CN110333111A - 一种含预制剪切缝的软岩直剪试验原状试样的制备方法 - Google Patents

一种含预制剪切缝的软岩直剪试验原状试样的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于岩石力学试验技术领域，具体涉及一种含预制剪切缝的软岩直剪试验原状试样的制备方法。所述软岩直剪试验原状试样是对地质勘探钻机所取得的软岩柱状岩芯进行加工得到，其特征在于：步骤一，测量软岩原状岩芯的直径D；步骤二，通过3D打印制作岩芯夹具；步骤三，组装钢模具；步骤四，岩芯夹具固定软岩原状岩芯并置入钢模具；步骤五，水泥砂浆在钢模具内固化成型：步骤六：制得含剪切缝的软岩直剪试验原状试样。本发明加工过程对试样无扰动，是一种工效性、经济性和适用性都很好的软岩直剪试验原状试样的制备方法。

Description

一种含预制剪切缝的软岩直剪试验原状试样的制备方法
技术领域
本发明属于岩石力学试验技术领域，特别是涉及一种含预制剪切缝的软岩直剪试验原状试样的制备方法。
背景技术
随着基础设施建设加快，工程中不可避免的会遇到软硬相间互层状岩质边坡，互层岩质边坡是由上下岩层的岩性及强度等各方面差别较大的两组或两组以上岩体成互层状构造形成的边坡，在我国分布很广，尤其在红层、变质岩、煤系地区等分布的地区较为常见。在互层边坡中，由于相邻间软岩和硬岩各方面性质存在很大不同，使得边坡的风化差异明显，岩层的地质构造往往又十分复杂，较软的岩层在泥化作用下会逐渐形成对边坡稳定存在安全隐患的软弱岩层，在外界地质营力(如地震作用、降雨入渗等)或人为因素(如边坡开挖)的作用下容易产生大规模的地质灾害，对人们的生命财产安全造成了相当严重的损失。因此，开展软弱夹层力学性质的研究对边坡稳定性评价有重要的意义。
在软弱夹层力学性质的研究中，软岩的抗剪强度参数是十分重要的评价指标，然而由于软岩的水理性质较差，现场取出的钻孔岩芯端面粗糙不平，且难以在实验室内对岩芯样进行切、割、钻等二次加工，无法得到标准的圆柱状试样放入剪切盒中进行直剪试验。目前，软岩的抗剪强度参数的获得主要依赖于软岩重塑样的直剪试验和三轴试验，但试样经重塑之后受到的扰动较大，其结果有一定的偏差。而且软弱夹层成因复杂，软岩种类多样，目前还没有完备的方法制作软岩直剪原状试样的方法，因此在岩石力学测试技术领域迫切需要一种适用性较广的软岩直剪试验原状试样的制备方法及装置。现有公知的制作软岩原状试样的方法主要有：
中国专利申请201510974028.X公开了一种软弱夹层原状样的取样及试验装置，具体是一种软弱夹层原状样取样及室内原位测试的方法，该方法对软弱夹层取样点出露情况要求较高，且通过软质锤锤击钢套管使之套于岩样上的方法不适宜硬度较大的软岩。因此该方法适合部分硬度较小的软弱夹层取样，适用范围窄，且耗费人力成本大。
中国申请201610150758.2公开了一种软岩原状试样的制作方法，具体是一种使用半圆形切削模具制备软岩圆柱体原状试样的方法，该方法仅能切削硬度适中的软岩，若待加工的软岩原状试样硬度大难以凭借人工完成切削，则无法据此方法制备软岩圆柱体原状试样。
中国申请201810253130.4公开了脆性软岩周向均压加载装置、软岩取样装置及取样方法，具体是一种脆性软岩周向均压加载装置及钻取方法，该方法通过弹性加载软囊及液压系统固定不规则脆性软岩试块，进而达到便于钻取软岩圆柱状试样的目的。但该方法仅适用于水理性质较好，风化程度低的脆性软岩，若软岩易遇水软化、泥化、崩解，则无法根据该方方法加工试样。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术所存在的不足而提供一种含预制剪切缝的软岩直剪试验原状试样的制备方法，本发明应用含3D打印夹具的模具盒制作带有预制剪切缝的软岩直剪试验原状试样，且加工过程对试样无扰动，是一种工效性、经济性和适用性都很好的软岩直剪试验原状试样的制备方法。
