不同节理粗糙度隐节理岩体模型试样制备方法及制备模具与流程

本发明属于岩体力学和岩石工程领域，具体涉及一种不同节理粗糙度隐节理岩体模型试样的制备方法和制备模具。

背景技术：

节理岩体是水利水电工程、隧道工程、采矿工程中经常遇到的一种复杂岩体。岩体中含有不同规模的天然弱面，在地质运动作用下，这些已有的弱面会闭合、张开、扩展或导致岩石中产生新的裂隙。与完整岩块相比，节理岩体的力学性质很大程度决定于这些弱结构面。当地下水在节理岩体中流动时，节理的特性如粗糙度在很大程度上影响节理岩体的力学和水力学性质。

在节理岩体的内部，普遍发育着隐节理，新鲜岩体经过开挖卸荷后，由于隐节理的关系，岩体的强度普遍降低很大，而且很容易破碎。因此，岩体中的隐节理对岩体本身强度的影响至关重要。在过去的几十年内，许多学者在多孔介质渗透研究领域中取得了大量的成果，对宏观现象分析的多，主要是针对宏观的大的裂隙的渗流，比如建立的立方定律方程或修正的立方定律方程。而对岩石微裂缝系统中的隐节理流动现象重视不够，往往认为渗透性小而被忽略。

目前节理岩体模型的制备多为制备柱状节理岩体相似材料试样或者随机裂隙类岩石试样，而缺少不同节理粗糙度隐节理岩体模型试样的制备，给室内不同节理粗糙度隐节理岩体力学试验带来了不便。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明公开了一种不同节理粗糙度隐节理岩体模型试样制备方法，该方法能够精确制备出含有不同节理粗糙度的隐节理岩体模型试样；同时本发明公开了用于制备不同节理粗糙度隐节理岩体模型试样的模具。

技术方案：不同节理粗糙度隐节理岩体模型试样制备方法，包括以下步骤：

步骤1、利用计算机辅助设计软件建立不同节理粗糙度隐节理试样模型，将节理粗糙度系数标准轮廓曲线数字化，将数字化的节理粗糙度曲线输入计算机并与3D打印机相连接；

步骤2、准备3D打印机所需的粉末状原料和粘合剂胶水，将所述粉末状原料和粘合剂胶水装入3D打印机内，按照步骤(1)中设定的节理粗糙度曲线打印隐节理插片；

步骤3、对打印好的隐节理插片进行切割，得到试验所需要不同尺寸的隐节理片；

步骤4、在试样成型模具内灌注部分水泥砂浆，将隐节理片放入后，将水泥砂浆注满模具，使隐节理片埋于节理岩体模型内部，外部不可见；

步骤5、养护至水泥砂浆固化成型、形成初具形状的试样部件后脱模；

步骤6、对试样进行打磨，得到满足试验要求的不同节理粗糙度隐节理岩体模型试样。

优选地，步骤1中建立不同节理粗糙度隐节理试样模型是基于10条标准节理剖面，通过计算机辅助设计软件AutoCad来构建。

优选地，步骤2中所述粉末状原料为锡粉，其强度符合岩体结构面强度。

优选地，步骤3中使用高压水刀对打印好的隐节理插片进行切割，可以避免切割时破坏节理粗糙度的完整性。

优选地，为避免制成的试样出现空洞，步骤4中水泥砂浆配比为普通硅酸盐水泥：河砂：水：聚羧酸减水剂＝1∶0.5:0.35：0.001。

优选地，步骤4中灌注水泥砂浆采用分层浇筑，以保证做出不同角度的隐节理。

优选地，步骤(5)中养护时间为22～26小时。

优选地，步骤(4)中先向试样成型模具内壁涂抹润滑剂后再灌注水泥砂浆，这样方便脱模。

本发明还公开了一种不同节理粗糙度隐节理岩体模型试样制备模具，所述模具分为带有弧形插片的第一模具片和带有弧形凹槽的第二模具片，弧形插片与弧形凹槽可以插合；其中第一模具片与第二模具片均具有开口端与封闭端，第一模具片与第二模具片通过弧形插片与弧形凹槽的插合构成具有空心腔体的模具本体，第一模具片的封闭端与第二模具片的封闭端拼接构成空心腔体的底端。

