CN104374619A - 一种不规则柱状节理裂隙网络模型岩芯试样的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种不规则柱状节理裂隙网络模型岩芯试样的制备方法，包括如下步骤：(1)利用程序算法实现生成voronoi图进而生成3D随机柱状节理裂隙网络形状；(2)用不同厚度的有机玻璃模拟节理的尺寸建立步骤(1)中的不同柱状节理裂隙网络；(3)用不同填充材料充填柱体的节理来模拟不同节理间的强度；(4)获得随机不规则柱状节理的人造岩芯试样。利用该方法得到的试样可以用来研究形状不规则的柱状节理、节理尺寸变化、节理强度变化的人造柱状节理模型试验试样，能够用来相对准确的模拟出节理裂隙变化、节理尺寸变化和节理强度变化的柱状节理岩体的力学特性、渗流特性、流变特性，本分明成本低廉、操作简单。
Description
技术领域
本发明涉及的是岩石力学工程、水电工程、石油工程、采矿工程等领域中以柱状节理裂隙岩体为岩石工程对象的工程问题，具体涉及模型试验中不规则节理裂隙网络模型中的试样的制备方法。
背景技术
岩体的形成是在漫长的地质历史过程中经历变形、遭到破坏，是建造与改造共同作用的结果。由于不同的地质成因，形成不同类型的岩性和岩相，其构成岩体的物质基础；同时，岩体又经受了多次构造运动的改造作用及复杂的表生演化，发生了构造变形与破裂，破坏了岩体的完整性，广泛发育了不同成因、不同规模、不同特性的结构面，如节理、裂隙等，这些重复和相交的不连续面将完整的岩石切割成不规则的岩块。柱状节理是特殊的节理的一种，是玄武岩特有的构造，它往往将玄武岩切割成六棱柱状或其他形状不规则的棱柱状。白鹤滩水电站坝址区玄武岩部分岩层中不仅发育柱状节理，而且在柱状节理切割的柱体内发育不规则的纵向(平行柱体)与横向(垂直柱体)微裂隙，岩体中还发育较多的缓倾角结构面，柱状节理及微裂隙切割后岩体中岩块的直径一般为10cm左右，这也是白鹤滩柱状节理玄武岩的特点，从传统工程地质和岩体质量分类角度看，属于完整性较差岩体。柱状节理玄武岩的变形性能是否满足高拱坝坝基严格的变形要求，是金沙江白鹤滩水电站的主要工程地质问题之一。故通过模型实验充分的分析白鹤滩柱状节理岩体的力学特性，从而指导设计、施工和运营。
因利用相似材料的模型实验进行对比研究具有方便、可控性强、造价低和针对性强等优点，此方法广泛应用于研究岩石工程问题的研究。通过相似材料来模拟构建柱状节理的裂隙网络从而分析柱状节理岩体的变形性能问题。岩石力学实验室研究岩石物理力学性质测试常用的是圆柱形试样和立方体试样，尺寸多为Φ25mm*Φ50mm、Φ50mm*Φ100mm或者50mm3。为了尽可能真实分析研究柱状节理对整个岩体的力学特性的影响，减小乃至消除边界效应对实验结果的影响，尽可能考虑节理高度发育、节理数量较多对岩体的影响，通过相似材料的相似法则来确定节理的尺寸和厚度，做成小的柱体的小模型块，最后胶结在一起，打磨成一个标准尺寸的实验试样。
申请号为2013101245872的中国发明专利，公开的是一种柱状节理面的剪切方法，该方法只是分析柱状节理面的剪切节理面的力学特性，没有深入分析柱状节理岩体的力学特性。申请号为2014102608609的中国专利，公开的是一种页岩人造岩芯的制备方法，只是一种生成考虑有大尺度的纵向节理的页岩体的力学特性的岩芯试样方法，不能用来考虑分析竖向的柱状节理岩芯的力学特性。肖维民的论文《单轴压缩条件下柱状节理岩体变形和强度各向异性模型试验研究》中是分析了柱状节理岩体相似材料的模型试验，但是这个模型试验研究中采用大尺寸的柱体，只有少量的柱状节理网格，没能克服边界效应，不能有效反映柱状节理岩体的力学特性，而且只能在单轴仪分析柱状节理岩体的抗压强度，由于做的试样尺寸较大不能利用三轴仪来分析柱状节理岩体的力学特性，同时不能分析不规则柱状节理岩体的力学特性。
