技術領域：

本發(fā)明屬于類巖石試樣及其制備技術領域，涉及一種用于制作具有不同形態(tài)的孔隙類巖石試樣制作模具及制作方法。

背景技術：
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天然巖體具有孔隙裂隙等特征，對巖體的力學性能有重要影響，對含孔隙巖石進行試驗研究是巖石力學中重要研究方向之一。為了能得到預設孔隙的巖樣，研究孔隙形態(tài)對巖石力學性能的影響，人們提出了人工預制具有裂隙孔隙巖石及類巖石試樣的方法。目前，巖石及類巖石試樣裂隙孔隙預制方法有如下幾種：一是通孔及切割法，通孔及切割法是制作帶有通透孔隙的真實試樣，利用切割機或鉆孔機對真實巖石試樣進行通孔或切割的方法，這種方法可以獲得基于真實巖石的具有孔隙和裂隙試樣，但這種方法在加工孔隙同時會對巖樣原有力學特征產生影響，而且由于其切割所需設備強度較高，孔隙及裂隙形態(tài)較單一，這種方法的不足之處就凸顯出來；二是預埋法，預埋法采用類巖石材料，如石膏、水泥、砂漿等與其他混合料按一定比例配制塑化材料來模擬巖石材料，并且在其塑化過程中預埋強度差異明顯的材料進行模擬巖石的節(jié)理或者裂隙，這種方法可以在不對巖樣進行二次影響的情況下制作在強度上不連續(xù)的類巖石試樣，進行試樣的三軸及單軸力學試驗，但這種方法只能制造強度上近似于有裂縫的巖樣而不能預留孔隙進行巖樣滲透性研究，所以這種方法在研究滲透性對巖石力學性能影響方面依然存在不足；三是插片法，中國專利cn105806687.a公開了一種制作可調節(jié)裂隙面寬度巖樣的模具，其通過旋轉圓形定位板交錯控制裂隙寬度的大小，通過旋轉圓形定位板調節(jié)預制縫隙和長條形薄鋼片的角度，可以得到角度及位置都可控的裂隙，但薄鋼片不經特殊處理很難在材料塑化后取出，取出時難免會導致裂隙形態(tài)發(fā)生改變，影響預制裂隙精確性，并且這種方法制作的是類巖石試樣的表面裂隙，對于巖石試樣內部貫通孔隙的預留較為困難。因此，迫切需要設計一種用于制作具有不同形態(tài)的孔隙類巖石試樣制作模具及制作方法。

技術實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術存在的缺點，解決現(xiàn)有具有孔隙類巖石試樣制作方法的不足，設計提供一種具有預留孔隙的類巖石試樣制作模具及制備作法，以實現(xiàn)具有不同形態(tài)孔隙類巖石試樣的制備。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所述孔隙類巖石試樣制作模具根據試驗實際需要所述模具設計為長方體或圓柱體結構，具體尺寸根據實際需要進行調節(jié)加工，其主體結構包括可活動的上底板、下底板及模體三部分，可活動的上底板、下底板及模體上下端口四周沿周向分別設有螺栓孔，模具各部分之間的通過與螺栓孔配合使用的螺栓錨固實現(xiàn)相互連接與固定，便于預制試樣的脫模；可活動上底板、下底板及模體上分別設有等間距均勻排布的孔洞，相鄰孔洞間距根據實際需要設定，通過設定空間坐標系確定所有孔洞的坐標位置，根據孔洞的坐標位置能夠計算任意孔隙長度及角度參數(shù)，設某一孔隙初始點坐標為p(p1，p2，p3)，終止點坐標為q(q1，q2，q3)，則孔隙長度及角度參數(shù)按以下各式計算：

孔隙兩端點連線的直線方程：

(x-p1)/(q1-p1)＝(y-p2)/(q2-p2)＝(z-p3)/(q3-p3)(1)

孔隙兩端點連線距離公式：

孔隙兩端點連線與z軸夾角計算公式：

本發(fā)明所述可活動的上底板由四塊擋板組成，每塊擋板均能與“田字形”骨架分離組裝，“田字形”骨架中的橫向和豎向骨架分別預留分布孔洞，并能將其中任意一塊擋板自由安裝及拆卸，以保證制備試樣時鐵絲定位與類巖石漿體澆筑能同時進行。

