制备具有张开或闭合的单裂隙的类岩石试样的模具及方法技术

本发明专利技术涉及一种制备具有张开或闭合的单裂隙的类岩石试样的模具，其特征在于：包括钢模具、3D打印插片及3D打印盖板，所述钢模具为长方体结构，所述3D打印插片的宽度、粗糙度和厚度与单裂隙的长度、粗糙度和张开度相等，所述3D打印盖板为板状结构，所述3D打印盖板上预设有与类岩石试样中单裂隙实际出露的位置和形态相同的裂缝，且所述裂缝的倾向、倾角和粗糙度与类岩石试样中单裂隙的倾向、倾角和粗糙度相等。本发明专利技术的一种制备具有张开或闭合的单裂隙的类岩石试样的方法，既能够用于制备张开的单裂隙的类岩石试样，又能够用于制备闭合的单裂隙的类岩石试样，试样的制备效率高。

【技术实现步骤摘要】
制备具有张开或闭合的单裂隙的类岩石试样的模具及方法
本专利技术涉及属于岩石力学与工程
，特别是涉及一种制备具有张开或闭合的单裂隙的类岩石试样的模具及方法。
技术介绍
自然界中的岩石在形成过程中受到不同的地质作用，岩石内部会产生大量的结构面，如裂隙，节理等。裂隙对岩体的力学性质起控制作用，是影响岩体抗压强度和稳定性的重要因素。天然裂隙分张开裂隙和闭合裂隙，为了有效评价裂隙岩体的工程稳定性，对含张开或闭合裂隙岩体的力学特性进行研究很有必要。由于天然岩样裂隙的几何形态和产状复杂，很难对天然岩石试样进行重复性试验。因此广泛采用水泥砂浆，石膏等相似材料来制备类岩石试样，同时在试样中预制一定形态的裂隙。目前还没有完备的方法制作含裂隙的类岩石试样，普遍存在无法反映裂隙的粗糙度，无法精确设置裂隙的位置和几何形态等问题。而且目前也没有一套模具能同时制作闭合裂隙和张开裂隙。因此岩石力学测试领域迫切需要一种比较完备的制备含张开或闭合裂隙类岩石试样的方法。如下为目前制作含裂隙的类岩石试样的方法。中国专利申请201310073165.7公开了“一种能精确定位充填型预制裂隙的类岩石试样模具”，该方案包括底板、侧板、隔板、夹具、双头螺栓及带帽螺栓的制作充填型预制裂隙岩石的类岩石试件模具，该模具的使用范围很窄，制作的预制裂隙的形态非常简单，预制裂隙的出露位置、粗糙度及倾向均无法改变。在自然情况下，岩石中的裂隙在地质作用下形成，已经有一定的粗糙度，然后被充填物充填，充填物的粗糙度不等于裂隙的粗糙度，但是利用该模具预制的裂隙的粗糙度取决于充填材料的粗糙度，这是不合理的。正确的制作思路应该是先根据预制裂隙的粗糙度制备裂隙，然后利用充填物充填裂隙。中国专利申请201511018137.0公开了“一种基于3D打印技术的贯通裂隙岩体试样的制备方法”，该方法不能制备含闭合裂隙的岩样，仅能制备含张开裂隙的试样，并且对于不同形态的张开裂隙试样都需要打印新的模具，费时费力。中国专利申请201810018998.6公开了“一种基于3D打印技术制备单裂隙岩石试样的方法”，该方法采用可溶性材料打印模型的内腔，不溶性材料打印模型的轮廓及裂隙，通过溶剂溶解内腔，然后在内腔中注入水泥砂浆以制备不同形态的单裂隙岩样，该方法不能制备含闭合裂隙的岩样，仅能制备含张开裂隙的试样，并且该方法过程耗时且繁琐，需要打印内腔并溶解内腔。中国专利申请201810055763.4公开了“一种基于3D打印技术的含内置裂隙的类岩石试样制备方法”，该方法采用固体树脂材料打印岩体部分，液体树脂打印裂隙部分，随后对制作的试样钻取一个小孔，将液体树脂材料抽出，从而形成内置闭合裂隙。该方法无法制备含张开裂隙的试样，并且该方法需要在试样上钻取小孔，工艺复杂，并且可能会对试样造成损伤。