一种可精确生成裂隙的辅助浇筑工具及使用方法

技术领域

本发明属于岩土实验技术领域，特别涉及一种可精确生成裂隙的辅助浇筑工具及使用方法。

背景技术

节理裂隙是岩体、工程体、材料体等的重要属性，节理裂隙的发育及扩展可对岩体、工程体等的力学性质造成不良影响，严重降低岩体、工程体的工程属性和使用能力。对岩体或工程体的裂隙扩展分布，破坏形式，本构模型等方向的分析是工程、材料、地矿、水利等领域的重要研究方向，对各个领域的发展具有重要的指导意义。

对岩石试件预制裂隙时常使用切割贯通裂隙或半贯通裂隙的方式，对类岩体工程体材料（如石膏混凝土等）试件预制裂隙时常使用浇筑时在浇筑模具内放入预制裂隙的方式。

常规预放置裂隙的技术主要存在的缺点包括：

（1）对于呈完全贯通形裂隙的浇筑试件，若试件中贯通裂隙的数量较多则制备时裂隙不易控制，最终致使成品试件中的裂隙的空间位置与预设位置误差较大。

（2）对于呈非完全贯通形裂隙的浇筑试件，特别是裂隙面不垂直于浇筑面的实验试件，浇筑过程中裂隙的空间位置难以控制使得最终成品试件的裂隙空间位置与预设位置会有较大的差别，影响实验效果。

（3）对于裂隙较多且分布不规律的实验试件若只使用常规浇筑模具，制备过程中无法精确控制每个裂隙的空间位置，且浇筑过程中极易注入空气，致使最终实验试件与设计试件差距极大。

为了预制工程体或岩体的试件裂隙，学者们进行了大量的探索研究，例如现有技术中提供了一种实验试件裂隙预制仪，可以制作贯通及半贯通裂隙，可制作多种形状的裂隙，但该预制仪机构繁琐，且无法预制非贯通、内置性裂隙，对单一试件内多种不同裂隙的精确预制效果不佳。

另有现有技术提供了一种可批量制作不同倾角类岩体裂隙试样的模具，该模具更适用于含有完全贯通的、不同角度的浇筑试件的批量制作。但该模具未考虑贯通裂隙未垂直于试件表面的情况，不具备制作非贯通、内置裂隙或大量不规律裂隙的能力。现有技术提供的一种制取不同裂隙位置、倾角和连通率岩石试件的装置及方法，该装置对贯通及半贯通裂隙的精确制作具有一定优势。同样的，该装置完全不具备制作非贯通、内置裂隙或大量不规律裂隙的能力。

现有技术提供的一种可调节类岩石材料裂隙预制装置。对单一贯通裂隙的制作具有优势，但该装置未考虑贯通裂隙未垂直于试件表面的情况，不具备制作非贯通、内置裂隙或大量不规律裂隙的能力。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的可以产生非贯通、内置裂隙的工具较少，适用于多种模具（矩形、圆形）的辅助工具较少，目前的试件制作模具及其相应的产生裂隙的辅助工具在浇筑时无法高精度的放置任意角度、任意深度、任意形状的裂隙，以及目前的试件制作模具及其相应的产生裂隙的辅助工具无法浇筑产生存在有大数量不同裂隙（如贯通性不同、裂隙厚度大小不同、裂隙空间位置、裂隙倾角倾向不同）的单一实验试件等问题，提供一种可精确生成裂隙的辅助浇筑工具及使用方法，不但可以预制上述裂隙试件还可精确设置并控制上述试件中每一个裂隙的上述性质。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

该辅助浇筑工具包括镂空刻度基板、固定夹具、刻度支撑钉和不同尺寸的裂隙板，

镂空刻度基板包括上板和下板，固定夹具包括操作板、夹持臂、水平固定螺栓和垂直固定螺栓；

上板和下板的镂空网格交格点处均开凿有完全贯通板体的孔洞，且两板孔洞开凿形状均为半球状，在下板每个孔洞内放置有与半球孔洞直径相同的小珠，通过粘接或螺丝通孔固定的方式将下板上底面与上板下底面完全固定在一起，形成珠形连接，且小珠上开凿有贯通珠体的贯通小孔；

镂空刻度基板直接与固定夹具中的操作板完全固定连接，操作板上板面与镂空刻度基板的上板面在同一平面内；

操作板的板面下方设置有凹槽导轨，固定夹具的两个夹持臂上端的凸起形状与凹槽导轨截面相同，能够分别在两个凹槽导轨内自由滑动，两个夹持臂末端相同位置设置有通孔，水平固定螺栓完全穿过两个夹持臂末端通孔，旋紧水平固定螺栓的螺母以完全固定两夹持臂间的距离，使夹持臂完全夹持住模具外表面；

