岩石模型试验相似材料的装置设计与研究

岩石模型试验相似材料的装置设计与研究

许九保1蔡云辉2龚屿1王帅1雷学文1

1.武汉科技大学城市建设学院湖北武汉430065；2.武汉科技大学机械自动化学院湖北武汉430071

摘要：分析了相似材料研究的现状，提供了一种岩石模型试件倾斜角制作装置，介绍了其使用方法，能够方便、有效地制作具有倾斜角的岩石模型试件，可将其应用于岩土模型试验的开展。

1引言

在天然状态下，岩层之间往往存在一定的倾斜角。张明书在关于海滩岩几个问题的初步研究[1]指出到海滩岩几乎无例外地随着海滩的坡降向海倾斜，其倾角一般在6。～10。,范围内最大可达15。。工程中往往通过现场原位试验和室内模型试验开展涉及岩体的各项研究工作，但是岩石取芯技术存在一些苦难，往往难以获得足够尺寸的岩石模型试验试件，更是很难获取满足模型比尺、性质较为一致的平行持力层试件，制约了相关研究工作的开展。因而，通过室内模型试验的方法开展相应研究，使用相似材料替代真实岩石试件，开展模型试验，模拟工程实际工况。然而倾斜角的制作较难，目前暂无较好的装置和方法，通过开展模型试验研究其相应的特性，需要制作符合工程实际的模型试验岩石试件。

2相似材料研究现状

张宁等[2]人在新型岩石模型试验，相似材料的研制中通过试验测定不同水灰比和橡胶粉取代率,相似材料的表观密度、抗压强度、弹性模量、劈拉强度等物理力学性能的变化规律。王丽等人[3]采用水泥对钙质砂进行了人工胶结，指出水泥含量的提升对胶结强度有提升作用，然而对钙质砂水泥胶结物与礁灰岩材料的相似性未进行分析比对，也没有从结构的方向考虑胶结钙质土相似材料的模拟。T.CUCCOVILLO[4]及M.R.COOP将结构性的概念引入胶结土的研究中，建议将结构性看作是土的天然性质之一，就像矿物成分、颗粒形状及级配一样。以胶结为主的天然胶结钙质土在进行剪切时表现为粘聚力模式，而以组构为主的弱胶结石英砂岩在剪切时表现为摩擦模式。

以上的学者的研究主要集中在对于相似材料力学性质的模拟、相似材料的配比上，而对于相似材料结构性方面的模拟研究较少，在天然状态下，岩层之间往往存在一定的倾斜角，故往往采用相似材料制作成模型试件来模拟实地情况时需要进行考虑模型试验材料的结构性。目前暂无较好的方法和相关制作装置，有必要开发一种模拟更加近似结构状态的岩石模型试件的制备装置，用于岩石模型试验。

3、装置设计与分析

为了解决上述问题可提供一种岩石模型试件倾斜角制作装置，能够方便、有效地制作具有倾斜角的岩石模型试件。包括支撑架、模具箱、倾斜部以及击实部设计一种岩石模型试件倾斜角制作装置。

3.1装置整体组成

装置如图1，包括支撑架、模具箱、倾斜部以及击实部。设计一种岩石模型试件倾斜角制作装置，其特征在于，包括：支撑架，包含：底板、顶板、设置在底板和顶板之间的多个立柱；模具箱，放置在底板上，上部开口、用于容纳制作岩石模型试件的相似材料；倾斜部，位于顶板下方，并且与模具箱的开口相对应，包含：斜压板，与斜压板相铰接的上横板，下端与斜压板相铰接、上端从上横板的通孔中伸出、通过上下移动调节斜压板倾斜角的调节杆，与调节杆相配合、将调节杆固定在上横板上的固定调节件；以及击实部，设置在倾斜部上方，包含：下端与上横板固定相连、上端从顶板中部的贯穿孔中伸出的垂直导杆，固定在垂直导杆伸出部分的下部的承压挡板，和可上下移动地安装在垂直导杆上、并且位于承压挡板上方的击实锤。

3.2装置的功能

1、不同倾斜夹角

通过上下移动调节杆转动斜压板，进而改变斜压板的倾斜角度（斜压板与水平面的夹角），斜压板直接与模具箱中的试样表面接触，再通过击实部的击打压实试件，使试样产生不同的倾斜角，当倾斜角变化时，斜压板与试样表面的接触面积发生变化，通过移动延长板，调节斜压板的大小，匹配覆盖不同大小的试件表面。

2、不同的锤击能量

通过控制击实锤的上升和下落来获得击实能，将击实力传递给斜压板，对试样进行击实。此外可通过调整击实锤的下落高度，调整锤击的能量，进而在每次下落高度相同情况下相应的锤击力大小也相同。

3、制作不同尺寸模型试件

装置还可以包括多个不同尺寸的模具箱、斜压板、上横板、调节杆以及击实锤，并且这些结构都是可拆卸连接，这样就可以根据实际情况选择不同的组合，完成大型土工模型箱，使用灵活，适用范围更广。

3.3装置的使用

1、将移动杆移动使支撑架调节至合适的高度，将一层试样装入模具箱中。

2、调节螺母和螺杆使调节杆上下移动至相应倾斜角刻度处，使得斜压板处于所需倾斜角。

3、通过延长板调节斜压板的大小，使斜压板恰好完全覆盖并压住试样表面。

4、手动将击实锤沿着垂直导杆移动至相应下落高度处，放开击实锤，使其自由下落，对试样进行击实。

5、重复步骤4（步骤4的重复次数由试验需求决定），使该一层试样被压实达到试验所需制作的压实度，即停止步骤4，第一层压实结束。重复上述步骤1~5进行下一层的压实，最后一层上表面用平底的击实仪器击实，使试件表面水平，以便于后续测试。

4、结语与应用

探究制作更符合岩石结构特点相似材料模拟的装置和方法，通过此，即可方便地制作具有不同岩层间倾斜角的岩石模型试件，能够更加真实的模拟岩石具有倾斜夹角的现象，从而获得具有真实土体状态的岩石模型试件，并将其应用于岩土模型试验的开展,。

参考文献

[1]张明书.关于海滩岩几个问题的初步研究[J].海洋地质与第四纪地质，1985，5(2)：105—112.

[2]张宁,李术才,李明田,等.新型岩石相似材料的研制[J].山东大学学报(工学版),2009,39(4):149-154.

[3]王丽,鲁晓兵,王淑云等钙质砂的胶结性及对力学性质影响的实验研究[J].实验力学,2009,24(2),133-143.

[4]Cuccovillo,T.&Coop,M.R.(1999).Onthemechanicsofstructuredsands[J].Geotechnique1999,49(6):741-760.

武汉科技大学大学生创新创业训练计划基金项目《17ZZA105》资助