CN106769322A - 一种柱体含气孔的柱状节理岩体试样制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种柱体含气孔的柱状节理岩体试样制备方法，包括以下步骤：根据玄武岩柱状节理岩体局部冷凝面的几何形态、产状以及基于几何相似比原则的柱体大小，利用Revit软件构建3维几何模型；根据不同的柱面形态特征，定性与定量描述气孔的数量、几何形状与空间位置，将模型导入3D打印机；玄武岩粉末作为柱体材料，火山灰作为节理充填材料，水溶纸粉末作为气孔材料，分别装入3D打印机3个喷头内；3个喷头同时打印，形成柱体含气孔的柱状节理岩体初始试样；基于水溶纸常温下即可溶解于水的特性，将初始试样进行抽真空饱和，形成含真实气孔空腔的柱状节理岩体试样。本发明制得的试样能真实反映柱状节理岩体柱体内部不同类型气孔的结构和形态。

Description

一种柱体含气孔的柱状节理岩体试样制备方法

技术领域

本发明属于岩体力学与地质学技术领域，特别涉及一种柱体含气孔的柱状节理岩体试样制备方法。

背景技术

玄武岩柱状节理岩体构造是一种原生张性破裂构造，在世界各地均有发现，在我国云南省、江苏省及浙江省等地分布广发。随着西部大开发的实施，我国西南地区水电工程坝址区柱状节理构造已成为水电工程主要的岩石力学问题之一，因此断续柱状节理岩体力学行为研究具有重大的理论与实际价值。

玄武岩柱状节理形成机制的主导学说是“冷却收缩说”，熔岩表面冷却时，产生很多的收缩中心，其体积收缩引起岩石物质向固定中心聚集，从而在垂直于等温面方向上产生张拉纵裂隙，这些裂隙切割岩体，如果熔岩物质是均质的，则形成规则六面柱体，但是，柱体形成时受到种种环境条件的影响，特别是熔岩物质的不均质性，因而形成了四边形、五边形、七边形及不规则柱体结构。其中，形成柱状节理岩体的熔岩在压力减小和温度骤然降低的条件下，其中挥发性成分不断散失，再加上熔岩迅速冷却而凝固，在柱体中形成圆球形、条带状、拉长状气孔，因而柱状节理岩体在力学行为上表现出典型的各向异性、不连续性和非均质性。

在研究柱状节理岩体力学行为时，室内与原位试验是岩石力学领域常用的测试手段，原位试验由于受环境影响大、经济效益差、试验结果离散性较大等，其适用性受到了限制；原位取样用于室内试验仅适用于部分岩土与水电工程，由于柱状节理岩体单柱尺寸大、非均质性、不连续等，原位取样很难以用于室内试验仪器的尺寸并且其代表性较差；基于相似比理论，在室内人工制备试样是目前较为可信的研究方法。

但是，目前制备柱状节理岩体试样的方法还不完备，同时相关学者主要关注柱状节理网络及隐节理的制备方法，而忽略了柱体内大量分布的气孔对柱状节理岩体各向异性力学行为的影响，同时，连通的气孔会形成新的渗流路径，进而影响柱状节理岩体的水力学行为，而上述问题是目前柱状节理岩体力学研究领域没有关注的。同时，目前常用的模拟孔隙或裂隙的相似材料，如云母、铜、锡等由于摩擦作用在室内力学试验过程中不可避免的增加试样的强度，不能真实孔隙或裂隙对岩体力学的影响。综上所述，忽略柱体内气孔的存在将不能真实反映柱状节理岩体的工程性质，如何制备含真实气孔空腔的柱状节理岩体试样成为当前岩石力学试验领域重要的且亟需的研究课题。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种柱体含气孔的柱状节理岩体试样制备方法，可真实反映柱体内大量分布的气孔对柱状节理岩体各向异性力学行为的影响，并可进一步研究由于连通的气孔所形成得新渗流路径对柱状节理岩体水力学行为的影响，可以有效避免模拟孔隙或裂隙材料对力学性质的不必要影响。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供一种柱体含气孔的柱状节理岩体试样制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：根据柱状节理岩体局部冷凝面的几何形状、产状以及基于几何相似比原则的主体大小，利用计算机辅助设计软件构建柱状节理岩体的三维几何模型；

步骤二：将柱状节理岩体内部气孔的几何特征与分布规律通过扫描设备进行扫描，并通过计算机辅助设计软件将扫描后的气孔位置数据以及气孔物理特征数据进行导入并最终构建出柱状节理岩体柱体的三维气孔结构模型；

