫向滑軌之間的調節動力推桿，關閉驅動電機，拆卸上擺桿和下擺桿之間的鋸絲，完成一條三維斷續貫通裂隙的制作； ⑦重復步驟③?⑥，在巖石試樣內制作下一條預制裂隙，直至達到預定的裂隙條數。5.根據權利要求4所述的裂隙制作方法，其特征在于:所述的鋸絲的直徑較預制裂隙的寬度小0.1mm?0.2mmο
【文檔編號】G01N1/28GK106092699SQ201610666831
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月15日 公開號201610666831.1, CN 106092699 A, CN 106092699A, CN 201610666831, CN-A-106092699, CN106092699 A, CN106092699A, CN201610666831, CN201610666831.1
【發明人】于懷昌, 史廣誠, 劉漢東, 黃志全, 王碩楠, 鄧緒彪, 徐榮超, 張蒙飛, 羅明迪
【申請人】華北水利水電大學