CN103033413A - 用于层状裂隙灰岩试验的裂纹系统试件的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于层状裂隙灰岩试验的裂纹系统试件的制备方法，选取具有薄层状结构的灰岩岩样；现场钻取岩芯，加工成圆柱形样。将岩样抽真空4h饱水24h，然后放入-20℃的冻结箱中冻结4h，再放入20℃的水中融解4h，将解冻后的饱和岩样在温度为105℃的烤箱中烘烤24h，然后放置空气中冷却。此时一个循环结束，测量裂纹隙宽，如果隙宽达到0.5-2.0mm，则停止实验，如果没有达到所要求的隙宽，继续进行试验循环。本发明充分结合层状灰岩的地质成因，在运用影响岩体结构发育状态的主要因素条件下，制备可与天然岩体裂隙系统相类比的实验室测试的岩石试样，是任何一种相似材料都无法替代的。

Description

用于层状裂隙灰岩试验的裂纹系统试件的制备方法

技术领域

本发明属于岩石材料技术领域，具体涉及在原状岩样中产生具统计规律且可与天然岩体中裂隙类比的裂纹系统试件的制备方法，可用来研究裂隙岩体的力学特性。

背景技术

岩体多裂隙性。层状裂隙岩体，特别是层状灰岩是我国水利、矿山等各种岩体工程中经常遇到的一种复杂介质。对层状裂隙灰岩力学特性的研究，是实际岩体工程的需要，同时也是一个科学性的问题。实验研究是认识和掌握裂隙岩体力学特性的最重要手段，包括了原位试验和室内实验。进行大量的原位试验毕竟条件有限，室内实验成了广泛采用的重要方法，是试图从宏观微观方面去认识裂隙岩体力学特性。

国内外现有的关于裂隙岩体试验研究多集中采用模型试验和数值试验方法进行：对于模型试验，由于制作模型试样相对容易实施，因而这种试验方法为国内外众多学者所采用。即将岩体的工程效应(如结构特征和赋存环境等)统一到模型试验中去，通过石膏、水泥砂浆、重晶石等与其它混合料按一定比例配制，并通过在模型试样中掺入裂纹片(如云母和纸片等)和薄钢片来预制并模拟张开和闭合裂隙，从而来研究节理裂隙岩体的力学特性。如Fumagailli(1973)、R.J.Lutton(1974)、Bobet and Einstein(1998)、R.H.C Wong et al(2001)、张平等(2006)、李银平和杨春和(2006)等的研究。也有用陶瓷代替岩石材料进行岩石试验(李术才，李廷春，朱维申，2006)。数值试验方法是近年来研究的热点，研究成果多集中采用东北大学岩石破裂与失稳研究中心研发的岩石破裂过程分析系统RFPA2D，对单裂纹或多裂纹岩石试样进行数值模拟，基于模拟结果来分析和探讨裂隙对岩体力学特性的影响规律。这种分析方法考虑了岩体材料的非均质性，但仍假定数值模型属于平面应力或平面应变问题。因而制作的模型试样以及数值试样与真实的岩石材料仍然存在着较大的差异性。基于以上的原因，就有研究者在真实岩样中预制裂纹来模拟真实岩样中的真实裂隙，但由于岩石比较坚硬，制作裂纹并非容易的事，尤其是岩石越硬越不容易加工裂纹，故目前在真实岩样中预制裂纹基本上只能是从外围进行简单的切割加工，虽然比制作模型在材料类比上更进一步，但还是不能反映出原状岩样裂隙系统的真实地质沉积属性。对裂隙岩体实验测试试样的研究依然是个关键性的问题，没有一个概化合理的试样模型，则得出的试验成果的可靠度也大打折扣。

如何充分结合岩石的地质成因特性，考虑岩体的层状结构以及沉积层纹特点，在运用影响岩体结构发育状态的主要因素条件下，制备可与天然岩体裂隙系统相类比的实验室测试的岩石试样是非常值得研究的。目前还没有这样的研究报道。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于层状裂隙灰岩试验的裂纹系统试件的制备方法。

