CN110926901B - 碎裂、架空岩体物理参数指标试样制备及测取方法 - Google Patents

碎裂、架空岩体物理参数指标试样制备及测取方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及碎裂、架空岩体技术领域，提供了一种碎裂、架空岩体物理参数指标试样制备方法，包括以下步骤：S1、在现场选定制样位置；S2、在制样位置处浇粘结剂，形成初始岩样；S3、对初始岩样进行切割，形成中间岩样；S4、对中间岩样的侧面进行包封；S5、切断中间岩样与初始岩样的连接位置，形成待测岩样；S6、采用解固剂溶解并解除粘结剂，形成测试试样。通过在岩体表面浇洒液态的粘结剂，使粘结剂渗入岩体内的空隙或孔隙中，对岩体原状进行定形、辅以结构固形，避免岩体的原状试样在制样和运输过程中受到扰动；通过在岩样上浇液态的解固剂，溶解并解除岩样中的粘结剂，进而将岩样恢复到原来的状态，就可测取岩体原状试样的物理参数。

Description

碎裂、架空岩体物理参数指标试样制备及测取方法
技术领域
本发明涉及碎裂、架空岩体技术领域，特别涉及一种碎裂、架空岩体物理参数指标试样制备及测取方法。
背景技术
碎裂、架空岩体是指分布域极为广泛的大型边坡或斜坡的各类变形破坏、拉张开裂架空的岩体和构造破碎带中的碎裂岩体，但不包括断泥层。它们大多体积巨大、不含或很少含泥质物、呈现散体、架空的特征，是大型地质灾害体与原岩破坏边界外的主体，是次生地质灾害发生的主体，碎裂岩体也是控制边坡岩体稳定的构造破碎带除泥质带的主体。“碎裂、架空岩体”的物理性质和力学性质指标，是当前岩体力学参数研究的难点和重点之一，由于架空、散体的结构形态，这类岩体稍有扰动便会解体，目前尚未见到获取原位或原状大尺度试样，进而现场测取其物理性质(密度、孔隙率、含水量等)的较好技术、方法。
广泛分布在各类大型边坡的“碎裂、架空岩体”大多是高陡岩质边坡倾倒变形破坏、溃曲变形破坏、蠕滑拉裂变形破坏和大型崩塌破坏的产物。
高陡岩质边坡倾倒变形破坏是反倾层状结构边坡的主要变形破坏类型，是河谷下切反倾层状结构边坡长期变形破坏形成的，是层状结构河谷斜坡众多变形破坏的主要类型之一，在我国西南山区、环青藏高原地带，在欧洲阿尔卑斯山脉，美洲洛基山脉等地区广泛分布众多大型、特大型的倾倒变形破坏体，有的绵延数千米、体积达到数千万方至数亿方，对山区地质环境、地质灾害的发生和人类的居住环境以及工程建设有重大的影响。
目前对大型倾倒变形体的边界、成因机制、稳定性分析计算等方面均有较深入地研究和程序，而唯独在物理、力学性质研究和参数取值方面，由于变形、架空和破坏严重的地段获取基本的物理指标--密度、孔隙率、含水率等非常困难，基本上处于经验估计状态，需要创新出新的技术、方法。
溃屈变形破坏是顺层高陡岩质边坡的主要变形破坏类型，是顺层斜(边)坡岩层长期弯曲变形破坏的典型类型，不仅范围大、规模大，而且破坏后的边坡岩体稳定性差，是次生地质灾害发生的重要地段，对工程建设和人类生活影响很大。
当前对高陡变形破坏边坡的边界、成因机制、稳定性分析计算等方面均有较深入的研究和计算程序，对顺层破坏边界(滑带)，由于以泥质物为主，对控制性的物理力学性质参数有较为成功的取值方法、成果，而溃屈段及其形成的剪出带岩体碎裂、架空，现场获得溃屈段，和溃屈剪出带呈碎屑、碎块状的破坏带的原位试样和物理性质(密度、孔隙率、含水量等)的测取尚未很好解决，需要创新出新的技术、方法。
块状岩质边坡形成的大型滑坡的滑体、大型崩塌堆积体等几乎全由破坏的岩石块体、碎块构成，架空明显，呈现明显的散状结构，轻微扰动就会出现变形破坏，当前获取这类散状--架空的变形破坏体大尺度的原位试样，现场测试物理性质参数(密度、孔隙率、含水量等)，是一大难点，需要创新出新的技术、方法。
