CN104833556A - 裂隙网络岩体试样的制作方法及其制样模具 - Google Patents

Abstract

一种裂隙网络岩体试样的制作方法，根据试验要求，确定试样的大小，以裂隙统计结果为依据，预先在三维制图软件中分别设定每个裂隙的大小、厚度与空间位置，记录并标记裂隙与裂隙间的相交线的位置与长度；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，并用刻刀在模拟裂隙的水溶纸上刻画出裂隙面相交部分；按照三维制图软件中标注的裂隙位置，将模拟裂隙网络的材料进行穿插组合，形成裂隙网络；对岩块相似材料的配合比进行称量并拌合均匀，在常温下进行养护，水溶线在混合物逐渐溶解。以及提供一种裂隙网络岩体试样的制样模具。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网络空间位置。

Description

裂隙网络岩体试样的制作方法及其制样模具

技术领域

本发明涉及一种类岩石试样的制作方法及其制样模具，尤其是一种能考虑岩体内部裂隙网络结构的岩石试样的制作方法，适用于试验研究内部网络裂隙发育条件对岩石物理力学性质影响的场合。

背景技术

裂隙化岩体广泛存在于地表浅层，岩体中裂隙网络的存在破坏了自身的完整性和连续性，因此，岩体的强度要远低于岩石强度。同时，由于裂隙网络的几何形状、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。

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，在定量分析裂隙网络对岩体力学性质影响时，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。

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。然而，国内外主要集中在单裂隙或定向裂隙的岩体力学特性研究，关于复杂裂隙网络岩体的试验研究成果比较少。下面将具有代表性的复杂裂隙岩石模型制样装置或方法简介如下：

(1)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含三维裂隙类岩石的脆性材料的方法，内部裂隙采用固定器固定，模拟裂隙的材料为聚酯薄膜、牛皮纸或金属片。

(2)2013年，公开号为CN 103033413A的中国专利申请《用于层状裂隙灰岩试验的裂纹系统试件的制备方法》中，提出了一种对灰岩岩样进行冻融循环试验，通过冻融循环形成岩样内部微观裂隙的方法，每次循环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，测量微裂纹特征。

(3)2013年，公开号为CN 103604672A的中国专利申请《用于岩土工程三维随机裂隙的均匀施作装置及操作方法》中，公开了一种用于岩土工程三维随机裂隙的均匀施作装置及操作方法，包括一个框架，在框架的前、后、左、右四个侧面上设有刀盘转轴，裂隙通过插入试验试件内部的刀盘深度进行控制。

(4)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。

(5)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复杂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，考虑裂隙网络的空间形态特征不够充分，特别是裂隙与裂隙相交的情况不能模拟；

(2)充填法制作含裂隙岩块试样时，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)插入法制作含裂隙岩块试样时，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、硬质结构物无交叉，且试样材料固结后，难以将结构物拔出。

(4)在原岩试样基础上，采用冻融方式获得内部微裂隙的方法改变了岩体试样本身的自身结构，不能真实模拟原岩物理力学性质，具有内部裂隙网络的空间形态和具体形状不可控的局限性。

发明内容

为了克服已有技术无法制作裂隙网络岩体试样的不足,本发明提供一种原理简单、操作方便、成本低廉、成型效果好，能充分考虑岩体裂隙网络空间位置的裂隙网络岩体试样的制作方法及其制样模具。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种裂隙网络岩体试样的制作方法，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、弹性模量相似比等，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)根据试验要求，确定试样的大小，以裂隙统计结果为依据，预先在三维制图软件中分别设定每个裂隙的大小、厚度与空间位置，记录并标记裂隙与裂隙间的相交线的位置与长度；

(3)参考三维制图软件中标注的裂隙尺寸与交线位置，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，并用刻刀在模拟裂隙的水溶纸上刻画出裂隙面相交部分；

(4)将裁剪后的水溶纸表面打上石蜡，使薄片状水溶纸表面包裹薄薄的蜡层；

(5)按照三维制图软件中标注的裂隙位置，将模拟裂隙网络的材料进行穿插组合，形成裂隙网络；

(8)将模拟裂隙网络的材料用水溶线固定在制样模具中；模拟裂隙网络的材料由若干点固定；水溶线上端通过制样模具上部平台固定；

(9)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；

(10)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；

(11)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，煮沸时间不少于6h；试样饱水后，裂隙充填材料与水相互作用；

