CN104865110A - 一种在类岩石相似材料试件中预制粗糙裂隙的方法 - Google Patents

Abstract

一种在类岩石相似材料试件中预制粗糙裂隙的方法，属于岩石力学实验方法。具体步骤：首先加工岩石试件，利用试验机进行破坏试验得到含单一粗糙贯穿裂隙的破裂岩石试件；然后用柔性耐高温卷材包裹破裂岩石试件，在高温条件下将液态复型材料注满粗糙裂隙，并自然冷却；去除柔性耐高温卷材，得到复型材料裂隙片，并用三维激光扫描仪将其表面形貌特征数值化；将复型材料裂隙片固定试样加工模具中，然后注入可流动的类岩石相似材料；相似材料试件硬化后，脱模并加高温使复型材料裂隙片熔化流出，冷却后得到含粗糙节理的类岩石材料试样。本方法具有工序简单、成本低廉、可重复性好、精度高的特点，在岩石结构面物理力学特性试验中具有广阔的应用前景。

Description

一种在类岩石相似材料试件中预制粗糙裂隙的方法

技术领域

本发明涉及一种岩石力学实验方法，特别是一种在类岩石相似材料试件中预制粗糙裂隙的方法。

背景技术

在岩石力学领域，岩体被公认为是由岩块和裂隙(节理、结构面或不连续面)网络组成的。裂隙的物理力学性质是岩体承载能力和工程稳定的控制因素，因此裂隙岩体一直是学术界的研究热点。按力学成因，可将裂隙分为剪性和张性两类。一般来说，裂隙表面都是比较粗糙的。1973年，巴顿系统提出了节理面粗糙度的概念，并通过试验确定了粗糙度系数JRC。另外，谢和平关于分形几何的研究也提供了粗糙度系数的确定方法。

考虑到含裂隙试件现场取样难度大、离散性强等缺点，通过配制类岩石脆性相似材料，在相似材料试件中预制裂隙成为探讨含裂隙岩石变形、破坏和裂纹扩展特征的重要手段。目前，在相似材料试样内预制裂隙的方法主要利用模具和裂隙片，这类方法预制的都是平直光滑裂隙，相关专利有：

CN200610042132.6公开了一种用于裂隙岩石试验的陶瓷试件三维内置裂隙制造方法。该发明采用不易变形的青稞纸模拟裂隙，不能形成粗糙裂隙。

CN200910013928.2公开了一种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，其中模拟裂隙片状材料为聚醋薄膜、牛皮纸或金属薄片，不能形成粗糙裂隙。

CN201110422886.5公开了一种制作类岩石试块裂隙面的模具，主要由滑槽、钢片定位杆、量角器、滑杆和钢片组成，用钢片预制裂隙，不能形成粗糙裂隙。

CN201220173136.9公开了一种制作不同角度全贯穿裂隙类岩石材料标准试件的模具，用薄钢片预制贯穿裂隙，不能形成粗糙裂隙。

CN201310073165.7公开了一种能精确定位充填型预制裂隙的类岩石试样模具，利用云母片、石蜡片、钢片等裂隙填充材料，不能形成粗糙裂隙。

CN201410139078.1公开了一种用于断续双裂隙岩石三轴压缩试验的类岩石试件模具，用矩形钢片预制断续双裂隙，不能形成粗糙裂隙。

CN201420047107.7公开了一种制备预置有三维裂隙高脆性透明类岩石材料试件的模具，预制裂隙采用厚度为0.12mm的云母片，不能形成粗糙裂隙。

此外还有学者利用剪切试验、巴西劈裂试验等方法直接在岩石试样中形成粗糙破裂面，然后进行相关研究(如R.E.Goodman，1976)，但是这种方法形成的裂隙难以精确重复，对于岩石这种离散性大的介质而言，这是一种不可忽视的缺陷。

