一种用于制备含复杂形态软弱层模拟岩样的装置与方法

1.本发明属于岩石力学及岩体物理模拟技术领域，尤其是涉及一种用于制备含形态复杂软弱层模拟岩样的装置与方法。
技术背景
2.由于天然岩体的复杂性和多样性，在室内开展岩石力学实验研究时，常需制备岩体物理模拟试样。根据岩体结构控制论可知，岩体结构面对岩体的物理力学性质具有重要的影响。软弱夹层作为一种常见的结构面，除了他们的厚度、倾角、及其物理力学性质等特征外，软弱夹层形态也是影响其力学性质的重要因素。制备能够充分模拟含复杂形态软弱层的模拟岩样对于岩石力学实验研究具有重要意义。
3.为制备含软弱夹层的制备物理模拟试样现有的制备方法多采用在模具中设置隔板后插拔、分层浇筑、环氧树脂粘接等技术方案。分层浇筑法具有互层厚度难以控制、制样效率低的问题，在模具中设置隔板的方法则存在抽取隔板时易对界面造成损害的问题，环氧树脂粘接则会对胶结界面处的物理力学性质产生影响。并且现有的制备方法大多难以方便的模拟岩体中形态较为复杂的软弱层。
4.为了方便高效的制备能够充分模拟含复杂形态软弱层岩体的物理模拟试样、发明人特提出一种用于制备复杂形态软弱层岩体物理模拟试样的方法与装置。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种含复杂形态软弱夹层岩样的制备装置与方法，以制备适用于室内岩石力学实验的含复杂形态层岩体模拟试样。
6.为达到上述目的，本发明提供了一种用于制备含复杂形态软弱层模拟岩样的装置，一种用于制备含复杂形态软弱层模拟岩样的制备装置，包括石膏模板、岩样模具、滑动导轨、隔板夹持器和充填系统；所述石膏模板用于将易熔化材料石蜡制成具有特殊形态的石蜡隔板；所述岩样模具设置有注液口、排液口和充填通道，用于形成制备中间试样的无顶面模具盒体和注入软弱层模拟材料的密闭腔室；所述中间试样包括坚硬岩层和特殊形态石蜡隔板；所述滑动导轨通过螺栓与无顶面模具盒体连接并固定于无顶面模具盒体正上方，所述隔板夹持器与滑动导轨通过带有螺纹孔的角钢以及螺栓连接，所述隔板夹持器用于固定石蜡隔板并和滑动导轨连接；通过隔板夹持器、滑动导轨连接组成的机构调节石蜡隔板位置和倾角；所述充填系统用于将软弱层模拟材料注入密闭腔室并驱替石蜡。
7.具体的，所述岩样模具包括两块l形侧板、一块顶板和一块底板，顶板和底板设有与侧板厚度长度一致的凹槽，侧板与顶底板之间彼此嵌合形成榫卯结构以达到紧密连接的目的，两块l形侧板之间通过卡扣连接，从而可形成无顶面模具盒体和用于软弱层模拟材料注入的密闭腔室；顶板、底板内侧均有矩形凹槽作为所述充填通道，底板设置有所述注液口，顶板设有所述排液口；岩样模具内设有加热元件可对试样进行加热，用于熔化中间试样石蜡层。
8.具体的，所述滑动导轨为一块开有两条相互平行滑槽的金属板，隔板夹持器上部为开有滑槽的金属板，下部为两片距离可变的平行薄金属片，两金属片间通过螺栓固定用于夹持石蜡隔板；通过未拧紧的螺栓在滑动导轨、隔板夹持器的滑槽上滑动，将隔板夹持器以及石蜡隔板调整至所需倾角后，将螺栓拧紧；通过调节两平行薄金属片至合适距离并拧紧螺栓，从而达到夹紧石蜡隔板的目的。
9.具体的，所述充填系统用于向石蜡熔化后的中间试样充填软弱层模拟材料，所述充填系统由液压千斤顶、中间容器、充填管路、背压阀、千斤顶反力支架以及装有中间试样的密闭腔室组成；所述中间容器带有活塞并设有加热保温系统，对加热后的软弱层模拟材料起到保温的作用；所述背压阀与岩样模具顶板的软弱层模拟材料排出口相连，提供出口压力；所述带有活塞的中间容器与千斤顶反力支架连接。
