一种测量结构面起伏形态的注塑成型模具及方法
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，具体是一种测量结构面起伏形态的注塑成型模具及方法。
背景技术
工程岩体由岩石和结构面组成，由结构面控制的岩体结构类型，是影响工程荷载作用下岩体稳定性的重要因素。对岩体结构面长期的研究表明，起伏、粗糙等形貌特征是影响其力学参数重要因素之一。结构面起伏形态信息，较为流行的是采用三维扫描技术获取，其原理是将额外的能量(如可见光)投射至物体，借由能量的反射来计算三维空间信息。室内实验室光线好、便于控制，三维形貌扫描仪贵重、精度高。室内实验多采用岩块作为试样，但是其体积小，难以反映工程岩体的性质。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量结构面起伏形态的注塑成型模具及方法，可在现场制作含结构面起伏信息的成型塑件，运到室内实验室后，可采用高精度三维扫描仪获取结构面起伏信息，该模具及方法可作为现场测量工程岩体结构面起伏形态的有效、可靠手段。
一种测量结构面起伏形态的注塑成型模具，包括锚固在工程岩体内的固定支杆、将工程岩体待测量起伏形态的表面罩住的框型件、设于框型件且用于向框型件内注入注塑材料的连通管、用于密封框型件底部与工程岩体之间间隙的密封垫座、以及一端转动设于固定支杆、另一端与框型件接触的反力臂杆和限位臂杆，所述反力臂杆与框型件的顶面接触，所述限位臂杆与框型件的侧面接触，所述反力臂杆和所述限位臂杆用于将所述框型件挤压固定于工程岩体待测量起伏形态的表面，注塑材料由连通管注入框型件内凝固后即含结构面起伏信息。
进一步的，所述框型件包括四个长方形板和一个正方形板，四个长方形板垂直于工程岩体待测量的表面布置，且围设成一个顶部开口由一个正方形板密封的框型件，所述框型件与工程岩体待测量的表面共同构成注塑材料的密闭空间。
进一步的，反力臂杆和限位臂杆均设有环形壳，反力臂杆和限位臂杆通过环形壳夹持于固定支杆，反力臂杆与正方形板接触，限位臂杆与长方形板连接。
进一步的，所述固定支杆共有四个，分设于框型件外侧，固定支杆的一端埋入工程岩体中，另一端位于工程岩体外部的临空面，用于安装、固定反力臂杆和限位臂杆，同时提供支撑反力。
进一步的，所述反力臂杆对应四个固定支杆设置有四个，反力臂杆的一端设有圆盘，另一端为“7”字形长圆杆，圆盘的一端与正方形板接触，长圆杆上设有夹持固定支杆的环形壳，环形壳采用螺栓紧固，反力臂杆的环形壳可绕着固定支杆轴向旋转。
进一步的，所述限位臂杆对应四个长方形板设有四个，限位臂杆包括转动臂及与转动臂一端铰接的固定杆，转动臂与长方形板连接的端头设有螺栓孔，转动臂另一端头与固定杆通过螺栓连接，固定杆上设有用于夹持固定支杆的环形壳，环形壳采用螺栓紧固，限位臂杆的环形壳可绕着固定支杆轴向旋转，转动臂可绕着固定杆平面旋转。
进一步的，所述正方形板四周设有螺栓)，四个长方形板对应设有螺栓孔，四个螺栓用于插入四个长方形板的螺栓孔中以连接固定正方形板和长方形板。
进一步的，长方形板长边的两端分别设有公止扣和母止扣，两个相邻的长方形板采用螺栓连接固定。
进一步的，所述长方形板中部设有凹槽，凹槽上设有螺栓，螺栓依次穿过凹槽上侧壁、限位臂杆转动臂的螺栓孔、凹槽下侧壁,，通过螺栓连接限位臂杆和长方形板。
