3.3.2.1 不同表面形态结构面制样模具
3.3.2.1.1 不同表面形态结构面制样模具1.0版本
该模具用于制作表面形态为标准baron曲线的结构面相似材料模型，包括模具主体和模板。如图3-18(a)所示，模具主体为一个外观高130mm、宽140mm、长220mm的矩形空心体，矩形空心体的内壁在长度方向两侧设有对称的插槽，插槽有大插槽和小插槽两种，矩形空心体的内壁两侧设置大插槽，其余的小插槽与大插槽间隔设置，模具主体外壁上设有方便搬运的把手。模板包括曲面模板［(图3-18(b)］和光面模板［图3-18(c)］两种，曲面模板和光面模板与所述模具主体中的大小插槽配套使用;曲面模板插在模具主体的大插槽中，光面模板插在小插槽中。所述的曲面模板和光面模板整体4个边框构成矩形体，两种模板的长度均为160mm，宽度均为120mm，曲面模板两侧立面为带有曲线的结构，光面模板的两侧立面是平面结构，所述的曲面模板和光面模板上部两侧面均设有便于模板抽取的凹槽。曲面模板设有10块，形成常用baron曲线系列结构，包括带有0≤JRC＜2、2≤JRC＜4、4≤JRC＜6、6≤JRC＜8、8≤JRC＜10、10≤JRC＜12、12≤JRC＜14、14≤JRC＜16、16≤JRC＜18、18≤JRC≤20的原岩表面形态结构面曲线的结构，每一块曲面模板两侧立面带有的都是相同的一种原岩表面形态结构面baron曲线结构，通过每一块曲面模板两侧制成的模型作为高度吻合的上下盘模型。该模具成功申请了国家专利，并已获得授权(授权专利号: 2014202910948)(方堃等，2014)。
图3-18 不同表面形态结构面制样模具1.0版本结构示意图
1—模具主体;2—大插槽;3—小插槽;4—把手;5—曲面模板;6—光面模板;7—凹槽
此模具具有以下优点:
(1)每一块曲面模板两侧立面是相同的原岩表面形态结构面baron曲线结构，通过每一块曲面模板两侧制成的模型作为结构面上下盘模型，具有高度的吻合性。
(2)原理简单易懂，多种表面形态的结构面通过变换曲面模板即可完成，也即只需一个模具主体。由于不需要制作多个模具主体，可以节约制作模具的总成本及减少堆放和保管等问题。
(3)结构简单，体积小，便于携带，操作方便，易于拆卸。使用本模具可得到典型的barton表面形态的结构面，也可以在模板两侧浇筑不同性质的材料用于制作异性结构面，即两侧物理力学特性不同的结构面。
3.3.2.1.2 不同表面形态结构面制样模具2.0版本
该模具用于制作表面形态为规则锯齿的结构面相似材料模型。如图3-19所示，模具包括模具主体、侧板和模板三个部分。模具主体是由一个底板和两个对称侧面组成的三面框，侧面开有螺丝孔，模具主体的两对称侧面上设有两对称的插槽，模板插于插槽内，侧板上设有与主体三面框侧面对称的螺丝孔，螺丝穿过侧板的螺丝孔和主体三面框侧面的螺丝孔，将主体与侧板固定在一起。每一块锯齿模板上下两表面带有的都是相同的锯齿状表面形态结构面，通过每一块锯齿状模板上下两表面制成的模型作为上下盘模型，都具有高度的吻合性。锯齿状模板表面结构面的锯齿形状总共有4种类型，分别为平直状、15°锯齿状、30°锯齿状、45°锯齿状，图3-19(c)给出了15°锯齿状的模板。该模具成功申请了国家专利，并已获得授权(授权专利号:2014205119506)(方堃等，2015)。
图3-19 不同表面形态结构面制样模具2.0版本结构示意图
1—模具主体;2—侧板;3—螺丝;4—锯齿模板;5—螺丝孔;6—插槽
本模具具有以下优点:
(1)每一块锯齿模板两侧立面都是相同的一种锯齿状表面形态结构面，通过每一块锯齿状模板两侧制成的模型作为上下盘模型，都具有高度的吻合性。
(2)结构简单，体积小，便于携带，操作方便，易于拆卸。使用本模具可得到平直状、15°锯齿状、30°锯齿状、45°锯齿状表面结构面。