10.具体的，在进行软弱层模拟材料的充填时，千斤顶推动中间容器的活塞提供注入压力，在注入压力的作用下中间容器内的注液口注入密闭腔室，在注入压力的作用下将熔化的石蜡从排液口排出。
11.具体的，所述中间容器及充填管路外侧包裹有橡胶保温套。
12.具体的，所述中间容器内还装有低速旋转搅拌叶片防止软弱层模拟材料中固相物质发生沉淀。
13.具体的，所述的由石膏模板铸造成型的石蜡隔板采用熔点低于60℃的普通工业石蜡制成。
14.具体的，所述含复杂形态软弱层模拟岩样的制备装置还包括振动台，所述振动台用于制备中间试样时进行振捣密实。
15.具体的，所述充填系统还设置有压力表、截止阀。
16.本发明还提供了一种用于制备含复杂形态软弱层模拟岩样的方法，包括如下步骤：
17.步骤s1：借助石膏模板，制备具有特殊形态的石蜡隔板，采用石蜡填充模具预留的软弱层模拟材料充填通道。
18.步骤s2：将制成的石蜡隔板插入无顶面模具盒体中并将石蜡隔板调节至所需位置和所需角度，在无顶面模具盒体内浇筑坚硬岩层模拟材料，并使用振动台振捣密实，待其凝结可得到中间试样。
19.步骤s3：加热中间试样熔化石蜡层，利用充填系统从密闭腔室注液口向其注入软弱层模拟材料，同时石蜡从材料排液口排出，待石蜡排尽、试样凝结并脱模养护后即可得到含复杂形态软弱层岩体的模拟试样。
20.需要说明的，在制备要求不高或缺少充填系统相关设备的情况下，步骤s3可采用以下方案代替：加热中间试样熔化石蜡层使用60℃-70℃热水，将石蜡液体冲洗干净，待中间试样干燥后，向原石蜡隔板位置一边缓慢倒入软弱层模拟材料，一边用振动台振捣密实。
21.具体的，步骤s1包括如下步骤：
22.步骤s11：定制或自行制作具有特殊形态的石膏模板，将加热熔化后的液体石蜡倒入石膏模板中，待石蜡冷却成型后，将初步成型的石蜡隔板从石膏模板中进行脱模；借助注射器、刮刀等工具对初步成型的石蜡隔板的形态进行修整。
23.步骤s12：采用石蜡充填岩样模具顶板的排液孔，石蜡底板的注液孔以及岩样模具
顶板和底板内侧预留的充填通道并打磨平整。
24.具体的，步骤s2包括如下步骤：
25.步骤s21：将模具底板与侧板通过卡槽、卡扣连接形成无顶面模具盒体，通过螺栓与模具侧板预留的螺纹孔安装滑动导轨，通过角钢以及螺栓连接隔板夹持器与滑动导轨。
26.步骤s22：在无顶面模具盒体内侧涂抹适量润滑油后将制成的石蜡隔板插入无顶面模具盒体，将石蜡隔板用隔板夹持器夹紧；通过未拧紧的螺栓在滑动导轨、隔板夹持器的滑槽上滑动，将隔板夹持器以及石蜡隔板调整至所需位置和倾角后拧紧螺栓。
27.步骤s23：将坚硬岩层模拟材料按设定的配比混合并充分搅拌，在无顶面模具盒体内填筑模拟材料，并使用振动台振捣密实，待其凝结即可得到含特殊形态石蜡隔板和坚硬岩层的中间试样。
28.具体的，步骤s3包括如下步骤：
29.步骤s31：拆卸隔板夹持器与滑动导轨，修整中间试样上表面。并加盖岩样模具顶板，形成密闭腔体。在岩样模具顶板排液口处连接背压阀，设置出口背压压力值。
30.步骤s32：将软弱层模拟材料按设定的配比混合并充分搅拌。启动中间容器中加热保温系统及低速旋转搅拌叶片将加热至60℃以上的软弱层模拟材料加入到中间容器中。将充填管路与排液口连接。
31.步骤s33：加热中间试样，使模具中的石蜡熔化。使用液压千斤顶推动中间容器活塞，排尽充填管路中空气后，从注液口向装有石蜡熔化后中间试样的密闭腔室注入软弱层模拟材料。