(12)取出试样，置于通风、阴凉、干燥处，进行自然风干即成。

进一步，所述三维制图软件为CAD软件。也可以是其他三维制图软件。

更进一步，所述水溶线的物质组成为聚乙烯醇，遇水溶解。也可以是其他水溶物质。

一种裂隙网络岩体试样的制样模具，所述制样模具包括顶板、连接环卡套、顶部绳环、顶板杆、水溶线、侧板连接杆、侧板、底板、插板和底部绳环，相邻的两块侧板之间通过侧板连接杆连接，所述侧板的底部安装在所述底板上，所述侧板的顶部安装顶板杆，所述顶板杆的顶部安装在顶板上，所述顶板上安装连接环卡套和顶部绳环，所述顶部绳环与水溶线的上端连接，所述底板的上表面上开有底部绳环，所述水溶线的下端与所述底部绳环连接，裂隙网络模拟材料的一端与一根水溶线连接，所述裂隙网络模拟材料的另一端与另一根水溶线连接。

进一步，所述的顶板设置为螺旋镂空结构，用于上部固定水溶线；顶部绳环沿着螺旋镂空结构进行水平位置的调节，用于调整水溶线的水平位置。

再进一步，所述的侧板连接杆与侧板咬合拼接，形成试样制作的外部边框；侧板连接杆与侧板位于底板上，其中侧板连接杆与底板咬合连接；底板开有螺旋形槽口，槽口内部设置底部绳环，用于调整水溶线下部水平位置.

更进一步，所述的侧板连接杆与侧板咬合拼接，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网络材料相应位置的高度相同，结头设置在裂隙材料底部。

本发明的有益效果主要表现在：(1)本断续裂隙网络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)本断续裂隙网络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，通过拼装组合成特定的裂隙网络结构；

(3)岩体裂隙网络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，避免了试样固结后难以将预制裂隙的结构物拔出的缺陷。

附图说明

图1为本发明模拟裂隙网络的材料拼接示意图

图2为本发明一个制样模具的立体结构示意图；

图3为图2装置的侧视图；

图4为图2装置的俯视图；

图5为图2装置的纵剖面图。

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～图5，一种裂隙网络岩体试样的制作方法，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；

所述制作方法包括如下步骤：

材料配制与参数测定：

(1)根据试验要求与相似关系，以强度参数为主控因素，确定岩块与裂隙的模拟材料的配制方案。

(2)根据几何相似比，确定裂隙模拟材料的尺寸大小，预先在CAD中分别设定每个裂隙的大小、厚度与空间位置，记录并标记裂隙与裂隙间的相交线的位置与长度。

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，制作成裂隙网络模拟材料9。按照CAD中标注的裂隙位置，将模拟裂隙网络的材料进行穿插组合，形成裂隙网络，如图1所示。

(5)根据裂隙的空间位置关系，确定固定每片裂隙网络模拟材料9的水溶线5的长度；水溶线5打结的位置位于裂隙网络模拟材料9竖直高程处；将水溶纸5穿孔，孔径与水溶线5直径大致相当，保证裂隙网络模拟材料9的孔洞直径小于水溶线5打结处的宽度，防止水溶纸5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5固定各个裂隙网络模拟材料9，若不同裂隙网络模拟材料9与水溶线5发生干涉现象，以穿孔方式通过。

(6)拼接底板8与侧板连接杆6；侧向连接杆6间咬合插入侧板7。调节底部绳环10的空间位置，将水溶线5下端与底部绳环10连接。

(7)将侧板连接杆6与顶板杆4连接；拼接顶板1与顶板杆4；水溶线5上端通过连接环卡套2、顶部绳环3经制样模具顶板1固定水溶线5；

试样浇筑与养护：

(8)对制样模具侧板7与侧板连接杆6内侧涂抹黄油，以助于试样与制样模具脱离。

(9)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网络模拟材料9的上浮，可采用适当填压方法的进行避免。