一种测量结构面起伏形态的注塑成型方法，采用上述成型模具进行，所述方法包括如下步骤：
步骤一、固定支杆安装：在工程岩体待测量点钻孔并安装固定支杆，步骤一具体为：
在工程岩体表面选取待测量结构面的位置，用卷尺量测模具周边四个固定支杆的位置，并用记号笔做好标识，采用钻孔设备在标识点钻进一定深度，冲洗干净，用压气清除孔内积水，利用固定支杆杆体将锚固剂缓缓送入孔底，然后旋转杆体将锚固剂匀速推进到孔底，及时将杆体楔住，等待锚固剂完全凝固；
步骤二、长方形板与限位臂杆安装：首先将密封垫座放置在四个固定支杆中间，然后依次安装长方形板与限位臂杆，步骤二具体如下：
步骤201、安装长方形板：放置第一长方形板于密封垫座的外侧壁和内侧壁中间的底座中；
步骤202、安装限位臂杆：从第一固定支杆的外端头套入第一限位臂杆环形壳，移动环形壳直到转动臂与第一长方形板凹槽在同一高程；同时旋转第一限位臂杆的转动臂和固定杆，直到转动臂的螺栓孔位于长方形板的凹槽中部，通过第一螺栓连接限位臂杆和长方形板，用第二螺栓紧固第一限位臂杆转动臂和固定杆，用第三螺栓紧固第一限位臂杆环形壳；
步骤203：多次重复步骤201、202，直到安装完四个限位臂杆和四个长方形板，分别采用四个第四螺栓连接四个长方形板；
步骤三、正方形板与反力臂杆安装：先安装正方形板，并与长方形板连接固定，然后安装反力臂杆，步骤三具体为：
放置正方形板于四个长方形板的外侧，调整正方形板的位置，使四个第五螺栓分别插入第一长方形板、第二长方形板、第三长方形板和第四长方形板的螺栓孔中，从而实现固定正方形板与四个长方形板；
从第一固定支杆的外端头套入第一反力臂杆的环形壳，移动并旋转圆杆，直到圆盘与正方形板接触，采用第六螺栓紧固环形壳，以此固定第一反力臂杆；依次安装并固定第二反力臂杆、第三反力臂杆和第四反力臂杆；
步骤四、模具内注入注塑材料
往进浆管中注入注塑材料，通过出气管排出模具中的空气，直到模具内充满注塑材料，然后封闭进浆管和出气管，等待注塑材料完全凝固；
步骤五、模具拆卸与注塑材料取出
拧松第六螺栓，依次从第一固定支杆、第二固定支杆、第三固定支杆、和第四固定支杆取下第一反力臂杆、第二反力臂杆、第三反力臂杆、和第四反力臂杆；
拧松第一螺栓、第二螺栓和第三螺栓，依次从第一固定支杆、第二固定支杆、第三固定支杆、和第四固定支杆取下第一限位臂杆、第二限位臂杆、第三限位臂杆、和第四限位臂杆；
整体取下正方形板、长方形板、密封垫座和注塑材料，放置于水平木板上，取下密封垫座，拧松第五螺栓，取下正方形板，拧松连接相邻长方形板的第四螺栓，依次取下第一长方形板、第二长方形板、第三长方形板、和第四长方形板，含结构面起伏形态的注塑材料便成功取出。
本发明所达到的有益效果：
(1)本发明采用正方形板和四个长方形板构成了注塑材料五个平整整齐的边界，第六个边界为工程岩体待测量结构面起伏形态的表面，以此形成模具密闭的空间，注塑材料固结后第六个边界即表征了结构面起伏形态的信息，结构简单，具有较强的有效性；
(2)本发明采用限位臂杆夹持固定正方形板与长方形板于工程岩待测量结构面起伏形态的表面，采用反力臂杆挤压正方形板，挤压力通过长方形板传递到密封垫座，从而减小模具与工程岩体之间的空隙，结构合理，具有较强的可靠性；