步骤三：将步骤一中构建完成的柱状节理岩体的三维几何模型以及步骤二中构建完成的柱状节理岩体柱体的三维气孔结构模型均导入3D打印机内部的控制系统中；

步骤四：将打印所需的柱体粉末状材料、节里充填材料以及气孔材料这三种粉末状材料分别装入3D打印机的三个喷头内，其中每个喷头内还放置有每个粉末状材料所需的胶结剂；

步骤五：通过3D打印机内部控制系统所接收到的柱状节理岩体的三维几何模型和柱状节理岩体柱体的三维气孔结构模型进行打印，打印过程中三个喷头同时进行，最终打印形成柱体含气孔的柱状节理岩体初始试样；

步骤六：将步骤五得到的柱状节理岩体初始试样进行抽真空饱和，形成含真实气孔空腔的柱状节理岩体试样；

步骤七：将步骤六中形成的含真实气孔空腔的柱状节理岩体试样加工打磨，通过后期加工制备成满足试验要求的高精度试样。

进一步的，所述柱状节理岩体局部冷凝面的几何特征主要包括四边形、五边形、六边形及七边形这四种形态，产状为水平、倾向130°倾角10°，基于几何相似比原则将柱长、柱径等物理尺寸缩尺为原位尺寸的1/20～1/25。

进一步的，所述步骤一中的计算机辅助设计软件为Revit软件。

进一步的，所述步骤二中构建柱状节理岩体柱体的三维气孔结构模型的具体步骤为：首先通过CT扫描原位柱状节理岩体气孔的几何特征与分布规律，然后利用蒙塔卡罗随机模拟法生成具有统计参数和概率密度函数的随机数序列来模拟气孔位置、数量和尺寸的随机分布，最后基于三维制图软件按照随机数序列分布分配的气孔位置和统计特征构建柱状节理岩体柱体三维气孔结构模型。

进一步的，所述柱状节理岩体的柱体内部气孔主要分为四种组合形态：1)柱面下部气孔均匀分布，往上部气孔呈条带状；2)气孔发育较少，柱面下部主要为拉长状气孔，往上部气孔呈扁豆状；3)柱面下部气孔均匀分布，上部气孔分布少而稀；4)柱面上部发育长条带状气孔，下部气孔呈均匀分布。

进一步的，所述柱体粉末状材料选用玄武岩粉末，节里充填材料选用火山灰，气孔材料选用水溶纸粉末；并基于相似比原则采用三种不同的胶结剂。

进一步的，所述步骤五中打印机三个喷头同步并行打印柱体、节理与气孔材料，实现三维立体化同步工作，试样一次成型。

进一步的，所述水溶纸材料采用立可溶水溶纸。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明简单可靠、经济效益高。克服了原位试验受环境影响大、经济性差的弊端，室内模型试验可做操作性强、可重复性高，试验结果离散性较小，因此更加可靠；

(2)本发明结合了3D打印技术，通过水溶纸粉末打印气与抽真空饱和的方式，形成了真实的含气孔空腔的柱状节理岩体试样，取代了常规方法用云母、铜或锡模拟内置孔隙或裂隙的方式，由于通过上述方式添加的模拟材料会不可避免增大试样强度；

(3)本发明制备的试样可真实反映柱体内大量分布的气孔对柱状节理岩体各向异性力学行为的影响，并可进一步研究由于连通的气孔所形成得新渗流路径对柱状节理岩体水力学行为的影响，系统性强；

(4)本发明可为柱状节理岩体地区坝基工程、边坡工程与引水隧洞工程等领域各向异性力学行为、水力学行为研究提供可靠的方法支撑。

附图说明

图1为本发明制备方法的总体流程图；

图2为具体实施例中3D打印柱体内圆球形与条带状气孔组合分布示意图；

图3为具体实施例中3D打印柱体内扁豆状与拉长状气孔组合分布示意图；

图4为具体实施例中3D打印柱体内上下不均匀分布圆球形气孔示意图；

图5为具体实施例中3D打印柱体内长条状与圆球形气孔组合分布示意图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。

如图1所示，一种柱体含气孔的柱状节理岩体试样制备方法，包括以下步骤：

(1)根据玄武岩柱状节理岩体局部冷凝面的几何形态、产状以及基于几何相似比原则的柱体大小，利用Revit2013软件分别构建柱体及节理网络3D形态；

如可根据玄武岩柱状节理岩体局部冷凝面的几何特征主要包括四边形、五边形、六边形及七边形等四种形态，产状为水平、倾向130°倾角10°等，基于几何相似比原则将柱长、柱径等缩尺为原位尺寸的1/20～1/25；