由此，根据实际工程的需要做的模型试验需要一种不规则柱状节理裂隙网格模型试验试样的制备方法，以克服现有柱状节理模型试验试样生成的缺陷。
发明内容
发明目的：为了克服已有柱状节理模型生成的不足，本发明提供了一种不规则柱状节理裂隙网格模型岩芯试样的制备方法和应用，该方法可以得到具有不规则柱状节理裂隙网格的Φ50mm*Φ100mm岩芯试样或者50cm3立方体试样，可以用来生成不同形状的节理裂隙网络、不同节理厚度、不同节理强度的柱状节理水泥试样，能够相对准确的模拟出不同的柱状节理岩体的力学特性，为实际的工程问题提供一个相对精准的实验结果，为工程的设计、建设、运营提供一个参考。
技术方案：为了实现以上的技术目标，采用下述的技术方案：一种不规则柱状节理裂隙网络模型岩芯试样的制备方法，包括如下步骤：
(1)利用程序生成voronoi图形进而生成3D随机柱状节理裂隙网络形状；voronoi又叫泰森多边形，它是由一组由连接两邻点直线的垂直平分线组成的连续多边形组成。N个在平面上有区别的点，按照最邻近原则划分平面；每个点与它的最近邻区域相关联。特性是：
(11)每个泰森多边形内仅含有一个离散点数据；
(12)泰森多边形内的点到相应离散点的距离最近；
(13)位于泰森多边形边上的点到其两边的离散点的距离相等；
(2)用不同厚度的有机玻璃模拟节理的尺寸建立步骤1)中的不同柱状节理裂隙网络；利用有机玻璃块拼接并胶结起来形成由voronoi生成的3D随机柱状节理裂隙网络，用不同厚度的有机玻璃来模拟节理的尺寸大小；
(3)用不同填充材料充填柱体的节理来模拟不同节理间的强度；利用不同材料的胶结强度将不同柱体胶结起来，模拟不同柱状节理强度；
(4)获得随机不规则柱状节理的人造岩芯试样。
其中，上述有机玻璃采用厚度为1mm、2mm或3mm。
其中，上述填充材料为石膏、白水泥或AB胶水。
柱状节理构造是常见于火山熔岩中的一种呈规则或者不规则柱状形态的原生张性破裂构造，多见于玄武岩中，柱状节理岩体通常呈四边体、五边体、六边体,通常是相互嵌合在一起，呈现不规则的柱状柱状节理裂隙网络状的岩体，故用voroni来模拟生成随机节理裂隙网络形状，从而生成不规则的柱状节理裂隙网络状岩体。
柱状节理岩体的节理都具有一定的尺寸，尺寸的大小变化直接改变了节理强度，通过用不同厚度的有机玻璃来模拟节理的真实厚度情况，将这个特定厚度的有机玻璃块按照1生成的节理裂隙网络形状顺序胶结，形成有机玻璃块网络，从而分析不同节理厚度变化情况下的柱状节理岩体的力学特性。
在实际岩体中节理间不是完全裂隙，是由一些松散的碎屑物填充，节理间具有一定的强度，节理强度由于节理间的充填物的胶结强度的改变而改变，通过用不同充填材料填充节理来模拟实际工程中的节理强度，从而分析由节理间不同充填物而节理强度变化情况下的柱状节理岩体的力学特性。
上述的制备方法，具体包括以下步骤：
1)通过控制voronoi生成过程中多边形半径大小和形状生成不规则voronoi图形，将voronoi图形拓展生成3D随机柱状节理裂隙网络；所述的Voronoi图是计算几何中的一个基本概念，采用程序编制算法生成的用voronoi图来模拟柱状节理，是因为火山岩浆冷凝收缩时产生的柱状节理与voronoi图的生成方式具有逻辑上的一致性；
2)利用有机玻璃块胶结起来模拟形成步骤1)中的节理裂隙网络：由步骤1)中生成的节理裂隙网络形状大小按照等比例来获得有机玻璃块的尺寸，通过切割大块的有机玻璃获得固定尺寸的有机玻璃块，按照步骤1)中的节理裂隙网络拼接有机玻璃块，从而有机玻璃块胶结在一起形成有机玻璃块网络；