优选地，第一模具片与第二模具片通过弧形插片与弧形凹槽的插合构成具有空心腔体的横截面为圆形、长方形、正方形或椭圆形。

有益效果：本发明公开的不同节理粗糙度隐节理岩体模型试样制备方法利用3D打印技术打印不同节理粗糙度的隐节理插片，具有精度高，模拟节理粗糙度效果逼真的优点，同时实现了在相似材料岩体试样内部制作出不同节理粗糙度的隐节理，实现了室内试验所需要的不同节理粗糙度隐节理岩体模型试样的制备。本发明公开的不同节理粗糙度隐节理岩体模型试样制备模具，可以制成表面平滑的试样，通过吻合性号的弧形插片与弧形凹槽的插合与拆分，在使用时拆卸方便。

附图说明

图1为操作流程图；

图2为不同节理粗糙度隐节理岩体模型试样制备模具的俯视图；

图3为不同节理粗糙度隐节理岩体模型试样制备模具的立体图；

图4为具有弧形插片和弧形凹槽的模具片拼接后组成的完整试样成型模具；

图5为制成的第三级节理粗糙度为4～6隐节理岩体模型试样示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。

以制备第三级节理粗糙度为4～6的隐节理岩体模型试样为例，本实施例的操作流程如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、基于10条标准节理剖面，利用计算机辅助设计软件AutoCad建立不同节理粗糙度隐节理试样模型，将节理粗糙度系数标准轮廓曲线数字化，将数字化的节理粗糙度曲线输入计算机并与3D打印机相连接；

步骤2、准备3D打印机所需的粉末状原料和粘合剂胶水并装入3D打印机内，按照步骤(1)中设定的节理粗糙度曲线打印隐节理插片，本实施例中选用低强度的比较符合岩体结构面强度的锡粉作为3D打印原料，粘合剂胶水按照所使用的打印机适用的胶水型号来选择；

步骤3、对打印好的隐节理插片进行切割，得到试验所需要不同尺寸的隐节理片，为了避免切割时破坏节理粗糙度的完整性，采用高压水刀对打印好的隐节理插片进行切割；

步骤4、本实施例制成的试样为直径50mm，高100mm的圆柱体，如图2和图3所示，所用的模具分为带有弧形插片1的第一模具片2和带有弧形凹槽3的第二模具片4，弧形插片与弧形凹槽可以插合；其中第一模具片2与第二模具片4均具有开口端5与封闭端6，第一模具片2与第二模具片4通过弧形插片1与弧形凹槽3的插合构成具有空心腔体7的模具本体，第一模具片的封闭端与第二模具片的封闭端拼接构成空心腔体7的底端。

将具有弧形插片的第一模具片插入具有弧形凹槽的第二模具片，即拼接成完整的试样成型模具；如图4所示，拼接后的试样成型模具是外部为长70mm，宽70mm，高150mm的长方体，内部是直径50mm，高100mm的圆柱体，即空心腔体的横截面为圆形。

在试样成型模具内壁涂抹润滑剂后再灌注水泥砂浆，这样方便脱模。本实施例中涂抹的润滑剂为凡士林。之后灌注部分水泥砂浆，将隐节理片放入后，将水泥砂浆注满模具，使隐节理片埋于节理岩体模型内部，外部不可见；为避免制成的试样出现空洞，水泥砂浆配比为普通硅酸盐水泥：河砂：水：聚羧酸减水剂＝1∶0.5:0.35：0.001；灌注水泥砂浆采用分层浇筑，以保证做出不同角度的隐节理；

步骤5、养护24小时至水泥砂浆固化成型、形成初具形状的试样部件后脱模；

步骤6、使用钢锉对试样表面进行打磨，得到满足岩石三轴渗流伺服仪要求的不同节理粗糙度隐节理岩体模型试样，其内部有隐节理8，如图5所示。