本發(fā)明制作孔隙類巖石試樣時，用到的輔助構件包括錫紙貼片、夾具、鐵絲、石蠟，其中錫紙貼片緊貼模具內壁，防止試樣澆筑時漿體從模具孔洞中溢出；夾具用于鐵絲的夾持固定，待鐵絲兩端伸出模具孔洞，通過夾具將鐵絲定位于模具孔洞外側，進行鐵絲兩端的固定；鐵絲用于試樣預留模擬孔隙的制備，根據實際需要選擇不同規(guī)格及長度的鐵絲，鐵絲能進行小幅度彎曲模擬迂曲孔隙形態(tài)；石蠟用于鐵絲表面的包裹，將其均勻涂抹于鐵絲表面，待試樣成型后加熱鐵絲將表面石蠟融化實現(xiàn)鐵絲的無擾動抽取。

本發(fā)明制作孔隙類巖石試樣的具體過程包括以下步驟：

(1)孔洞定位：所需孔隙長度及角度參數(shù)通過公式(1)、(2)、(3)進行計算，首先確定坐標系及坐標原點，選取孔隙初始點孔洞坐標，并由此計算孔隙終止點孔洞坐標，進行模具孔洞定位并標記；

(2)錫紙貼片固定：確定孔洞坐標后，將錫紙貼片貼在下底板及模體內壁上進行密封，防止?jié)仓{體從孔洞流出；

(3)鐵絲安置：根據所需孔隙形態(tài)選取鐵絲規(guī)格，將石蠟均勻涂抹于鐵絲表面，并將鐵絲兩端穿透錫紙貼片延伸出定位孔洞外側，并用鐵絲夾具對鐵絲進行定位；

(4)漿體澆筑：待模具密封及鐵絲定位完成后，進行漿體的澆筑，澆筑從模具上底板的活動口進行，其中漿體根據所需類巖石強度進行配比，澆筑時保持預先安置鐵絲的位置及形態(tài)；

(5)鐵絲抽取，預制孔隙：預留孔隙制作分為通透和半通透兩種孔隙形態(tài)，其中通透孔隙制作過程為：待漿體澆筑完成并塑化后，將鐵絲進行加熱融化鐵絲表面石蠟，然后抽取鐵絲形成孔隙；半通透孔隙制作過程為：漿體澆筑后不待材料塑化即進行鐵絲定量抽取，漿體澆筑時待漿體完全覆蓋鐵絲進行插搗密實并釋放鐵絲一端，由另一端沿定位直線進行定量抽取，抽取長度據需求確定；抽出鐵絲的孔隙段由漿體填實，繼續(xù)澆筑漿體直至澆筑完成；剩余部分鐵絲待漿體材料塑化后加熱鐵絲進行抽取，形成孔隙即為半通透孔隙，完成孔隙類巖石試樣的制作。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點：一是設計的模具具有較大的靈活性，其孔隙位置、模具尺寸可按實際需要進行調整加工制作，成本低廉，操作簡單，訂制周期短，可批量生產，適合廣泛的研究應用；二是預制的類巖石孔隙具有長度可調、角度可調、直徑可變的優(yōu)勢，且孔隙定位準確，孔隙參數(shù)便于計算，為具有空隙的巖石試樣力學研究提供有力的基礎。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明所述圓柱體或長方體模具的主體結構原理示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例圓柱體模具的特殊位置孔隙定位圖。

圖3為本發(fā)明實施例長方體模具的特殊位置孔隙定位圖。

圖4為本發(fā)明所述可活動的上底板組合方式結構圖。

圖5為本發(fā)明所述鐵絲夾具結構原理示意圖。

圖6為本發(fā)明所述鐵絲的彎曲形態(tài)圖。

圖7為本發(fā)明所述通透孔隙試樣制備效果圖。

圖8為本發(fā)明所述半通透孔隙試樣制備效果圖。

具體實施方式：

下面通過實施例并結合附圖對本發(fā)明進一步描述。

實施例1：

本實施例以標準類巖石試樣為例分別設計長方體及圓柱體模具，并取其特殊點孔洞坐標進行詳細描述，如圖1所示，其主體結構包括可活動的上底板ⅰ、下底板ⅱ和模體ⅲ三部分，可活動的上底板ⅰ、下底板ⅱ和模體ⅲ上下端口四周沿周向均勻分布設有螺栓孔，可活動的上底板ⅰ、下底板ⅱ和模體ⅲ通過與螺栓孔配合使用的螺栓ⅳ錨固實現(xiàn)相互之間的連接與固定，便于預制試樣的脫模；其中長方體模具的尺寸為50mm×50mm×100mm，圓柱體模具的尺寸為φ50mm×100mm；所述上底板ⅰ、下底板ⅱ及模體ⅲ上分別設有等間距均勻排布的孔洞，相鄰孔洞圓心間距為10mm，上底板ⅰ與下底板ⅱ中邊緣孔洞圓心與底板邊緣距離為5mm；模體ⅲ中的邊緣孔洞圓心與模具邊緣間距為10mm，進一步設定空間坐標系，圓柱體模具和長方體模具選取坐標原點o的位置分別如圖2、圖3所示，則所有孔洞的空間坐標位置即可確定，如圖2、圖3所示，其中模具特殊點處孔洞空間坐標分別為：

