用于渗流试验的含凿痕结构柱状节理试样制备方法与流程

本发明涉及一种用于渗流试验的含凿痕结构柱状节理试样制备方法，属于地质学、渗流力学与岩石力学等多学科的交叉技术领域。

背景技术：

节理是岩体中分布广泛的一类地质不连续面。岩体渗流在本质上是不连续面及其网络的渗流，因此，节理渗透特性的研究对于岩体水力性质具有重要的意义。早期在进行节理渗流特性研究时，将节理假定为光滑平行板，发展了经典的立方定律。但是，实际岩石节理并不是光滑平直的，渗流领域的相关学者提出了节理粗糙度系数、孔道迂曲度系数等在节理渗流与节理渗流-应力耦合方面开展了大量有益研究，但目前仍没有形成系统的理论体系。

岩体中的非连续面按渗流作用可分为主干裂隙和网络状裂隙两部分，主干裂隙如断层、剪切破碎带、层间错动带、大节理，通常切割深、延伸长、规模大。网络中裂隙单体规模小，密度大。主干裂隙渗透性强，是主要的导水通道，网络状裂隙主要起储水作用。其中，柱状节理岩体渗流是一种典型的主干裂隙导水，微裂隙储水的渗流体系。柱状节理面上的微裂隙、孔洞等严重影响了节理面的渗透特性。特别是一种特殊地质构造凿痕状裂纹的出现，其光滑部分可用平行板理论分析，但是凸出的粗糙部分改变了渗流通道，两者的组合更加显著的影响了节理面的渗流特性，因此，凿痕结构的存在为柱状节理岩体网络渗流特性的研究增加了新的研究课题。

柱状节理岩体通常柱体较长、直径较大，原位取样进行室内试验不符合目前设备的尺寸要求，通常，研究者根据相似比准则，通过现场原位测定试样的几何形态、柱面特征与节理特征等进行室内缩尺模型试验，该方法相对经济、可靠。在柱状节理岩体室内试验研究方面，大部分的研究都是通过河砂、水泥与石膏等材料进行不同配比拌合结合模具浇铸试样，通过多次尝试发现配比浇铸试样的方法很难制备出满足渗流试验要求的试样，因为该方法在节理宽度控制方面很难做到制备的试样各节理宽度、充填程度及粗糙度一致。

综上所述，节理网络渗流理论研究并不完善，柱状节理岩体节理渗流特性的研究几乎空白；柱状节理凿痕结构的存在显著改变了渗流路径，既有研究成果未见相关研究；既有用于渗流试验的含节流网络的试样制备方法适用性较差。因此，提出一种合理的、可靠度较高的用于渗流试验的含凿痕结构柱状节理网络的试样制备方法并开展渗流试验研究成为当前岩石力学、渗流力学试验领域重要的且亟需的研究课题。

技术实现要素：

目的：为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种用于渗流试验的含凿痕结构柱状节理试样制备方法，该方法可真实反映节理面凿痕结构对柱状节理岩体网络渗流特性的影响，该试验制备方法操作可合理控制节理间距与节理充填度，制样方法合理、可靠度较高。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种用于渗流试验的含凿痕结构柱状节理试样制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）原位测定玄武岩柱状节理岩体冷凝面几何形态、产状、柱径、柱状节理宽度、节理充填度、柱面凿痕结构条纹宽度与厚度；

（2）基于相似比原则，利用Revit软件构建三维缩尺几何模型导入3D打印机；

（3）玄武岩粉末作为柱体材料，次生黄泥作为节理网络材料，分别装入3D打印机两个喷头内同时打印，形成含凿痕结构柱状节理网络模型的试样；

（4）后期加工处理、养护后，用于柱状节理岩体渗流试验。

步骤（1）中，玄武岩柱状节理、隐节理及微裂隙由次生性黄泥充填，柱面分布凿痕状条纹，凿痕结构分为光滑部分与粗糙部分。

步骤（2）具体是指：根据原位地质调查数据，利用Revit2013软件生成柱体3D模型及柱状节理网络3D模型，根据原位量测的柱面凿痕结构条纹宽度与厚度及分布位置在柱面上表征凿痕结构。

步骤（2）中，基于几何相似比原则，3D模型尺寸为原位试样尺为的1/20~1/25。

步骤（2）中，将柱体3D模型及柱状节理网络3D模型导入MakerBot Replicator 3D打印机。

步骤（3）中，以玄武岩粉末作为柱体的打印原材料，以次生泥岩作为柱状节理充填物的打印原材料，采用两种不同强度的胶结剂模拟相似比。

步骤（3）中，柱状节理充填物的厚度、密度与含水率物理力学特性及节理充填程度通过CT扫描原状试样及室内试验确定。3D打印技术有效避免了配比浇铸试样的脱模、二次灌注问题，MakerBot Replicator 3D打印机可同时打印柱体、节理网络，通过激光定位可以合理控制节理宽度与节理充填度，试样一次成型。