3.3.2.1.3 不同表面形态结构面制样模具3.0版本
图3-20 不同表面形态结构面制样模具3.0版本结构示意图
1—A型外板;2—B型外板;3—C型外板;4—夹套;5—环扣;6—插销;7—螺母;8—平直插板; 9—曲面插板;10—卡槽;11—底板;12—插槽
该模具用于制作多种尺寸的结构面相似材料模型，主要包括A型外板、B型外板、C型外板、底板、平直插板、曲面插板、插销、环扣、螺母以及夹套等，如图3-20所示。使用前先将A型外板上的环扣移入B型外板上的环扣内，并插上插销以便将两块外板牢牢锁扣在一起;将C型外板上的卡槽卡在A型外板上，稍稍拧紧螺丝使其不至于晃动;在B型外板和C型外板上各放置两个夹套，同样稍稍拧紧其上带有的螺丝使其初步固定，将B、C型外板上的夹套对应地移动到相同的刻度位置，在后面一对夹套的插槽内插入一块平直插板，即完成模具的初步拼装。
模拟原岩结构面的多尺度模具中A型外板、B型外板采用厚度为5mm的钢板，尺寸均为20cm×15cm，底板采用材料与A、B型外板一样，尺寸为20cm×20cm，与A型外板底边无缝焊接在一起;C型外板厚度为5mm，尺寸为23cm×17cm，其上有一尺寸为15cm× 0.6cm的卡槽，卡槽卡在A型外板上，能通过移动卡槽而使C型外板在A型外板上移动，移至合适位置时也可通过拧紧C型外板上布置的两个螺母使其与A型外板固定;A、B、C型外板上均设有刻度尺，且A型外板横向与竖向均设有刻度，B、C型外板则仅横向设有刻度;夹套采用厚度为1cm的钢板，尺寸为17cm×3cm，其上设有一宽度为0.5cm的插槽，根据所需制备试样的尺寸相应移动夹套至B型或C型外板上的对应刻度位置，并拧紧螺母使其固定;根据所模拟结构面的表面形态选择曲面插板或平直插板插入夹套的插槽内，即完成模具的组装。该模具成功申请了国家专利，并已获得授权(授权专利号: 2014205635177)(方堃等，2015)。
该模具具有以下优点:
(1)通过往外板上增加夹套数量不仅可一次浇筑得到多个相同尺寸的结构面试样，而且能实现一次浇筑即得到多个不同尺寸的结构面试样，可大大提高制样的效率。
(2)通过外板上的刻度指示移动卡槽和夹套的位置，从而调节模具内的空间大小，继而浇筑不同尺寸的结构面试样。
(3)每一块模板均能拆卸，故浇筑模型后拆模简单，取样过程不会导致试样损坏，试样完整性好。
(4)原理简单易懂，可以通过将模板插入不同卡槽实现制作不同尺度模型，可节约制作模具的总成本，避免资源的浪费。
3.3.2.2 结构面试样浇筑中的防沉降装置
3.3.2.2.1 悬挂夹持式防沉降仪
该装置用于解决将结构面试样浇筑于剪切盒时存在的不均匀沉降及沉降量过大的问题。如图3-21、图3-22所示，仪器包括外支架2个、活动长杆1根、内夹持板2块、蝶形螺母14个、挂钩3个、内固定杆1根、内活动杆2根。外支架中间设有竖直滑槽，竖直滑槽的两侧均设有刻度;活动长杆的两端放置于上述两个外支架的滑槽内，并通过蝶形螺母固定，活动长杆可以在外支架的滑槽内上下移动;挂钩的一端与活动长杆连接，其连接处通过焊接固定，挂钩的另一端连接于内固定杆;两块内夹持板通过内固定杆连接起来，通过蝶形螺母固定在内固定杆上;上述每一块内夹持板上均设有两个对称的竖直滑槽;内夹持板上的滑槽之间穿有带蝶形螺母的内活动杆，用于夹紧试样。其中外支架底端为台形，夹持板可根据所要夹持试样的大小，通过移动内活动杆和螺母来调节并固定，且夹持板内侧为粗糙面。活动长杆中间段为矩形长条，两端为带有螺纹的圆柱状。
图3-21 悬挂夹持式防沉降仪整体结构示意图
1—外支架;2—活动长杆;3—挂钩;4—内固定杆;5—内夹持板;6—内活动杆;7—蝶形螺母
图3-22 悬挂夹持式防沉降仪部分零件结构示意图
