CN107576547B - 一种含微小及闭合裂隙的岩石试样制备方法 - Google Patents

Abstract

一种含微小及闭合裂隙的岩石试样制备方法，属于土木工程、水利水电工程技术领域。该制备方法的优点在于：由于使岩样的裂隙面暴露出来，对裂隙表面进行加工时更加方便，使得能够更精确地控制岩样中的各种裂隙变量，如裂隙倾角、宽度、长度、粗糙度等裂隙特征；粘合区采用水平方向切割，能很大程度上避免切割岩体对裂隙的影响，能够更真实地反映岩体裂隙的特征；可以制备微小裂隙，甚至闭合裂隙的岩石试样，填补了传统岩石制备方法不能制作微小及闭合裂隙岩样的空白，对于岩体中微小裂隙和闭合裂隙对岩体的影响、扩展机理等的研究具有重要意义。

Description

一种含微小及闭合裂隙的岩石试样制备方法

技术领域

本发明涉及一种含微小及闭合裂隙的岩石试样制备方法，属于土木工程、水利水电工程技术领域。

背景技术

岩石是天然材料，在多次的地质活动和人为工程扰动因素的作用下，岩石内部产生了大量的节理、裂隙、微裂纹，造成岩石力学性能的复杂性，也是地质或工程灾害的主要诱因，例如地震、滑坡、岩爆、塌方等几乎都是由于断层活动、微裂隙扩展引起。正所谓千里之堤，溃于蚁穴，岩石破坏的实质就是其内部微缺陷的萌生、扩展、相互作用和贯通的过程。因此，针对岩石裂隙扩展机理及路径的实验研究具有重要的理论和工程意义。

然而，带裂隙的岩石试样的钻取和制备仍是一个难题。在实际工程现场中，很难通过钻取手段得到理想的带裂隙的岩石试样。即使取得岩石试样，试样的裂隙分布及性质随机性大，不具备代表性，往往仅能测得岩石试样的工程强度，很多研究无法展开与深入。

目前含有裂隙的岩石试样制作方法主要有两种。一种是使用标准砂、膨润土、水泥和石膏等材料通过模具浇筑成类岩石试样，在浇筑的样品里预埋金属片、云母片等，待浇筑的样品成型且凝固前及时抽出预埋的薄片。该方法虽然可以通过不同材料的混合比得到不同的类岩石试样强度和性质，但其性质与真实岩石仍具有较大差异，难以真实反映岩石材料的裂隙扩展规律。第二种制作方法是把完整岩石试样通过机械或水力切割，得到带有裂隙的岩石试样。这种方法受限于切割技术，目前，该加工方法难以制备裂隙宽度小于1mm的裂隙，更无法实现厚度极小甚至是闭合裂隙的加工。但是，岩石工程中的微小裂隙普遍存在，甚至有大量闭合型的裂隙。裂缝宽度以及闭合裂隙的接触与摩擦对岩石的力学性能有着重要影响作用，从而影响到岩体工程的安全性与稳定性。因此，迫切需要一种不仅能够真实反应裂隙岩石，且含有微小甚至是闭合裂隙的岩体试样制备方法。

发明内容

为了解决现有裂隙岩石试样制备方法中无法制作微小以及闭合裂隙的问题，本发明提供一种含微小及闭合裂隙的岩石试样制备方法。采用该制备方法制作出来的裂隙试样，不仅可以精确描述裂隙的倾角、宽度、长度、数量、间距和粗糙度等裂隙岩体的基本特征，还可以制备出微小甚至闭合裂隙的岩体试样。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种含微小及闭合裂隙的岩石试样制备方法的步骤如下：

（1）根据研究需要，确定裂隙岩体中裂隙的形态和分布，包括裂隙倾角、宽度、长度、数量、裂隙间距以及粗糙度；

（2）根据确定好的裂隙形态和分布，切割岩石试样；注意切割时，先进行裂隙的切割，然后从岩石试样侧面向内进行水平切割；

（3）对裂隙区进行抛光或喷砂处理，以改变其表面粗糙度；通过改变抛光膏或砂粒的尺寸任意改变裂隙表面的粗糙度；

（4）检测裂隙表面粗糙度，把一滑块放在裂隙表面，并使裂隙面呈水平状态；缓慢增加裂隙面的倾斜度，直到滑块开始以倾斜角度β向下滑动；表面的摩擦系数由公式确定，μ= tanβ；测量重复超过20次，其平均值作为表面的摩擦系数；

（5）对岩石试样粘合区表面进行加工，切割一定深度，切割深度应满足：在裂隙面放置一张裂隙宽度的塑料薄片，恰好把分散的岩块粘合起来；注意粘合面刚好剩下0.1mm，用以放置环氧树脂胶粘剂；

（6）在粘合区平面涂抹环氧树脂胶粘剂，将分离的岩块粘合起来，注意胶粘剂不能涂抹到裂隙表面；需要用光学显微镜仔细检查，确保在加载之前裂隙表面与塑料薄片的接触；粘结成功后，抽出塑料薄片。

本发明的有益效果是：所述制备方法与现有技术相比优点在于：

（1）所述制备方法由于使岩石试样的裂隙面暴露出来，对裂隙表面进行加工时更加方便，可选择的工艺也更多，如喷砂、抛光、线切割等。使得能够更精确地控制岩石试样中的各种裂隙变量，如裂隙倾角、宽度、长度、粗糙度等裂隙特征。制得的岩石试样裂隙不仅与天然裂隙的符合度更高，而且更能够真实反映裂隙岩体的基本特征，对于裂隙岩体的强度裂、裂隙扩展机理等的研究具有重要意义；

