[发明专利]一种用相似模拟实验试块预压装置制作实验试块的方法

摘要

本发明公开了一种用于制作相似模拟实验试块的装置及方法，包括以下步骤：(1)确定模拟试块的物理结构图；(2)确定相似材料配比；(3)确定应力监测点的位置；(4)模具安装；(5)试块模具竖放；(6)岩层铺设；(7)试块模具放平；(8)预压平台预压；(9)试块干燥。本发明可以根据提前设定好的相似模拟模型参数，制作具有不同岩层倾角的相似模拟实验试块模型，本制作方法不仅方法简单、制作速度快，而且制作出来的模型的密实度和平整度都能满足相似模拟实验的实验要求。

主权项

1.一种用相似模拟实验试块预压装置制作实验试块的方法，其特征在于：该方法中使用到一种相似模拟实验试块预压装置，包括电机和油泵，底座(1)通过四根平行立柱(2)上安装有定位横梁(3)，定位横梁(3)上安装调节电机(4)，定位横梁(3)下方的上压板(5)与调节电机(4)通过丝杠(12)连接；底座中心安装油缸(6)，油缸(6)通过管线(9)与油泵(10)相连，油缸(6)上安装下压板(7)，下压板(7)与上压板(5)之间放置试样模具箱(8)；所述的油泵(10)、油缸(6)和调节电机(4)通过一个集成开关(11)进行控制；所述的底座(1)上方通过轨道架(14)横向安装有平台轨道(13)，平台轨道(13)上设有用于放置试样模具箱(8)的移动底座(15)；所述的试样模具箱(8)由侧板(17)、盖板(16)及移动底座(15)拼接；该方法包括以下步骤：第一步，确定相似模拟试块物理结构图；根据模拟试块由多少层岩层组成、每层岩体的厚度和倾角，以及后期需要开挖的巷道的位置，绘制并打印和模拟试块实际尺寸大小的物理结构CAD图；第二步，确定相似材料配比；根据相似模拟实验的要求，用公式计算模拟实验的相似比，其中几何相似比：αL＝LH/LM，式中LH‑原型尺寸，相似模拟的实际对象的尺寸，LM‑模型尺寸，相似模拟模型的尺寸，容重比：αγ＝γH/γM，式中γH‑原型容重，γM‑模型容重；强度相似比及应力相似比：ασ＝αL·αγ，根据计算出模型试块的容重和抗压强度，结合砂子、水泥、石膏不同配比号的相似材料抗压强度性能表，选择抗压强度最相近的配比号，作为相似模拟模型的配比方案；根据模拟模型的AutoCAD物理结构图由计算出每层模型的面积(S)，再计算出每层模型的体积V：V＝S×h，式中h‑模型厚度；由此计算出每层模型需要的水泥、石膏和砂子总质量Z：Z＝V×ρ式中ρ‑模型密度；再计算每层所需的砂子、水泥、石膏的质量：式中m砂‑砂子质量，m水‑水泥质量，m石‑石膏质量，砂子‑m，水泥‑n，石膏‑c；第三步，确定应力监测点的位置；根据相似模拟试块物理结构图和各层材料所选的相似配比的容重和抗压强度参数，建立数值模拟模型并进行模拟，根据数值模拟的结果，选择10个左右应力变化大的位置布置应力监测点，并将之在物理结构CAD图中标出；第四步，模具安装；试样模具箱(8)装上三块侧板(17)，在移动底座(15)及三个侧板(17)内侧抹上润滑材料，并在移动底座(15)上面盖上减摩材料，将打印的CAD物理结构图平铺在减摩材料上；第五步，试块模具竖放；将试块模具箱(8)没有装侧板(17)的一侧朝上，将试块模具竖立；第六步，岩层铺设；按照第二步中确定相似材料的配比得出的相似材容重和第一步中确定的物理结构，确定每层中所需要的各种相似材料的质量，并将之称出后搅拌均匀，按照第二步选择的配比号加入对应的水量后立即进行搅拌，搅拌均匀后，倒入试块模具中，并按照物理结构图中的分层线夯实，并保证分层面的平整；按照第三步确定的压力盒的位置埋入压力盒后，再次将分层表面夯实平整；然后在分层表面均匀的按照岩层之间的抗剪切强度撒上对应云母粉量；从下往上依次按照物理结构图和压力盒位置装好，注意将每层夯实；直到将所有岩层都铺设到实验模具中；第七步，将试块模具放平；将竖放的实验模具放平，将第四块侧板(17)装到模具底座上，将试块模具盖板(16)卸下，用搅拌好的相似材料将第四块侧板间的空隙填满并捣实；第八步，预压平台预压；将带试样的试样模具吊装到预压平台轨道(13)上，试样连带试样模具放在平台轨道(13)上，移动试样模具沿平台轨道(13)移动到下压板(7)中心上方，利用集成开关(11)将上压板(5)先向下调节到靠近试样模具上方，沿轨道(13)左右移动试样模具使试样模具内侧边和上压板(5)四边一致；利用集成开关(11)控制油缸(6)向上推动下压板(7)，在油缸(6)的作用下下压板(7)接触到移动底座(15)后，推动试样模具中的试样上表面和上压板(5)接触，继续控制下压板(7)上升，待试样模具中的试样上表面和上压板(5)完全接触，并保持下压板(7)上升一定的时间后；从而在高压下保证试样制备的均匀性、平整性、相应面的平行性；当试样与上压板(5)接触后，先加压到0.1Mpa，进行一次卸压，后再进行一次加压；从而完成对试样的压密；预压完成后，将试样模具推动在预压平台边上干燥；第九步，试块干燥；试块放置2‑3天有一定的强度后，将试块模具四块侧板(17)卸下，试块继续干燥，并在试块上表面刷白色颜料，并按照5cm的间距画上网格线，完成试块的制作。