CN105203359B - 一种类岩石试件标准粗糙度节理面的预制方法 - Google Patents
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Abstract
一种类岩石试件标准粗糙度节理面的预制方法，属于种岩石力学试验方法。该方法首先将粗糙度曲线输入数控火焰切割机，对不锈钢板进行切割分别得到不同粗糙度的标准节理面模板；组装获得粗糙节理面制作模具，选择对应粗糙度的节理面模板，并根据预制节理面的开度调整标准节理模板的间距；然后将液态复型材料注满加工槽，冷却成型后拆模、裁剪得到所需的复型材料节理片；将节理片固定在试样加工模具的预定位置并将流态类岩石材料注入模具中；成型后脱模并对类岩石试件加高温使节理片熔化流出即得到含特定粗糙度节理面的类岩石试样。本方法具有操作简便、易于重复、成本低廉、精确度高等特点，在岩石结构面物理力学特性试验研究中具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种岩石力学实验方法，特别是一种类岩石试件标准粗糙度节理面的预制方法。
背景技术
在岩石力学与工程领域，岩体被相关学者和技术人员公认为是由完整岩块和节理(裂隙、结构面、弱面或不连续面)网络组成的。节理面的物理力学性质是控制工程岩体承载能力、渗透性质和围岩稳定的关键因素，一直为相关研究人员密切关注。节理表面一般都比较粗糙，1976年，巴顿(N.Barton)通过系统分析136个节理面的起伏粗糙程度，将所有节理面的粗糙程度分为10级，给出10种典型粗糙度剖面图，长度均为100mm，节理面粗超度系数(joint roughness coefficient)JRC＝0～20。这种方法接近于实际裂隙，能较好地量化节理面粗糙程度，涵盖范围广，为学术界和工程界普遍接受。
由于含节理岩石试件具有与现场取样困难、室内试验结果离散等缺点，通过配制类岩石脆性相似材料，在相似材料试件中预制节理成为研究节理岩体变形破坏和裂纹扩展等力学行为特征的重要手段。目前，学术界主要利用模具和裂隙片在相似材料试样内预制节理裂隙，但大部分得到的都是平直光滑节理裂隙，相关专利有：
CN201520379930公开了一种制作软岩组合节理的夹具，通过在套筒侧壁上不同位置预设导槽，在试样中预制平面节理。
CN201520109083公开了一种预制多种节理裂隙的模具箱，利用预制有特定形式裂隙的盖盘和相应插板在试样中预制特定的平面节理与裂隙。
CN201520031467.2公开了一种连续节理模块模具箱,通过模具的上盖以及钢板制成的插刀确定节理的位置及角度。
CN201410708627.2公开了一种不规则岩体节理面剪切试验试件预制的模具,采用不锈钢板对试样预制平面节理。
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，采用厚度为0.12mm的云母片进行平直节理面的预制。
CN201410019613.X公开了一种岩石真三轴岩样裂纹预制装置，通过在夹体上预设裂隙位置，利用金刚砂钢丝锯和预制导向孔在软岩真三轴岩样中预制裂纹。
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，实现对立方体试件进行裂隙预制。
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，通过在模具上设置导滑槽并利用薄钢片对试样预制不同角度的裂隙。
CN201110422886.5公开了一种制作类岩石试块裂隙面的模具，模具利用钢片进行预制裂隙，其主要由滑槽、钢片定位杆、量角器、滑杆和钢片组成。
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，利用聚醋薄膜、牛皮纸或金属薄片实现对试样中裂隙的制作。
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。用于预制裂隙的材料采用了不易变形的青稞纸。
近年来，随着技术手段的进步也出现了粗糙节理的制作方法，相关专利有：
CN201510291898公开了一种在类岩石相似材料中预制粗糙裂隙的方法，通过复型材料复制试样粗糙贯通节理面，制作具有相同贯通粗糙节理面的试件。
CN201510257888公开了利用3D打印制作含特定几何特征结构面的节理试样方法，利用表面轮廓扫描技术和3D打印技术获得实际岩体结构面形貌，再利用打印得到的模型浇注相似材料得到具有粗糙贯通节理面的试件。
