一种含隐节理的类岩石试样制备装置及制备方法与流程

本发明涉及一种类岩石试样的制备装置及制备方法，具体涉及一种含隐节理的类岩石试样制备装置及制备方法，属于土木工程、水电工程领域。

背景技术：

在工程岩体中普遍存在各种尺度的节理裂隙，节理裂隙对岩石的力学特性具有显著的影响，岩石的失稳破坏也与这些节理裂隙具有密切的关系。特别是在高水头压力形成的高压渗流下，岩体渗流应力耦合力学特性，直接关系到工程的长期稳定性与安全性评价。节理岩体工程特性的研究成为一个热点。

然而实际工程现场很难钻取到含节理裂隙的天然岩样，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。模型试验提供了一种直接有效的方法，即通过相似材料人工制备含节理的类岩石试样，而类岩石试样制备的关键在于如何真实反映节理裂隙岩体的基本特征，即节理倾角、连通率、数量及间距。

目前人工制备节理岩体类岩石试样的方法主要有两种，一是采用机械切割后再粘接较弱的结构面材料来模拟节理面，二是在试样未完全凝固之前预留铁片，及时抽取出铁片后再回填弱的结构面材料来模拟节理面。这两类方法只能简单的描述节理岩体的特征，并且制备的试样中节理结构面为全贯通或者半贯通，操作复杂，成本较高。对于如何制备包含在岩样内部的隐节理试样，如何定量描述隐节理倾角、连通率、数量和间距，以便进行后续的实验，是急需解决的问题。

技术实现要素：

发明目的：本发明的针对现有岩样制备方法只能制备贯通或部分贯通节理试样、无法制备含隐节理试样的问题，提供一种含隐节理的类岩石试样制备装置，并基于该装置提供一种含隐节理的类岩石试样制备方法；采用该制备装置及制备方法制作的隐节理试样可以精确描述隐节理倾角、连通率、数量和间距等节理岩体的基本特征。

技术方案：本发明所述的一种含隐节理的类岩石试样制备装置，包括底板和模具支撑系统，该模具支撑系统包括垂直连接的第一支撑板和第二支撑板，该第一支撑板上方设有与其平行的第一挡板和与其垂直的第二挡板，第一支撑板与第一挡板通过该第二挡板连接、共同构成用于放置岩样制备模具的柱形腔室，该柱形腔室具有一开口端；其中，所述两支撑板的连接处与底板铰接，使得模具支撑系统可带动柱形腔室相对于底板转动、与底板形成任意角度、以模拟隐节理倾角；而且，第一支撑板上设有尺寸刻度，可根据隐节理间的间距计算出试样中每条隐节理对应的尺寸刻度，从而可控制制得的试样中隐节理的位置、数量和间距。

较优的，模具支撑系统还包括位于第一支撑板和第二支撑板形成的角度范围内、并与两支撑板分别固定的弧形支撑架，该弧形支撑架上自其与第一支撑板的固定处起至与第二支撑板的固定处顺序设有0～90°的角度刻度，从而可方便地确定模具支撑系统与底板之间的角度，进而方便地模拟出隐节理倾角。

进一步的，该类岩石试样制备装置还包括与底板固定的锯齿螺栓，该锯齿螺栓上设有凹槽，弧形支撑架的每个刻度位置均设有可与该凹槽卡合固定的凸起。当弧形支撑架调节至所需角度时，可通过锯齿螺栓将其固定。

更优的，柱形腔室的开口端可拆卸连接有环形卡口，该环形卡口的内径尺寸与岩样制备模具的内径尺寸相同。环形卡口可以拆卸连接，有利于试样上端部分的浇注，试样是在一定倾斜的状态下进行浇注，上端不易完全浇注满，设置一个环形卡口，一直浇筑至环形卡口，待试样初凝，取下环形卡口，将上端抹平即完成试样浇注。

