本發(fā)明涉及一種用于制作相似模擬實(shí)驗(yàn)試塊的裝置及方法，特別是真三軸、高圍壓條件下相似模擬模型的大尺寸試塊制作方法。

背景技術(shù)：

隨著巷道人類地開(kāi)采活動(dòng)的逐步向深部發(fā)展，原巖應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)力不斷增加，高應(yīng)力使得深部巷道變形呈現(xiàn)出與淺部完全不同的變形特征，充分掌握高應(yīng)力條件下圍巖的力學(xué)性能和變形位移規(guī)律，對(duì)于深部開(kāi)采活動(dòng)來(lái)說(shuō)顯得尤為重要。

相似材料模型實(shí)驗(yàn)是以相似理論為依據(jù)的實(shí)驗(yàn)室研究方法。廣泛應(yīng)用于水利、采礦和地質(zhì)等學(xué)科。即使在巖石力學(xué)數(shù)值模擬不斷完善和運(yùn)算速度大幅度提高的今天，相似模擬實(shí)驗(yàn)仍然是采礦科學(xué)中一種不可替代的巖體變形研究手段，在采礦學(xué)科中是仍然發(fā)揮著重要作用。

目前國(guó)內(nèi)采用的相似模擬實(shí)驗(yàn)方法，普遍為平面模擬，真三軸相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)少。由于真三軸相似實(shí)驗(yàn)全封閉空間特性，真三軸相似模擬模型不好制作，特別是巖層帶一定的傾角后，相似模擬模型的模型分層、模型巖層傾角和厚度、模型每邊的平行程度和模型的密實(shí)度等都不好控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種相似模擬實(shí)驗(yàn)試塊預(yù)壓裝置及用其制作實(shí)驗(yàn)試塊的方法。

本發(fā)明一種相似模擬實(shí)驗(yàn)試塊預(yù)壓裝置，包括電機(jī)和油泵，底座通過(guò)四根平行立柱上安裝有定位橫梁，定位橫梁上安裝調(diào)節(jié)電機(jī)，定位橫梁下方的上壓板與調(diào)節(jié)電機(jī)通過(guò)絲杠連接；底座中心安裝油缸，油缸通過(guò)管線與油泵相連，油缸上安裝下壓板，下壓板與上壓板之間放置試樣模具箱。

作為本方案的進(jìn)一步優(yōu)化，所述的油缸采用雙向油缸。

作為本方案的進(jìn)一步優(yōu)化，所述的油泵、油缸和調(diào)節(jié)電機(jī)通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制。

作為本方案的進(jìn)一步優(yōu)化，所述的底座上方通過(guò)軌道架橫向安裝有平行軌道，平行軌道上設(shè)有用于放置試樣模具箱的移動(dòng)底座。

作為本方案的進(jìn)一步優(yōu)化，所述的上壓板與下壓板平行，油缸、上壓板和下壓板的中心一致。

作為本方案的進(jìn)一步優(yōu)化，所述的試樣模具箱由側(cè)板、蓋板及移動(dòng)底座拼接。

作為本方案的進(jìn)一步優(yōu)化，所述的移動(dòng)底座側(cè)端安裝有吊環(huán)。

本發(fā)明一種用相似模擬實(shí)驗(yàn)試塊預(yù)壓裝置制作實(shí)驗(yàn)試塊的方法，它包括以下步驟：

第一步，確定相似模擬試塊物理結(jié)構(gòu)圖；根據(jù)模擬試塊由多少層巖層組成、每層巖體的厚度和傾角，以及后期需要開(kāi)挖的巷道的位置，繪制并打印和模擬試塊實(shí)際尺寸大小的物理結(jié)構(gòu)CAD圖；

第二步，確定相似材料配比；根據(jù)相似模擬實(shí)驗(yàn)的要求，用公式計(jì)算模擬實(shí)驗(yàn)的相似比，其中幾何相似比：

α_L＝L_H/L_M，

式中L_H-原型尺寸，相似模擬的實(shí)際對(duì)象的尺寸，L_M-模型尺寸，相似模擬模型的尺寸，

容重比：

α_γ＝γ_H/γ_M，

式中γ_H-原型容重，γ_M-模型容重；

強(qiáng)度相似比及應(yīng)力相似比：

α_σ＝α_L·α_γ’

根據(jù)計(jì)算出模型試塊的容重和抗壓強(qiáng)度，結(jié)合砂子、水泥、石膏不同配比號(hào)的相似材料抗壓強(qiáng)度性能表，選擇抗壓強(qiáng)度最相近的配比號(hào)，作為相似模擬模型的配比方案；根據(jù)模擬模型的AutoCAD物理結(jié)構(gòu)圖由計(jì)算出每層模型的面積(S)，再計(jì)算出每層模型的體積V：

