CN104833554A - 断续无充填裂隙岩石试样模型的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种断续无充填裂隙岩石试样模型的制作方法，包括如下步骤：(1)根据岩块试样与模型的几何相似比、强度相似比和弹性模量相似比，确定岩块模型的骨料、胶结材料的配比方案；(2)裁剪薄片状水溶纸，再将其表面打上石蜡；(3)将水溶线纸用水溶线固定在制样模具中；(6)对岩块相似材料的配合比进行称量并拌合均匀，分层倒入试样模具内；(7)将试样与制样模具放入烘箱中加热；(8)将试样从制样模具中取出，采用煮沸法饱和试样，试样饱水后，水溶纸与水相互作用；(9)取出试样，置于通风、阴凉、干燥处，进行自然风干即成。本发明原理简单、操作方便、成本低廉、成型效果好、能充分考虑岩体裂隙空间位置。

Description

断续无充填裂隙岩石试样模型的制作方法

技术领域

本发明涉及一种类岩石试样的制作方法，尤其是一种能考虑岩体内部裂隙无充填条件的岩石试样的制作方法，适用于试验研究无充填裂隙发育特征对岩体物理力学性质影响的场合。

背景技术

岩体中裂隙面的存在破坏了自身的完整性和连续性，岩体的强度要远低于岩石强度。由于裂隙面的几何形状、充填性质与空间展布规律的不同，导致了岩体的强度、变形特性存在明显的差异性。

目前，试验研究是分析含裂隙岩体的变形与强度特性的重要研究手段。但考虑到天然岩石试样结构的复杂性与取样难度，一般很难通过真实的岩石试样对其的力学变形特性与破坏规律进行研究。另外，野外含裂隙岩体取样代表性很难控制，在定量分析裂隙对岩块综合物理性质影响时，试样存在随机性与不可重复性，进而影响了试验结果的规律分析与总结。因此，国内外学者大都采用制作含裂隙岩石试样模型来替代天然岩石试样，进行相关试验研究。如何制作含裂隙岩石试样已发展成为岩体力学试验领域的重点和难点。

21世纪以来，研究者们对含裂隙岩石试样模型的方法与工艺进行了深入细致的探索，并取得了卓越的试验研究成果，其具有代表性的无充填裂隙岩石模型制样装置或方法简介如下：

(1)2012年，公开号为CN 102519767A的中国发明专利申请《一种制作类岩石试块裂隙面的模具》中，公开了一种由滑槽、钢片定位杆、量角器、滑杆和钢片组成的制作类岩石试块裂隙面的模具，突出了通过调节钢片的空间位置模拟岩体中裂隙的位置，抽出钢片后形成无充填裂隙。

(2)2013年，公开号为CN 103033413A的中国发明专利申请《用于层状裂隙灰岩试验的裂纹系统试件的制备方法》中，公开了采用高温加热、低温冻结的试验手段，将饱和岩样循环冻融产生裂隙的具体步骤。

(3)2014年，公开号为CN 103616272A的中国发明专利申请《断续裂隙岩体模拟试件的制作模具及方法》中，提出了由底板，固定长侧板、活动长侧板、刻槽底部垫板、刻槽顶部盖板等组成的制样模具，无充填裂隙通过浇筑时预埋金属片，固结后拔出留空实现。

(4)2014年，公开号为CN 103604672A的中国发明专利申请《用于岩土工程三维随机裂隙的均匀施作装置》中，提出了由模具框架、刀盘转轴、裂隙刀盘等组成的制样模具，无充填裂隙通过浇筑时插入裂隙刀盘，试样固结后拔出留空实现，其中裂隙刀盘的空间位置由球台转轴控制、裂隙贯通长度由刀盘插入深度控制。

上述现有技术确实在一定程度上解决了无充填裂隙岩石制作的问题，但主要还存在如下问题：

(1)无充填裂隙制作时，一般需要通过浇筑时预埋硬质板状结构物(如钢片)，从试样外侧插入试样内部，固结后拔出留空实现；制作工艺上属于由试样表面向内部加工的工艺过程，无法制作岩石内置裂隙，即表面必须贯通；

(2)制作岩石试样的相似材料固结后，难以将预制裂隙的结构物拔出，拔出后容易导致裂缝厚度、宽度变大，在原裂缝周围产生次级裂缝，甚至导致岩体结构的整体破坏；

(3)每次通过对原岩进行高温加热、低温融化、冻融循环得到的无充填裂隙岩体试样无法获得统一的裂隙网络体系，每个试块具有各自的裂隙发育条件，影响了试验结构的分析，无法定量研究裂隙对岩体物理力学性质的影响。

