CN110376030A - 一种不规则柱状节理类岩石试样的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种不规则柱状节理类岩石试样的制备方法，包括如下步骤：(1)选择需研究的柱状节理区域，获取不规则柱状节理岩体中各节理岩块的三维数字化模型，生成成型各节理岩块的实体模具；(2)配制水泥砂浆，在所述实体模具内进行浇注、得到模拟各节理岩块的柱体；(3)柱体脱模，养护；(4)将养护好的不规则柱体按照实际柱状节理岩体的节理网络粘结在一起，切割打磨，得到不规则柱状节理类岩石试样。其中，实体模具由若干个单独不规则的模具块体拼接而成，每个模具块体包含节理岩块的部分成型区域，相邻模具块体拼接得到节理岩块的完整成型区域。该方法可得到与工程岩石符合度较高的岩样，而且模拟了节理裂隙，具有代表性。

Description

一种不规则柱状节理类岩石试样的制备方法
技术领域
本发明涉及一种试样制备方法，特别涉及一种不规则柱状节理类岩石试样的制备方法，属于岩土工程领域。
背景技术
柱状节理是常见于火山熔岩中的一种原生张性破裂构造，它往往将完整岩体切割形状不规则的棱柱状,通常呈四方、五方、六方等棱柱体形态，具有特殊岩体结构和力学特性。中国西南诸多大型水电站，如正在建设巨型水电工程白鹤滩水电站、溪洛渡水电站、四川乐山铜街子水电站、金沙江下游的金安桥水电站等，在建造的过程中都遇到柱状节理岩体。柱状节理岩体完整性较差，具有明显的非连续、易开裂与各向异性力学特征，对水电工程建基面选择、坝体变形、坝肩和边坡稳定、地下洞室群围岩稳定均有重要影响，已成为水电工程水工结构设计和建设的关键技术问题之一。
试验研究是获得不规则柱状节理岩体力学特性最直接最有效的方法，然而实际工程现场柱状节理岩体破碎，很难钻取到含多组柱状节理的天然岩样，即使在容易钻取的区域，钻取出的岩样一方面会对节理结构面造成过大扰动，另一方面，由于实验室尺度问题，岩样通常不含节理裂隙或者仅有部分节理裂隙，不具有代表性。模型试样为研究柱状节理的力学特性提供了一个有效的途径，如何制备能够与工程现场柱状节理岩体符合度高的试样，是急需解决的问题。
发明内容
发明目的：针对现有的不规则柱状节理岩体试验研究时获取岩样过程中存在的问题，本发明提供一种不规则柱状节理岩体类岩石试样的制备方法，采用该方法能够制备与工程实际符合度很高的不规则柱状节理试样。
技术方案：本发明所述的一种不规则柱状节理岩体类岩石试样的制备方法，包括如下步骤：
(1)选择需研究的柱状节理区域，获取不规则柱状节理岩体中各节理岩块的三维数字化模型，生成成型各节理岩块的实体模具；
(2)配制水泥砂浆，在所述实体模具内进行浇注、得到模拟各节理岩块的柱体；
(3)柱体脱模，养护；
(4)将养护好的不规则柱体按照实际柱状节理岩体的节理网络粘结在一起，切割打磨，得到不规则柱状节理类岩石试样。
上述步骤(1)中，实体模具由若干个单独不规则的模具块体拼接而成，每个模具块体包含节理岩块的部分成型区域，相邻模具块体拼接得到节理岩块的完整成型区域。
较优的，该实体模具的生成方法包括下述步骤：
步骤11，对所需研究的柱状节理区域取像，根据获取的图像在CAD软件中描绘不规则柱状节理岩体的节理线条，将其拆分成多个节理岩块；
步骤12，对节理岩块进行编号并重新排列成若干行，以每行节理岩块几何中心点的连线为界，将该行各节理岩块分为两半；采用对半的方式生成模具，有利于后续浇注柱体的脱模，同时，模具可循环利用；
步骤13，对重新排列并分割的节理岩块进行缩放，建立包含所有节理岩块的三维数字化模型；