3)将已涂了脱模剂的U型槽里面倒入已搅拌好的模型材料；针对不同的实验方案，可以采用不同的模型材料，如符合摩尔库伦定理的脆性摩擦材料：水泥砂浆、石膏等；
4)将步骤2)形成的有机玻璃块网络抹一层脱模剂放入步骤3)中装满模型材料的U型槽；
5)将步骤4)得到的U型槽放置到恒温养护室中放置6-8小时,视模型材料胶结程度而定，当在易拔出有机玻璃块网络和不破坏模型材料胶结的程度的放置时间最为适宜；
6)将步骤5)得到的U型槽从恒温养护室中取出来，然后将U型槽槽中的有机玻璃块网络拔出来，然后再将U型槽放置到恒温养护室中继续养护24-36小时；
7)将步骤6)得到的U型槽从恒温养护室中取出来，将填充材料倒入填充由有机玻璃块网络拔出来所形成的U型槽的柱状节理裂隙网络，然后将其放置到通风处中自然养护10-15天；
8)将步骤7)得到的U型槽拆卸下来，从而获得一个不规则柱状节理裂隙网络的柱状节理试块；
9)将步骤8)中获得的柱状节理试块经过切割和打磨成标准不规则柱状节理裂隙网络柱状岩芯试样。
其中，上述U型槽为可拆卸的U型槽，长和宽都是70mm，高度是150mm，厚度为20mm。
其中，上述步骤4)中的有机玻璃块网络距离U型槽底部有5mm-10mm且相应高出U型槽口5mm-10mm。这样的做法有两点：令其高出槽口的原因是为了更容易把有机玻璃块从模型里面拨出来；令其不深入到槽底部的原因是为了在将底部的5mm-10mm厚度的模型材料胶结在一起，在将有机玻璃块从模型里面拔出来后能够自立，而不是独立的柱体在一起，这样有利于后面的倒入填充材料。
上述步骤9)中标准不规则柱状节理裂隙网络柱状岩芯试样尺寸为边长为50mm的立方体模型，或进一步通过切割打磨成标准圆柱样尺寸Φ50mm*Φ100mm。
上述的不规则柱状节理裂隙网络柱状岩芯试样在不规则柱状节理岩体的力学分析方面的应用。
有益效果：本发明相对于现有技术，具有下列优点和效果：本发明中制备的不规则柱状节理裂隙网络的标准模型岩芯试样适合用于模拟具有不规则柱状节理岩体，利用不同的柱状节理裂隙网络形状、不同有机玻璃厚度、不同填充材料来模拟不同的柱状节理网络形状、不同节理厚度、不同节理强度的岩体，本方法适用于利用Φ50mm*Φ100mm和50mm3标准试样研究柱状节理岩体的力学特性，用于分析不同节理网络对柱状节理岩体的力学特性的影响，用于分析不同节理厚度对柱状节理岩体的力学特性的影响，用于分析不同节理强度对柱状节理岩体的力学特性的影响。本发明利用该方法得到的试样可以用来研究形状不规则的柱状节理、节理尺寸变化、节理强度变化的人造柱状节理模型试验试样，能够用来相对准确的模拟出节理裂隙变化、节理尺寸变化和节理强度变化的柱状节理岩体的力学特性、渗流特性、流变特性，是一种有效的不规则柱状节理裂隙网络模型岩芯试样的制备方法，所用的材料简单、成本低廉、操作简单。
附图说明
图1为按照本发明中利用voronoi生成的随机柱状节理裂隙网络图；
图2为按照本发明中根据图1形状生成由有机玻璃块组成的有机玻璃块网络图；a为有机玻璃块网络俯视图；b为有机玻璃块网络侧视图；
图3为按照本发明中不规则柱状节理裂隙网络模型试样的制备方法中需要的对称可拆卸合并的U型槽；a为单个半U型槽；b为整个U型槽；
图4为按照本发明中有机玻璃块网络放置在U型槽中的俯视图；
图5为按照本发明中在第一次养护过程中有模型材料的有机玻璃块网络槽；
图6为按照本发明中的方法获得的50mm3立方体试样；
图7为按照本发明中的方法获得的Φ50mm*Φ100mm圆柱试样。
具体实施方式