(4)裂隙的固定装置复杂、定位难度大，简单裂隙制作虽然基本能满足要求，但是一旦裂隙数量增大，其调节或固定的机构将异常复杂，甚至会导致不同机构的运动干涉。

发明内容

为了克服已有技术无法有效制作断续无充填裂隙岩石试样的不足，本发明提供了一种原理简单、操作方便、成本低廉、成型效果好、能充分考虑岩体裂隙空间位置的断续无充填裂隙岩石试样模型的制作方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种断续无充填裂隙岩石试样模型的制作方法，所述制作方法包括如下步骤：

(1)根据岩块试样与模型的几何相似比、强度相似比和弹性模量相似比，确定岩块模型的骨料、胶结材料的配比方案；配比物质组成包括标准砂、水、硅粉、水泥和减水剂；

(2)裁剪薄片状水溶纸，使其几何形状与裂隙形状相同、厚度与裂隙宽度相当，再将其表面打上石蜡；

(3)将水溶线纸用水溶线固定在制样模具中；每片裂隙材料的平面由四个点固定；竖直方向的水溶线打结后分上下两段，下段水溶线垂直高度与裂隙平面高度相同，水溶线起竖直方向固定作用；结头设置在水溶纸底部，保证水溶纸不发生滑落；水溶线上端通过制样模具上部平台固定；

(6)对岩块相似材料的配合比进行称量并拌合均匀，将混合材料分层倒入试样模具内，模具内部涂抹脱离剂；在常温下进行养护，水溶线在混合物逐渐溶解；

(7)将试样与制样模具放入烘箱中加热；加热条件下，加速水溶线溶解过程并完成溶解；水溶纸在加热条件下，表面的薄层石蜡发生熔化；

(8)将试样从制样模具中取出，采用煮沸法饱和试样，煮沸容器内的水面始终高于试样；试样饱水后，水溶纸与水相互作用；

(9)取出试样，置于通风、阴凉、干燥处，进行自然风干即成。

进一步，所述步骤(2)中，所述水溶性纸是以羧甲基纤维素钠盐或铵盐为主要成分的薄片状水溶纸，所述薄片状水溶纸表面包裹薄薄的蜡层。该方案中水溶性纸的材质是本领域比较常用的，例如以羧甲基纤维素钠盐为主要成分，其他成分对本领域技术人员来说也是公知的；当然，水溶性纸的材质也可以采用其他遇水溶解的材料。蜡厚的厚度优选为0.5mm～2mm。

更进一步，所述步骤(2)中，对水溶纸的粗糙程度进行人为加工处理，保证其表面粗糙特征与原岩裂隙表面性质的相似性。

再进一步，所述步骤(3)中，所述水溶线的物质组成为聚乙烯醇，遇水溶解。该方案中水溶线的材质是本领域比较常用的，当然，也可以为其他遇水溶解的材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本断续无充填裂隙岩石试样模型的制样方法的原理简单，不需要制作复杂的制样模具，不会因为制样模具调节装置损坏而影响到整个制样装置的使用；

(2)本断续无充填裂隙岩石试样模型的制样方法中裂隙不受形状限制，可根据试样要求，将水溶纸裁剪成不同形状的裂隙预埋材料；

(3)本断续无充填裂隙岩石试样模型的制样方法中使用了水溶纸作为预埋结构，裂隙表面在烘箱中加热熔化后，遇水作用后水溶纸完全溶解，只留下无充填裂隙空间，保证了岩块模拟试样与原岩试样裂隙发育的相似性，不产生冗余的裂隙；可对水溶纸的粗糙程度进行人为加工处理，保证其表面粗糙特征与原岩裂隙表面性质的相似性；

(4)裂隙的大小、形状、空间位置等，只与水溶线的长度与裂隙模拟材料形状有关，不会发生因拔出预制结构物导致裂缝厚度、宽度变大，在原裂缝周围产生次级裂缝，甚至导致岩体结构的整体破坏的现象。

(5)水溶纸与水溶线属于常规材料，市场使用率高、购买方便、价格低廉，能大大满足实验室制样需求。

附图说明

图1是制样模具的示意图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。

参照图1，一种断续无充填裂隙岩石试样模型的制作方法，包括如下步骤：

材料配制与参数测定：

对研究区岩样内的裂隙发育特征进行统计调查，通过测线法或钻孔法测定单位体积内岩体裂隙的隙宽、倾向、倾角、延伸范围，并选取典型岩块进行采样。

测定岩块的物理力学性质，包括密度、饱和含水率、抗压强度、弹性模量、抗弯强度与软化系数。

(1)根据岩块试样与模型的几何相似比、强度相似比和弹性模量相似比，确定岩块模型的骨料、胶结材料的配比方案；配比物质组成包括标准砂、水、硅粉、水泥和减水剂；配方依照本领域的普通技术人员的技术常识，可以根据需要进行设置。