(10)在常温下进行养护3天，水溶线在混合物逐渐溶解，拆卸顶板1、连接环卡套2、顶部绳环3、顶板杆4。

(11)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。

(12)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。

(13)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。

一种裂隙网络岩体试样的制样模具，所述制样模具包括顶板1、连接环卡套2、顶部绳环3、顶板杆4、水溶线5、侧板连接杆6、侧板7、底板8、插板和底部绳环10，相邻的两块侧板之间通过侧板连接杆6连接，所述侧板7的底部安装在所述底板8上，所述侧板的7顶部安装顶板杆4，所述顶板杆4的顶部安装在顶板1上，所述顶板1上安装连接环卡套2和顶部绳环3，所述顶部绳环3与水溶线5的上端连接，所述底板8的上表面上开有底部绳环10，所述水溶线5的下端与所述底部绳环10连接，裂隙网络模拟材料9的一端与一根水溶线5连接，所述裂隙网络模拟材料9的另一端与另一根水溶线5连接。

所述的顶板设置为螺旋镂空结构，用于上部固定水溶线；顶部绳环沿着螺旋镂空结构进行水平位置的调节，用于调整水溶线的水平位置；连接环卡套用于固定顶板与顶部绳环；顶板杆用于支持顶板，使岩石试样成样空间与顶板形成空隙，便于试样的浇筑与养护，顶板杆位于侧板连接杆顶端，顶板杆上部通过顶板四个顶角的圆形槽口固定连接。

所述的侧板连接杆与侧板咬合拼接，形成试样制作的外部边框；侧板连接杆与侧板位于底板上，其中侧板连接杆与底板咬合连接；底板开有螺旋形槽口，槽口内部设置底部绳环，用于调整水溶线下部水平位置。

所述的裂隙网络模拟材料由水溶线固定；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网络材料相应位置的高度相同，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。

Claims (7)

1.一种裂隙网络岩体试样的制作方法，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、弹性模量相似比等，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)根据试验要求，确定试样的大小，以裂隙统计结果为依据，预先在三维制图软件中分别设定每个裂隙的大小、厚度与空间位置，记录并标记裂隙与裂隙间的相交线的位置与长度；

(3)参考三维制图软件中标注的裂隙尺寸与交线位置，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，并用刻刀在模拟裂隙的水溶纸上刻画出裂隙面相交部分；

(4)将裁剪后的水溶纸表面打上石蜡，使薄片状水溶纸表面包裹薄薄的蜡层；

(5)按照三维制图软件中标注的裂隙位置，将模拟裂隙网络的材料进行穿插组合，形成裂隙网络；

(8)将模拟裂隙网络的材料用水溶线固定在制样模具中；模拟裂隙网络的材料由若干点固定；水溶线上端通过制样模具上部平台固定；

(9)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；

(10)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；

(11)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，煮沸时间不少于6h；试样饱水后，裂隙充填材料与水相互作用；

(12)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所述的一种裂隙网络岩体试样的制作方法，其特征在于：所述三维制图软件为CAD软件。

3.如权利要求1或2所述的一种裂隙网络岩体试样的制作方法，其特征在于：所述水溶线的物质组成为聚乙烯醇，遇水溶解。

4.一种如权利要求1所述的裂隙网络岩体试样的制作方法的制样模具，其特征在于：所述制样模具包括顶板、连接环卡套、顶部绳环、顶板杆、水溶线、侧板连接杆、侧板、底板、插板和底部绳环，相邻的两块侧板之间通过侧板连接杆连接，所述侧板的底部安装在所述底板上，所述侧板的顶部安装顶板杆，所述顶板杆的顶部安装在顶板上，所述顶板上安装连接环卡套和顶部绳环，所述顶部绳环与水溶线的上端连接，所述底板的上表面上开有底部绳环，所述水溶线的下端与所述底部绳环连接，裂隙网络模拟材料的一端与一根水溶线连接，所述裂隙网络模拟材料的另一端与另一根水溶线连接。

5.如权利要求4所述的制样模具，其特征在于：所述的顶板设置为螺旋镂空结构，用于上部固定水溶线；顶部绳环沿着螺旋镂空结构进行水平位置的调节，用于调整水溶线的水平位置。

6.如权利要求4或5所述的制样模具，其特征在于：所述的侧板连接杆与侧板咬合拼接，形成试样制作的外部边框；侧板连接杆与侧板位于底板上，其中侧板连接杆与底板咬合连接；底板开有螺旋形槽口，槽口内部设置底部绳环，用于调整水溶线下部水平位置.

7.如权利要求4或5所述的制样模具，其特征在于：所述的侧板连接杆与侧板咬合拼接，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网络材料相应位置的高度相同，结头设置在裂隙材料底部。