为了进一步了解本发明，下面结合具体图片和实施例对本发明作更为详细的描述，实施例只对本发明具体示范解释作用，而不具有任何限制性的作用；任何本领域技术人员在本发明的基础上作出的非实质性修改，都应属于本发明保护的范围。
实施例1
一种不规则柱状节理裂隙网络模型岩芯试样的制备方法，包括以下步骤：
(1)通过控制voronoi生成过程中多边形半径大小和形状生成不规则voronoi图形，这个形状是边长为70mm的正四边形，如图1，将voronoi图形拓展生成高度为150mm的3D随机柱状节理裂隙网络，如图2。
(2)利用有机玻璃块胶结起来形成步骤(1)中的3D随机柱状节理裂隙网络。由步骤(1)中生成的节理裂隙网络形状大小按照等比例来获得有机玻璃块的尺寸，通过切割大块的有机玻璃获得固定尺寸的有机玻璃块，其中这个有机玻璃块的高度是150mm，厚度为1mm，按照步骤(1)中的节理裂隙网络拼接有机玻璃块，从而将有机玻璃块胶结在一起形成节理裂隙网络，从而获得有机玻璃块网络，如图2所示。
(3)将一个特制的可拆卸的固定尺寸的已涂了脱模剂的U型槽里面倒入已搅拌好的模型材料，本实施例中采用的模型材料为水泥：砂：水＝2:1:1，其中砂的粒径为小于1mm，U型槽的长和宽都是70mm，高度是150mm，厚度是20mm，是一副对称两半个槽组成，在槽的内腔和半槽的连接处都涂上脱模剂，如图3。
(4)将已经胶结在一起的有机玻璃块网络抹一层脱模剂，放到步骤(3)中装满模型材料的U型槽，其中有机玻璃块网络距离U型槽底部留有10mm且高出U型槽口10mm，如图5。
(5)将步骤(4)中的U型槽放置到恒温养护室中放置8个小时。这个时间节点刚好在模型材料强度只是一般时，有机玻璃块网络比较容易垂直拔出来同时没有损坏中间的模型材料。
(6)将步骤(5)中的U型槽从养护室中取出来，然后将槽中的有机玻璃块网络拔出来，然后再放置到恒温养护室中继续养护24小时。
(7)将步骤(6)中的U型槽从养护室中取出来，将水灰比为2:1的已经搅拌的白水泥(填充材料)倒入填充由有机玻璃块网络拔出来所形成的柱状节理裂隙网络中，然后将其放置到通风处中自然养护10天。
(8)将步骤(7)中的U型槽拆卸下来，从而获得一个不规则柱状节理裂隙网络的柱状节理试块。
(9)将步骤(8)中获得的柱状节理试将其切割成50mm3的标准立方体试样，如图6，或者进一步打磨成标准试样Φ50mm*Φ100mm，如图7。
利用本实施例中生成节理厚度为1mm的不规则随机柱状节理裂隙网络模型标准试样，节理的填充物为白水泥。所得到的模型标准试样可以用来模拟白鹤滩现场的不规则柱状节理岩体，通过岩石单轴压力机、岩石三轴试验机研究不规则柱状节理岩体的力学特性。
实施例2
一种不规则柱状节理裂隙网络模型岩芯试样的制备方法，包括以下步骤：
(1)通过控制voronoi生成过程中多边形半径大小和形状生成不规则voronoi图形，这个形状是边长为70mm的正四边形，如图1，将voronoi图形拓展生成高度为150mm的3D随机柱状节理裂隙网络，如图2。
(2)利用有机玻璃块胶结起来形成步骤(1)中的3D随机柱状节理裂隙网络。由步骤(1)中生成的节理裂隙网络形状大小按照等比例来获得有机玻璃块的尺寸，通过切割大块的有机玻璃获得固定尺寸的有机玻璃块，其中这个有机玻璃块的高度是150mm，厚度为2mm，按照步骤(1)中的节理裂隙网络拼接有机玻璃块，从而将有机玻璃块胶结在一起形成节理裂隙网络，从而获得有机玻璃块网络，如图2所示。
(3)将一个特制的可拆卸的固定尺寸的已涂了脱模剂的U型槽里面倒入已搅拌好的模型材料，本实施例中采用的模型材料为水泥：砂：水＝2:1:1，其中砂的粒径为小于1mm，U型槽的长和宽都是70mm，高度是150mm，厚度是20mm，是一副对称两半个槽组成，在槽的内腔和半槽的连接处都涂上脱模剂，如图3所示。