(2)根据不同的柱面形态特征，定性与定量描述气孔的数量、几何形状与空间位置，将模型导入3D打印机；

如图2至图5所示，本发明可系统制备以下四种分布形态的柱体含气孔试样：1)柱面下部均匀分布圆球形气孔2，上部为条带状气孔1；2)气孔发育较少，柱面下部主要为拉长状气孔4，往上部为扁豆状气孔3；3)柱面下部均匀分布圆球形气孔2，上部圆球形气孔2分布少而稀；4)柱面上部发育长条带状气孔5，下部圆球形气孔2呈均匀分布；

通过CT扫描原位柱状节理岩体气孔的几何特征与分布规律，利用蒙塔卡罗随机模拟法生成具有统计参数和概率密度函数的随机数序列来模拟气孔位置、数量和尺寸的随机分布，基于三维制图软件按照随机数序列分布分配的气孔位置和统计特征构建柱状节理岩体柱体三维气孔结构模型；

所述蒙塔卡罗随机模拟法的解题步骤如下：

1)根据提出的问题构造一个简单、适用的概率模型或随机模型，使问题的解对应于该模型中随机变量的某些特征(如概率、均值和方差等)，所构造的模型在主要特征参量方面要与实际问题或系统相一致；

2)根据模型中各个随机变量的分布，在计算机上产生随机数，实现一次模拟过程所需的足够数量的随机数。通常先产生均匀分布的随机数，然后生成服从某一分布的随机数，方可进行随机模拟试验；

3)根据概率模型的特点和随机变量的分布特性，设计和选取合适的抽样方法，并对每个随机变量进行抽样(包括直接抽样、分层抽样、相关抽样、重要抽样等)；

4)按照所建立的模型进行仿真试验、计算，求出问题的随机解。

(3)玄武岩粉末作为柱体材料，火山灰作为节理充填材料，水溶纸粉末作为气孔材料，将上述材料分别装入3D打印机3个喷头内；

为了最接近原位试样，采用玄武岩粉末作为柱体的打印原材料，以火山灰作为柱状节理充填物的打印原材料，以水溶纸粉末作为气孔的打印原材料，基于相似比原则采用三种不同的胶结剂，通过控制胶结剂的强度得到可模拟原位岩样的三种室内模拟相似材料；

(4)3个喷头同时打印，形成柱体含气孔的柱状节理岩体初始试样；

柱状节理充填物的厚度、密度与含水率等物理力学特性及节理充填程度等通过CT扫描原状试样及室内试验确定；

打印机三个喷头同步并行打印柱体、节理与气孔材料，实现三维立体化同步工作，试样一次成型；

(5)基于水溶纸常温下即可溶解于水的特性，将初始试样进行抽真空饱和，形成含真实气孔空腔的柱状节理岩体试样；

水溶纸材料可快速溶解于绝大部分液体，获取方便，本发明采用AQUASOL立可溶水溶纸；

将饱水后形成的含真实气孔空腔的柱状节理岩体试样通过打磨机与抛光机加工打磨，通过后期加工制备成满足试验要求的高精度试样；

将制备的试样在温度为20±2°与相对湿度标准为95％条件下，养护28天即可用于室内试验。

以制备西南地区某水电站坝基处柱体含气孔的柱状节理岩体岩样为例，本发明的含气孔的柱状节理岩体制备方法如下：

(1)根据玄武岩柱状节理岩体局部冷凝面为正六边形、产状为水平以及基于几何相似比原则将柱体柱体大小缩尺为原样的1/20，利用Revit2013软件分别构建柱体及节理网络3D形态；

(2)通过CT扫描原位柱状节理岩体圆球形气孔2的几何特征与分布规律，利用蒙塔卡罗随机模拟法生成具有统计参数和概率密度函数的随机数序列来模拟气孔位置、数量和尺寸的随机分布，基于三维制图软件按照随机数序列分布分配的气孔位置和统计特征构建柱状节理岩体柱体三维气孔分布结构模型；通过室内试验与CT扫描技术确定柱状节理充填物的厚度、密度与含水率等物理力学特性及节理充填程度；

所述具体实施例中蒙塔卡罗随机模拟法的解题步骤如下：

1)在三维空间，圆球形气孔2可以用半径r来表示气孔的规模，假设圆球形气孔2的球心空间位置按随机分布，半径r按照正态分布，圆形气孔的数量按照威布尔分布，圆球形气孔2的位置、尺寸和数量分布函数均符合CT扫描结果；

2)该模型中的随机变量有圆球形气孔的半径r、空间位置与数量，针对上述假定的分布函数，利用Matlab软件分别生成100000个随机数，对每个随机变量采用直接抽样的方式进行抽样，以判定该随机数是否在直径50mm、高度100mm的圆柱形试样内；