悬挂夹持式防沉降仪外支架高为60cm，下端为台形，便于稳定，中间为矩形滑槽，可供活动杆在其中固定，滑槽宽2cm;活动杆中间段为矩形长条，横截面尺寸为2cm×2cm，其上焊有3个挂钩，两端为带有螺纹的圆柱状;3个挂钩下端与实心杆焊接在一起，实心杆两端对称地安装在夹持板上，实心杆横截面为矩形，尺寸为1cm×1cm;夹持板尺寸为1cm ×20cm×20cm，夹持板可以在实心杆上来回移动，夹持板上竖直长滑槽尺寸为15cm× 15cm，彼此相距15cm，夹持板一面为带波纹槽的粗糙面，以便更好地固定试样;长槽穿有带螺纹的圆杆，圆杆长为20cm，螺纹螺距为3mm，圆杆直径为1cm，夹持板内侧布置有六角螺母，外侧有蝶形螺母，用于夹紧夹持板，固定结构面试样，同时通过调节外支架使整体保持水平。该模具成功申请了国家专利，并已获得授权(授权专利号:2014103160905)(方堃等，2014)。
本仪器具有以下优点:
(1)防沉降仪的每一块夹持板内侧都具有波形螺纹，增大了夹持板与结构面试样的摩擦，起到更好地固定试样的作用。
(2)防沉降仪原理简单易懂，不仅外支架上的活动杆可以上下移动，夹持板上的圆杆也可以上下移动，很大程度上扩大了可夹持结构面试样的高度范围。
(3)防沉降仪结构简单，体积小，便于携带，操作方便，易于拆卸，价格低廉，使用效果好。
(4)防沉降仪能起到固定结构面试样的作用，将其固定在某一高度，使之不因水泥砂浆的流动和试样的自重作用而发生不均匀沉降。
3.3.2.2.2 钳式防沉降仪
为解决结构面试样制作时存在不均匀沉降及沉降量过大的问题，同时设计了一种钳式防沉降仪。如图3-23、图3-24所示，该仪器包括主体支架1个、平衡杆1根、蝶形螺母2个、扳手型活动钳1个(含活动钳、固定钳、活动螺栓、固定销)、平衡块1个等。主体支架中间开有竖直滑槽，平衡杆穿过主体支架内的滑槽可以在滑槽内上下移动，并通过滑槽两侧的螺母固定;平衡杆是一根带有螺纹的直杆，一端安装有扳手型活动钳，另一端安装有平衡块。扳手型活动钳由活动钳、固定钳、活动螺栓以及固定销4个部分构成，钳口内侧为粗糙面，当岩石样品处于固定钳和活动钳之间时，通过转动活动螺栓来带动活动钳的转动，增加或减小对固定钳和活动钳前端的咬合力，将岩石样品固定在固定钳和活动钳之间，再用固定销插入活动螺栓之中，保证可以稳稳钳住岩石样品。扳手型活动钳的末端有一带螺纹的孔，平衡杆上螺纹旋入该孔中，将扳手型活动钳固定在平衡杆上。平衡块上设有带螺纹的孔和用于微调的水准泡(见图3-23和图3-24中9)，平衡杆上螺纹旋入平衡块上带螺纹的孔，通过调节平衡块在平衡杆的位置来使防沉降仪的整体平衡，且微调平衡块上的水准泡使系统最终水平。
图3-23 钳式防沉降仪整体结构示意图
1—活动钳;2—活动螺栓;3—固定钳;4—蝶形螺母;5—平衡杆;6—平衡块;7—主体支架;8—固定销;9—水准泡
图3-24 钳式防沉降仪部分零件结构示意图
使用前，将本仪器组装好，并将支架上的水平杆调平。在直剪试验前结构面模型的制作过程中，利用前端活动扳手的卡口固定住结构面试样，并置于试样制作模具中央的正上方，再向模具内浇筑一定量的水泥砂浆，达到一定高度后，开始将试样从中心位置往下缓慢吊放，然后松开螺丝，移动平衡杆，使结构面试样的受剪面仅高出模具边框4～5mm，并利用平衡块上的水准泡进行调平，继而将平衡杆两侧螺母拧紧固定，然后再浇筑水泥砂浆，填满捣实即可。在结构面模型制作时，通过使用该钳式防沉降仪，将结构面夹紧使其固定不动，避免其发生不均匀沉降和沉降量过大的情况。该模具成功申请了国家专利，并已获得授权(授权专利号:2014205127979)(方堃等，2015)。
本装置具有以下优点:
(1)此防沉降仪原理简单、直观，不仅平衡杆可以转动，也可以夹着试样在滑槽里上下移动，扩大了可夹持结构面试样的高度范围及试验的操作空间。
(2)此防沉降仪有平衡块，可以很好地调节仪器整体的平衡性，同时利用其上的水准泡，可以微调平衡块，使试样水平，较之前的悬挂夹持式防沉降仪有更好的平衡作用。