（2）所述制备方法切割岩石试样时，粘合区采用的是水平方向切割，而不是沿着裂隙的方向进行切割。这是因为，如果粘合区采用沿着裂隙方向的方法进行切割，当粘合部分强度强于岩石材料强度，裂隙在轴向荷载作用下，通常往竖直方向发展；当粘合部分强度小于岩石强度，裂隙容易沿着裂隙方向发展，无法判断裂隙的发展是否因为受到切割岩体的影响。由此可见，使用沿着裂隙方向切割的方法对研究裂隙的发展具有一定的不利影响，而采用水平切割裂隙的方法，则能很大程度上避免切割岩体对裂隙的影响，能够更真实地反映岩体裂隙的特征；

（3）所述制备方法可以制备微小裂隙，甚至闭合裂隙的岩石试样，填补了传统岩石制备方法不能制作微小及闭合裂隙岩石试样的空白，对于岩体中微小裂隙和闭合裂隙对岩体的影响、扩展机理等的研究具有重要意义。

附图说明

图1是一种含微小及闭合裂隙的岩石试样制备方法示意图。

图2是检测裂隙表面粗糙度方法的示意图。

图3是实施例1制得的含微小裂隙岩石试样的结构示意图。

图4是实施例2制得的含微小裂隙岩石试样的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例，对含微小及闭合裂隙的岩石试样制备方法进行详细说明。

实施例1

制备含一条倾角为45℃、长为20mm、摩擦系数为0.5的闭合裂隙的砂岩试样，包括如下步骤：

（1）取一个尺寸为Φ50mm×100mm的标准砂岩试样，根据所需制备砂岩试样的要求，确定裂隙岩体中裂隙的形态和分布，裂隙条数n= 1，倾角α=45℃，闭合倾角，长度l=20mm，摩擦系数μ=0.5。

（2）根据裂隙位置，对砂岩试样进行切割。得到倾角为45℃的裂隙，岩石试样变为两块。如图3所示，实线为裂隙部分，虚线为粘合部分。

（3）对裂隙区域的表面进行抛光和喷砂处理。由于改变抛光膏或砂粒的尺寸可以任意改变裂隙表面的粗糙度，因此，选择特定的抛光膏和砂粒尺寸，使得加工后的裂隙表面的摩擦系数μ=0.5。

（4）对岩石试样被水平切割的表面的厚度进行切割加工，切割深度为0.1mm，用以放置环氧树脂胶粘剂。

（5）使用环氧树脂胶粘剂将分离的岩块粘合起来。粘合后，用光学显微镜仔细检查，确保在加载之前裂隙表面的接触。即可得到含闭合裂隙的砂岩试样。

实施例2

制备含两条条倾角为60℃、长为20mm、宽为0.2mm、裂隙间距为10mm、摩擦系数为0.65的裂隙花岗岩试样，包括如下步骤：

（1）取一个尺寸为Φ50mm×100mm的标准花岗岩试样，根据所需制备岩石试样的要求，确定裂隙岩体中裂隙的形态和分布，裂隙条数n= 2，倾角α=60℃，宽度d=0.2mm，长度l=20mm，裂隙间距D=10mm，摩擦系数μ=0.5。

（2）根据裂隙位置，对花岗岩试样进行切割。得到倾角为60℃的两条裂隙，岩石试样变为三块。如图4所示，实线为裂隙部分，虚线为粘合部分。

（3）对裂隙区的表面进行喷砂处理。选择特定的砂粒尺寸，使得加工后的裂隙表面的摩擦系数μ=0.65。

（4）对岩石试样被水平切割的表面的厚度进行切割加工，切割深度应满足：在裂隙面放置一张0.2mm的塑料薄片，把分散的三块岩块拼起来，被切割的水平面刚好剩下0.1mm，用以放置环氧树脂胶粘剂。

（5）使用环氧树脂胶粘剂将分离的岩块粘合起来。粘合后，用光学显微镜仔细检查，确保在加载之前裂隙表面与塑料薄片的接触。粘结成功后，抽出塑料薄片。即可得到所需制备的裂隙花岗岩试样。

Claims (1)

1.一种含微小及闭合裂隙的岩石试样制备方法，其特征是：所述制备方法的步骤如下：

（1）根据研究需要，确定裂隙岩体中裂隙的形态和分布，包括裂隙倾角、宽度、长度、数量、裂隙间距以及粗糙度；

（2）根据确定好的裂隙形态和分布，切割岩石试样；注意切割时，先进行裂隙的切割，然后从岩样侧面向内进行水平切割；

（3）对裂隙区进行抛光或喷砂处理，以改变其表面粗糙度；通过改变抛光膏或砂粒的尺寸任意改变裂隙表面的粗糙度；

（4）检测裂隙表面粗糙度，把一滑块放在裂隙表面，并使裂隙面呈水平状态；缓慢增加裂隙面的倾斜度，直到滑块开始以倾斜角度β向下滑动；表面的摩擦系数由公式确定，μ=tanβ；测量重复超过20次，其平均值作为表面的摩擦系数；

（5）对岩样粘合区表面进行加工，切割一定深度，切割深度应满足：在裂隙面放置一张与裂隙宽度相当的塑料薄片，恰好把分散的岩块粘合起来；注意粘合面刚好剩下0.1mm，用以放置环氧树脂胶粘剂；

（6）在粘合区平面涂抹环氧树脂胶粘剂，将分离的岩块粘合起来，注意胶粘剂不能涂抹到裂隙表面；需要用光学显微镜仔细检查，确保在加载之前裂隙表面与塑料薄片的接触；粘结成功后，抽出塑料薄片。