构成断层破碎带主体的碎裂岩体(不包括断层泥)，由于是断层带的主体，是分析岩体变形的主体，获得物理性质指标(密度、孔隙率、含水量等)及对应的力学指标，是岩体稳定性评价的重要参数，由于处于一定的地应力环境下，平硐揭露后稍有扰动就会碎坏，原位获得测试物理指标试件，测定物理性质指标(密度、孔隙率、含水量等)仍是当前面临的技术难点，需要创新出新的技术、方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种碎裂、架空岩体物理参数指标试样制备方法，避免碎裂、架空岩体的原状试样在制样过程中受到扰动；提供一种碎裂、架空岩体物理参数指标测取方法，以测取碎裂、架空岩体的物理参数指标。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：碎裂、架空岩体物理参数指标试样制备方法，包括以下步骤：
S1、在现场选定制样场地，清除制样位置处岩体表面的松弛物质；
S2、在制样位置处的岩体表面浇洒液态的粘结剂，粘结剂向下渗入岩体内，然后经过固化粘结形成初始岩样；
S3、对初始岩样进行切割，形成仅底部与初始岩样连为一体的柱状中间岩样；
S4、用热缩件对中间岩样的侧面进行包封；
S5、切断中间岩样与初始岩样的连接位置，形成外部有热缩件、内部有中间岩样的待测岩样；
S6、将待测岩样竖向放置，在待测岩样的顶部浇液态的解固剂，溶解并解除粘结剂后，形成外部有热缩件、内部有原状岩样的测试试样。
进一步的，所述粘结剂为由天然树脂和有机溶剂Ⅰ配置而成的溶液；所述解固剂为可溶解天然树脂的有机溶剂Ⅱ。
进一步的，所述天然树脂为紫胶树脂或/和松树树脂。
进一步的，所述有机溶剂Ⅰ和有机溶剂Ⅱ均为工业酒精。
进一步的，所述工业酒精的纯度大于或等于95％。
进一步的，所述热缩件为热缩膜或热缩管。
碎裂、架空岩体物理参数指标测取方法，包括以下步骤：
P1、按照碎裂、架空岩体物理参数指标试样制备方法制备测试试样；
P2、测量测试试样的体积为V1，并测量热缩件的体积为V2；则测试试样内岩体的体积为V，按公式(1)计算：
V＝V1-V2 (1)
P3、测取测试试样内岩体的净干重为m；则测试试样内岩体的干密度为γd，按公式(2)计算：
Figure BDA0002338938960000031
P4、在制样场地临近边界处采集自然状态的扰动样，筛分得到岩体粒度组成；试验获得岩体的天然含水量及颗粒密度；
P5、根据岩体的干密度、岩体的天然含水量、颗粒密度，通过计算得到碎裂、架空岩体的天然密度、孔隙率。
进一步的，步骤P3中，测取测试试样内岩体的净干重，包括以下步骤：
P3.1、测量测试试样的质量为m1，并测量热缩件的质量为m2；
P3.2、在测试试样内取部分岩体，并测量其质量为m3，然后将其烘干后再测量其质量为m4；则测试试样内岩体的净干重为：
Figure BDA0002338938960000032
本发明的有益效果是：通过在岩体表面浇洒液态的粘结剂，使粘结剂渗入岩体内的空隙或孔隙中，进而对岩体原状进行定形、辅以结构固形，这样可避免碎裂、架空岩体的原状试样在制样和运输过程中受到扰动；通过在岩样上浇液态的解固剂，溶解并解除岩样中的粘结剂，进而将岩样恢复到原来的状态，就可测取岩体原状试样的物理参数。当试样采用300mm钻头制备时，可直接作为当前国际、国内碎屑土大三轴试验机试样，以填补这方面的空白。
附图说明
图1是本发明实施例的步骤S1中选定制样位置的示意图；
图2是本发明实施例的步骤S2中初始岩样的结构示意图；
图3是本发明实施例的步骤S3中中间岩样的结构示意图；
图4是本发明实施例的步骤S4中对中间岩样包封后的结构示意图；
图5是本发明实施例的步骤S5中待测岩样的结构示意图；
图6是本发明实施例的步骤S6中测试试样的结构示意图。
图中附图标记为：1-初始岩样，2-中间岩样，3-热缩件，4-待测岩样，5-测试试样。