(3)此防沉降仪结构简单，便于携带，方便操作，易于拆卸，价格低廉，使用效果好。
3.3.2.2.3 扳手夹持式防沉降仪
为解决结构面试样制作时存在的不均匀沉降问题，同时还设计了一种扳手夹持式防沉降仪。如图3-25所示，该装置包括主体支架1个、底部支座1个、平衡杆1根、螺母2个、扳手夹持器(包括横向带槽夹具、纵向夹具、水平螺母、垂直脚螺旋以及水准器)1个、平衡块1个以及连接件1个。将本仪器组装好，并将支架上的水平杆调平。在直剪试验前的结构面模型的制作过程中，利用夹具内壁固定住结构面试样，并置于试样制作模具中央的正上方，再往模具内浇筑一定量的水泥砂浆，达到一定高度后，开始将试样从中心位置往下缓慢吊放。松开螺母，移动平衡杆，使结构面试样的受剪面仅高出模具边框4～5mm，并利用横向夹具上的水准泡进行调平，继而将平衡杆两侧螺母拧紧固定，然后再浇筑水泥砂浆填满捣实即可。在结构面模型制作时，通过使用结构面试样的防沉降仪，将结构面夹紧使其固定不动，避免其发生不均匀沉降的现象，待水泥砂浆凝固后(约24h)即可将防沉降仪拆除。该模具成功申请了国家专利，并已获得授权(授权专利号:2014207790228)(方堃等，2015)。
图3-25 扳手夹持式防沉降仪的结构示意图
1—横向带槽夹具;2—垂直脚螺旋;3—水准器;4—纵向夹具;5—水平螺母;6—连接件; 7—平衡杆;8—主体支架;9—底部支座;10—平衡块;11—螺母
该仪器具有以下优点:
(1)该仪器结构简单，便于携带，操作方便，易于拆卸而且成本较低，在实际试验中效果较好。
(2)该装置能起到固定结构面试样的作用，将其固定在某一高度，使之不因水泥砂浆的流动和试样的自重作用而发生不均匀沉降。
(3)该仪器通过扳手型夹持器的夹持作用，可很好地夹持结构面试样而不致使其随意移动，从而使得试样保持一定的高度和水平。
3.3.2.3 直剪试验中多试样浇筑模具
为解决结构面试样制作时存在耗时久、周期长的问题，设计了一种快速浇筑制作试样的联合制样仪，如图3-26、图3-27所示，该仪器包括1个主体制样槽(中间有5个制样槽)、3个支架、8块活动板、2块固定板、8颗螺母。主体制样槽内部有8个倾斜的插槽，活动插板可以卡在主体制样槽中的插槽中，并将其固定。插槽与插槽间有一定的距离，以方便取出活动插板和取样。同时主体制样槽两边有8个螺孔，可以用螺母将固定板固定住。支架是由3块板焊接而成，组成一个“V”形叉，用于固定主体制样槽，且两者“V”形角度保持一致，刚好卡住主体制样槽。活动板共有8快，呈三角形状，大小一致。固定板和活动板大小一致，共有2块，呈三角形状，每块固定板上有4个螺母孔。将主体制样槽放在支架上，插好活动板，并用螺母将固定板固定住。
使用时将主体制样槽放置在支架上，并组装好仪器的各个部件，然后用联合制样仪制作试样，从模具中央的正上方往模具内浇筑一定量的水泥砂浆，达到一定高度后，采用扳手式防沉降仪钳夹住结构面试样，从中心位置往下缓慢吊放，通过调节支架两头的长度使其水平。然后上下移动支架使结构面试样的受剪面高出模具边框4～5mm，待水泥砂浆凝固后(约24h)即可将扳手式防沉降仪拆除。然后将整个仪器连同试样一起平移到阴凉地方放置28d，待其完全凝固后，再拔出活动板和固定板，取出试样，拆除联合制样仪。该模具成功申请了国家专利，并已获得授权(授权专利号:2014204299145)(方堃等，2015)。
图3-26 联合制样仪的整体结构示意图
图3-27 联合制样仪部分零件结构示意图
本装置具有以下优点:
(1)本联合制样仪用于快速、大规模地生产多个试样，从而提高效率，节省试验操作时间。
(2)本联合制样仪原理简单、直观、清晰，结构简单，操作方便，易于拆卸，价格低廉，使用效果好。
(3)本联合制样仪设有活动插板，便于试样的取出。
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