制作含内部预制裂纹类岩石材料的模具与裂纹制作方法与流程

本发明属于岩土工程，更具体地，涉及一种制作含内部预制裂纹类岩石材料的模具与裂纹制作方法。

背景技术：

1、岩体作为一种工程材料，广泛应用于建筑、道路、桥梁、隧道和坝体等工程结构中。然而，岩体内部往往存在裂纹，岩体内部尺寸各异的裂纹在外力作用下扩展并贯通从而造成岩石的破裂，导致工程结构的破坏和失稳，对工程产生影响。因此，对岩体内部裂纹及其扩展机理的研究对于预防和控制岩石破裂及工程结构破坏具有重要意义。

2、目前，主要采用室内试验来研究岩体内部裂纹扩展机理，通过制作不同岩样可以系统地研究不同条件下裂纹的萌生、扩展和贯通机制，为理解岩体破坏过程提供基础数据，因而含内部裂纹岩样的制作至关重要。现有技术中通过切割形成原岩样，再制作内部裂纹，如公开号为cn201710116338.7的专利文献，本发明提供一种岩石试样内部预制裂纹的制作方法，包含以下步骤：步骤一，岩石试样的切割；步骤二，裂纹制作：使用机床或水刀进行预制裂纹加工，在试样单元的两个端面，即岩石试样的切割面上进行钻孔，进而形成裂纹；步骤三，试样单元的拼接；步骤四，拼接试样的养护：拼接完成后，采用常压蒸发养护，养护结束后，在自然条件下静置风干，再使用细砂纸或湿抹布将拼接试样表面凸出的高强度水泥去除。该方法造价低、制作方便，可以进行批量制作。但是该预制裂纹的制作方法为切割法，对切割机械的要求高，试样制作成本高；且最终岩石试样是通过高强度水泥拼接而成的，对岩样的完整性有影响，完整岩样的制作难度高。又如公开号为cn201410019613.x的专利文献，本发明公开了一种真三轴岩样裂纹预制装置，可以通过调整夹体的尺寸，在真三轴岩样上制作预定数量、位置、尺寸和角度的裂纹，可满足不同岩样尺寸和不同裂纹预制方案的要求，便于开展岩石多裂纹扩展及其贯通破坏机制的试验研究。本发明结构简单，设计合理，使用方便，裂缝制作高效可行，特别适用于软岩真三轴岩样的裂纹预制。但是本装置每制作一个试样便要消耗一个透明模具，模具消耗量大，成本高；且预制裂纹为贯通裂纹，而不是非穿透裂。

3、随着相似原理的提出，研究者开始使用岩石的相似材料(如石膏、混凝土)来模拟岩石内部裂纹的发展贯通机理。如公开号为cn202110832252.0的专利文献，本发明公开了一种可调节类岩石材料裂隙预制装置，包括基座固定机构、材料填充机构和可变裂隙定位调节机构，基座固定机构包括底座和基座组件；材料填充机构包括承载座和装填模具；装填模具为长度和宽度均可调节的矩形筒；可变裂隙定位调节机构包括裂隙定位板、裂隙体组件和裂隙定位器，裂隙体组件和裂隙定位器的数量由类岩石材料裂隙制备数量确定，裂隙体组件垂直设置在裂隙定位板和承载座之间，裂隙体组件的底部与承载座的凹槽交叉点处可拆卸连接。本发明可对类岩石材料预制不同长度、宽度、条数、间距及式样尺寸的裂缝，为岩石力学试验中试样的制备提供便利。但是该装置做法是通过设置裂隙体来实现的，对裂纹扩散贯通机理的研究有一定的影响。现有技术中，岩石力学试验需要大量试样，而岩石试样取样和制备问面临诸多困难，相似材料试样中通常采用云母片、铁片等实体物质来模拟裂纹，这些方法存在一定的局限性，如对裂纹扩散贯通机理的研究影响较大，且现有的模具技术在制作含内部预制裂纹的岩样时，存在模具消耗量大、制作成本高、精度不足，模具的设计与使用不够灵活，难以满足不同角度、数量和间距的裂纹模拟需求等问题。为了更准确地模拟和研究岩石内部裂纹的行为，需要能够精确控制裂纹的条数、间距以及角度，现有技术难以满足这一需求。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种制作含内部预制裂纹类岩石材料的模具与裂纹制作方法，通过预制裂纹模具制作满足不同试验需求的冰预制裂纹，通过类岩石试样模具的角度高度标识及定位螺栓，将冰预制裂纹固定在不同位置处的定位螺栓上，在模具空腔内浇筑相似材料，即可形成含不同数量、角度和间距预制裂纹的类岩石试样。