V＝S×h，

式中h-模型厚度；

由此計(jì)算出每層模型需要的水泥、石膏和砂子總質(zhì)量Z：

Z＝V×ρ

式中ρ-模型密度；

再計(jì)算每層所需的砂子、水泥、石膏的質(zhì)量：

式中m_砂-砂子質(zhì)量，m_水-水泥質(zhì)量，m_石-石膏質(zhì)量；

第三步，確定應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置；根據(jù)相似模擬試塊物理結(jié)構(gòu)圖和各層材料所選的相似配比的容重和抗壓強(qiáng)度參數(shù)，建立數(shù)值模擬模型并進(jìn)行模擬，根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，選擇10個(gè)左右應(yīng)力變化大的位置布置應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并將之在物理結(jié)構(gòu)CAD圖中標(biāo)出；

第四步，模具安裝；試樣模具箱裝上三塊側(cè)板，在移動(dòng)底座及三個(gè)側(cè)板內(nèi)側(cè)抹上潤(rùn)滑材料，并在上面蓋上減摩材料，將打印的CAD物理結(jié)構(gòu)圖平鋪在減摩材料上；

第五步，試塊模具豎放；將試塊模具箱沒(méi)有裝側(cè)板的一側(cè)朝上，將試塊模具豎立；

第六步，巖層鋪設(shè)；按照第二步中確定相似材料的配比得出的相似材容重和第一步中確定的物理結(jié)構(gòu)，確定每層中所需要的各種相似材料的質(zhì)量，并將之稱出后攪拌均勻，按照第二步選擇的配比號(hào)加入對(duì)應(yīng)的水量后立即進(jìn)行攪拌，攪拌均勻后，倒入試塊模具中，并按照物理結(jié)構(gòu)圖中的分層線夯實(shí)，并保證分層面的平整；按照第三步確定的壓力盒的位置埋入壓力盒后，再次將分層表面夯實(shí)平整；然后在分層表面均勻的按照巖層之間的抗剪切強(qiáng)度撒上對(duì)應(yīng)云母粉量；從下往上依次按照物理結(jié)構(gòu)圖和壓力盒位置裝好，注意將每層夯實(shí)；直到將所有巖層都鋪設(shè)到實(shí)驗(yàn)?zāi)＞咧校?/p>

第七步，將試塊模具放平；將豎放的實(shí)驗(yàn)?zāi)＞叻牌?，將第四塊側(cè)板裝到模具底座上，將試塊模具蓋板卸下，用攪拌好的相似材料將第四塊側(cè)板間的空隙填滿并搗實(shí)；

第八步，預(yù)壓平臺(tái)預(yù)壓；將帶試樣的試樣模具吊裝到預(yù)壓平臺(tái)軌道上，試樣連帶試樣模具放在平行軌道上，移動(dòng)試樣模具沿平臺(tái)軌道移動(dòng)到下壓板中心上方，利用集成開(kāi)關(guān)將上壓板先向下調(diào)節(jié)到靠近試樣模具上方，沿軌道左右移動(dòng)試樣模具使試樣模具內(nèi)側(cè)邊和上壓板四邊一致；利用集成開(kāi)關(guān)控制油缸向上推動(dòng)下壓板，在油缸的作用下下壓板接觸到移動(dòng)底座后，推動(dòng)試樣模具中的試樣上表面和上壓板接觸，繼續(xù)控制下壓板上升，待試樣模具中的試樣上表面和上壓板完全接觸，并保持下壓板上升一定的時(shí)間后；從而在高壓下保證試樣制備的均勻性、平整性、相應(yīng)面的平行性；當(dāng)試樣與上壓板接觸后，先加壓到0.1Mpa，進(jìn)行一次卸壓，后再進(jìn)行一次加壓；從而完成對(duì)試樣的壓密；預(yù)壓完成后，將試樣模具推動(dòng)在預(yù)壓平臺(tái)邊上干燥；

第九步，試塊干燥；試塊放置2-3天有一定的強(qiáng)度后，將試塊模具四塊側(cè)板卸下，試塊繼續(xù)干燥，并在試塊上表面刷白色顏料，并按照5cm的間距畫上網(wǎng)格線，完成試塊的制作。

作為本方案的進(jìn)一步優(yōu)化，所述的潤(rùn)滑材料為黃油。

作為本方案的進(jìn)一步優(yōu)化，所述的減摩材料為青稞紙。

本發(fā)明采用提前預(yù)制模板的辦法，克服了傳統(tǒng)三軸相似模擬實(shí)驗(yàn)巖層傾角不易控制和模型密實(shí)度不均勻問(wèn)題。本制作方法不僅方法簡(jiǎn)單、制作速度快，而且制作出來(lái)的模型的密實(shí)度和平整度都能滿足真三軸等相似模擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)要求。