(3)本发明相邻长方形板之间采用止口和螺栓连接，正方形板和长方形板之间采用螺栓连接，组装完成后即连为一体，密封垫座更是增加了模具与工程岩体之间的密封性，注塑成型后，模具也较容易拆卸，成型塑件不易损伤，具有较强的实用性；
(4)本发明热塑性材料注塑成型的成型周期短、生产效率高，熔料对模具的磨损小，能大批量地成型形状复杂、表面图案清晰、尺寸精度高且含结构面起伏形态的塑件；
(5)本发明注塑成型模具和方法不受工程现场条件制约，可反复使用、综合成本较低，现场制作的成型塑件运到室内实验室后，可充分利用室内高精度三维扫描仪获取成型塑件上的结构面起伏形态信息，间接估算结构面抗剪强度参数，成型塑件又能作为基准面浇筑上下盘相似材料岩石试件，从而直接测试结构面抗剪强度参数，以此达到相互验证的效果，结构面抗剪强度参数也更为可靠。
附图说明
图1为本发明测量结构面起伏形态注塑成型模具的侧面剖视图；
图2为本发明长方形板与限位臂的杆连接示意图；
图3为本发明正方形板与反力臂杆的连接示意图；
图4为本发明长方形板的正视图；
图5为本发明正方形板的正视图；
图6为本发明密封垫座的正视图；
图7(a)为本发明反力臂杆的俯视图，图7(b)为本发明反力臂杆的立体结构图；
图8(a)为本发明限位臂杆的俯视图，图8(b)为本发明限位臂杆的立体结构图。
图中附图标记分述如下：
1—固定支杆；1a—第一固定支杆；1b—第二固定支杆；1c—第三固定支杆；1d—第四固定支杆；
2—反力臂杆；2a—第一反力臂杆；2b—第二反力臂杆；2c—第三反力臂杆；2d—第四反力臂杆；2e—圆盘；2f—圆杆；2g—环形壳；2h—螺栓；
3—限位臂杆；3a—第一限位臂杆；3b—第二限位臂杆；3c—第三限位臂杆；3d—第四限位臂杆；3e—转动臂；3f—固定杆；3g—环形壳；3h—螺栓孔；3i—螺栓；3j—螺栓；
4—正方形板；4a、4b、4c、4d—螺栓；
5—长方形板；5a—第一长方形板；5b—第二长方形板；5c—第三长方形板；5d—第四长方形板；5e—公止扣；5f—母止扣；5g—螺栓；5h—凹形槽；5i—螺栓孔；5j—螺栓；
6—密封垫座；6a—外侧壁；6b—底座；6c—内侧壁；
7—连通管；7a—进浆管；7b—出气管；
8—工程岩体。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
请参阅图1，本发明实施例提供一种测量结构面起伏形态的注塑成型模具，包括固定支杆1、反力臂杆2、限位臂杆3、正方形板4、长方形板5、密封垫座6、连通管7。
四个长方形板5垂直于工程岩体8待测量的表面布置，且围设成一个顶部开口由一个正方形板4密封的框型件，所述框型件与工程岩体8待测量的表面共同构成了注塑材料的密闭空间，所述框型件可通过连通管7注入注塑材料，注塑材料凝固后即含结构面起伏信息。
所述固定支杆1锚固在工程岩体8内，反力臂杆2和限位臂杆3均设有环形壳，反力臂杆2和限位臂杆3通过环形壳夹持于固定支杆1，反力臂杆2与正方形板4接触，限位臂杆3与长方形板5连接。
如图2所示，所述固定支杆1包括分设于框型件外侧的第一固定支杆1a、第二固定支杆1b、第三固定支杆1c、第四固定支杆1d。固定支杆1为圆形刚杆，一端埋入工程岩体8中，另一端位于工程岩体8外部的临空面，用于安装、固定反力臂杆2和限位臂杆3，同时提供支撑反力。