(4)将已经胶结在一起的有机玻璃块网络抹一层脱模剂，放到步骤(3)中装满模型材料的U型槽，其中有机玻璃块网络距离U型槽底部留有7mm且高出U型槽口7mm,如图5。
(5)将步骤(4)中的U型槽放置到恒温养护室中放置6个小时。这个时间节点刚好在模型材料强度只是一般时，有机玻璃块网络比较容易垂直拔出来同时没有损坏中间的模型材料。
(6)将步骤(5)中的U型槽从养护室中取出来，然后将槽中的有机玻璃块网络拔出来，然后再放置到恒温养护室中继续养护36小时。
(7)将步骤(6)中的U型槽从养护室中取出来，将水灰比为2:1的已经搅拌的石膏(填充材料)倒入填充由有机玻璃块网络拔出来所形成的柱状节理裂隙网络，然后将其放置到通风处中自然养护15天。
(8)将步骤(7)中的U型槽拆卸下来，从而获得一个不规则柱状节理裂隙网络的柱状节理试块。
(9)将步骤(8)中获得的柱状节理试将其切割成50mm3的标准立方体试样，如图6，或者进一步打磨成标准试样Φ50mm*Φ100mm，如图7。
利用本实施例中生成节理厚度为2mm的不规则随机柱状节理裂隙网络模型标准试样，节理的填充物为石膏。所得到的模型标准试样可以用来模拟白鹤滩现场的不规则柱状节理岩体，通过岩石单轴压力机、岩石三轴试验机研究不规则柱状节理岩体的力学特性。
实施例3
一种不规则柱状节理裂隙网络模型岩芯试样的制备方法，包括以下步骤：
(1)通过控制voronoi生成过程中多边形半径大小和形状生成不规则voronoi图形，这个形状是边长为70mm的正四边形，如图1，将voronoi图形拓展生成高度为150mm的3D随机柱状节理裂隙网络，如图2。
(2)利用有机玻璃块胶结起来形成步骤(1)中的3D随机柱状节理裂隙网络。由步骤(1)中生成的节理裂隙网络形状大小按照等比例来获得有机玻璃块的尺寸，通过切割大块的有机玻璃获得固定尺寸的有机玻璃块，其中这个有机玻璃块的高度是150mm，厚度为3mm，按照步骤(1)中的节理裂隙网络拼接有机玻璃块，从而将有机玻璃块胶结在一起形成节理裂隙网络，从而获得有机玻璃块网络，如图2所示。
(3)将一个特制的可拆卸的固定尺寸的已涂了脱模剂的U型槽里面倒入已搅拌好的模型材料，本实施例中采用的模型材料为水泥：砂：水＝2:1:1，其中砂的粒径为小于1mm，U型槽的长和宽都是70mm，高度是150mm，厚度是20mm，是一副对称两半个槽组成，在槽的内腔和半槽的连接处都涂上脱模剂，如图3。
(4)将已经胶结在一起的有机玻璃块网络抹一层脱模剂，放到步骤(3)中装满材料材料的U型槽，其中有机玻璃块网络距离U型槽底部留有5mm且高出U型槽口5mm，如图5。
(5)将步骤(4)中的U型槽放置到恒温养护室中放置9个小时。这个时间节点刚好在模型材料强度只是一般时，有机玻璃块网络比较容易垂直拔出来同时没有损坏中间的模型材料。
(6)将步骤(5)中的U型槽从养护室中取出来，然后将槽中的有机玻璃块网络拔出来，然后再放置到恒温养护室中继续养护30小时。
(7)将步骤(6)中的U型槽从养护室中取出来，将已经加有机溶剂稀释的AB胶水(填充材料)倒入填充由有机玻璃块网络拔出来所形成的柱状节理裂隙网络，然后将其放置到通风处中自然养护13天。
(8)将步骤(7)中的U型槽拆卸下来，从而获得一个不规则柱状节理裂隙网络的柱状节理试块。
(9)将步骤(8)中获得的柱状节理试将其切割成50mm3的标准立方体试样，如图6，或者进一步打磨成标准试样Φ50mm*Φ100mm，如图7。