操作板上开槽，供垂直固定螺栓通过，水平平移调节操作板至合适位置再旋紧操作板上的两个垂直固定螺栓，以便将镂空刻度基板固定在模具模口处；

刻度支撑钉穿过珠形连接中的小珠的贯通小孔；

根据使用需要，将不同尺寸的裂隙板固定在刻度支撑钉上，置于透明模具内，以便生成裂隙。

所述上板和下板均呈网格状镂空结构且两者的镂空位置、形状及尺寸完全相同。

所述珠形连接的小珠完全镶嵌在镂空刻度基板内并能任意方向转动。

所述上板上表面未镂空处标刻有距离刻度及角度刻度，方便实验人员精确放置裂隙材料板。

所述镂空刻度基板采用透明材料制成。

所述刻度支撑钉为细长条状结构，其截面为矩形或圆形，截面的形状与小珠的贯通小孔的形状一致，截面矩形时的边长或截面圆形时的直径小于1mm。

所述小珠的贯通小孔内侧与小珠外壁涂抹有油膏，保证刻度支撑钉在不受外力的情况下与小珠的相对位置保持不变，同时保证小珠在不受外力的情况下在孔洞内保持不转动。

所述刻度支撑钉钉体上标刻有距离刻度。

所述刻度支撑钉为钢质材料或其它高强度、不易变形的材料制成。

本发明中固定夹具可以夹持住制作筑模的模具，使得辅助工具可以固定安装在浇筑膜具的膜具口处。

上述裂隙板通过三维打印技术打印形成，打印的裂隙板板内设置导槽，刻度支撑钉完全贯通穿过裂隙板导槽。打印材料包括：

①使用水溶性或自身易降解的打印材料制备裂隙板，用于产生与试件表面贯通的裂隙；

②使用石膏粉末打印制备裂隙板，用于产生与试件表面非贯通、内置的裂隙。

为满足裂隙板与刻度支撑钉之间的相对位置在不受外力的情况下可保持相对静止状态，在受轻微外力作用下两者的相对位置会发生改变，可在裂隙板导槽两端蒙设弹性橡皮膜。

上述裂隙板还可以由人工预制方式制作，所用材料包括：

①低强度泡沫材料，材料体强度较低易于切割、贯穿通孔，可制作贯通及非贯通内置裂隙；

②中空纸板类结构材料，材料体强度较低易于切割、贯穿通孔，可制作贯通及非贯通内置裂隙；

③石膏等易切割建筑材料，材料体强度较低易于切割、贯穿通孔，常制作非贯通内置裂隙。

该辅助浇筑工具的使用方法，包括步骤如下：

S1：准备阶段：

确定实验所需试件尺寸的浇筑模具，设计实验试件的裂隙的空间赋存形式及相应变量并制备实验所需相应的浇筑材料；通过三维打印方式或人工预制方式制作裂隙板；

S2：制备试件：

选择与实验浇筑模具尺寸匹配的辅助浇筑工具，并利用固定夹具夹持模具，把辅助浇筑工具完全固定在模具端口上，选取所需位置的镂空刻度基板的小孔，并把刻度支撑钉穿过小孔，按照实验预设裂隙的大小及位置选择需要放置的裂隙板并参照刻度支撑钉及刻度基板上的刻度调整裂隙板与刻度支撑钉的相对位置，随后将镂空刻度基板置于模具上端开口处，保持镂空刻度基板、刻度支撑钉、裂隙板不动，通过镂空网格向下注入浇筑材料，注入材料时应保证裂隙板周围材料注入高度平齐，注入完成；

S3：分情况处理：

S31：贯穿性垂直浇筑面的裂隙试件：当浇筑完成后选择快速稳定沿钉方向抽出刻度支撑钉并取下镂空刻度基板；（对于贯穿性裂隙的试件，为保证制作试样时的效果，制样时可不把裂隙板抽出，等试件干燥养护完成或是完全定型后，将裂隙板取出，若是裂隙板本身材料强度较低（如泡沫、纸制、石膏等）也不需要抽出）