发明内容

本发明的目的是要提供一种工序简单、成本低廉、重复性好、精度高的在类岩石相似材料试件中预制粗糙裂隙的方法。

本发明的目的是这样实现的：该方法包括以下步骤：

a.用取芯机或割石机及磨石机加工岩石试件；

b.采用不同试验方法对岩石试件进行破坏试验，在试件内部形成单一贯穿粗糙裂隙，并对裂隙表面进行清洗，去掉碎块和岩屑；所述的不同试验方法为巴西劈裂方法、直接剪切方法、楔形剪切方法和单轴压缩方法；

c.用柔性耐高温卷材包裹破裂试件，贯穿裂隙保留一定张开度，柔性耐高温卷材预留缺口，缺口范围内必须包含一定迹长的裂隙；

d.将复型材料高温加热变为液态，并在高温环境下将流动性较好的液态复型材料注入并充满整条贯穿裂隙，然后常温下自然冷却；

e.复型材料凝固后，去除柔性耐高温卷材，将复型材料裂隙片取出，该复型材料裂隙片再现了破裂岩样贯穿裂隙表面的形貌特征；

f.采用三维激光扫描仪对复型材料裂隙片表面进行扫描测试，通过相关软件将粗糙裂隙表面的形貌特征数值化；

g.根据下一步岩石裂隙试验的要求，重复上述c～f步骤，制作一定数量的复型材料裂隙片，并通过裂隙表面形貌特征的对比分析验证各裂隙片间的相似程度及误差；

h.将裂隙片固定在类岩石材料试样加工模具中，然后将流动态类岩石相似材料注入模具中；

i.流动类岩石相似材料试件硬化后，脱模，对于完全贯穿试件的裂隙片可以直接取出硬化后试件中的裂隙片；

j.部分贯穿试件的裂隙片难以直接取出，可将试件放入高温炉中，在一定温度条件下将裂隙片熔化为液态后流出来，然后将试件在常温条件下自然冷却。

所述的岩石试件是在试验机上进行破坏试验的任何尺寸的圆柱形或方形试件。

所述的柔性耐高温卷材是易变形、强度高，并能承受大于复型材料熔点的温度，如铝箔纸或铜箔胶带。

所述的一定张开度为便于液态复型材料流入的最小开度。

所述的复型材料为：高温可变为流动性好的液态，常温条件下为具有一定硬度和刚度的任何材料，如锡、铝低熔点金属或聚乙烯或聚丙烯热塑性塑料。

所述的类岩石相似材料为：凝固前具有流动性、凝固后具有脆性、且熔点大于复型材料熔点的任何材料。

有益效果及优点：

①本发明的复型材料裂隙片能够精确再现岩石拉伸或压剪破坏面的粗糙形貌特征，更能真实模拟现场岩体节理发育情况及岩石变形破坏的过程。

②本发明裂隙片的加工工序简单、成本低廉、可重复性好、精度高。

③本发明能够根据同一破坏面加工一批具有相同粗糙度系数的裂隙片，并借助三维激光扫描仪将表面形貌特征数值化，便于精确量化和对比分析，避免了岩石粗糙裂隙离散性大，可重复性差的缺陷，在不同条件下结构面物理力学性能(渗流、压缩、剪切)试验中具有广阔的应用前景。

附图说明：

图1为本发明在类岩石相似材料试件中预制粗糙裂隙的流程图。

图2为本发明在高温条件下液态复型材料注入贯穿裂隙的示意图。

图3为本发明的柔性耐高温卷材包裹破裂试件示意图。

图4为本发明的复型材料裂隙片。

图中，1、破裂岩样；2、高温箱；3、压力注入装置；4、液态复型材料；5、破裂岩样中的贯穿裂隙；6、柔性耐高温卷材；7、复型材料裂隙片。

具体实施方式

该方法包括以下步骤：

a.用取芯机或割石机及磨石机加工岩石试件；

b.采用不同试验方法对岩石试件进行破坏试验，在试件内部形成单一贯穿粗糙裂隙，所述的贯穿为劈拉/压剪，并对裂隙表面进行清洗，去掉碎块和岩屑；所述的不同试验方法为巴西劈裂方法、直接剪切方法、楔形剪切方法和单轴压缩方法；