具体实施方式
本发明中的“碎裂、架空岩体”指的是结构稳定性较差、呈架空状、容易破碎、变形甚至散落的岩体；针对碎裂、架空岩体，采用现有的制样方法无法制取合格的原状试样。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明所述的碎裂、架空岩体物理参数指标试样制备方法，包括以下步骤：
S1、在现场选定制样场地，清除制样位置处岩体表面的松弛物质；
S2、在制样位置处的岩体表面浇洒液态的粘结剂，粘结剂向下渗入岩体内，然后经过固化粘结形成初始岩样1；
S3、对初始岩样1进行切割，形成仅底部与初始岩样1连为一体的柱状中间岩样2；
S4、用热缩件3对中间岩样2的侧面进行包封；
S5、切断中间岩样2与初始岩样1的连接位置，形成外部有热缩件3、内部有中间岩样2的待测岩样4；
S6、将待测岩样4竖向放置，在待测岩样4的顶部浇液态的解固剂，溶解并解除粘结剂后，形成外部有热缩件3、内部有原状岩样的测试试样5。
步骤S1中，在现场选定取样场地，如图1所示，所选制样场地的岩体条件应具有代表性，并且所选制样位置应有利于后续的切割施工；制样位置选定后，清除岩土体表面的松弛物质，直至相对有代表性的“碎裂、架空岩体”露出。
步骤S2中，步骤S1完成后，在制样位置处岩体的表面浇洒液态的粘结剂，粘结剂向下渗入岩体内，然后经过固化粘结，对岩体进行定形、辅以结构固形，进而形成结构稳定的初始岩样1，如图2所示，这样可避免碎裂、架空岩体的原状试样在制样和运输过程中受到扰动。所述初始岩样1的形状可以呈圆柱体形、长方体形等，但不仅限于上述形状；其中，所述初始岩样1的尺寸应满足大三轴试验机及其他物性、力学实验设备需要制备的碎裂、架空岩体原状试样的尺寸。
步骤S3中，采用切割工具对初始岩样1进行切割，形成仅底部与初始岩样1连成一体的柱状中间岩样2，如图3所示。其中，所述切割工具可以为金刚石锯、钻机的套钻、筒钻等；所述中间岩样2的横截面可以为方形、圆形等，但不仅限于上述形状。
步骤S4中，如图4所示，通过热缩件3对中间岩样2的侧面进行包封，进而对中间岩样2进行保护。
步骤S5中，通过切割工具切断中间岩样2与初始岩样1的连接位置，使中间岩样2与制样位置处的岩体分离，形成外部有热缩件3、内部有中间岩样2的待测岩样4，如图5所示。待测岩样4制备完成后，可以将待测岩样4运输至实验室后再进行下一步操作，也可以直接在制样现场进行下一步操作。
步骤S6中，将待测岩样4竖向放置，然后在待测岩样4的顶部浇液态的解固剂，通过解固剂溶解并解除其内部的粘结剂后，使岩样恢复到初始形态，形成外部有热缩件3、内部有原状岩样的测试试样5，如图6所示。通过热缩件3可避免原状岩样发生破碎、变形甚至散落，以便后续对待测岩样4的体积和质量进行测量。
本发明所述的碎裂、架空岩体物理参数指标试样制备方法，通过在岩体表面浇洒液态的粘结剂，使粘结剂渗入岩体内的空隙或孔隙中，进而对岩体原状进行定形、辅以结构固形，这样可避免碎裂、架空岩体的原状试样在制样和运输过程中受到扰动；通过在岩样上浇液态的解固剂，溶解并解除岩样中的粘结剂，进而将岩样恢复到原来的状态，就可测取岩体原状试样的物理参数。
所述粘结剂为由天然树脂和有机溶剂Ⅰ配置而成的溶液；所述解固剂为可溶解天然树脂的有机溶剂Ⅱ。所述天然树脂主要来源于植物渗出物的无定型半固体或固体有机物，天然树脂能溶于醇、醚、酮及其他有机溶剂中。本发明实施例中，通过天然树脂和有机溶剂Ⅰ按一定比例配置成液态的粘结剂；当将粘结剂浇洒在制样位置处的岩体表面后，液态的粘结剂向下渗入岩体内的空隙或空隙中，经过一段时间后，粘结剂内的有机溶剂Ⅰ挥发后，天然橡胶固化粘结在岩体内的空隙或孔隙内，对岩体进行定形、辅以结构固形，进而形成结构稳定的初始岩样1。当将解固剂浇在待测岩样4的顶部后，岩体内部的天然树脂溶解在有机溶剂Ⅱ中，形成溶液并从待测岩样4的底部流出，经过一段时间后，岩体内的粘结剂全部解除，进而形成外部有热缩件3、内部有原状岩样的测试试样5。