如图3所述，所述反力臂杆2包括对应四个固定支杆设置的第一反力臂杆2a、第二反力臂杆2b、第三反力臂杆2c、第四反力臂杆2d。反力臂杆2的一端设有圆盘2e，另一端为“7”字形长圆杆2f，圆盘2e的一端与正方形板4接触，长圆杆2f上设有夹持固定支杆1的环形壳2g，环形壳2g采用螺栓2h紧固(如图7(a)所示)。反力臂杆2的环形壳2g可绕着固定支杆1轴向旋转，以便圆盘2e位于正方形板4的中部，挤压固定正方形板4和长方形板5于工程岩体8表面。
如图2所示，所述限位臂杆3包括对应四个长方形板5设置的第一限位臂杆3a、第二限位臂杆3b、第三限位臂杆3c、第四限位臂杆3d。请进一步参阅图8(a)及图8(b)，限位臂杆3包括转动臂3e及与转动臂3e一端铰接的固定杆3f，转动臂3e与长方形板5连接的端头设有螺栓孔3h，转动臂3e另一端头与固定杆3f通过螺栓3i连接，固定杆3f上设有用于夹持固定支杆1的环形壳3g，环形壳3g采用螺栓3j紧固。限位臂杆3的环形壳3g可绕着固定支杆1轴向旋转，转动臂3e可绕着固定杆3f平面旋转，以便螺栓孔3h位于长方形板5凹槽5h中部，通过螺栓5j连接限位臂杆3和长方形板5。在每块长方形板5安装过程中，通过调节对应限位臂杆3的形状、夹持固定其于工程岩体8待测量结构面起伏形态的表面。
如图5所示，所述正方形板4四周设有分别设有一个螺栓(4a、4b、4c、4d)，所述长方形板5与正方形板4四周的四个螺栓相同部位设有螺栓孔5i，四个螺栓(4a、4b、4c、4d)用于插入四个长方形板5的螺栓孔5i中以连接固定正方形板4和长方形板5。四个长方形板5和正方形板4构成了注塑材料五个平整整齐的边界，另外一个边界为工程岩体8待测量结构面起伏形态的表面。
如图4所示，所述长方形板5分为第一长方形板5a、第二长方形板5b、第三长方形板5c和第四长方形板5d。长方形板5长边的两端分别为公止扣5e和母止扣5f，两个相邻的长方形板5采用螺栓5g连接固定。通过采用止扣连接方式，长方形板5的安装、拆卸方便，同时也保证了模具的密封性。
所述长方形板5中部设有凹槽5h，凹槽5h上设有螺栓5j，螺栓5j依次穿过凹槽5h上侧壁、限位臂杆3转动臂3e的螺栓孔3h、凹槽5h下侧壁，凹槽5h是长方形板5连接限位臂杆3的部件。
如图6所示，所述密封垫座6设计为方形框，沿着方形框的截面设计为凹形，分别为外侧壁6a，底座6b和内侧壁6c，长方形板5安装在底座6b中。密封垫座6采用橡胶材质制成，用于密封长方形板5与工程岩体8之间的间隙。
所述连通管7位于第一长方形板5a上，分为进浆管7a和出气管7b，进浆管7a为注塑材料进入模具的通道，出气管7b为模具内空气排出的通道。所述注塑材料为热塑性材料如塑料。
所述工程岩体8可以为边坡表面岩体，也可以为地下洞室围岩。
本发明实施例还提供一种测量结构面起伏形态的注塑成型方法，其采用上述成型模具进行，所述方法包括如下步骤：
步骤一、固定支杆1安装：在工程岩体8待测量点钻孔并安装固定支杆1。
在工程岩体8表面选取待测量结构面的位置，用卷尺量测模具周边四个固定支杆1的位置，并用记号笔做好标识。采用钻孔设备在标识点钻进一定深度，冲洗干净，用压气清除孔内积水。利用固定支杆1杆体将锚固剂缓缓送入孔底，然后旋转杆体将锚固剂匀速推进到孔底，及时将杆体楔住，等待锚固剂完全凝固，以确保锚固质量。