3)利用Matlab软件得到具有统计参数和概率密度函数的随机数序列，上述随机序列可用来模拟拟制备试验中气孔位置、数量和尺寸的随机分布。

(3)将柱体、节理网络及气孔分布结构模型导入3D打印机；

(4)以玄武岩粉末作为柱体材料，火山灰作为节理充填材料，AQUASOL立可融水溶纸粉末作为气孔材料，将上述材料分别装入3D打印机3个喷头内，3个喷头同时打印，形成柱体含气孔的柱状节理岩体初始试样；

(5)将初始试样进行抽真空饱和，形成含真实气孔空腔的柱状节理岩体试样，试样通过打磨机与抛光机加工打磨加工成满足试验要求的高精度试样；

(6)将制备的试样在温度为20±2°与相对湿度标准为95％条件下，养护28天用于室内试验。

以上所述仅为本发明的实施例子而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的原则之内，所作的等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。本发明未作详细阐述的内容属于本专业领域技术人员公知的已有技术。

Claims (8)

1.一种柱体含气孔的柱状节理岩体试样制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：根据柱状节理岩体局部冷凝面的几何形状、产状以及基于几何相似比原则的主体大小，利用计算机辅助设计软件构建柱状节理岩体的三维几何模型；

步骤二：将柱状节理岩体内部气孔的几何特征与分布规律通过扫描设备进行扫描，并通过计算机辅助设计软件将扫描后的气孔位置数据以及气孔物理特征数据进行导入并最终构建出柱状节理岩体柱体的三维气孔结构模型；

步骤三：将步骤一中构建完成的柱状节理岩体的三维几何模型以及步骤二中构建完成的柱状节理岩体柱体的三维气孔结构模型均导入3D打印机内部的控制系统中；

步骤四：将打印所需的柱体粉末状材料、节里充填材料以及气孔材料这三种粉末状材料分别装入3D打印机的三个喷头内，其中每个喷头内还放置有每个粉末状材料所需的胶结剂；

步骤五：通过3D打印机内部控制系统所接收到的柱状节理岩体的三维几何模型和柱状节理岩体柱体的三维气孔结构模型进行打印，打印过程中三个喷头同时进行，最终打印形成柱体含气孔的柱状节理岩体初始试样；

步骤六：将步骤五得到的柱状节理岩体初始试样进行抽真空饱和，形成含真实气孔空腔的柱状节理岩体试样；

步骤七：将步骤六中形成的含真实气孔空腔的柱状节理岩体试样加工打磨，通过后期加工制备成满足试验要求的高精度试样。

2.根据权利要求1所述的一种柱体含气孔的柱状节理岩体试样制备方法，其特征在于：所述柱状节理岩体局部冷凝面的几何特征主要包括四边形、五边形、六边形及七边形这四种形态，产状为水平、倾向130°倾角10°，基于几何相似比原则将柱长、柱径等物理尺寸缩尺为原位尺寸的1/20～1/25。

3.根据权利要求1所述的一种柱体含气孔的柱状节理岩体试样制备方法，其特征在于：所述步骤一中的计算机辅助设计软件为Revit软件。

4.根据权利要求1至3之一所述的一种柱体含气孔的柱状节理岩体试样制备方法，其特征在于：所述步骤二中构建柱状节理岩体柱体的三维气孔结构模型的具体步骤为：首先通过CT扫描原位柱状节理岩体气孔的几何特征与分布规律，然后利用蒙塔卡罗随机模拟法生成具有统计参数和概率密度函数的随机数序列来模拟气孔位置、数量和尺寸的随机分布，最后基于三维制图软件按照随机数序列分布分配的气孔位置和统计特征构建柱状节理岩体柱体三维气孔结构模型。

5.根据权利要求4所述的一种柱体含气孔的柱状节理岩体试样制备方法，其特征在于：所述柱状节理岩体的柱体内部气孔主要分为四种组合形态：1)柱面下部气孔均匀分布，往上部气孔呈条带状；2)气孔发育较少，柱面下部主要为拉长状气孔，往上部气孔呈扁豆状；3)柱面下部气孔均匀分布，上部气孔分布少而稀；4)柱面上部发育长条带状气孔，下部气孔呈均匀分布。

6.根据权利要求1所述的一种柱体含气孔的柱状节理岩体试样制备方法，其特征在于：所述柱体粉末状材料选用玄武岩粉末，节里充填材料选用火山灰，气孔材料选用水溶纸粉末；并基于相似比原则采用三种不同的胶结剂。

7.根据权利要求1所述的一种柱体含气孔的柱状节理岩体试样制备方法，其特征在于：所述步骤五中打印机三个喷头同步并行打印柱体、节理与气孔材料，实现三维立体化同步工作，试样一次成型。

8.根据权利要求6所述的一种柱体含气孔的柱状节理岩体试样制备方法，其特征在于：所述水溶纸材料采用立可溶水溶纸。