根据本发明提出的一种含预制剪切缝的软岩直剪试验原状试样的制备方法，所述软岩直剪试验原状试样是对地质勘探钻机所取得的软岩柱状岩芯进行加工得到，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一：测量软岩原状岩芯的直径D，设定软岩原状岩芯直径D为50～80mm、软岩原状岩芯长度为120～150mm；
步骤二：通过3D打印制作岩芯夹具；所述岩芯夹具的厚度为1～3cm，岩芯夹具的厚度与直剪试样剪切缝的宽度相等；岩芯夹具中预留与软岩原状岩芯等直径的圆孔，且岩芯夹具可从中间对半分开；
步骤三：组装钢模具；所述钢模具由底板、侧板、隔板、双头螺栓和螺帽组成为立方体形状，其中侧板通过双头螺栓和带帽螺栓固定于底板的前后两侧，隔板通过侧板内侧的凹型榫槽插入，侧板中央有供岩芯夹具插入的凹槽；钢模具的尺寸依据软岩原状岩芯长度而定，使软岩原状岩芯能够被钢模具所容纳；
步骤四，岩芯夹具固定软岩原状岩芯并置入钢模具：在岩芯夹具表面涂抹凡士林，将软岩原状岩芯用岩芯夹具夹紧，随后将岩芯夹具和软岩原状岩芯沿钢模具中央凹槽插入；
步骤五，水泥砂浆在钢模具内固化成型：将水泥砂浆倒入钢模具内并充分振捣；所述充分振捣是指放置于振动台振动5～20min，使得水泥砂浆均匀分布于整个钢模具内；
步骤六，制得含剪切缝的软岩直剪试验原状试样：待步骤五所述水泥砂浆固化成型后脱模；其中所述脱模是指在24小时后将内部含有岩芯夹具和软岩原状岩芯的方形水泥砂浆试块从钢模具中取出，再分别将岩芯夹具从方形水泥砂浆试块的两侧取出；得到含剪切缝的软岩直剪试验原状试样，贴好标签养护备用；
本发明提出的一种含预制剪切缝的软岩直剪试验原状试样的制备方法进一步的优选方案是：
步骤一所述测量软岩原状岩芯的直径D，是指在软岩原状岩芯的中间部位选取1～3cm区域使用游标卡尺进行3次直径测量，取3次测量值的平均值作为该位置岩芯的直径；该测量区域即为软岩直剪试验原状试样的剪切缝位置，该直径同时也为岩芯夹具中预留圆孔的直径。
步骤二所述3D打印制作的岩芯夹具的材料为不溶于水的聚乳酸。
步骤三所述钢模具组装好后其内表面涂抹凡士林。
本发明与现有技术相比其显著优点在于：
第一，本发明的功效性显著。本发明能够解决软岩钻孔岩芯难以在室内实验室进行切割、打磨形成上下端面平整的标准圆柱状试样的问题。本发明根据测得的软岩原状岩芯直径，使用3D打印机制作孔径适合的岩芯夹具，把软岩原状岩芯用岩芯夹具夹紧放入钢模具中，倒入水泥砂浆，经振捣、固化脱模、取出岩芯夹具、养护等工序，从而能够方便快捷的制作出软岩直剪试验原状试样。本发明使用聚乳酸为3D打印材料，其优点为打印出来的岩芯夹具易于脱模和强度高，对剪切缝处的软岩原状岩芯保护效果好，制样成功率高；相比使用钢制岩芯夹具，使用3D打印技术制作岩芯夹具的功效大幅提高。
第二，本发明的经济性显著。本发明中使用聚乳酸3D打印材料，经济实惠，易于获得，相比钢制岩芯夹具，使用3D打印技术制作岩芯夹具，可降低岩芯夹具制作成本近20倍。
第三，本发明的适用性显著。本发明不受软岩原状岩芯自身水理性质及力学性质的影响，特别适用于大多数软岩钻孔岩芯直剪试验原状试样的制备；本发明中剪切缝的宽度可以通过改变岩芯夹具的厚度进行调整，使得制备出的试样满足不同条件的要求，适用性更广。
附图说明
图1为本发明提出的一种含预制剪切缝的软岩直剪试验原状试样的制备方法的流程示意图。
图2为本发明提出的钢模具结构示意图。
图3为本发明提出的3D打印岩芯夹具结构示意图。