步骤14，采用3D打印技术将三维数字化模型打印成若干个模具块体，每个模具块体包含相邻两行节理岩块的一半成型区域，将模具块体拼接，得到包含所有节理岩块完整成型区域的实体模具。
更优的，步骤12中，根据节理岩块的面积大小对节理岩块进行编号，并将面积相近的节理岩块分为一类，将每一类节理岩块间隔排列成一行，其中，同一类节理岩块的几何中心点位于同一直线上，不同类节理岩块的几何中心点所在直线平行。通过对节理岩块进行上述分类及重新排列，可最大程度地优化后续模具的空间利用率。
步骤14中，优选以光敏树脂为原料打印模具块体。
进一步的，实体模具中每个节理岩块的成型区域底部设有排气孔，有助于改善后续灌浆浇注时产生的滞留气泡的问题。
更进一步的，相邻模具块体的拼接面上设有适配的卡口和卡槽，有助于模具块体间的准确定位，减小柱体尺寸误差，提高实验良品率，同时提高使用时的整体稳定性。另外，还可在模具块体拼接面的两侧面设置凹槽，模具块体拼接后，采用钢丝、钢带等束紧，可防止模具崩散，提高了模具的稳固性。
上述步骤(2)中，优选的，将浇注完成的模具置于温度22±2℃的环境中24h，使水泥砂浆固化，得到模拟各节理岩块的柱体。进一步的，步骤(3)中，柱体脱模后，置于温度22±2℃的环境中养护。步骤(4)中，可采用水泥和水配置成水泥浆体粘接不规则柱体。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)本发明的不规则柱状节理岩体制备方法依托于实际工程现场不规则柱状节理岩体，通过三维模型打印模具、成型用于模拟各节理岩块的柱体，然后将柱体粘接得到类岩石试样，该方法可得到与工程岩石符合度较高的岩样，而且，通过柱体粘接模拟了节理裂隙，所得岩样充分模拟了实际不规则柱状节理岩体，具有代表性；(2)本发明的方法解决了工程现场柱状节理岩体易破碎无法取样的难题，为室内试验研究不规则柱状节理岩体的特性提供了一条有效的途径；(3)本发明采用的实体模具空间利用率高、稳固性好，减少了制作模具的耗材，提高了模型的良品率，降低了后续实验的操作难度；而且，该模具具有循环利用性，在很大程度上节约了试验成本和时间。
附图说明
图1为工程现场拍摄的不规则柱状节理照片；
图2为根据图1获取的不规则柱状节理岩体节理线条及节理岩块编号；
图3为经过分类编号的不规则柱状节理岩块重新排列的结构示意图；
图4为用于制备不规则柱状节理类岩石试样的相邻两块模具的结构示意图；
图5为不规则柱状节理类岩石试样制备模具拼接后的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明的一种不规则柱状节理岩体类岩石试样的制备方法，包括如下步骤：
(1)选择需研究的柱状节理区域，获取不规则柱状节理岩体中各节理岩块的三维数字化模型，生成成型各节理岩块的实体模具；
如图4～5，实体模具由若干个单独不规则的模具块体拼接而成，每个模具块体包含节理岩块的部分成型区域，相邻模具块体拼接得到节理岩块的完整成型区域。每个节理岩块的成型区域底部设有排气孔，有助于改善后续灌浆浇注时产生的滞留气泡的问题。相邻模具块体的拼接面上可设置适配的卡口和卡槽，有助于模具块体间的准确定位，减小柱体尺寸误差，提高实验良品率，同时提高使用时的整体稳定性。另外，还可在模具块体拼接面的两侧面设置凹槽，模具块体拼接后，采用钢丝、钢带等束紧，可防止模具崩散，提高了模具的稳固性。
该实体模具的生成方法包括下述步骤：
步骤11，对所需研究的柱状节理区域取像，根据获取的图像在CAD软件中描绘不规则柱状节理岩体的节理线条，将其拆分成多个节理岩块；