c.用柔性耐高温卷材包裹破裂试件，贯穿裂隙保留一定张开度，柔性耐高温卷材预留缺口，缺口范围内必须包含一定迹长的裂隙；

d.将复型材料高温加热变为液态，并在高温环境下将流动性较好的液态复型材料注入并充满整条贯穿裂隙，然后常温下自然冷却；

e.复型材料凝固后，去除柔性耐高温卷材，将复型材料裂隙片取出，该复型材料裂隙片再现了破裂岩样贯穿裂隙表面的形貌特征；如对复型材料裂隙片有形状要求时可对其进行裁剪和打磨；

f.采用三维激光扫描仪对复型材料裂隙片表面进行扫描测试，通过相关软件将粗糙裂隙表面的形貌特征数值化；

g.根据下一步岩石裂隙试验的要求，重复上述c～f步骤，制作一定数量的复型材料裂隙片，并通过裂隙表面形貌特征的对比分析验证各裂隙片间的相似程度及误差；

h.将裂隙片固定在类岩石材料试样加工模具中，然后将流动态类岩石相似材料注入模具中；

i.流动类岩石相似材料试件硬化后，脱模，对于完全贯穿试件的裂隙片可以直接取出硬化后试件中的裂隙片；

j.部分贯穿试件的裂隙片难以直接取出，可将试件放入高温炉中，在一定温度条件下将裂隙片熔化为液态后流出来，然后将试件在常温条件下自然冷却。

所述的岩石试件是在试验机上进行破坏试验的任何尺寸的圆柱形或方形试件。

所述的柔性耐高温卷材是易变形、强度高，并能承受大于复型材料熔点的温度，如铝箔纸或铜箔胶带。

所述的一定张开度为便于液态复型材料流入的最小开度。

所述的复型材料为：高温可变为流动性好的液态，常温条件下为具有一定硬度和刚度的任何材料，如锡、铝低熔点金属或聚乙烯或聚丙烯热塑性塑料。

所述的类岩石相似材料为：凝固前具有流动性、凝固后具有脆性、且熔点大于复型材料熔点的任何材料，如水泥砂浆或树脂。

下面结合附图对本发明作更进一步的说明：

实施例1：

(1)采用取芯机在采集到的岩石内取样，通过切割、打磨等工序得到一个标准圆柱形试样

(2)通过角模压剪试验得到含单一贯穿粗糙裂隙5的破裂岩石试样1；

(3)将铝箔纸6裁剪成170mm×100mm的矩形和直径为60mm的圆形，用矩形铝箔纸将破裂圆柱试样的侧面包裹起来，破裂面保留2mm的张开度，用耐高温胶将圆形铝箔纸黏贴在试样下端面，并将铝箔纸搭接处黏贴在一起，保证密封良好；