技术方案：本发明是将天然岩体中产生具有地质成因特征和统计规律裂纹的裂隙岩样用于裂隙岩体力学性质研究。经多年的野外工程实践和调研，薄层状的灰岩多数具有沉积岩明显特征的层纹结构，可利用这一特征进行灰岩岩石材料选样。在现场选取具有典型薄层特征的灰岩（一般在野外风化后或在卸荷带区，层纹结构特征明显）。现场钻取岩芯，取出的岩样要求层纹特征明显，强度符合工程要求。制样时加工的试样基本尺寸和加工精度均要符合岩石试验标准。

本发明用于层状裂隙灰岩试验的裂纹系统试件的具体的制备方法如下：

（1）选样：选取具有薄层状结构的灰岩岩样，薄层状结构肉眼可见，但隙宽测量不出，这种岩石常见于水利水电工程中的边坡、坝肩等卸荷区内；

（2）取样：在现场钻取岩芯，加工成圆柱形样，为了减少岩样之间的差异性，钻取岩芯时尽量在同一块岩样的同一方向进行加工，并保证岩样表面没有明显裂纹，上下表面平行度在0.05mm以内，表面平面度在0.02mm以内；

（3）制备：

①将加工好的岩样抽真空4-6小时，饱水12-24小时；

②将真空饱和后的岩样，放到-20（±2）℃的冻结箱中冻结4-6小时，然后在20（±2）℃的水中融解4-6 小时；

③将解冻后的饱和岩样放在温度为105±2℃的烤箱中烘烤24-36小时（根据热裂化原理）；

④将烘烤后的岩样放置在空气中冷却；

此时一个循环结束，每个循环结束后比较每个步骤岩样重量的变化以及岩样外观微隐伏结构微裂纹的变化，同时测量微裂纹的隙宽，如果有明显裂纹生成，即裂纹隙宽在0.5mm-2.0mm，则得到裂纹系统试件，制备过程结束；如果没有达到所要求的隙宽，继续进行①-④的实验循环。

因岩样之间的差异性，一般灰岩进行10-60次循环，可以得到微裂纹隙宽为0.5mm至2.0mm的具地质成因特征和统计规律的且可与天然岩体中裂隙类比的裂纹系统，并且所制备的裂隙岩样的密度、孔隙率、抗压强度、抗剪强度以及变形特征指标等力学性能仍符合工程要求。因不同成因的层状灰岩岩样质地不同，则实验进行循环的次数也不一样，要视具体的层状灰岩岩样。

有益效果：（1）本发明致力于获得在天然岩体中产生具地质成因特征和统计规律裂纹的裂纹系统试件，制备出可与天然岩体裂隙系统相类比的实验室测试的裂纹系统试件，克服了以往模型试验和数值试验方法中预制的裂纹不能反映真实裂隙岩样的不足，经过实验验证该方法有效可行，操作简单，成本低。（2）用本发明方法制得的裂纹系统试件进行试验，既体现了原岩裂隙的地质成因，又保留了其基本的物理力学性能，这是任何一种相似材料所不能完成的。本发明方法制备的裂纹系统试件，可广泛应用于能源、水利、交通、矿山等领域的岩土工程地质力学特性及模型试验研究中，得出的各种力学试验结果更具真实性和代表性。

附图说明

图1为本发明制备过程流程图。

其中：①选取具薄层状结构的灰岩岩样，②钻取岩芯加工成圆柱形样，③岩样抽真空4h饱水24h，④冻结4h后再放入20℃水中融解4h，⑤ 105℃烘箱内烘烤岩样24h后再常温冷却，⑥测量微裂纹隙宽, ⑦制出具地质成因的裂纹系统试件, K为裂纹隙宽。

图2 是未进行制备步骤的层状灰岩单轴应力应变曲线图。

图3是经过20次循环制备步骤的层状裂隙灰岩单轴应力应变曲线图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1：本发明用于层状裂隙灰岩试验的裂纹系统试件的制备方法，具体包括如下步骤：

1.选样：在云南阿海水电站现场选取在卸荷带区内具典型薄层状结构的灰岩，灰岩层纹特征结构明显，肉眼可见，但测量不出隙宽；

2.取样：在现场钻取岩芯，为了减少岩样之间的差异性，钻取岩芯时尽量在同一块岩样的同一方向进行加工，制样时加工成圆柱形样，并保证岩样表面没有明显裂纹。上下表面平行度在0.05 mm以内，表面平面度在0.02mm以内；