32.步骤s34：待密闭腔室排液口处软弱层模拟材料连续流出，石蜡全部排尽，表明原石蜡隔板所处的隔层空间已被软弱层模拟材料完全充填，关闭排液口并停止注入软弱层模拟材料。待其凝结并脱模养护后得到含复杂形态软弱层的岩体模拟试样。
33.具体的，本发明所述的坚硬岩层模拟材料采用水泥、石英砂或者环氧树脂制成；本发明所述的软弱层模拟材料采用石膏、石英砂或膨润土制成，并在配置时加入适量缓凝剂。
34.本发明提供了一种用于制备含复杂形态软弱层岩体试样的装置与方法，相比较现有的技术方案，优势在于，使用此装置通过预制特殊形态的石蜡隔板、加热熔化并驱替中间试样石蜡层的技术方案能够控制软弱层的形态；通过控制石蜡隔板的位置倾角能够准确的控制岩体中软弱层的位置和倾角，且该装置石蜡隔板位置、角度调节范围较大；含特殊形态中间试样一次浇筑成型，通过充填系统驱替石蜡并充填软弱层材料的技术方案具有较高的制样效率。综上，本发明所提供的一种用于制备含复杂形态软弱层岩体试样的装置与方法能够较为准确的控制各层厚度、倾角、厚度、形态，能够方便、高效的制备含复杂形态软弱层的岩体物理模拟试样。
附图说明
35.图1为本发明整体结构示意图；
36.图2为本发明岩样模具结构示意图；
37.图3为本发明岩样模具顶板或底板结构示意图；
38.图4为本发明隔板夹持器示意图；
39.图5为本发明岩样模具、滑动导轨、隔板夹持器连接方式示意图；
40.图6为本发明石蜡隔板角度调节方式示意图。
41.其中：1-岩样模具顶底板(101岩样模具顶板，102岩样模具底板)；2-l形侧板；3-卡扣；4-嵌合凹槽；5-注液口或排液口(501-注液口，502-排液口)；6-充填通道；7-滑动导轨(701滑动导轨支架)；8-隔板夹持器(801开有滑槽金属板，802距离可变平行薄金属片)；9-石蜡隔板(901-石蜡隔板夹持段)；10-无顶面模具盒体；11-滑槽；12-角钢；13-螺栓(131-角钢与滑动轨道连接的螺栓，132-角钢与隔板夹持器连接的螺栓，133-滑动导轨与岩样模具连接的螺栓，134-两平行薄金属片间的螺栓)；14-中间容器；15-密闭腔室；16-千斤顶反力支架；17-活塞；18-千斤顶；19-背压阀；20-软弱层模拟材料；21-坚硬岩层；22-低速旋转搅拌叶片；23-截至阀；24-压力表；25-充填管路。
具体实施方式
42.为使本发明专利的实施过程更加清楚明白，现结合附图对本发明的具体实施方式予以详细的说明。该实施例仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明权利要求书范围的前提下，所做出的简单改进，也应视为本发明的保护范围。
43.实施例1
44.本发明的实施例1提供了一种用于制备含形态复杂软弱层模拟岩样的装置，包括石膏模板、隔板夹持器、岩样模具、滑动导轨和充填系统。其中，石膏模板用于将易熔化材料石蜡制成具有特殊形态的石蜡隔板9，石蜡隔板9上部设有石蜡隔板夹持段901，岩样模具包括岩样模具顶板101，岩样模具底板102以及l形侧板2，顶板101和底板102设有与侧板2厚度长度一致的嵌合凹槽4，侧板2与顶底板1之间通过嵌合凹槽4彼此嵌合形成榫卯结构以达到紧密连接的目的，两块l形侧板之间通过卡扣3连接，从而可形成无顶面模具盒体10或密闭腔室15；顶板101、底板102内侧均有矩形凹槽作为所述充填通道6，底板设置有所述注液口501，顶板设有所述排液口502；在预制中间试样时先将易熔化材料石蜡填充至注液口501、排液口502以及填充槽8，并打磨平整。岩样模具内设有加热元件可对试样进行加热，用于熔化中间试样石蜡层。所述模具盒体10用于制备中间试样，所述密闭腔室15用于软弱层模拟材料的注入，所述中间试样包括坚硬岩层21和石蜡隔板9。