步骤二、长方形板5与限位臂杆3安装：首先将密封垫座6放置在四个固定支杆1中间，然后依次安装长方形板5与限位臂杆3。步骤二具体如下：
步骤201、安装长方形板5：放置第一长方形板5a于密封垫座6的外侧壁6a和内侧壁6c中间的底座6b中。
步骤202、安装限位臂杆3：从第一固定支杆1a的外端头套入第一限位臂杆3a环形壳3g，移动环形壳3g直到转动臂3e与第一长方形板5a凹槽5h在同一高程；同时旋转第一限位臂杆3a的转动臂3e和固定杆3f，直到转动臂3e的螺栓孔3h位于长方形板5凹槽5h中部，通过螺栓5j连接限位臂杆3和长方形板5，用螺栓3i紧固第一限位臂杆转动臂3e和固定杆3f，用螺栓3j紧固第一限位臂杆环形壳3g；
步骤203：多次重复步骤201、202，直到安装完四个限位臂杆3和四个长方形板5，分别采用四个螺栓(5g)连接四个长方形板(5)。
步骤三、正方形板4与反力臂杆2安装：先安装正方形板4，并与长方形板5连接固定，然后安装反力臂杆2。
放置正方形板4于四个长方形板5的外侧，调整正方形板4的位置，使四个螺栓(4a、4b、4c、4d)分别插入第一长方形板5a、第二长方形板5b、第三长方形板5c和第四长方形板5d的螺栓孔5i中，采用螺栓固定正方形板4与四个长方形板5；
从第一固定支杆1a的外端头套入第一反力臂杆2a的环形壳2g，移动并旋转圆杆2f，直到圆盘2e与正方形板4接触，采用螺栓2h紧固环形壳2g，以此固定第一反力臂杆2a；依次安装并固定第二反力臂杆2b、第三反力臂杆2c和第四反力臂杆2d。
步骤四、模具内注入注塑材料：
往进浆管7a中注入注塑材料，通过出气管7b排出模具中的空气，直到模具内充满注塑材料，然后封闭进浆管7a和出气管7b，等待注塑材料完全凝固。
步骤五、模具拆卸与注塑材料取出：
拧松螺栓2h，依次从第一固定支杆1a、第二固定支杆1b、第三固定支杆1c、和第四固定支杆1d取下第一反力臂杆2a、第二反力臂杆2b、第三反力臂杆2c、和第四反力臂杆2d。
拧松螺栓5j、3i和3j，依次从第一固定支杆1a、第二固定支杆1b、第三固定支杆1c、和第四固定支杆1d取下第一限位臂杆3a、第二限位臂杆3b、第三限位臂杆3c、和第四限位臂杆3d。
整体取下正方形板4、长方形板5、密封垫座6和注塑材料，放置于水平木板上，取下密封垫座6，拧松螺栓(4a、4b、4c、4d)，取下正方形板4，拧松螺栓5g，依次取下第一长方形板5a、第二长方形板5b、第三长方形板5c、和第四长方形板5d，含结构面起伏形态的注塑材料便成功取出。
步骤六、注塑材料起伏形态量测：
将含结构面起伏形态的注塑材料运到室内，采用三维形貌仪器上进行结构面起伏度的三维扫描，评价其三维粗糙度并估算峰值抗剪强度。
所述含结构面起伏形态的注塑材料可作为结构面的下盘模型，在室内制作含结构面起伏形态的结构面上盘模型，分别以结构面下盘、上盘模型为基准面，采用模拟岩石性质的相似材料，浇筑成代表结构面上盘、下盘的地质力学模型试件，然后进行三维结构面抗剪强度的力学试验。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