S32：非贯穿性、内置的裂隙试件：当浇筑完成后快速稳定沿钉方向抽出刻度支撑钉并取下镂空刻度基板，裂隙板按设计形式预留在浇筑试件中；

S33：分布有大量裂隙的试件：当浇筑材料没过其中一个裂隙板后快速稳定沿钉方向抽出该裂隙板的刻度支撑钉，并进行对试件的继续浇筑，当浇筑材料没过下一个裂隙板时重复操作直至完全浇筑完成；（该种情况下，裂隙板不能抽出，尤其是没有贯穿的裂隙板，每一个都不能抽出，制作此类裂隙时，选取强度较弱或可自动降解材料的裂隙板）

S4：完成制作：

完成试件制作并依实验要求选择地点养护试件，清洁辅助浇筑工具。

所述S2中对于非垂直浇筑面的裂隙试件需使用如量角器等其它测量工具使其达到实验试件预制要求。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

（1）本发明可辅助浇筑常规模具，可精确产生含有任意倾角倾向、任意空间位置、任意贯通形式、任意形状裂隙的试件。

（2）目前的试件制作模具及其相应的产生裂隙的辅助工具无法浇筑产生存在有大数量不同裂隙（如贯通性不同、裂隙厚度大小不同、裂隙空间位置、裂隙倾角倾向不同）的单一实验试件。本发明不但可以预制上述裂隙试件还可精确设置并控制上述试件中每一个裂隙的上述性质。

（3）本发明不拘泥于浇筑模具的形状尺寸，通过固定夹具装置可完全固定并适应多数的实验筑模模具，具有较高的适应性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所 需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明 的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明可精确生成裂隙的辅助浇筑工具结构示意图；

图2为本发明可精确生成裂隙的辅助浇筑工具裂隙板的结构爆炸图；

图3为本发明的珠形连接细节图；

图4为本发明的固定夹具结构示意图；

图5为本发明实施例中支撑钉位置不变、裂隙板尺寸不变、产生不同的裂隙试件效果图，其中，图5中的（a）为效果一，图5中的（b）为效果二；

图6为本发明实施例中形成贯通性裂隙、非贯通性裂隙、多复杂裂隙试件示意图，其中，图6中的（a）为贯通性裂隙，图6中的（b）为非贯通性裂隙，图6中的（c）为多复杂裂隙。

其中：1-裂隙板；2-刻度支撑钉；21-距离刻度；3-垂直固定螺栓；4-操作板；41-凹槽导轨；5-镂空刻度基板；51-上板；52-下板；53-珠形连接；531-贯通小孔；6-夹持臂；7-水平固定螺栓；8-透明模具。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种可精确生成裂隙的辅助浇筑工具及使用方法。

如图1和图2所示，该辅助浇筑工具包括镂空刻度基板5、固定夹具、刻度支撑钉2和不同尺寸的裂隙板1，

镂空刻度基板5包括上板51和下板52，固定夹具包括操作板4、夹持臂6、水平固定螺栓7和垂直固定螺栓3；

上板51和下板52的镂空网格交格点处均开凿有完全贯通板体的孔洞，且两板孔洞开凿形状均为半球状，在下板每个孔洞内放置有与半球孔洞直径相同的小珠，通过粘接或螺丝通孔固定的方式将下板上底面与上板下底面完全固定在一起，形成珠形连接53，且小珠上开凿有贯通珠体的贯通小孔531；

镂空刻度基板5直接与固定夹具中的操作板4完全固定连接，操作板4上板面与镂空刻度基板5的上板面在同一平面内；

如图4，操作板4的板面下方设置有凹槽导轨41，固定夹具的两个夹持臂6上端的凸起形状与凹槽导轨41截面相同，能够在凹槽导轨41内自由滑动，两个夹持臂6末端相同位置设置有通孔，水平固定螺栓7完全穿过两个夹持臂6末端通孔，旋紧水平固定螺栓7的螺母以完全固定两夹持臂6间的距离，使夹持臂6完全夹持住模具外表面；

操作板4上开槽，供垂直固定螺栓3通过，水平平移调节操作板4至合适位置再旋紧操作板4上的两个垂直固定螺栓3，以便将镂空刻度基板5固定在模具模口处；

刻度支撑钉2穿过珠形连接53中的小珠的贯通小孔531；

根据使用需要，将不同尺寸的裂隙板1固定在刻度支撑钉2上，置于透明模具8内，以便生成裂隙。

上板51和下板52均呈网格状镂空结构且两者的镂空位置、形状及尺寸完全相同。

如图3，珠形连接53的小珠完全镶嵌在镂空刻度基板5内并能任意方向转动。

上板51上表面未镂空处标刻有距离刻度及角度刻度，方便实验人员精确放置裂隙材料板。

镂空刻度基板5采用透明材料制成。

刻度支撑钉2为细长条状结构，其截面为矩形或圆形，截面的形状与小珠的贯通小孔531的形状一致，截面为矩形时的边长或截面为圆形时的直径小于1mm。

小珠的贯通小孔531内侧与小珠外壁涂抹有油膏，保证刻度支撑钉2在不受外力的情况下与小珠的相对位置保持不变，同时保证小珠在不受外力的情况下在孔洞内保持不转动。在受到其它外力干预时三者间保持相对静止的状态会发生改变。