作为优选的方案，所述天然树脂为紫胶树脂或/和松树树脂。所述有机溶剂Ⅰ和有机溶剂Ⅱ均为工业酒精。优选的，所述工业酒精的纯度大于或等于95％。本发明实施例中，根据碎裂、架空岩体的孔隙的大小，自配有三种粘接剂，分别是适用于岩体内孔隙小的A剂，适用于岩体内孔隙大的B剂和C剂。其中，A剂为将紫胶树脂溶解在工业酒精中，配置为质量百分比浓度小于20％的溶液。B剂为将紫胶树脂溶解在工业酒精中，配置为质量百分比浓度在20％～30％之间的溶液。C剂为将紫胶树脂和松树树脂共同溶解在工业酒精中，配置为质量百分比浓度大于30％的溶液，优选的，紫胶树脂在该溶液中的质量百分比浓度在10％～20％之间，松树树脂在该溶液中的质量百分比浓度在20％～30％之间。当然，根据岩体的碎裂、架空程度，还可以配置其他质量百分比浓度的溶液，在此不做具体的限定。
步骤S2中，在浇洒粘结剂之前，应先对岩体的碎裂、架空程度进行分析，然后根据岩体的碎裂、架空程度，选择自配的三种粘结剂之一或者在现场配置合适的粘结剂，然后将粘结剂浇洒在岩体的表面，粘结剂向下渗入岩体内，然后经过固化粘接形成初始岩样1。
本发明实施例中，所述热缩件3为热缩膜或热缩管。热缩材料又称高分子记忆材料，它具有独特的记忆效应，扩张、冷却定型的材料在受热后可以重新收缩恢复原来的形状。本发明实施例中的热缩膜或热缩管就是采用热缩材料制成的。在步骤S4中，选用合适收缩率的热缩膜或热缩管，将热缩膜或热缩管包覆在中间岩样2的侧面，然后对热缩膜或热缩管加热，热缩膜或热缩管收缩在中间岩样2的侧面，对中间岩样2进行保护，但其并不对中间岩样2产生压紧力。优选的，所述热缩件3为采用薄形热缩材料制成的热缩膜或热缩管，当通过热缩件3对中间岩样2的侧面进行包封后，以减少热缩件3的体积和重量。
碎裂、架空岩体物理参数指标测取方法，其特征在于，包括以下步骤：
P1、按照碎裂、架空岩体物理参数指标试样制备方法制备测试试样5；
P2、测量测试试样5的体积为V1，并测量热缩件3的体积为V2；则测试试样5内岩体的体积为V，按公式(1)计算：
V＝V1-V2 (1)
P3、测取测试试样5内岩体的净干重为m；则测试试样5内岩体的干密度为γd，按公式(2)计算：
Figure BDA0002338938960000061
P4、在制样场地临近边界处采集自然状态的扰动样，筛分得到岩体粒度组成；试验获得岩体的天然含水量及颗粒密度；
P5、根据岩体的干密度、岩体的天然含水量、颗粒密度，通过计算得到碎裂、架空岩体的天然密度、孔隙率。
步骤P1中，按照本发明实施例中的碎裂、架空岩体物理参数指标试样制备方法制备测试试样5，测试试样5的结构如图6所示，优选的，该测试试样5为圆柱形。
步骤P2中，在测量体积时，可以采用激光扫描仪扫描试样的坐标，算出体积；或采用测量工具测量其尺寸，然后再计算出体积。通过测量和计算，测试试样5的体积为V1，热缩件3的体积为V2；则测试试样5内的岩体的体积为V＝V1-V2。
本发明实施例中的解固剂为有机溶剂，优选为工业酒精，因此按照本发明实施例的碎裂、架空岩体物理参数指标试样制备方法制备的测试试样5中，在岩体内会残留水分和有机溶剂。
步骤P3中，测取测试试样5内岩体的净干重为m，则测试试样5内岩体的干密度为
Figure BDA0002338938960000062
步骤P4中，在制样场地临近边界处采集自然状态的扰动样，扰动样的重量可参照粗粒土的要求为2～5kg，通过筛分得到岩体的粒度组成，进而可得到岩体的颗粒密度，通过取样烘干的方式，得到岩体的天然含水量。
步骤P5中，根据岩体的干密度、岩体的天然含水量、颗粒密度，通过计算就可得到碎裂、架空岩体的天然密度、孔隙率等物理参数指标。