CN201410183577公开了一种用人工岩石材料复制节理起伏度及实验方法，利用激光扫描工程岩体节理面，获得轮廓图形后利用数控切割方法切割钢板得到节理面轮廓图，再利用切割后的钢板分别浇注试样的上下两部分从而获得完整的含粗糙节理试件。
已有的专利大部分是对制作平面节理的研究，而真实的岩体节理基本都是粗糙不规则的，很少有平面节理面的存在，因而制作粗糙节理面更符合工程实际。但已有的粗糙节理面的制作方法需要利用进行试样表面激光扫描以及3D打印技术等手段，存在对仪器设备的要求较高、制作过程复杂、成本昂贵、不利于普及等缺点，同时已有专利复制天然节理面也无法实现预制10种标准粗糙度的节理面。
发明内容
发明目的：为了实现在类岩石试件中预制10种标准粗糙度节理面，并且使标准粗糙度节理面的制作具有可重复性，利于实现对岩石标准粗糙度节理面特性的重复研究，本发明提供一种类岩石试件标准粗糙度节理面的预制方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的预制方法为：在类岩石试件中预制标准粗糙度节理面的方法包括节理面模具的加工和含粗糙节理面类岩石试件的制备；节理面模具包括切割得到的标准节理模板、特制的加工槽和螺杆，标准节理模板几何形心处加工带有内螺纹的固定孔，加工槽上有预留的定位孔，用于螺杆调整标准节理模板的两块钢板的间距，制作节理片的材料为复型材料，类岩石材料在浇注时具有一定的流动性。
进一步的，标准节理模板的节理面形态是根据巴顿(N.Barton)给出的10种JRC标准粗糙度轮廓曲线进行数字化，通过火焰切割机对完整的钢板切割得到的；根据研究的需要从10组不同粗糙度的标准节理模板中选取需要的模板类型。
进一步的，加工槽为一个钢板加工成的钢槽，并在钢槽上预设有定位孔。
进一步的，节理面模具中定位孔和螺杆的作用是调整标准节理模板的两块钢板的间距，从而得到不同厚度的复型材料节理片，同时复型材料节理片的厚度也就是类岩石试样中预制节理面的开度。
进一步的，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、铝等低熔点金属或聚乙烯或聚丙烯的热塑性塑料。
进一步的，所述的类岩石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。
粗糙节理面制作模具加工包括如下步骤：
a.用图形处理软件将巴顿(N.Barton)给出的10种JRC标准粗糙度轮廓曲线数字化；
b.将数字化JRC标准粗糙度轮廓曲线图输入数控火焰切割机，将长×宽×高＝100mm×50mm×30mm的不锈钢板沿厚度方向切成尽量等厚度的一组(2块)钢模板，钢模板光滑侧几何形心处加工带有内螺纹的固定孔；
c.重复上述步骤a和b，获得不同JRC值的10组不锈钢标准节理面模板；
d.利用钢材焊接加工槽，加工槽内部净尺寸为105mm×55mm×45mm，在侧面(105mm×55mm)钢板中心处预留贯穿的的带有内螺纹的定位孔；
e.利用一对螺杆通过定位孔和固定孔将任一组不锈钢标准节理面模板固定在加工槽中，通过旋转螺杆可以调节不锈钢节理面模板的间距。
含粗糙节理面试件制备包括如下步骤：
a.确定需要预制的节理面JRC值和张开度；
b.将JRC值对应的不锈钢节理面模板固定在加工槽中，旋转螺杆并利用游标卡尺得到预定的张开度；
c.利用高温炉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加工槽，然后常温下自然冷却；
d.复型材料凝固成形后拆模，裁剪获得任意尺寸的复型材料节理片；
e.将节理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材料注入模具中；
f.流动类岩石材料试件硬化后，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节理片；
g.部分贯穿试件的节理片难以直接取出，可将试件放入高温炉中，在一定温度条件下将节理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。
有益效果及优点：
①本发明的复型材料节理片能够精确再现岩石节理面的粗糙形貌特征和张开度，与常见的平滑节理相比，更能真实模拟现场岩体节理发育充填情况及岩石变形破坏的过程。
②本发明复型材料节理片具有加工工序简单、成本低廉、可重复性好、精度高和可空性好的优点。