與現(xiàn)有技術(shù)比較，它的有益效果在于：

1、本發(fā)明可以根據(jù)提前設(shè)定好的相似模擬模型參數(shù)，制作具有不同巖層傾角的相似模擬實(shí)驗(yàn)試塊模型；

2、本發(fā)明制作試塊模型時(shí)“制-試”分離，將試塊的制作過(guò)程和實(shí)驗(yàn)過(guò)程分離開(kāi)來(lái)，兩者不相互干擾，能夠同時(shí)提高試塊制備和模擬實(shí)驗(yàn)的效率，減少了實(shí)驗(yàn)員的工作時(shí)間和工作強(qiáng)度；

3、本發(fā)明不僅方法簡(jiǎn)單、制作速度快，而且試件質(zhì)量高，制作出來(lái)的模型的密實(shí)度和平整度都能滿足真三軸等相似模擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)要求。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明：

圖1本發(fā)明水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力測(cè)點(diǎn)位置布置示意圖；

圖2本發(fā)明表面位移測(cè)點(diǎn)位置布置示意圖；

圖3本發(fā)明中模具豎向放置圖；

圖4本發(fā)明試塊預(yù)壓裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中，1、底座，2、立柱，3、橫梁，4、調(diào)節(jié)電機(jī)，5、上壓板，6、油缸，7、下壓板，8、試樣模具箱，9、管線，10、油泵，11、集成開(kāi)關(guān)，12、絲杠，13、平行軌道，14、軌道架，15、移動(dòng)底座，16、蓋板，17。側(cè)板，18、固定螺栓，19、吊環(huán)。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明一種相似模擬實(shí)驗(yàn)試塊預(yù)壓裝置，包括電機(jī)和油泵，底座1通過(guò)四根平行立柱2上安裝有定位橫梁3，定位橫梁3上安裝調(diào)節(jié)電機(jī)4，定位橫梁3下方的上壓板5與調(diào)節(jié)電機(jī)4通過(guò)絲杠12連接；底座中心安裝油缸6，油缸6采用雙向油缸，油缸6通過(guò)管線9與油泵10相連，油缸6上安裝下壓板7，下壓板7與上壓板5之間放置試樣模具箱8。所述的油泵10、油缸6和調(diào)節(jié)電機(jī)4通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)關(guān)11進(jìn)行控制。所述的底座1上方通過(guò)軌道架14橫向安裝有平行軌道13，平行軌道13上設(shè)有用于放置試樣模具箱8的移動(dòng)底座15。所述的上壓板5與下壓板7平行，油缸6、上壓板5和下壓板7的中心一致。所述的試樣模具箱8由側(cè)板17、蓋板16及移動(dòng)底座15拼接。所述的移動(dòng)底座15側(cè)端安裝有吊環(huán)19。

在進(jìn)行預(yù)壓前，首先將試樣連帶試樣模具箱8的移動(dòng)底座15放在平行軌道13上，移動(dòng)試樣模具箱8到下壓板7中心上方，利用集成開(kāi)關(guān)11將上壓板5先向下調(diào)節(jié)到靠近試樣模具箱8上方，左右移動(dòng)試樣模具箱8使得試樣模具箱8和上壓板5中心一致。利用集成開(kāi)關(guān)11控制油缸6向上推動(dòng)下壓板7，在油缸6的作用下下壓板7接觸到試樣模具箱8后，推動(dòng)試樣模具箱8中的試樣上表面和上壓板5接觸，繼續(xù)控制油缸6上升，待試樣模具箱8中的試樣上表面和上壓板5完全接觸，并保持油泵10一定的時(shí)間后。從而保證了試樣制備的均勻性、平整性、相應(yīng)面的平行性。

當(dāng)試樣與上壓板5接觸后，先加壓到所需要的值，進(jìn)行一次卸壓，后再進(jìn)行一次加壓，從而完成對(duì)試樣的壓密。

本發(fā)明一種用相似模擬實(shí)驗(yàn)試塊預(yù)壓裝置制作實(shí)驗(yàn)試塊的方法，它包括以下步驟：

第一步，確定相似模擬試塊物理結(jié)構(gòu)圖。模擬45°的巖層傾角下，巷道掘進(jìn)斷面尺寸為寬×高＝18mm×18mm的直墻半圓拱型。模型中采用全巖巷開(kāi)挖，圍巖為層狀砂巖，巷道附近的巖層厚度約為1000mm，模型厚度為40mm。繪制并打印和模擬試塊實(shí)際尺寸大小的物理結(jié)構(gòu)CAD圖。