步骤P3中，可以采取对测试试样5内的岩体进行整体烘干的方式，得到测试试样5内岩体的净干重，但是当测试试样5的体积较大、重量较重时，这种方式不仅操作时间长，而且劳动量较大；尤其是在野外操作条件有限的情况下，该操作方式难以实施。
作为一种优选方式，步骤P3中，测取测试试样5内岩体的净干重，包括以下步骤：
P3.1、测量测试试样5的重量为m1，并测量热缩件3的质量为m2；
P3.2、在测试试样5内取部分岩体，并测量其质量为m3，然后将其烘干后再测量其质量为m4；则测试试样5内岩体的净干重为：
Figure BDA0002338938960000071
本发明实施例中，采用取样烘干的方式获得测试试样5内岩体的含液量，进而获得测试试样5内岩体的净干重，操作时间短、劳动量小，尤其适用于野外操作条件受限的情况。根据测试试样5内岩体的净干重，则测试试样5内岩体的干密度为：
Figure BDA0002338938960000072

Claims (7)

1.碎裂、架空岩体物理参数指标测取方法，其特征在于，包括以下步骤：
P1、按照碎裂、架空岩体物理参数指标试样制备方法制备测试试样(5)；所述碎裂、架空岩体物理参数指标试样制备方法，包括以下步骤：
S1、在现场选定制样场地，清除制样位置处岩体表面的松弛物质；
S2、在制样位置处的岩体表面浇洒液态的粘结剂，粘结剂向下渗入岩体内，然后经过固化粘结形成初始岩样(1)；
S3、对初始岩样(1)进行切割，形成仅底部与初始岩样(1)连为一体的柱状中间岩样(2)；
S4、用热缩件(3)对中间岩样(2)的侧面进行包封；
S5、切断中间岩样(2)与初始岩样(1)的连接位置，形成外部有热缩件(3)、内部有中间岩样(2)的待测岩样(4)；
S6、将待测岩样(4)竖向放置，在待测岩样(4)的顶部浇液态的解固剂，溶解并解除粘结剂后，形成外部有热缩件(3)、内部有原状岩样的测试试样(5)；
P2、测量测试试样(5)的体积为V1，并测量热缩件(3)的体积为V2；则测试试样(5)内岩体的体积为V，按公式(1)计算：
V＝V1-V2 (1)
P3、测取测试试样(5)内岩体的净干重为m；则测试试样(5)内岩体的干密度为γd，按公式(2)计算：
Figure FDA0003953362320000011
P4、在制样场地临近边界处采集自然状态的扰动样，筛分得到岩体粒度组成；试验获得岩体的天然含水量及颗粒密度；
P5、根据岩体的干密度、岩体的天然含水量、颗粒密度，通过计算得到碎裂、架空岩体的天然密度、孔隙率。
2.根据权利要求1所述的碎裂、架空岩体物理参数指标测取方法，其特征在于，所述粘结剂为由天然树脂和有机溶剂Ⅰ配置而成的溶液；所述解固剂为可溶解天然树脂的有机溶剂Ⅱ。
3.根据权利要求2所述的碎裂、架空岩体物理参数指标测取方法，其特征在于，所述天然树脂为紫胶树脂或/和松树树脂。
4.根据权利要求2或3所述的碎裂、架空岩体物理参数指标测取方法，其特征在于，所述有机溶剂Ⅰ和有机溶剂Ⅱ均为工业酒精。
5.根据权利要求4所述的碎裂、架空岩体物理参数指标测取方法，其特征在于，所述工业酒精的纯度大于或等于95％。
6.根据权利要求1、2或3所述的碎裂、架空岩体物理参数指标测取方法，其特征在于，所述热缩件(3)为热缩膜或热缩管。
7.根据权利要求1所述的碎裂、架空岩体物理参数指标测取方法，其特征在于，步骤P3中，测取测试试样(5)内岩体的净干重，包括以下步骤：
P3.1、测量测试试样(5)的质量为m1，并测量热缩件(3)的质量为m2；
P3.2、在测试试样(5)内取部分岩体，并测量其质量为m3，然后将其烘干后再测量其质量为m4；则测试试样(5)内岩体的净干重为：
Figure FDA0003953362320000021
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