刻度支撑钉2钉体上标刻有距离刻度21。

刻度支撑钉2为钢质材料或其它高强度、不易变形的材料制成。

本发明中固定夹具可以夹持住制作筑模的模具，使得辅助工具可以固定安装在浇筑模具的模具口处。

裂隙板1可以通过三维打印或预制，具体如下：

1）三维打印技术打印形成裂隙板1：通过三维建模软件设计并打印形成裂隙板1，可设置多种形状裂隙。打印裂隙板1内设置有导槽，刻度支撑钉2可完全贯通穿过裂隙板1导槽。为满足裂隙板1与刻度支撑钉2之间的相对位置在不受外力的情况下可保持相对静止状态，在受轻微外力作用下两者的相对位置会发生改变，可在裂隙板1导槽两端蒙设弹性橡皮膜。

①在产生与试件表面贯通的裂隙时，可使用水溶性的打印材料或自身易降解的材料。养护期间裂隙可自行分解消失或降解破坏。

②在产生与试件表面非贯通、内置的裂隙时，可使用一些强度较低的打印材料如石膏粉末等。

2）由其它材料切割预制裂隙板1：无三维打印技术条件时可选择使用材料切割预制裂隙板1，主要提供以下三种技术方案：

①低强度泡沫材料，材料体强度较低，易于切割、贯穿通孔，可制作贯通及非贯通内置裂隙。

②中空纸板类结构材料，材料体强度较低，易于切割、贯穿通孔，可制作贯通及非贯通内置裂隙。

③石膏等易切割建筑材料，材料体强度较低，易于切割、贯穿通孔，常制作非贯通内置裂隙。

在实际设计中，通过粘接或是螺丝通孔固定的方式可方便取换板内坏掉的珠形连接53。珠形连接53的小珠上开凿有贯通珠体的通孔，可穿过如细针、线等细物。

该辅助浇筑工具的使用方法，包括步骤如下：

S1：准备阶段：

确定实验所需试件尺寸的浇筑模具，设计实验试件的裂隙的空间赋存形式及相应变量并制备实验所需相应的浇筑材料；通过三维打印方式或人工预制方式制作裂隙板1；

S2：制备试件：

选择与实验浇筑模具尺寸匹配的辅助浇筑工具，并利用固定夹具夹持模具，把辅助浇筑工具完全固定在模具端口上，选取所需位置的镂空刻度基板5的小孔，并把刻度支撑钉2穿过小孔，按照实验预设裂隙的大小及位置选择需要放置的裂隙板1并参照刻度支撑钉2及刻度基板上的刻度调整裂隙板1与刻度支撑钉2的相对位置，随后将镂空刻度基板5置于模具上端开口处，保持镂空刻度基板5、刻度支撑钉2、裂隙板1不动，通过镂空网格向下注入浇筑材料，注入材料时应保证裂隙板1周围材料注入高度平齐，注入完成；

S3：分情况处理（如图6）：

S31：贯穿性垂直浇筑面的裂隙试件：当浇筑完成后选择快速稳定沿钉方向抽出刻度支撑钉2并取下镂空刻度基板5；

S32：非贯穿性、内置的裂隙试件：当浇筑完成后快速稳定沿钉方向抽出刻度支撑钉2并取下镂空刻度基板5，裂隙板1按设计形式预留在浇筑试件中；

S33：分布有大量裂隙的试件：当浇筑材料没过其中一个裂隙板1后快速稳定沿钉方向抽出该裂隙板1的刻度支撑钉2，并进行对试件的继续浇筑，当浇筑材料没过下一个裂隙板1时重复操作直至完全浇筑完成；

S4：完成制作：

完成试件制作并依实验要求选择地点养护试件，清洁辅助浇筑工具。

其中，S2中对于非垂直浇筑面的裂隙试件需使用如量角器等其它测量工具使其达到实验试件预制要求。

本发明工具能够在支撑钉位置不变、裂隙板1尺寸不变的情况下产生不同的裂隙试件，如图5所示。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。