综上所述，现有公知的基于3D打印技术制备含裂隙岩石试样方法的明显不足在于：一是都需要打印模型的内腔，耗时并且繁琐；二是都不能提供一套模具用于重复制作试样；三是现有方法不能既用于制备张开裂隙又用于制备闭合裂隙。因此，现有公知的基于3D打印技术制备含裂隙岩石试样方法的效率很低。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服现有技术所存在的不足而提出一种制备具有张开或闭合的单裂隙的类岩石试样的模具及方法，本专利技术既能够用于制备张开的单裂隙的类岩石试样，又能够用于制备闭合的单裂隙的类岩石试样，试样的制备效率高。根据本专利技术提出的一种制备具有张开或闭合的单裂隙的类岩石试样的模具，其特征在于：包括钢模具、3D打印插片及3D打印盖板，所述钢模具为长方体结构，所述3D打印插片的宽度、粗糙度和厚度与单裂隙的长度、粗糙度和张开度相等，所述3D打印盖板为板状结构，所述3D打印盖板上预设有与类岩石试样中单裂隙实际出露的位置和形态相同的裂缝，且所述裂缝的倾向、倾角和粗糙度与类岩石试样中单裂隙的倾向、倾角和粗糙度相等。本专利技术提出的一种制备具有张开或闭合的单裂隙的类岩石试样的模具的进一步优选方案是：所述钢模具包括底板、侧板、隔板、双头螺栓和带帽螺栓，其中：所述底板的前后两侧分别设有侧板，所述侧板的内侧设有用于插入隔板的凹型榫槽，所述侧板的两端设有用于插入双头螺栓的圆孔，所述带帽螺栓与底板焊接连接，所述双头螺栓中部设有用于插入带帽螺栓的圆孔。所述3D打印盖板的厚度为10mm、面积为钢模具的横截面面积的1/3。本专利技术提出的一种制备具有张开或闭合的单裂隙的类岩石试样的方法，其特征在于，应用上述制备的模具来制备具有张开或闭合的单裂隙的类岩石试样，具体步骤包括如下：步骤一，通过3D打印机打印与单裂隙的长度、张开度和粗糙度相等的3D打印插片；步骤二，通过3D打印机打印3D打印盖板，所述3D打印盖板中预设有与类岩石试样中单裂隙实际出露的位置和形态相同的裂缝；步骤三，组装钢模具，所述钢模具包括底板、侧板、隔板、双头螺栓和带帽螺栓，将所述侧板放置在所述底板上，将所述双头螺栓穿过所述侧板两端的圆孔，将所述带帽螺栓穿过所述双头螺栓，将所述隔板插入所述侧板的凹型榫槽，拧紧所述双头螺栓和带帽螺栓，在所述钢模具内涂抹润滑油1-2次；步骤四，将水泥砂浆倒入所述钢模具内并充分振捣；步骤五，将所述3D打印盖板盖在所述钢模具的顶面；步骤六，3D打印插片的外部涂抹润滑油1-2次；步骤七，将所述3D打印插片通过预设的裂缝插入类岩石试样的内部；步骤八，根据所制备的张开或闭合的单裂隙的类岩石试样的裂隙类型，分别确定将3D打印插片拔出的时间，并在3D打印插片拔出后移去3D打印盖板；步骤九，待水泥砂浆固化成型后脱膜并养护得到含张开的单裂隙的类岩石试样或含闭合的单裂隙的类岩石试样。本专利技术提出的一种制备具有张开或闭合的单裂隙的类岩石试样的方法的进一步优选方案是：步骤一或步骤二中所述的3D打印插片和3D打印盖板的材料均为不溶于水的聚乳酸。步骤八中所述的3D打印插片拔出的时间取决于形成单裂隙的形状，若要形成张开的单裂隙，24小时后将3D打印插片拔出；若要形成闭合的单裂隙，2个小时后将3D打印插片拔出，此时水泥砂浆处于流塑状态，使得拔出3D打印插片后产生的狭缝逐渐变窄，由此形成闭合的单裂隙。本专利技术与现有技术相比其显著优点在于：第一，本专利技术能够利用同一套模具既制备含张开的单裂隙的类岩石试样又制备闭合的单裂隙的类岩石试样，有效提高了试样的制备效率。