图4为本发明提出的岩芯夹具与软岩原状岩芯组合结构示意图。
图5为本发明提出的钢模具、岩芯夹具和软岩原状岩芯组合结构示意图。
图6为本发明提出的含预制剪切缝的软岩直剪原状试样的示意图。
附图中的部件编号为：软岩原状岩芯1、岩芯夹具2、钢模具3、底板4、侧板5、隔板6、双头螺栓7、螺帽8、中央凹槽9、含剪切缝的软岩直剪试验原状试样10。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
结合图1-6，本发明提出的一种含预制剪切缝的软岩直剪试验原状试样的制备方法，所述软岩直剪试验原状试样是对地质勘探钻机所取得的软岩柱状岩芯进行加工得到，如图1所示的具体步骤如下：
步骤一，测量软岩原状岩芯1的直径D：设定软岩原状岩芯1直径D为50～80mm、软岩原状岩芯1长度为120～150mm；具体方法是：在软岩原状岩芯1的中间部位选取1～3cm区域使用游标卡尺进行3次直径测量，取3次测量值的平均值作为该位置岩芯的直径；该测量区域即为软岩直剪试验原状试样的剪切缝位置，该直径同时也为岩芯夹具2中预留圆孔的直径；
步骤二，通过3D打印制作岩芯夹具2：所述岩芯夹具2的厚度为1～3cm，岩芯夹具2的厚度与直剪试样剪切缝的宽度相等；岩芯夹具2中预留与软岩原状岩芯1等直径的圆孔，且岩芯夹具2可从中间对半分开；所述3D打印制作的岩芯夹具2的材料为不溶于水的聚乳酸；3D打印的岩芯夹具2结构如图3所示；
步骤三，组装钢模具3：所述钢模具3由底板4、侧板5、隔板6、双头螺栓7和螺帽8组成为立方体形状，其中侧板5通过双头螺栓7和螺帽8固定于底座4的前后两侧，隔板6通过侧板5内侧的凹型榫槽插入，侧板5中央有供岩芯夹具2插入的凹槽9；钢模具3的尺寸依据软岩原状岩芯1长度而定，使软岩原状岩芯1能够被钢模具3所容纳；所述钢模具3的内表面涂抹凡士林；组装好的钢模具3结构如图2所示；
步骤四，岩芯夹具固定软岩原状岩芯并置入钢模具：在岩芯夹具2表面涂抹凡士林，将软岩原状岩芯1用岩芯夹具2夹紧，随后将岩芯夹具2和软岩原状岩芯1沿钢模具3中央凹槽9插入；岩芯夹具2与软岩原状岩芯1的组合结构如图4所示，钢模具3、岩芯夹具2和软岩原状岩芯1的组合结构如图5所示；
步骤五，水泥砂浆在钢模具内固化成型：将水泥砂浆倒入钢模具3内并充分振捣；所述充分振捣是指放置于振动台振动5～20min，使得水泥砂浆均匀分布于整个钢模具3内；
步骤六，制得含剪切缝的软岩直剪试验原状试样：待步骤五所述水泥砂浆固化成型后脱模，其中所述脱模是指在24小时后将内部含有岩芯夹具2和软岩原状岩芯1的方形水泥砂浆试块从钢模具3中取出，再分别将岩芯夹具2从方形水泥砂浆试块的两侧取出，得到含剪切缝的软岩直剪试验原状试样10，贴好标签养护备用；制备完成的含剪切缝的软岩直剪试验原状试样10如图6所示。
下面根据本发明提出的一种含预制剪切缝的软岩直剪试验原状试样的制备方法，进一步公开本发明的具体实施例。
实施例1。使用软岩原状岩芯1制作剪切缝为10mm，剪切块尺寸为150mm×150mm×150mm的含预制剪切缝的软岩直剪试验原状试样10采取以下步骤：
步骤一：在软岩原状岩芯1的中间部位选取1cm区域使用游标卡尺进行3次直径测量，取3次测量值的平均值作为该位置软岩原状岩芯1的直径；该测量区域即为软岩直剪试验原状试样10剪切缝位置，该直径同时也为岩芯夹具2中预留圆孔的直径；经测量所取得软岩原状岩芯1直径D为80mm、长度为120mm。
步骤二：通过3D打印制作岩芯夹具2，所述岩芯夹具2的长和宽为150mm,厚度为10mm，岩芯夹具2中预留的圆孔直径为80mm，岩芯夹具2可从中间对半分开。