45.滑动轨道7为一块开有两条相互平行滑槽的金属板，隔板夹持器8上部为开有滑槽的金属板801，下部为两片距离可变的平行薄金属片802，两平行薄金属片802通过螺栓134连接，滑动导轨7与无顶面模具盒体10通过螺栓133连接。
46.隔板夹持器8与滑动导轨7连接完毕且将石蜡隔板9夹紧后，通过尚未拧紧的螺栓(131，132)在滑动导轨7，隔板夹持器8的滑槽11上的滑动，将隔板夹持器8以及石蜡隔板9调整至所需位置和倾角后，将螺栓(131，132)拧紧；调节隔板夹持器8的两平行薄金属片802至合适间距并拧紧两平行薄金属片间的螺栓134，即可夹紧石蜡隔板9。
47.所述充填系统用于向石蜡熔化后的中间试样充填软弱层模拟材料，由千斤顶18、中间容器14、充填管路25、背压阀19、千斤顶反力支架16以及装有中间试样的密闭腔室15组成；背压阀19与岩样模具顶板的排液口502相连，提供出口压力，出口压力大于设定门槛值时液体方可排出，保证注入的软弱夹层的模拟材料20能够充分驱替石蜡液体；中间容器14与千斤顶反力支架16连接；中间容器14带有活塞17。
48.在进行软弱层模拟材料的充填时，千斤顶18推动中间容器14的活塞17提供注入压力，在注入压力的作用下中间容器14内的软弱层模拟材料20从注液口501注入，在注入压力的作用下将熔化的石蜡从排液口502排出；注入软弱层模拟材料20并驱替石蜡的过程中无顶面模具盒体10的加热元件持续开启，保证易熔化材料石蜡的液态形式；充填系统还设置有压力表24、截止阀23。
49.中间容器14设有加热保温系统，对加热后的软弱层模拟材料20起到保温的作用；所述中间容器14及充填管路25外侧包裹有橡胶保温套；中间容器14内还装有低速旋转搅拌叶片22防止软弱层模拟材料20中固相物质发生沉淀而影响注入效果。
50.本实施例提供的含复杂形态软弱层模拟岩样的制备装置还包括振动台，振动台对中间试样振捣密实。
51.实施例2
52.本发明的实施例2提供了一种制备含形态复杂软弱层模拟岩样的方法，具体包括如下步骤：
53.步骤1：定制或自行制作具有特殊形态的石膏模板，将加热熔化的石蜡倒入石膏模板中。待石蜡冷却成型后，将初步成型的石蜡隔板从石膏模板中进行脱模。借助注射器、刮刀等工具对初步成型的石蜡隔板的形态进行修整。
54.步骤2：采用石蜡填充岩样模具顶底板1上的注液口或排液口5(501-注液口，502-排液口)；采用石蜡填充岩样模具顶底板1内侧充填通道6，并打磨平整。
55.步骤3：通过连接卡扣3，嵌合凹槽4，将岩样模具底板102与两l形金属侧板2组装为无顶面模具盒体10。
56.步骤4：通过角钢12以及螺栓13连接隔板夹持器8与滑动导轨7，具体的，将角钢12通过螺栓131与石蜡隔板夹持器8连接，将角钢12通过螺栓132滑动金属导轨7连接。
57.步骤5：将滑动轨道7与无顶面模具盒体10通过螺栓133连接。
58.步骤6：在无顶面模具盒体10内测涂抹适量润滑油后将制成的石蜡隔板9插入无顶面模具盒体10，调整两平行金属薄片802至合适距离，拧紧螺栓134用隔板夹持器8将石蜡隔板9的夹持段901夹紧。
59.步骤7：通过尚未拧紧的螺栓(131，132)在滑槽11上的滑动，将隔板夹持器8以及石蜡隔板9调整至所需位置和倾角后，将螺栓(131，132)拧紧。
60.步骤8：采用水泥、石英砂、环氧树脂作为坚硬岩层模拟材料，按配比混合并充分搅拌，在无顶面模具盒体10内填筑坚硬岩层模拟材料21，并使用振动台振捣密实，待其凝结即可得到含坚硬岩层21和石蜡隔板9的中间试样。
