利用相似模型确定柱状节理岩体特征单元体REV的方法与流程

本发明涉及一种利用相似模型确定柱状节理岩体特征单元体REV的方法及其应用，属于岩石力学技术领域。

背景技术：

岩体的形成是在漫长的地质历史过程中经历变形、遭到破坏，是建造与改造共同作用的结果。由于不同的地质成因，形成不同类型的岩性和岩相，其构成岩体的物质基础；同时，岩体又经受了多次构造运动的改造作用及复杂的表生演化，发生了构造变形与破裂，破坏了岩体的完整性，广泛发育了不同成因、不同规模、不同特性的结构面，如节理、裂隙等，这些重复和相交的不连续面将完整的岩石切割成不规则的岩块。在火山发育的地质环境中，玄武岩岩浆沿地表裂缝喷涌而出，在地面上流动，冷凝后形成玄武岩熔岩流。冷凝过程中，玄武岩岩浆有两个冷凝面：一个在岩流面上部接触空气，一个在岩流面底面接触下覆基岩。热量从上下两个冷凝面扩散。原生热张拉裂缝从上下两个冷凝面向岩流层中部扩展并最终形成柱状节理。柱状节理岩体的典型结构为细长的多边形柱体。地质研究表明，柱体的横截面主要为规则或非规则多边形。

柱状节理岩体具有一个REV尺寸，当试样的尺寸小于REV尺寸时，尺寸越小，这个模型的强度和变形模量越大；当试样的尺寸不断增大，这个模型的强度和变形模量都会不断减少而趋于稳定，当大于一个值的时模型的强度和变形模量不发生变化，此时的尺寸称之为REV尺寸。

申请号为201410141917.3的中国发明专利，公开的是一种岩石结构面形貌尺寸效应测量分析方法，是一种能够定量化描述岩石结构面尺寸效应特征的分析方法，但该方法原理复杂且未提供相应的程序以简化流程，而且该方法仅适用于相对完整的节理面，而对于柱状节理则不适用。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种利用相似模型确定柱状节理岩体特征单元体REV的方法及其应用，针对目前这一块所存在的技术空白，克服了现有柱状节理模型试验试样生成的缺陷。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种利用相似模型确定柱状节理岩体特征单元体REV的方法，其特征是，包括如下步骤：

1)将现场的柱状节理岩体的特征性进行描述，得到这个现场柱状节理特征信息；

2)确定相似模型，其中包括：模型岩体的混凝土的强度等级、混凝土柱子的尺寸大小，及将各个混凝土柱子胶合起来的胶结材料的强度；

3)利用确定的模型材料制作柱状节理小柱子，再将柱子胶结起来，并进行养护；

4)将胶结好的柱状节理岩体模型进行不同尺寸加工切割；

5)将步骤4)中的加工好的试样进行室内的单轴压缩试验研究；

6)将步骤5)中的数据进行处理，得到这个柱状节理岩体的特征单元体REV尺寸。

进一步地，所述步骤1)中的特征信息包括柱长径比、不同截面形状和平均边长。

进一步地，所述步骤2)中的相似模型根据相似理论利用水泥砂浆材料作为模型实验材料。

进一步地，所述步骤3)中小柱子的模型采用正六边形。

进一步地，所述正六边形的边长为5mm。

进一步地，所述步骤4)中不同尺寸包括：50mm*50mm*50mm，70mm*70mm*70mm，90mm*90mm*90mm，110mm*110mm*110mm，130mm*130mm*130mm，150mm*150mm*150mm。

前述的一种利用相似模型确定柱状节理岩体特征单元体REV的方法在力学分析方面的应用。

本发明所达到的有益效果：本发明中利用相似模型方法确定柱状节理岩体REV，较现有的方法具有经济有效的好处，能够解决现场进行不同尺寸原位压缩试验确定REV方法的困难以及花费高的问题，且能够代替从现场取样回室内并分析REV尺寸；本方法利用相似模块后除了进行REV尺寸的分析，也能够进行柱状节理岩体的力学特性、渗流特性、流变特性等力学参数的分析，方法简单、成本低廉、有效。

附图说明

图1(a)(b)(c)是一个实施例的现场柱状节理岩体的各个角度的岩体描述图；

图2是根据本方法针对图1制作的柱子模型的特制模具示意图；

图3是根据图2做的尺寸为50mm*50mm*50mm的柱状节理岩体模型示意图；

图4是节理岩体的REV尺寸说明示意图；

图5是柱状节理岩体REV尺寸研究。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

一般确定现场岩体的特征单元体REV的方法是：在现场取不同尺寸的柱状岩体在室内做单轴实验确定其力学性质变化，或者进行现场不同尺寸的力学强度测试，但是这种传统方法费时费力费钱，且这种方法难以保证取回来的岩体的完整无损。

为了研究柱状节理岩体的REV尺寸，本发明提供了新的维度去研究柱状节理岩体REV尺寸，该方法主要利用相似模型方法确定这个尺寸，可以经济有效地得到这个柱状节理岩体的REV尺寸。

结合实施例以及附图对于本发明进行具体说明，包括以下步骤：

1)将现场的柱状节理岩体的特征性进行描述，得到这个现场柱状节理特征信息，其中，特征信息包括柱长径比、不同截面形状和平均边长。

2)利用相似理论确定室内柱状节理岩体的相似模型，其中包括模型岩体的混凝土的强度等级、混凝土柱子的尺寸大小，及将各个混凝土柱子胶合起来的胶结材料的强度。其中，相似模型根据相似理论利用水泥砂浆材料作为模型实验材料。

本实施例中采用水泥砂浆等级为52.5R，模型材料的配比为：水泥：沙子：水＝1：0.4：0.45。

3)利用确定的模型材料制作柱状节理小柱子，再将柱子胶结起来，并进行养护。本实施例中，柱子形状为正六边形，边长为5mm，柱长为50mm，柱长径比为10。

柱状节理构造是常见于火山熔岩中的一种呈规则或者不规则柱状形态的原生张性破裂构造，多见于玄武岩中，柱状节理岩体通常呈四边体、五边体、六边体，通常是相互嵌合在一起，但平均边长数为六边形，故利用正六边形作为柱状节理岩体的截面形状。

4)将胶结好的柱状节理岩体模型进行不同尺寸加工切割，其中，不同尺寸一般包括：50mm*50mm*50mm，70mm*70mm*70mm，90mm*90mm*90mm，110mm*110mm*110mm，130mm*130mm*130mm，150mm*150mm*150mm。

在本实施例中采用尺寸为150mm*150mm*150mm。

5)将步骤4)中的加工好的试样进行室内的单轴压缩试验研究。

6)将步骤5)中的数据进行处理，得到这个柱状节理岩体的特征单元体REV尺寸，从而能进一步进行研究柱状节理岩体的力学特性，渗流特性和流变特性。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。