步骤三：组装钢模具3，该钢模具3内腔尺寸为150mm×150mm×150mm，由底板4、侧板5、隔板6、双头螺栓7和螺帽8组成；侧板5通过双头螺栓7和螺帽8固定于底板4的前后两侧，隔板6通过侧板5内侧的凹型榫槽插入，侧板5中央有供岩芯夹具2插入的凹槽9；组装好钢模具3之后在其内表面涂抹凡士林；
步骤四：在岩芯夹具2表面涂抹凡士林，将软岩原状岩芯1用岩芯夹具2夹紧，随后将岩芯夹具2及软岩原状岩芯1沿钢模具3中央凹槽9插入；
步骤五：将水泥砂浆倒入钢模具3内，放置于振动台振动5min，使得水泥砂浆均匀分布于整个钢模具3内；
步骤六：待24小时过后，水泥砂浆固化成型，将内部含有岩芯夹具2和软岩原状岩芯1的方形水泥砂浆试块从钢模具3中取出，再分别将岩芯夹具2从方形水泥砂浆试块的两侧取出，得到含剪切缝的软岩直剪试验原状试样10，贴好标签养护备用。
实施例2。使用软岩原状岩芯1制作剪切缝为20mm，剪切块尺寸为150mm×150mm×150mm的含预制剪切缝的软岩直剪试验原状试样10采取以下步骤：
步骤一：在软岩原状岩芯1的中间部位选取2cm区域使用游标卡尺进行3次直径测量，取3次测量值的平均值作为该位置软岩原状岩芯1的直径；该测量区域即为软岩直剪试验原状试样10剪切缝位置，该直径同时也为岩芯夹具2中预留圆孔的直径；经测量所取得软岩原状岩芯1直径D为50mm、长度为150mm。
步骤二：通过3D打印制作岩芯夹具2；岩芯夹具2的长和宽为150mm,厚度为20mm，岩芯夹具2中预留的圆孔直径为50mm，岩芯夹具2可从中间对半分开。
步骤三：组装钢模具3，该钢模具3内腔尺寸为150mm×150mm×150mm，由底板4、侧板5、隔板6、双头螺栓7和螺帽8组成；侧板5通过双头螺栓7和螺帽8固定于底板4的前后两侧，隔板6通过侧板5内侧的凹型榫槽插入，侧板5中央有供岩芯夹具2插入的凹槽9；组装好钢模具3之后在其内表面涂抹凡士林；
步骤四：在岩芯夹具2表面涂抹凡士林，将软岩原状岩芯1用岩芯夹具2夹紧，随后将岩芯夹具2及软岩原状岩芯1沿钢模具3中央凹槽9插入；
步骤五：将水泥砂浆倒入钢模具3内，放置于振动台振动10min，使得水泥砂浆均匀分布于整个钢模具3内；
步骤六：待24小时过后，水泥砂浆固化成型，将内部含有岩芯夹具2和软岩原状岩芯1的方形水泥砂浆试块从钢模具3中取出，再分别将岩芯夹具2从方形水泥砂浆试块的两侧取出，得到含剪切缝的软岩直剪试验原状试样10，贴好标签养护备用。
实施例3。使用软岩原状岩芯1制作剪切缝为30mm，剪切块尺寸为150mm×150mm×150mm的含预制剪切缝的软岩直剪试验原状试样10采取以下步骤：
步骤一：在软岩原状岩芯1的中间部位选取3cm区域使用游标卡尺进行3次直径测量，取3次测量值的平均值作为该位置软岩原状岩芯1的直径；该测量区域即为软岩直剪试验原状试样10剪切缝位置，该直径同时也为岩芯夹具2中预留圆孔的直径；经测量所取得软岩原状岩芯1直径D为65mm、长度为135mm。
步骤二：通过3D打印制作岩芯夹具2；岩芯夹具2的长和宽为150mm,厚度为30mm，岩芯夹具2中预留的圆孔直径为65mm，岩芯夹具2可从中间对半分开。
步骤三：组装钢模具3，该钢模具3内腔尺寸为150mm×150mm×150mm，由底板4、侧板5、隔板6、双头螺栓7和螺帽8组成；侧板5通过双头螺栓7和螺帽8固定于底板4的前后两侧，隔板6通过侧板5内侧的凹型榫槽插入，侧板5中央有供岩芯夹具2插入的凹槽9；组装好钢模具3之后在其内表面涂抹凡士林；
步骤四：在岩芯夹具2表面涂抹凡士林，将软岩原状岩芯1用岩芯夹具2夹紧，随后将岩芯夹具2及软岩原状岩芯1沿钢模具3中央凹槽9插入；
步骤五：将水泥砂浆倒入钢模具3内，放置于振动台振动20min，使得水泥砂浆均匀分布于整个钢模具3内；