利用本实施例中生成节理厚度为3mm的不规则随机柱状节理裂隙网络模型标准试样，节理的填充物为AB胶水。所得到的模型标准试样可以用来模拟白鹤滩现场的不规则柱状节理岩体，通过岩石单轴压力机、岩石三轴试验机研究不规则柱状节理岩体的力学特性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种不规则柱状节理裂隙网络模型岩芯试样的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)利用程序算法生成voronoi图进而生成3D随机柱状节理裂隙网络形状；
(2)用不同厚度的有机玻璃模拟节理的尺寸建立步骤(1)中的不同柱状节理裂隙网络；
(3)用不同填充材料充填柱体的节理来模拟不同节理间的强度；
(4)获得随机不规则柱状节理的人造岩芯试样。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述有机玻璃采用厚度为1mm、2mm或3mm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述填充材料为石膏、白水泥或AB胶水。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
1)通过控制voronoi生成过程中多边形半径大小和形状生成不规则voronoi图形，将voronoi图形拓展生成3D随机柱状节理裂隙网络；
2)利用有机玻璃块胶结起来模拟形成步骤1)中的节理裂隙网络：由步骤1)中生成的节理裂隙网络形状大小按照等比例来获得有机玻璃块的尺寸，通过切割大块的有机玻璃获得固定尺寸的有机玻璃块，按照步骤1)中的节理裂隙网络拼接有机玻璃块，从而有机玻璃块胶结在一起形成有机玻璃块网络；
3)将已涂了脱模剂的U型槽里面倒入已搅拌好的模型材料；
4)将步骤2)形成的有机玻璃块网络抹一层脱模剂放入步骤3)中装满模型材料的U型槽；
5)将步骤4)得到的U型槽放置到恒温养护室中放置6-8小时，视模型材料胶结程度而定，当在易拔出有机玻璃块网络和不破坏模型材料胶结的程度的放置时间最为适宜；
6)将步骤5)得到的U型槽从恒温养护室中取出来，然后将U型槽槽中的有机玻璃块网络拔出来，然后将U型槽再放置到恒温养护室中继续养护24-36小时；
7)将步骤6)得到的U型槽从恒温养护室中取出来，将填充材料倒入填充由有机玻璃块网络拔出来所形成的U型槽的柱状节理裂隙网络中，然后将U型槽放置到通风处中自然养护10-15天；
8)将步骤7)得到的U型槽拆卸下来，从而获得一个不规则柱状节理裂隙网络的柱状节理试块；
9)将步骤8)获得的柱状节理试块经过切割和打磨成标准不规则柱状节理裂隙网络柱状岩芯试样。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述U型槽为可拆卸的U型槽，长和宽都是70mm，高度是150mm，厚度为20mm。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中的有机玻璃块网络距离U型槽底部有5mm-10mm且相应高出U型槽口5mm-10mm。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤9)中标准不规则柱状节理裂隙网络柱状岩芯试样尺寸为边长为50mm的立方体模型，或进一步通过切割打磨成标准圆柱样尺寸Φ50mm*Φ100mm。
8.权利要求1～7任一项所述的制备方法制备得到的不规则柱状节理裂隙网络柱状岩芯试样。
9.权利要求8所述的不规则柱状节理裂隙网络柱状岩芯试样在不规则柱状节理岩体的力学分析方面的应用。
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