步骤12，对节理岩块进行编号并重新排列成若干行，以每行节理岩块几何中心点的连线为界，将该行各节理岩块分为两半；采用对半的方式生成模具，有利于后续浇注柱体的脱模，同时，模具可循环利用。具体而言，可根据节理岩块的面积大小对节理岩块进行编号，并将面积相近的节理岩块分为一类，将每一类节理岩块间隔排列成一行，其中，同一类节理岩块的几何中心点位于同一直线上，不同类节理岩块的几何中心点所在直线平行；通过对节理岩块进行上述分类及重新排列，可最大程度地优化后续模具的空间利用率。
步骤13，对重新排列并分割的节理岩块进行缩放，建立包含所有节理岩块的三维数字化模型；
步骤14，采用3D打印技术将三维数字化模型打印成若干个模具块体，每个模具块体包含相邻两行节理岩块的一半成型区域，将模具块体拼接，得到包含所有节理岩块完整成型区域的实体模具。可采用树脂材料为原料打印模具块体，如光敏树脂，打印后的模具可循环利用。
(2)配制水泥砂浆，在实体模具内进行浇注、得到模拟各节理岩块的柱体；
模拟不规则柱状节理岩体的水泥砂浆由水泥、砂、水配制形成，水泥、砂、水的比例根据待模拟的岩体的强度和渗透性能确定；浇注完成后，将模具置于温度22±2℃的环境中24h，使水泥砂浆凝固为柱体。
(3)柱体脱模，养护；柱体脱模后，置于温度22±2℃的环境中养护。
(4)将养护好的不规则柱体按照实际柱状节理岩体的节理网络粘结在一起，切割打磨，得到不规则柱状节理类岩石试样。
按照试验要求，可将不规则柱状节理岩体块切割打磨成立方体或者圆柱体。也可将节理岩体块切割打磨得到含不同倾角的不规则柱状节理试样。根据国际岩石力学学会标准，圆柱体试样的标准尺寸为直径*高＝50mm*100mm，标准立方体尺寸为长*宽*高＝10cm*10*20cm，可以进行常规三轴压缩试验、真三轴试验、剪切试验等。
实施例
以制备某工程现场的不规则柱状节理岩体的类岩石试样为例，对本发明的方法进行说明。
(1)图1为某工程现场拍摄的不规则柱状节理出露照片，以该照片为基础，在CAD软件中描绘节理线条，将不规则柱状节理拆分成多个节理岩块；
(2)获取各节理岩块的面积和几何中心点，按照面积从大到小对节理岩块依次编号，如图2；同时，对节理岩块进行分类，面积大小相近的为一类，比如，编号1～5号为一类，编号6～11为第二类，编号12～18为第三类；
(3)按照分类对节理岩块重新排列成6行，如图3，其中，编号1～5/编号6～11/编号12～18/编号19～27/编号28～37/编号38～50的节理岩块各自排成一行，每一行的节理岩块的几何中心点在同一直线上，行宽相近，且6行节理岩块的几何中心点所在直线平行，从而可最大限度地优化后续成型模具的空间利用率；然后以每一类的节理岩块的几何中心点连线为界，将节理岩块切割成2半，如图3；
(4)对分类好的节理岩块，按照1：15的比例缩放，沿竖直方向进行拉伸，建立不规则柱状节理岩体中各节理岩块的三维数字化模型；
(5)采用3D打印技术，以树脂材料为原料将该模型打印成模具块体，如图4，每个模具块体可成型相邻两行节理岩块柱体的一半；将模具块体进行组装，得到包含不规则柱状节理岩体所有节理岩块的实体模具，如图5；
(6)制备砂浆材料：砂浆材料主要由水泥、砂、水混合搅拌得到，结合相关文献资料，采用52.5的水泥，以水泥：砂：水三者的质量比为1:0.5:0.35的比例砂浆材料模拟柱体；
(7)柱体浇筑：用针管吸取已配置好的水泥砂浆注入模具进行柱体浇筑，浇筑完成的模具置于温度为22±2℃环境中24小时，使水泥砂浆凝固为柱体；
(8)拆分模具，柱体脱模，将浇筑好的不规则柱体置于温度为22±2℃环境中养护28天；
(9)采用水：水泥质量比为1：0.4的比例制备水泥浆体，按照各节理岩块的编号，将养护好的柱体按顺序粘接在一起，形成不规则柱状节理岩块；