步骤六：待24小时过后，水泥砂浆固化成型，将内部含有岩芯夹具2和软岩原状岩芯1的方形水泥砂浆试块从钢模具3中取出，再分别将岩芯夹具2从方形水泥砂浆试块的两侧取出，得到含剪切缝的软岩直剪试验原状试样10，贴好标签养护备用。
本发明的具体实施方式中未涉及的说明属于本领域公知的技术，可参考公知技术加以实施。
本发明经反复试验验证，取得了满意的试用效果。
以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种含预制剪切缝的软岩直剪试验原状试样的制备方法技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (5)

1.一种含预制剪切缝的软岩直剪试验原状试样的制备方法，所述软岩直剪试验原状试样是对地质勘探钻机所取得的软岩柱状岩芯进行加工得到，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一，测量软岩原状岩芯(1)的直径D：设定所述软岩原状岩芯(1)直径D为50～80mm、软岩原状岩芯(1)长度为120～150mm；
步骤二，通过3D打印制作岩芯夹具(2)：所述岩芯夹具(2)的厚度为1～3cm，岩芯夹具(2)的厚度与直剪试样剪切缝的宽度相等；岩芯夹具(2)中预留与软岩原状岩芯(1)等直径的圆孔，且岩芯夹具(2)可从中间对半分开；
步骤三，组装钢模具(3)：所述钢模具由底板(4)、侧板(5)、隔板(6)、双头螺栓(7)和螺帽(8)组成为立方体形状，其中侧板(5)通过双头螺栓(7)和带帽螺栓(8)固定于底板(4)的前后两侧，隔板(6)通过侧板(5)内侧的凹型榫槽插入，侧板(5)中央有供岩芯夹具(2)插入的凹槽(9)；钢模具(3)的尺寸依据软岩原状岩芯(1)长度而定，使软岩原状岩芯(1)能够被钢模具(3)所容纳；
步骤四，岩芯夹具(2)固定软岩原状岩芯(1)并置入钢模具(3)：在岩芯夹具(2)表面涂抹凡士林，将软岩原状岩芯(1)用岩芯夹具(2)夹紧，随后将岩芯夹具(2)和软岩原状岩芯(1)沿钢模具(3)中央凹槽(9)插入；
步骤五，水泥砂浆在钢模具(3)内固化成型：将水泥砂浆倒入钢模具(3)内并充分振捣；所述充分振捣是指放置于振动台振动5～20min，使得水泥砂浆均匀分布于整个钢模具(3)内；
步骤六，制得含剪切缝的软岩直剪试验原状试样(10)：待步骤五所述水泥砂浆固化成型后脱模，其中所述脱模是指在24小时后将内部含有岩芯夹具(2)和软岩原状岩芯(1)的方形水泥砂浆试块从钢模具(3)中取出，再分别将岩芯夹具(2)从方形水泥砂浆试块的两侧取出；得到含剪切缝的软岩直剪试验原状试样(10)，贴好标签养护备用。
2.根据权利要求1所述的一种含预制剪切缝的软岩直剪试验原状试样的制备方法，其特征在于，步骤一所述测量软岩原状岩芯(1)的直径D，是指在软岩原状岩芯(1)的中间部位选取1～3cm区域使用游标卡尺进行3次直径测量，取3次测量值的平均值作为该位置岩芯的直径；该测量区域即为软岩直剪试验原状试样(10)的剪切缝位置，该直径同时也为岩芯夹具(2)中预留圆孔的直径。
3.根据权利要求1或2所述的一种含预制剪切缝的软岩直剪试验原状试样的制备方法，其特征在于，步骤二所述3D打印制作的岩芯夹具(2)的材料为不溶于水的聚乳酸。
4.根据权利要求1所述的一种含预制剪切缝的软岩直剪试验原状试样的制备方法，其特征在于，步骤三所述钢模具(3)组装好后其内表面涂抹凡士林。
5.根据权利要求3所述的一种含预制剪切缝的软岩直剪试验原状试样的制备方法，其特征在于，步骤三所述钢模具(3)组装好后其内表面涂抹凡士林。
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