第二步，確定相似材料配比。選擇巷道開(kāi)挖半徑為90mm。現(xiàn)場(chǎng)巷道的實(shí)際半徑為2200mm，相似比為220∶9，本實(shí)例可以模擬的巷道圍巖范圍為寬×高＝24.4m×24.4m。實(shí)際巖體的平均密度為2.5g/cm³，模擬巖體的平均密度2.2g/cm³，密度相似比為2.5∶2.2。由此計(jì)算出應(yīng)力相似比27.78，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)巖體的抗壓強(qiáng)度為65Mpa，因此相似材料的抗壓強(qiáng)度為2.34Mpa。根據(jù)已有相似材料不同配比號(hào)(砂子∶水泥∶石膏＝m∶n∶c)的材料抗壓強(qiáng)度表，本實(shí)例中相似材料的配比號(hào)為437號(hào)的砂子、水泥和石膏。結(jié)合模擬模型的物理結(jié)構(gòu)圖由AutoCAD軟件計(jì)算出每層模型的面積，再計(jì)算出每層模型的體積，總質(zhì)量，最后計(jì)算出每層模型需要的水泥、石膏和沙子的質(zhì)量，見(jiàn)下表1。

表1 模擬各巖層材料配比表

第三步，確定應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置。如圖1和圖2所示，根據(jù)相似模擬試塊物理結(jié)構(gòu)圖和各層材料所選的相似配比的力學(xué)特性確定力學(xué)性能參數(shù)，建立數(shù)值模擬模型并進(jìn)行模擬，根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，選擇10個(gè)左右應(yīng)力變化大的位置布置應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。并將之在物理結(jié)構(gòu)CAD圖中標(biāo)出。

第四步，模具安裝；試樣模具箱8裝上三塊側(cè)板17，在移動(dòng)底座15及三個(gè)側(cè)板17內(nèi)側(cè)抹上潤(rùn)滑材料，并在移動(dòng)底座15上面蓋上減摩材料，將打印的CAD物理結(jié)構(gòu)圖平鋪在減摩材料上；

第五步，試塊模具豎放；將試塊模具箱8沒(méi)有裝側(cè)板17的一側(cè)朝上，將試塊模具豎立；

第六步，巖層鋪設(shè)；按照第二步中確定相似材料的配比得出的相似材容重和第一步中確定的物理結(jié)構(gòu)，確定每層中所需要的各種相似材料的質(zhì)量，并將之稱出后攪拌均勻，按照第二步選擇的配比號(hào)加入對(duì)應(yīng)的水量后立即進(jìn)行攪拌，攪拌均勻后，倒入試塊模具中，并按照物理結(jié)構(gòu)圖中的分層線夯實(shí)，并保證分層面的平整；按照第三步確定的壓力盒的位置埋入壓力盒后，再次將分層表面夯實(shí)平整；然后在分層表面均勻的按照巖層之間的抗剪切強(qiáng)度撒上對(duì)應(yīng)云母粉量；從下往上依次按照物理結(jié)構(gòu)圖和壓力盒位置裝好，注意將每層夯實(shí)；直到將所有巖層都鋪設(shè)到實(shí)驗(yàn)?zāi)＞咧校?/p>

第七步，將試塊模具放平；將豎放的實(shí)驗(yàn)?zāi)＞叻牌剑瑢⒌谒膲K側(cè)板17裝到模具底座上，將試塊模具蓋板16卸下，用攪拌好的相似材料將第四塊側(cè)板間的空隙填滿并搗實(shí)；

第八步，預(yù)壓平臺(tái)預(yù)壓；將帶試樣的試樣模具吊裝到預(yù)壓平臺(tái)軌道13上，試樣連帶試樣模具放在平行軌道13上，移動(dòng)試樣模具沿平臺(tái)軌道13移動(dòng)到下壓板7中心上方，利用集成開(kāi)關(guān)11將上壓板5先向下調(diào)節(jié)到靠近試樣模具上方，沿軌道13左右移動(dòng)試樣模具使試樣模具內(nèi)側(cè)邊和上壓板5四邊一致；利用集成開(kāi)關(guān)8控制油缸6向上推動(dòng)下壓板7，在油缸6的作用下下壓板7接觸到移動(dòng)底座15后，推動(dòng)試樣模具中的試樣上表面和上壓板5接觸，繼續(xù)控制下壓板7上升，待試樣模具中的試樣上表面和上壓板5完全接觸，并保持下壓板7上升一定的時(shí)間后；從而在高壓下保證試樣制備的均勻性、平整性、相應(yīng)面的平行性；當(dāng)試樣與上壓板5接觸后，先加壓到0.1Mpa，進(jìn)行一次卸壓，后再進(jìn)行一次加壓；從而完成對(duì)試樣的壓密；預(yù)壓完成后，將試樣模具推動(dòng)在預(yù)壓平臺(tái)邊上干燥；

第九步，試塊干燥；試塊放置2-3天有一定的強(qiáng)度后，將試塊模具四塊側(cè)板17卸下，試塊繼續(xù)干燥，并在試塊上表面刷白色顏料，并按照5cm的間距畫上網(wǎng)格線，最后完成試塊的制作。