步骤（4）具体是指，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天后打磨加工成100×100×100mm立方体试样，配套岩石三轴裂隙渗流试验机进行渗流试验。

有益效果：本发明提供的用于渗流试验的含凿痕结构柱状节理试样制备方法，具有以下优点：

（1）该方法有效避免了配比浇铸试样的脱模、二次灌注等问题，MakerBot Replicator 3D打印机可同时打印柱体、节理网络，通过激光定位可以合理控制节理宽度与节理充填度，试样一次成型；

（2）该方法可真实反映节理面凿痕结构对柱状节理岩体网络渗流特性的影响，填补柱状节理网络渗流研究方面的空白，并节理面渗流特性研究提供了一种新的方向；

（3）该方法简单可靠、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；

（4）该方法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柱状节理网络渗流行为研究提供可靠的方法支撑。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为一种柱面含凿痕结构的柱状节理岩体的示意图；

图3为本发明用于渗流试验的含凿痕结构柱状节理网络的立方体试样；

图中：1. 凿痕结构粗糙部分；2. 凿痕结构光滑部分；3. 柱面凿痕结构条纹宽度；4. 柱面凿痕结构条纹厚度； 5. 柱径；6. 汇流或分流节点；7. 渗流通道；8. 柱体；9. 节理网络。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1至图3所示，一种可用于渗流试验的含凿痕结构柱状节理网络的试样试验主要包含以下几个部分： 凿痕结构粗糙部分1；凿痕结构光滑部分2；柱面凿痕结构条纹宽度3；柱面凿痕结构条纹厚度4；柱径5；汇流或分流节点6； 渗流通道7；柱体8； 节理网络。

如图1所示，一种用于渗流试验的含凿痕结构柱状节理试样制备方法，包括以下步骤：

（1）原位测定玄武岩柱状节理岩体冷凝面几何形态、产状、柱径5、柱状节理宽度、节理充填度、柱面凿痕结构条纹宽度3与厚度4；

玄武岩柱状节理、隐节理及微裂隙由次生性黄泥充填，柱面分布凿痕状条纹，凿痕结构分为光滑部分2与粗糙部分1；

（2）基于相似比原则，利用Revit软件构建三维缩尺几何模型导入3D打印机；

根据原位地质调查数据，利用Revit2013软件生成柱体3D模型及柱状节理网络3D模型，根据原位量测的凿痕结构条纹宽度3、厚度4及分布位置在柱面上表征凿痕结构；

基于几何相似比原则，3D模型尺寸为原位试样尺为的1/20~1/25；

将柱体与节理网络3D形态模型导入MakerBot Replicator 3D打印机；

（3）玄武岩粉末作为柱体8材料，次生黄泥作为节理网络9材料，分别装入3D打印机两个喷头内同时打印，形成含凿痕结构柱状节理网络模型的试样；

以玄武岩粉末作为柱体8的打印原材料，以次生泥岩作为柱状节理网络9充填物的打印原材料，采用两种不同强度的胶结剂模拟相似比；

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；

3D打印技术有效避免了配比浇铸试样的脱模、二次灌注等问题，MakerBot Replicator 3D打印机可同时打印柱体8、节理网络9，通过激光定位可以合理控制节理宽度与节理充填度，试样一次成型；

（4）后期加工处理、养护后，用于柱状节理岩体渗流试验。

将制备的试样养护后打磨加工成100×100×100mm立方体试样，配套岩石三轴裂隙渗流试验机进行渗流试验，渗流路径主要由汇流或分流节点6与渗流通道7组成。

实施例

以制备浙江省某柱状节理地区含凿痕结构柱状节理岩体为例，本发明的一种用于渗流试验的含凿痕结构柱状节理试样制备方法如下：

（1）原位测定玄武岩柱状节理岩体冷凝面几何形态为正六边形，产状水平，柱径5为25cm，由CT技术得到柱状节理宽度、节理充填度，用电子尺量测柱面凿痕结构条纹宽度3与厚度4等，基于几何相似比原则将柱体8大小缩尺为原样的1/25，利用Revit2013软件分别构建柱体8及节理网络9的3D模型；

（2）将模型导入MakerBot Replicator 3D打印机，以玄武岩粉末作为柱体8材料，次生黄泥作为节理网络9充填材料分别装入MakerBot Replicator 3D打印机两个喷头内，两个喷头同时打印形成含凿痕结构柱状节理网络的岩体初始试样；

（3）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天后打磨加工成100×100×100mm立方体试样，配套岩石三轴裂隙渗流试验机进行渗流试验。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。