[发明专利]一种基于岩土材料的大尺寸实验模型制备装置及方法

说明书

本发明涉及一种基于岩土材料的大尺寸实验模型制备装置及方法，属于岩土工程与地质工程室内实验模型制作领域。主要由高温釜、成型室、成型配套组件、双向压裂结构、轴向施压结构、切割刀、可伸缩刀座、流体施压结构、分离及计量结构、传感控制单元和固定模块组成。本发明可以为岩土工程与地质工程室内缩尺实验提供大尺寸、高仿真岩体实验模型，所制模型的物理力学性质和矿物组分可无限接近原岩，强度更是远高于使用3D打印制作的模型，制作内容涵盖了边坡、隧道、基坑或地下空间以及地基基础等常见工程对象的等比模型，同时还可以实现人为控制断层、裂隙和结构面的生成和分布，以及可以进行不同温、压条件下的水、岩耦合化学反应实验。

技术领域：

本发明涉及一种模拟沉积岩成岩过程的实验模型制备装置和操作方法。具体涉及一种大尺寸实验研究用成岩控制因素模拟和岩体模型一体成型装置和操作方法，属于岩土工程与地质工程室内实验模型制作领域。主要由高温釜、成型室、成型配套组件、双向压裂结构、轴向施压结构、切割刀、可伸缩刀座、流体施压结构、分离及计量结构、传感控制单元和固定模块组成。

背景技术：

采用室内重塑的岩土体样品进行缩尺实验是岩土工程与地质工程领域中一种十分重要的实验手段，能够让人们直观的观察到不同形态的岩土体在一定条件下的变化情况。而当下，室内缩尺实验所用岩土模型一般是采用胶黏剂粘各类类矿物粉末来制作的，其主要粘合成分为环氧树脂。采用这种方法制作的岩土体模型，其物理、化学性质与自然环境形成的岩体差异很大，不能很好的反应出岩土体本身的一些理化性质，而且还存在不同批次模型相似度低、误差大等问题，使用这种样品进行室内实验，往往会造成实验结果的失真。而且，常规的模型制作方法，除了3D打印技术，其余均不能在成岩的同时，控制岩土体结构构造的生成和排列，只能在模型制作完成后，再对其进行修整，这种修整，大多数时候对岩土体来说都是一种扰动，会破坏原本已经平衡的应力状态，对后续室内实验产生影响，而3D打印技术又无法制作出高强度的岩土体模型。最后，现有的成岩模拟制样装置体积都较小，制作样品的尺寸大多在厘米级别，不能满足岩土工程和地质工程室内等比实验的要求。所以，开发出一种利用自然界现成的岩土材料制作岩体工程与地质工程室内等比实验所需的大尺寸实验模型装置有重大的意义。

成岩作用表示的是岩体在沉积演化过程中所经历的一系列物理化学作用。不同于3D打印技术，通常所说的成岩作用是指沉积物在深埋环境下所经历的高温、高压和被热液包围的状态。而岩土体的结构构造和矿物成分的形成、分布都与成岩作用密切相关，岩土体所经历的成岩作用历史能直接影响岩土体工程性质的好坏。基于岩土材料的大尺寸实验模型制备装置是利用成岩作用原理，通过人为控制模拟地壳深处的高温高压环境，制作出契合实际工程条件的岩土体模型，采用这种方法制作的模型，其强度远高于使用3D打印制作的模型，已经接近或者达到了自然界原岩的强度。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于岩土材料的大尺寸实验模型制备装置及方法，模型制备装置由高温釜、成型室、成型配套组件、双向压裂结构、轴向施压结构、切割刀、可伸缩刀座、流体施压结构、分离及计量结构、传感控制单元和固定模块组成。各模块相互关联，共同组合为一种基于岩土材料的大尺寸实验模型制备装置。而结合本发明提供的装置操作方法，可以为岩土工程与地质工程室内缩尺实验提供大尺寸、高仿真岩土体样品，能等比例制作边坡、隧道、基坑或地下空间和地基基础等代表意义显著的工程模型，同时还可以实现断层带、裂隙和结构面的人为控制生成，结合膨胀式传感器，可以实时监测模型在各种工况实验条件下的物理、力学、化学指标的变化情况。

为达到上述目的，本发明提出了一种基于岩土材料的大尺寸实验模型制备装置及方法，包括：

高温釜，具有沿轴向贯穿的矩形容置腔，其顶面可中开，所述高温釜固定在所述固定模块上，用于给所述成型室提供高温环境；