(2)根据几何相似比，确定裂隙模拟材料的尺寸大小与相对制样模具的空间位置关系。

裂隙模拟材料制作与固定：

(3)根据模拟裂隙形状与大小的要求，裁剪水溶性纸，使其与之相当。

(4)水溶纸的厚度与裂隙宽度相当，对其表面进行粗糙程度处理，保证其表面粗糙起伏特征与原岩类似，水溶纸表面采用薄层石蜡裹面。

(5)根据裂隙的空间位置关系，确定固定每片裂隙的水溶线的长度；水溶线打结的位置位于裂隙竖直高程处；将水溶纸穿孔，孔径与水溶线直径大致相当，保证裂隙孔洞直径小于水溶线打结处的宽度，防止水溶线薄片下滑；上部同样通过打结的方法进行固定；依次采用水溶线固定各个裂隙薄片，若不同裂隙与水溶线发生干涉现象，以穿孔通过，经制样模具上部平台固定水溶线；水溶纸具有一定的强度，不会因为试样材料贯入与振捣造成破裂。

试样浇筑与养护：

(6)对制样模具内侧涂抹黄油，以助于试样与制样模具脱离。

(7)配制对标准砂、水、硅粉、水泥、减水剂按照岩块相似材料的配合比进行称量并拌合均匀，将混合材料缓慢分层倒入制样模具中，特别注意填筑过程水溶纸的上浮，可采用适当填压方法的进行避免。

(8)在常温下进行养护3天，水溶线在混合物逐渐溶解。

(9)将试样连同模具放入烘箱中加热，烘箱温度维持在80℃左右，养护2天后取出。

(10)将试样从制样模具中取出，放入装有水的煮沸容器中，液面高度始终高于试样，煮沸时间不少于6h。

(11)取出试样，置于通风、阴凉、干燥处14天左右，进行自然风干即成。

Claims (4)

1.一种断续无充填裂隙岩石试样模型的制作方法，其特征在于：所述制作方法包括如下步骤：

(1)根据岩块试样与模型的几何相似比、强度相似比和弹性模量相似比，确定岩块模型的骨料、胶结材料的配比方案；配比物质组成包括标准砂、水、硅粉、水泥和减水剂；

(2)裁剪薄片状水溶纸，使其几何形状与裂隙形状相同、厚度与裂隙宽度相当，再将其表面打上石蜡；

(3)将水溶线纸用水溶线固定在制样模具中；每片裂隙材料的平面由四个点固定；竖直方向的水溶线打结后分上下两段，下段水溶线垂直高度与裂隙平面高度相同，水溶线起竖直方向固定作用；结头设置在水溶纸底部，保证水溶纸不发生滑落；水溶线上端通过制样模具上部平台固定；

(6)对岩块相似材料的配合比进行称量并拌合均匀，将混合材料分层倒入试样模具内，模具内部涂抹脱离剂；在常温下进行养护，水溶线在混合物逐渐溶解；

(7)将试样与制样模具放入烘箱中加热；加热条件下，加速水溶线溶解过程并完成溶解；水溶纸在加热条件下，表面的薄层石蜡发生熔化；

(8)将试样从制样模具中取出，采用煮沸法饱和试样，煮沸容器内的水面始终高于试样；试样饱水后，水溶纸与水相互作用；

(9)取出试样，置于通风、阴凉、干燥处，进行自然风干即成。

2.如权利要求1所述的一种断续无充填裂隙岩石试样模型的制作方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述水溶性纸是以羧甲基纤维素钠盐或铵盐为主要成分的薄片状水溶纸，所述薄片状水溶纸表面包裹薄薄的蜡层。

3.如权利要求1或2所述的一种断续无充填裂隙岩石试样模型的制作方法，其特征在于：所述步骤(2)中，对水溶纸的粗糙程度进行人为加工处理，保证其表面粗糙特征与原岩裂隙表面性质的相似性。

4.如权利要求1或2所述的一种断续无充填裂隙岩石试样模型的制作方法，其特征在于：所述步骤(3)中，所述水溶线的物质组成为聚乙烯醇，遇水溶解。