第一列：(0，0，10×n)，第二列(25，25，10×n)，

第三列(0，50，10×n)，第四列(-25，25，10×n)，

其中，n取1到9；

上底面縱向(-30+10×m，25，50)，

下底面縱向(-30+10×m，25，0)，

其中，m取1到5；

上底面橫向[0，5+10×(k-1)，50]，

下底面橫向[0，5+10×(k-1)，50]，

其中，k取1到5。

本實施例所述模具孔洞坐標確定后可進一步由孔洞定位坐標計算任意孔隙長度及角度參數(shù)，設定某一孔隙初始點坐標為p(p1，p2，p3)，終止點坐標為q(q1，q2，q3),則孔隙長度及角度參數(shù)按以下各式計算：

孔隙兩端點連線的直線方程：

(x-p1)/(q1-p1)＝(y-p2)/(q2-p2)＝(z-p3)/(q3-p3)(1)

孔隙兩端點連線距離公式：

孔隙兩端點連線與z軸夾角計算公式：

選取長方體模具第一列中第2個點孔洞為初始點，其孔坐標為p(0，0，20)，選取第三列中第8個點處孔洞為終止點，其孔坐標為q(0，50，80)，則由公式(2)計算兩端點長度為

由公式(3)計算|pq|與z軸夾角為α＝arctan(60/50)＝arctan1.2＝50.1°。

本實施例所述可活動的上底板ⅰ由“田字形”骨架及四塊擋板組成，所述擋板可與“田字形”骨架分離組裝，“田字形”骨架中的橫向及豎向骨架分別預留分布孔洞，并可將其中任意一塊擋板自由安裝及拆卸(如圖4所示)，以保證鐵絲定位與類巖石漿體澆筑同時進行。

本實施例制備孔隙類巖石試樣時，用到的輔助構件包括錫紙貼片、夾具(如圖5所示)、鐵絲、石蠟，其中錫紙貼片緊貼模具內壁，防止試樣澆筑時漿體從模具孔洞中溢出；夾具用于鐵絲的夾持固定，待鐵絲兩端伸出模具孔洞，通過夾具將鐵絲定位于模具孔洞外側，進行鐵絲兩端的固定；鐵絲用于試樣預留模擬孔隙的制備，根據實際需要選擇不同規(guī)格及長度的鐵絲，鐵絲能進行小幅度彎曲模擬迂曲孔隙形態(tài)(如圖6所示)；石蠟用于鐵絲表面的包裹，將其均勻涂抹于鐵絲表面，待試樣成型后加熱鐵絲將表面石蠟融化實現(xiàn)鐵絲的無擾動抽取。

實施例2：

本實施例采用實施例1所述方形試樣模具制備孔隙類巖石試樣，其具體制備過程包括以下步驟：

(1)孔洞定位：選取實施例1中兩點位置，計算孔隙長度為78.1mm,與z軸夾角為50.1°；

(2)錫紙貼片固定：確定孔洞坐標后，將錫紙貼片粘貼在上、下底板及模體內壁上，防止?jié)仓{體從孔洞溢出；

(3)鐵絲安置：根據所需孔隙形態(tài)選取2mm直徑直鐵絲，將石蠟均勻涂抹于鐵絲表面并檢查均勻度，然后將鐵絲兩端穿透錫紙貼片延伸出定位孔洞外側，并用鐵絲夾具對鐵絲進行定位；

(4)試樣澆筑：待鐵絲定位及密封工作完成后，可進行類巖石材料漿體的澆筑，澆筑從上底板的活動口端進行，同樣需注意澆筑時保持預先安置鐵絲位置及形態(tài)；

(5)鐵絲抽取，預制孔隙：預留孔隙分為通透和半通透兩種孔隙形態(tài)；通透孔隙制備的過程為：待類巖石材料漿體完全澆筑完后并塑化后，將鐵絲進行加熱融化鐵絲表面石蠟然后抽取鐵絲形成通透孔隙形態(tài)，如圖7所示；半通透孔隙制備過程為：類巖石材料漿體完全覆蓋鐵絲進行插搗密實，釋放鐵絲左下端，由右上端沿定位直線進行抽取，抽取長度為預制孔隙長度一半即39.05mm；抽出鐵絲的孔隙段由漿體填實，繼續(xù)澆筑漿體直至澆筑完成，剩余部分鐵絲待漿體塑化后加熱鐵絲進行抽取，形成孔隙即為半通透孔隙，如圖8所示，完成類巖石試樣的制備。