③本发明能够得到含相同粗糙度系数JRC和张开度节理面的类岩石脆性相似材料试件，便于通过室内试验精确量化和对比分析节理面的物理力学性能，避免了岩石粗糙节理离散性大，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。
本方法具有操作简便、易于重复、成本低廉、精确度高等特点，在岩石结构面物理力学特性试验研究中具有广阔的应用前景。
附图说明：
图1为本发明的10种典型JRC轮廓剖面图。
图2为本发明特定JRC值的不锈钢节理面模板加工示意图。
图3为本发明的粗糙节理面制作模具示意图。
具体实施方式
本发明采用的预制方法为：在类岩石试件中预制标准粗糙度节理面的方法包括节理面模具的加工和含粗糙节理面类岩石试件的制备；节理面模具包括切割得到的标准节理模板、特制的加工槽和螺杆，标准节理模板几何形心处加工带有内螺纹的固定孔，加工槽上有预留的定位孔，用于螺杆调整标准节理模板的两块钢板的间距，制作节理片的材料为复型材料，类岩石材料在浇注时具有一定的流动性。
进一步的，标准节理模板的节理面形态是根据巴顿(N.Barton)给出的10种JRC标准粗糙度轮廓曲线进行数字化，通过火焰切割机对完整的钢板切割得到的；根据研究的需要从10组不同粗糙度的标准节理模板中选取需要的模板类型。
进一步的，加工槽为一个钢板加工成的钢槽，并在钢槽上预设有定位孔。
进一步的，节理面模具中定位孔和螺杆的作用是调整标准节理模板的两块钢板的间距，从而得到不同厚度的复型材料节理片，同时复型材料节理片的厚度也就是类岩石试样中预制节理面的开度。
进一步的，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、铝等低熔点金属或聚乙烯或聚丙烯的热塑性塑料。
进一步的，所述的类岩石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。
粗糙节理面制作模具加工包括如下步骤：
a.用图形处理软件将巴顿(N.Barton)给出的10种JRC标准粗糙度轮廓曲线数字化；
b.将数字化JRC标准粗糙度轮廓曲线图输入数控火焰切割机，将长×宽×高＝100mm×50mm×30mm的不锈钢板沿厚度方向切成尽量等厚度的一组(2块)钢模板，钢模板光滑侧几何形心处加工带有内螺纹的固定孔；
c.重复上述步骤a和b，获得不同JRC值的10组不锈钢标准节理面模板；
d.利用钢材焊接加工槽，加工槽内部净尺寸为105mm×55mm×45mm，在侧面(105mm×55mm)钢板中心处预留贯穿的的带有内螺纹的定位孔；
e.利用一对螺杆通过定位孔和固定孔将任一组不锈钢标准节理面模板固定在加工槽中，通过旋转螺杆可以调节不锈钢节理面模板的间距。
含粗糙节理面试件制备包括如下步骤：
a.确定需要预制的节理面JRC值和张开度；
b.将JRC值对应的不锈钢节理面模板固定在加工槽中，旋转螺杆并利用游标卡尺得到预定的张开度；
c.利用高温炉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加工槽，然后常温下自然冷却；
d.复型材料凝固成形后拆模，裁剪获得任意尺寸的复型材料节理片；
e.将节理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材料注入模具中；
f.流动类岩石材料试件硬化后，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节理片；
g.部分贯穿试件的节理片难以直接取出，可将试件放入高温炉中，在一定温度条件下将节理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。
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为巴顿(N.Barton)给出的10种JRC标准粗糙度轮廓曲线，要将10种曲线进行数字化然后输入数控火焰切割机。如图2所示为利用火焰切割机按照10种JRC标准粗糙度曲线对钢板进行切割得到的标准节理模板。图3所示为粗糙节理面制作模具，包括特制加工槽(1)、标准节理模板(2)、螺杆(3)和定位孔(4)，其中标准节理模板(2)是火焰切割机加工得到的10种具有不同粗糙度的标准节理模板，可根据需要选取，定位孔(4)是加工槽(1)上特定位置预留的孔洞，用于螺杆(3)调整标准节理模板节理面间的距离，标准节理模板节理面间的距离也即是预制节理面的开度。