(4)将被铝箔纸包裹的圆柱体试样放入箱式高温炉2中加热至240℃；

(5)用高温炉将金属锡熔化为液态，熔点232℃，在高温圆柱体试样上端面上沿裂隙利用压力注入装置3将液态锡4高压注入，直到液态锡充满整条节理，然后常温下自然冷却；

(6)锡凝固之后，去除铝箔纸外罩，取出锡质裂隙片7，在宽度方向两侧都剪去0.5cm，并将边缘打磨圆滑；

(7)采用三维激光扫描仪对锡质裂隙片表面进行扫描测试，将其表面形貌特征数值化；所述的三维激光扫描仪为英国产Talysurf CLI 2000型；

(8)重复上述步骤(3)～(7)，制作5片锡质裂隙片，并通过表面形貌特征的分析验证各裂隙片间的相似程度及误差；

(9)用焊锡将锡质裂隙片固定在试样加工模具中，然后将配合好的水泥砂浆注入；

(10)水泥砂浆硬化后，进行试样脱模；

(11)把水泥砂浆试样放入高温炉中加热到250℃，高压气体将熔化的液态锡吹出试件，形成含单一贯穿粗糙节理的水泥砂浆试件；

(12)配制5种不同颗粒级配的充填物，并分别填入5块含裂隙水泥砂浆试件中，利用岩石渗透系数实验系统即可获得不同围压条件下的充填粗糙裂隙渗透系数；所述的岩石渗透系数实验系统为海安县石油科研仪器公司的LDY－50型岩心流动试验仪。

Claims (6)

1.一种在类岩石相似材料试件中预制粗糙裂隙的方法，其特征是：该方法包括以下步骤：

a. 用取芯机或割石机及磨石机加工岩石试件；

b. 采用不同试验方法对岩石试件进行破坏试验，在试件内部形成单一贯穿粗糙裂隙，并对裂隙表面进行清洗，去掉碎块和岩屑；所述的不同试验方法为巴西劈裂方法、直接剪切方法、楔形剪切方法和单轴压缩方法；

c. 用柔性耐高温卷材包裹破裂试件，贯穿裂隙保留一定张开度，柔性耐高温卷材预留缺口，缺口范围内必须包含一定迹长的裂隙；

d. 将复型材料高温加热变为液态，并在高温环境下将流动性较好的液态复型材料注入并充满整条贯穿裂隙，然后常温下自然冷却；

e. 复型材料凝固后，去除柔性耐高温卷材，将复型材料裂隙片取出，该复型材料裂隙片再现了破裂岩样贯穿裂隙表面的形貌特征；

f. 采用三维激光扫描仪对复型材料裂隙片表面进行扫描测试，通过相关软件将粗糙裂隙表面的形貌特征数值化；

g. 根据下一步岩石裂隙试验的要求，重复上述c~f步骤，制作一定数量的复型材料裂隙片，并通过裂隙表面形貌特征的对比分析验证各裂隙片间的相似程度及误差；

h. 将裂隙片固定在类岩石材料试样加工模具中，然后将流动态类岩石相似材料注入模具中；

i. 流动类岩石相似材料试件硬化后，脱模，对于完全贯穿试件的裂隙片可以直接取出硬化后试件中的裂隙片；

j. 部分贯穿试件的裂隙片难以直接取出，可将试件放入高温炉中，在一定温度条件下将裂隙片熔化为液态后流出来，然后将试件在常温条件下自然冷却。

2.根据权利要求1所述的一种在类岩石相似材料试件中预制粗糙裂隙的方法，其特征是：所述的岩石试件是在试验机上进行破坏试验的任何尺寸的圆柱形或方形试件。

3.根据权利要求1所述的一种在类岩石相似材料试件中预制粗糙裂隙的方法，其特征是：所述的柔性耐高温卷材是易变形、强度高，并能承受大于复型材料熔点的温度，如铝箔纸或铜箔胶带。

4.根据权利要求1所述的一种在类岩石相似材料试件中预制粗糙裂隙的方法，其特征是：所述的一定张开度为便于液态复型材料流入的最小开度。

5.根据权利要求1所述的一种在类岩石相似材料试件中预制粗糙裂隙的方法，其特征是：所述的复型材料为：高温可变为流动性好的液态，常温条件下为具有一定硬度和刚度的任何材料，如锡、铝低熔点金属或聚乙烯或聚丙烯热塑性塑料。

6.根据权利要求1所述的一种在类岩石相似材料试件中预制粗糙裂隙的方法，其特征是：所述的类岩石相似材料为：凝固前具有流动性、凝固后具有脆性、且熔点大于复型材料熔点的任何材料。