61.步骤9：拆卸金属导轨7与石蜡隔板夹持器8，修整中间试样上表面，并加盖岩样模具顶板101，形成密闭腔室15。
62.步骤10：在岩样模具顶板排液502处连接背压阀23，设置出口压力；将注液501与充填管路25连接。
63.步骤11：采用石膏、石英砂、膨润土作为软弱层模拟材料20，按配比混合并充分搅拌，并加入适量缓凝剂。
64.步骤12：启动中间容器14的加热保温系统及低速旋转搅拌叶片22将加热至60℃以上的软弱层模拟材料20加入到中间容器14中。
65.步骤13：加热中间试样，使石蜡隔板9熔化；使用液压千斤顶18推动中间容器活塞17，排尽充填管路中空气后，向装有石蜡熔化后中间试样的密闭腔室15注入软弱层模拟材料20。
66.步骤14：待模具排液口502处软弱层模拟材料20连续流出石蜡全部排尽，表明原石蜡隔层所在空间已被软弱层模拟材料20完全充填，关闭排液口502并停止注入软弱层模拟材料20。
67.步骤15：待其凝结并脱模养护后得到含软弱层岩体模拟试样，切除多余部分并打磨平整用于室内岩石力学实验。
68.实施例3
69.本发明的实施例3提供了一种在缺少充填系统相关设备且制备要求不高的情况下制备含形态复杂软弱层模拟岩样的方法，具体包括如下步骤：
70.步骤1：定制或自行制作具有特殊形态的石膏模板，将加热熔化的石蜡倒入石膏模板中，待石蜡冷却成型后，将初步成型的石蜡隔板从石膏模板中进行脱模；借助注射器、刮刀等工具对初步成型的石蜡隔板的形态进行修整。
71.步骤2：采用石蜡填充岩样模具顶底板1上的注液口或排液口5(501-注液口，502-排液口)；采用石蜡填充岩样模具顶底板1内侧充填通道6，并打磨平整。
72.步骤3：通过连接卡扣3，嵌合凹槽4，将岩样模具底板102与两l形金属侧板2组装为无顶面模具盒体10。
73.步骤4：通过角钢12以及螺栓13连接隔板夹持器8与滑动导轨7，具体的，将角钢12通过螺栓131与石蜡隔板夹持器8连接，将角钢12通过螺栓132滑动金属导轨7连接。
74.步骤5：将滑动轨道7与无顶面模具盒体10通过螺栓133连接。
75.步骤6：在无顶面模具盒体10内测涂抹适量润滑油后将制成的石蜡隔板9插入无顶面模具盒体10，调整两平行金属薄片802至合适距离，拧紧螺栓134用隔板夹持器8将石蜡隔板9的夹持段901夹紧。
76.步骤7：通过尚未拧紧的螺栓(131，132)在滑槽11上的滑动，将隔板夹持器8以及石蜡隔板9调整至所需位置和倾角后，将螺栓(131，132)拧紧。
77.步骤8：采用水泥、石英砂、环氧树脂作为坚硬岩层模拟材料21，按配比混合并充分搅拌，在岩样模具盒体10内填筑坚硬岩层模拟材料21，并使用振动台振捣密实，待其凝结即可得到含坚硬岩层21和石蜡隔板9的中间试样。
78.步骤9：拆卸滑动导轨7与隔板夹持器8，修整中间试样上表面，并加盖岩样模具顶板101，形成密闭腔室15。
79.步骤10：在岩样模具顶板排液口502处连接背压阀23，设置出口压力；将注液口501与充填管路25连接。
80.步骤11：采用石膏、石英砂、膨润土作为软弱层模拟材料，按配比混合并充分搅拌，并加入适量缓凝剂。
81.步骤12：加热中间试样熔化石蜡层使用60℃-70℃热水，冲洗石蜡，待其干燥后，向原石蜡隔板位置一边缓慢倒入软弱层模拟材料20，一边用振动台振捣密实。
82.步骤13：待其凝结并脱模养护后得到含软弱层岩体模拟试样，切除多余部分并打磨平整用于室内岩石力学实验。