CN104833555B - 断续充填裂隙岩石试样模型的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种断续充填裂隙岩石试样模型的制作方法，包括如下步骤：(1)确定岩块模型的骨料、胶结材料的配比方案；(2)根据充填物质的测试结果与相似关系，确定裂隙模拟材料的物理力学性质；(3)无水条件下，拌制裂隙模拟材料并加工成薄片状混合材料；(4)将模拟裂隙的薄片模拟材料平面用水溶线固定在制样模具中；(5)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；(6)将试样与制样模具放入烘箱中加热；(7)将试样从制样模具中取出，采用煮沸法饱和试样；(8)取出试样，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及充填物性质。

Description

断续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充填条件的岩石试样的制作方法，适用于通过试验研究考虑岩体裂隙发育条件及充填性质对其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，其具有代表性的含裂隙岩石模型制样装置或方法简介如下：

(1)2006年，公开号为CN 1800085A的中国专利申请《用于裂隙岩石试验的类岩石陶瓷材料及其试件制备方法》中，提供了一种用于裂隙岩石试验的类岩石陶瓷材料及其试件制备方法，重点介绍了陶瓷材料的物质构成和加工工艺，对比了类岩石陶瓷材料与岩石的力学性能。

(2)2009年，公开号为CN 101462854A的中国专利申请《用于制作类岩石的脆性材料及其试件预制裂隙的制备方法》中，给出了一种用于制作类岩石的脆性材料，内部裂隙采用固定器固定，模拟裂隙的材料为聚酯薄膜或金属片。

(3)2011年，公开号为CN 102435475A的中国专利申请《一种室内单裂隙岩石试样制备装置》中，提出了一种充填一定厚度粘结材料单裂隙岩石试样制备装置。

(4)2012年，公开号为CN 102519767A的中国专利申请《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。

(5)2013年，公开号为CN 103196717A的中国专利申请《一种能精确定位充填型预制裂隙的类岩石试样模具》中，该模具具体包括底座、侧板、隔板、夹具、双头螺栓和带帽螺栓，采用齿轮状夹具定位裂隙角度，充填物则通过有凹槽的橡胶垫块夹持。

(6)2014年，公开号为CN 103674658A的中国专利申请《一种随机裂隙试验模型的制备方法》中，提出了一种将不同厚度、不同大小以及不同数量的裂隙碎片随机掺入到连续介质模型材料中，以制备能够有效模拟岩体裂隙、节理等天然结构特征，以及非均质特性的试验模型，其中裂隙碎片材质为云母片或聚四氟乙烯薄片。

(7)2014年，公开号为CN 103822808A的中国专利申请《一种随机裂隙岩石试样的制作方法》中，给出了一种用锡条模拟裂隙的方法，将锡条和砂浆材料混合搅拌，形成含大量随机裂隙的岩石试样。

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

(1)含裂隙岩体试样制作时，一般考虑单裂隙或者简单空间形态的二维裂隙，针对三维空间裂隙的相关制作工艺较少，考虑裂隙的空间形态特征不够充分；

(2)在制样材料中掺入不同材料来模拟随机裂隙的方法，以均匀性假设为前提，只能用于大尺寸岩石模型材料的模拟，其中各裂隙的空间形态和具体形状是不可控的；

(3)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；

(4)裂隙制作时一般需要从试样外侧插入硬质板状结构(如钢片)来预制裂隙，都属于由试样表面向内部进行加工的工艺过程，无法制作岩石内置裂隙，即表面必须贯通；

(5)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；

(6)裂隙的模拟材料的选择包括聚酯薄膜、牛皮纸、金属片、云母片等，但模拟材料与真实裂隙填充物的相似性评价存在不足，试验结果以定性分析为主。

发明内容

为了克服已有技术无法有效制作断续充填裂隙岩石试样模型的不足，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及充填物性质的断续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)根据充填物质的测试结果与相似关系，确定裂隙模拟材料的物理力学性质；配比物质组成为高强度石膏、标准砂、水；确定不同充填性质条件下裂隙模拟材料的配比方案，其中，水的含量大小由岩块的饱和含水率确定；

(3)无水条件下，拌制裂隙模拟材料并加工成薄片状混合材料，充填物的宽度与裂隙宽度相当，混合材料上下两面通过薄层水溶纸包夹；

(4)将模拟裂隙的薄片模拟材料平面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；结头设置在裂隙材料底部，保证裂隙材料不发生滑落；水溶线上端通过制样模具上部平台固定；

(5)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；

(6)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；裂隙材料在加热条件下，表面的薄层石蜡发生熔化；

(7)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，裂隙充填材料与水相互作用；

(8)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(3)中，水溶性纸是以羧甲基纤维素钠盐或铵盐为主要成分的纸，再将其表面打上石蜡，使得薄片材料包裹严密。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。

再进一步，所述步骤(4)中，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)本断续充填裂隙岩石试样模型的制样方法的裂隙模拟材料不受形状限制，可根据试样要求，裁剪成不同形状的裂隙材料；

(3)本断续充填裂隙岩石试样模型的制样方法充分考虑了裂隙充填材料的力学性质的相似性，打蜡方法密封充填材料，裂隙表面在烘箱中加热熔化，遇水作用后产生的强度与原岩充填物质相似；

(4)岩体裂隙的空间位置通过水溶线固定，水溶线完全溶解于试样模型中，制样完成后只留下裂隙充填物质，避免了试样固结后很难将预制裂隙的结构物拔出的缺陷；

(5)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。

(6)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

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1，一种断续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，判断结构面充填类型，并选取典型岩块与裂隙充填物分别采样。

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。测定裂隙充填物质的物质组成，判断其基本的物理力学参数，如弹性模量、泊松比、抗拉强度与抗压强度等。

(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)根据充填物质的测试结果与相似关系，确定裂隙模拟材料的物理力学性质；配比物质组成为高强度石膏、标准砂、水；确定不同充填性质条件下裂隙模拟材料的配比方案，其中，水的含量大小由岩块的饱和含水率确定。

裂隙模拟材料制作与固定：

(3)无水条件下，拌制裂隙模拟材料并加工成薄片状混合材料，充填物的宽度与裂隙宽度相当，混合材料上下两面通过薄层水溶纸包夹；

(4)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；裂隙材料穿孔，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，防止裂隙薄片下滑；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，以穿孔形式通过，并通过制样模具上部平台固定水溶线。

试样浇筑与养护：

(5)对制样模具内侧涂抹黄油，以助于试样与制样模具脱离。

(6)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，特别注意填筑过程裂隙的上浮，可采用适当填压方法的进行避免。

(7)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。

(9)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。

(10)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 (3)

1.一种断续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)根据充填物质的测试结果与相似关系，确定裂隙模拟材料的物理力学性质；配比物质组成为高强度石膏、标准砂、水；确定不同充填性质条件下裂隙模拟材料的配比方案，其中，水的含量大小由岩块的饱和含水率确定；

(3)无水条件下，拌制裂隙模拟材料并加工成薄片状混合材料，充填物的宽度与裂隙宽度相当，混合材料上下两面通过薄层水溶纸包夹；

(4)将模拟裂隙的薄片模拟材料平面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；结头设置在裂隙材料底部，保证裂隙材料不发生滑落；水溶线上端通过制样模具上部平台固定；

(5)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；

(6)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；裂隙材料在加热条件下，表面的薄层石蜡发生熔化；

(7)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，裂隙充填材料与水相互作用；

(8)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所述的断续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，水溶性纸是以羧甲基纤维素钠盐或铵盐为主要成分的纸，再将其表面打上石蜡，使得薄片材料包裹严密。

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