(10)切割打磨。本实例制备柱体倾角为90度的圆柱体试样，根据国际岩石力学学会标准，切割打磨成直径*高＝50*100mm的不规则柱状节理类岩石试样。
生成的试样可开展单轴试验、常规三轴试验、渗流应力耦合试验及渗流应力耦合流变试验。

Claims (10)

1.一种不规则柱状节理类岩石试样的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)选择需研究的柱状节理区域，获取不规则柱状节理岩体中各节理岩块的三维数字化模型，生成成型各节理岩块的实体模具；
(2)配制水泥砂浆，在所述实体模具内进行浇注、得到模拟各节理岩块的柱体；
(3)柱体脱模，养护；
(4)将养护好的不规则柱体按照实际柱状节理岩体的节理网络粘结在一起，切割打磨，得到不规则柱状节理类岩石试样。
2.根据权利要求1所述的不规则柱状节理类岩石试样的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述实体模具由若干个单独不规则的模具块体拼接而成，每个模具块体包含节理岩块的部分成型区域，相邻模具块体拼接得到节理岩块的完整成型区域。
3.根据权利要求2所述的不规则柱状节理类岩石试样的制备方法，其特征在于，所述实体模具的生成方法包括下述步骤：
步骤11，对所需研究的柱状节理区域取像，根据获取的图像在CAD软件中描绘不规则柱状节理岩体的节理线条，将其拆分成多个节理岩块；
步骤12，对节理岩块进行编号并重新排列成若干行，以每行节理岩块几何中心点的连线为界，将该行各节理岩块分为两半；
步骤13，对重新排列并分割的节理岩块进行缩放，建立包含所有节理岩块的三维数字化模型；
步骤14，采用3D打印技术将所述三维数字化模型打印成若干个模具块体，每个模具块体包含相邻两行节理岩块的一半成型区域，将模具块体拼接，得到包含所有节理岩块完整成型区域的实体模具。
4.根据权利要求3所述的不规则柱状节理类岩石试样的制备方法，其特征在于，步骤12中，根据所述节理岩块的面积大小对节理岩块进行编号，并将面积相近的节理岩块分为一类，将每一类节理岩块间隔排列成一行，其中，同一类节理岩块的几何中心点位于同一直线上，不同类节理岩块的几何中心点所在直线平行。
5.根据权利要求3所述的不规则柱状节理类岩石试样的制备方法，其特征在于，步骤14中，以光敏树脂为原料打印模具块体。
6.根据权利要求2所述的不规则柱状节理类岩石试样的制备方法，其特征在于，所述实体模具中每个节理岩块的成型区域底部设有排气孔。
7.根据权利要求2所述的不规则柱状节理类岩石试样的制备方法，其特征在于，相邻模具块体的拼接面上设有适配的卡口和卡槽，用于使相邻模具块体间准确定位。
8.根据权利要求1所述的不规则柱状节理类岩石试样的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，将浇注完成的模具置于温度22±2℃的环境中24h，使水泥砂浆固化，得到模拟各节理岩块的柱体。
9.根据权利要求1所述的不规则柱状节理类岩石试样的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述养护为：将所述柱体置于温度22±2℃的环境中养护。
10.根据权利要求1所述的不规则柱状节理类岩石试样的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，采用水泥浆体粘接不规则柱体。
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