3.制备：①将加工好的天然岩样抽真空4小时，饱水24小时。②将真空饱和后的岩样，放到-20（±2）℃的冻结箱中冻结4小时，然后在20℃的水中融解4小时。③将解冻后的饱和岩样放在温度为105℃的烤箱中烘烤24小时。④将烘烤后的岩样放置在空气中冷却。此时一个循环结束，每次循环结束后，要比较每个步骤岩样重量的变化以及岩样外观微隐伏结构微裂纹的变化，同时测量微裂纹的隙宽，如果有明显裂纹生成，即裂纹隙宽在0.5mm-2.0mm，则得到裂纹系统试件，制备过程结束；如果没有达到所要求的隙宽，继续进行①-④的实验循环。本次实验直到实验循环进行了20次后，得到裂纹隙宽在0.5mm-2.0mm的裂隙系统试件。

因岩样之间的差异性，一般灰岩进行10-60次循环，可以得到微裂纹隙宽为0.5mm至2.0mm的具地质成因特征和统计规律的且可与天然岩体中裂隙类比的裂纹系统试件。

为了检验实验制备后的裂隙系统试件的强度特征，将实验循环制备的裂隙系统试件进行单轴压缩试验，并与未经过制备的天然岩样进行对比，其各种物理力学性能指标如下表所示。

通过上表可以看出，经过实验循环，岩样的孔隙率增大，层状裂纹隙宽的变化范围在0.5-1.2mm之间，弹性模量和单轴抗压强度减小，但依然符合工程岩石强度要求。说明此实验方案不仅可以制作出具有统计规律的裂隙，同时岩样的力学性能指标依然符合工程强度的要求。

本发明的优点：充分结合了岩石的地质成因特性，考虑了灰岩岩体的层状结构以及沉积层纹特点，制备出可与天然岩体裂隙系统相类比的实验室测试的裂纹系统试件。同时经过制备的岩样的强度仍然符合工程建筑的要求。这是任何一个模型材料都替代不了的，岩样制备过程简单可行，费用低。

实施例2：用于层状裂隙灰岩试验的裂纹系统试件的制备方法，步骤同实施例1，不同点在于：步骤（3）制备过程中，

①将加工好的岩样抽真空6小时，饱水12小时；

②将真空饱和后的岩样，放到-20（±2）℃的冻结箱中冻结6小时，然后在18℃的水中融解6 小时；

③将解冻后的饱和岩样放在温度为103℃的烤箱中烘烤36小时；

④将烘烤后的岩样放置在空气中冷却。

本次实验直到实验循环进行了16次后，得到裂纹隙宽在0.5mm-2.0mm的裂隙系统试件。经检验，其各种物理力学性能指标与实施例1制得的裂隙系统试件相似。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (2)

1.一种用于层状裂隙灰岩试验的裂纹系统试件的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）选样：选取具有薄层状结构的灰岩岩样；

（2）取样：在现场钻取岩芯，加工成圆柱形样，并保证岩样表面没有明显裂纹，上下表面平行度在0.05mm以内，表面平面度在0.02mm以内；

（3）制备：

①将加工好的岩样抽真空4-6小时，饱水12-24小时；

②将真空饱和后的岩样，放到-20（±2）℃的冻结箱中冻结4-6小时，然后在20±2℃的水中融解4-6 小时；

③将解冻后的饱和岩样放在温度为105±2℃的烤箱中烘烤24-36小时；

④将烘烤后的岩样放置在空气中冷却；

此时一个循环结束，每个循环结束后比较每个步骤岩样重量的变化以及岩样外观微隐伏结构微裂纹的变化，同时测量微裂纹的隙宽，如果有明显裂纹生成，即裂纹隙宽在0.5mm-2.0mm，则得到裂纹系统试件，制备过程结束；如果没有达到所要求的隙宽，继续进行①-④的实验循环。

2.根据权利要求1所述的用于层状裂隙灰岩试验的裂纹系统试件的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，选取的岩样具有薄层状结构，层纹特征明显；步骤（2）中，取样时，钻取岩芯在同一块岩样的同一方向进行加工。

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