2、为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种制作含内部预制裂纹类岩石材料的模具，包括用于制作相似材料试样的类岩石试样模具、底模及用于制作预制裂纹的预制裂纹模具，其中，

3、所述类岩石试样模具包括第一侧模和第二侧模，所述第一侧模和第二侧模中心位置处均开设有定位长圆孔，其上固定定位螺栓，根据设计预制裂纹的数量、角度与间距在所述定位长圆孔外侧设有角度高度标识；

4、所述预制裂纹模具包括有盛水容器和注水通道，在其交接处设置有穿线平台，所述穿线平台为设有缺口的圆柱体，用于固定细棉线，在所述预制裂纹模具中注水后冷冻，制成带有所述细棉线的预制裂纹，通过将所述预制裂纹两端的所述细棉线系到所述类岩石试样模具不同位置处的定位螺栓上，在所述类岩石试样模具空腔内浇筑相似材料，即可形成含不同数量、角度和间距的预制裂纹的类岩石试样。

5、进一步地，所述类岩石试样模具还包括第一挡板及第二挡板，用于封闭所述第一侧模和第二侧模上的所述定位长圆孔形成侧面封闭的浇筑空腔，所述细棉线从所述第一挡板及所述第二挡板中间穿过。

6、进一步地，所述类岩石试样模具还包括用于紧固所述类岩石试样模具的顶底端的紧固带。

7、进一步地，所述第一侧模和所述第二侧模接触部位分别设计宽度、高度均为1mm-5mm的凹凸槽口，保证拼接处紧密不漏浆。

8、进一步地，所述底模包括用于放置所述类岩石试样模具的所述第一侧模和所述第二侧模的圆形凹槽。

9、进一步地，所述预制裂纹模具还包括在所述盛水容器内侧壁设置用于确定预制裂纹厚度的厚度标识。

10、进一步地，所述预制裂纹模具还包括用于根据试验需要通过调整所述裂纹挡板开度调整所述盛水装置内水位的裂纹挡板。

11、进一步地，所述类岩石试样模具可以为圆柱体形或长方体形或根据试验调整需要的形状。

12、进一步地，所述预制裂纹模具的形状根据试验需要调整，且与所述类岩石试样模具匹配。

13、按照本发明的另一方面，提供一种含内部预制裂纹类岩石材料的裂纹制作方法，应用上所述的一种制作含内部预制裂纹类岩石材料的模具实现，包括如下步骤：

14、s100:准备岩样的相似材料；

15、s200:利用预制裂纹模具制作预制裂纹,首先将细棉线通过穿线平台穿过，然后安装裂纹挡板，接着在预制裂纹模具中央注水，水位高度达到所需厚度标识后停止注水，将整个预制裂纹模具放入冰箱中冷冻，冷冻完毕后将预制裂纹模具放入温水中数秒后，将预制裂纹连同细棉线一起取出，得到预制裂纹，然后将预制裂纹放入冰箱中冷冻备用，如法炮制可以做多种不同厚度预制裂纹进行备用；

16、s300:根据设计预制裂纹的数量、角度与间距，通过计算确定角度高度标识，在第一侧模上按照角度标识将定位螺栓拧入定位长圆孔进行固定，接着按照高度标识选定另一位置后将定位螺栓拧入定位长圆孔中并固定，然后将预制裂纹上的细棉线系在定位螺栓上，并立刻安装第一侧模第一挡板与第二挡板，在第二侧模上进行同样的操作；在系细棉线的同时缓慢将第一侧模与第二侧模沿槽口拼接，将拼接完成的类岩样模具放置在底膜的圆形凹槽内并用紧固带进行紧固,形成浇筑空腔；

17、s400:将相似材料浇筑进空腔内，并经过振捣、养护、拆模后可得到含不同数量、不同角度及不同间距内部真实预制裂纹的单轴、三轴类岩样。

18、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

19、1.本发明的预制裂纹模具可以通过厚度标识精确制作不同厚度的预制裂纹，并且由于该预制裂纹为冰所制成，因此在岩样中形成的是真实的预制裂纹，对研究真实岩体内部裂纹扩展贯通机理更有价值；

20、2.本发明的类岩石试样模具结构，可以通过设置其上的角度高度标识及定位螺栓，将冰预制裂纹固定在不同位置处的定位螺栓上，在模具空腔内浇筑相似材料，可以制作含不同预制裂纹角度、不同预制裂纹间距、不同预制裂纹数量的单轴、三轴试样，且操作简单，提高了试验效率、减少了制样时间与难度；

21、3.本发明的类岩石试样模具不仅可以制作成圆柱形，还可以制作成立方体形状，从而可以满足做真三轴试验和不同形状岩样的要求。