第二，本专利技术采用3D打印技术制备3D打印插片与3D打印盖板，能够精确定位单裂隙的位置，能够准确控制裂隙的长度、粗糙度、张开度、倾向和倾角。第三，本专利技术的钢模具结实耐用、易于加工、可重复利用，制备不同形态裂隙试样只需要打印3D打印插片和3D打印盖板，不需要打印模型轮廓和内腔，能够极大地节省时间和材料，提高含预制裂隙类试样的制备效率。第四，本专利技术制备方法中，先浇筑和振捣水泥砂浆，再插入插片，能够减少因浇筑和振捣导致的预制裂隙位置和形态的变化，大大提高了预制裂隙的准确度。附图说明图1是本专利技术提出的一种制备具有张开或闭合的单裂隙的类岩石试样的模具的结构示意图。图2是本专利技术提出的钢模具的结构示意图。图3是本专利技术提出3D打印插片的示意图。图4是本专利技术提出3D打印盖板的示意图。图5是本专利技术提出的一种制备具有张开或闭合的单裂隙的类岩石试样的方法的流程示意图。图6是浇筑完成后的含张开的单本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.制备具有张开或闭合的单裂隙的类岩石试样的模具，其特征在于：包括钢模具(1)、3D打印插片(2)及3D打印盖板(3)，所述钢模具(1)为长方体结构，所述3D打印插片(2)的宽度、粗糙度和厚度与单裂隙的长度、粗糙度和张开度相等，所述3D打印盖板(3)为板状结构，所述3D打印盖板(3)上预设有与类岩石试样中单裂隙实际出露的位置和形态相同的裂缝(4)，且所述裂缝(4)的倾向、倾角和粗糙度与类岩石试样中单裂隙的倾向、倾角和粗糙度相等。

【技术特征摘要】
1.制备具有张开或闭合的单裂隙的类岩石试样的模具，其特征在于：包括钢模具(1)、3D打印插片(2)及3D打印盖板(3)，所述钢模具(1)为长方体结构，所述3D打印插片(2)的宽度、粗糙度和厚度与单裂隙的长度、粗糙度和张开度相等，所述3D打印盖板(3)为板状结构，所述3D打印盖板(3)上预设有与类岩石试样中单裂隙实际出露的位置和形态相同的裂缝(4)，且所述裂缝(4)的倾向、倾角和粗糙度与类岩石试样中单裂隙的倾向、倾角和粗糙度相等。2.根据权利要求1所述的制备具有张开或闭合的单裂隙的类岩石试样的模具，其特征在于，所述钢模具(1)包括底板(5)、侧板(6)、隔板(7)、双头螺栓(8)和带帽螺栓(9)，其中：所述底板(5)的前后两侧分别设有侧板(6)，所述侧板(6)的内侧设有用于插入隔板(7)的凹型榫槽，所述侧板(6)的两端设有用于插入双头螺栓(8)的圆孔，所述带帽螺栓(9)与底板(5)焊接连接，所述双头螺栓(8)中部设有用于插入带帽螺栓(9)的圆孔。3.根据权利要求1或2所述的制备具有张开或闭合的单裂隙的类岩石试样的模具，其特征在于，所述3D打印盖板(3)的厚度为10mm、面积为钢模具(1)的横截面面积的1/3。4.制备具有张开或闭合的单裂隙的类岩石试样的方法，其特征在于，应用权利要求1所述的模具来制备具有张开或闭合的单裂隙的类岩石试样，具体步骤包括如下：步骤一，通过3D打印机打印与单裂隙的长度、张开度和粗糙度相等的3D打印插片(2)；步骤二，通过3D打印机打印3D打印盖板(3)，所述3D打印盖板(3)中预设有与类岩石试样中单裂隙实际出露的位置和形态相同的裂缝(4)；步骤三，组装钢...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙少锐，乐慧琳，吕毅，施威，朱峰，王武超，范昊天，刘勇，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32