该方法包括以下步骤：
a.用图形处理软件将巴顿(N.Barton)给出的10种JRC标准粗糙度轮廓曲线数字化；
b.将数字化JRC标准粗糙度轮廓曲线图输入数控火焰切割机，将长×宽×高＝100mm×50mm×30mm的不锈钢板沿厚度方向切成尽量等厚度的一组(2块)钢模板，钢模板光滑侧几何形心处加工带有内螺纹的固定孔；
c.重复上述步骤a和b，获得不同JRC值的10组不锈钢节理面模板；
d.利用钢材焊接加工槽，加工槽内部净尺寸为105mm×55mm×45mm，在侧面(105mm×55mm)钢板中心处预留贯穿的的带有内螺纹的定位孔。
e.利用一对螺杆通过定位孔和固定孔将任一组不锈钢节理面模板固定在加工槽中，通过旋转螺杆可以调节不锈钢节理面模板的间距。
f.确定需要预制的节理面JRC值和张开度；
g.将JRC值对应的不锈钢节理面模板固定在加工槽中，旋转螺杆并利用游标卡尺得到预定的张开度；
h.利用高温炉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加工槽，然后常温下自然冷却；
i.复型材料凝固成形后拆模，裁剪获得任意尺寸的复型材料节理片；
j.将节理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材料注入模具中；
k.流动类岩石材料试件硬化后，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节理片；
l.部分贯穿试件的节理片难以直接取出，可将试件放入高温炉中，在一定温度条件下将节理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。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，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 (2)
1.一种类岩石试件标准粗糙度节理面的预制方法，其特征在于：在类岩石试件中预制标准粗糙度节理面的方法包括粗糙节理面模具的加工和含粗糙节理面类岩石试件的制备；节理面模具包括切割得到的标准节理模板、特制的加工槽和螺杆，标准节理模板几何形心处加工带有内螺纹的固定孔，加工槽上有预留的定位孔，用于螺杆调整标准节理模板的两块钢板的间距，制作节理片的材料为复型材料，类岩石材料在浇注时具有一定的流动性；
标准节理模板的节理面形态是根据巴顿（N. Barton）给出的10种JRC标准粗糙度轮廓曲线确定的，将需要的标准粗糙度节理轮廓曲线进行数字化然后通过火焰切割机对完整的钢板切割得到标准节理模板；
加工槽为一个钢板加工成的具有一定尺寸的钢槽，并在钢槽一定位置预设有定位孔；
节理面模具中定位孔和螺杆的作用是调整标准节理模板的两块钢板的间距，从而得到不同厚度的复型材料节理片，同时复型材料节理片的厚度也就是类岩石试样中预制节理面的开度；
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，或者所述的复型材料为锡、铝低熔点金属或聚乙烯或聚丙烯的热塑性塑料；
所述的类岩石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，或者所述的类岩石材料为水泥砂浆或树脂。
2.根据权利要求1所述的一种类岩石试件标准粗糙度节理面的预制方法，其特征在于，所述的粗糙节理面制作模具加工包括如下步骤：
a. 用图形处理软件将巴顿（N. Barton）给出的10种JRC标准粗糙度轮廓曲线数字化；
b. 将数字化标准粗糙度轮廓曲线图输入数控火焰切割机，将长×宽×高=100mm×50mm×30 mm的不锈钢板沿厚度方向切成尽量等厚度的一组钢模板，一组钢模板含有2块钢板，钢模板光滑侧几何形心处加工带有内螺纹的固定孔；
c. 重复上述步骤a和b，获得不同JRC值的10组不锈钢标准节理面模板；
d. 利用钢材焊接加工槽，加工槽内部净尺寸为105mm×55mm×45mm，在侧面钢板中心处预留贯穿的的带有内螺纹的定位孔，其中加工槽侧面尺寸为105mm ×55mm；
e. 利用一对螺杆通过定位孔和固定孔将任一组不锈钢标准节理面模板固定在加工槽中，通过旋转螺杆可以调节不锈钢节理面模板的间距。
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