本发明所述的一种利用类岩石试样制备装置制备含隐节理的类岩石试样的方法，包括如下步骤：

1)准备用于制作试样的原料，包括制作用于形成试样的模具、根据隐节理的结构特征裁剪出可模拟隐节理的锡片、以及配制用于模拟天然岩石的水泥砂浆；

2)调节类岩石试样制备装置，使第一支撑板与底板之间的角度β＝90°-α，α为待模拟的隐节理倾角，然后将模具放置于柱形腔室内；

3)浇注试样：根据隐节理间的间距要求，确定每条隐节理所在位置对应在第一支撑板上的刻度值，向模具内分次注入水泥砂浆，当水泥砂浆的量达到每条隐节理对应的刻度值时，放入锡片，直至最后一条锡片置入后，将模具内注满；

4)试样脱模、打磨成型并养护；

5)对试样进行低温处理，直至锡片变成粉末、形成隐节理结构，即得试样。

上述步骤1)中，模具的制作方法为：采用3D打印技术，以树脂材料为原料制作两个可拆分的半圆柱形模具组件，然后将两个模具组件固定形成圆柱状的模具。进一步的，模拟隐节理的锡片为椭圆形，椭圆形锡片的长轴和短轴尺寸可根据节理连通率确定。

上述步骤3)中，相邻两条隐节理所在位置对应在第一支撑板上的两刻度值之差其中，D为相邻两条隐节理间的间距。

较优的，步骤3)中，每次放入锡片后，暂停浇注，静置、直至水泥砂浆和锡片稳定后继续浇注，从而可避免锡片在水泥砂浆浇注过程中移动位置，进一步提高隐节理位置的准确性。

具体的，步骤5)中，低温处理是将养护后的试样置于零下35℃～零下33℃的温度条件下1～2h。

有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点在于：(1)本发明的类岩石试样制备装置能够定量描述岩样中隐节理的倾角、连通率、数量和间距等节理变量，制得的岩样能够真实反映节理裂隙岩体的基本特征；(2)本发明的类岩石试样制备方法操作简单，能够进一步精确控制岩样中各种节理变量，制得的岩样与天然岩石的符合度更高，对于研究隐节理裂隙在三轴压缩以及渗流-应力耦合-流变过程中的强度特性、渗透率的演化规律、节理裂隙扩展机理具有重要意义；(3)本发明的类岩石试样制备方法以锡片模拟裂隙，试样成型后对其进行低温处理，锡片即可变成粉末形成节理，一次成型，避免了对试样造成的破坏。

附图说明

图1为本发明的含隐节理的类岩石试样制备装置的结构示意图；

图2为图1中A处的局部放大图；

图3为本发明的环形卡口的结构示意图；

图4为实施例1制得的含隐节理岩样的结构示意图；

图5为实施例2制得的含隐节理岩样的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1，本发明的一种含隐节理的类岩石试样制备装置包括底板1和模具支撑系统，模具支撑系统包括第一支撑板2和第二支撑板3，两支撑板垂直连接；第一支撑板2上方设有第一挡板4和第二挡板5，其中，第一挡板4与其平行设置，第二挡板5与其垂直设置、且第二挡板4的两端分别连接第一支撑板2和第一挡板4，三者共同构成一柱形腔室6，其一端开口，岩样制备模具可通过开口端置入柱形腔室6内。

其中，两支撑板的连接处与底板1铰接，使得模具支撑系统可带动柱形腔室6相对于底板1转动、与底板1形成任意角度，从而可模拟出隐节理倾角。

第一支撑板2上设有尺寸刻度，可根据隐节理间的间距计算出试样中每条隐节理对应的尺寸刻度，从而可控制制得的试样中隐节理的位置、数量和间距。

模具支撑系统还可包括弧形支撑架7，弧形支撑架7位于两支撑板形成的角度范围内、并与两支撑板分别固定，其弧形支撑架7上自其与第一支撑板2的固定处起至与第二支撑板3的固定处顺序设有0～90°的角度刻度，此时可方便地确定模具支撑系统与底板1之间的角度、进而方便地模拟出隐节理倾角；以隐节理倾角为α为例，仅需转动模具支撑系统，使弧形支撑架7上与底板1对应位置处的刻度为β(β＝90°-α)，即可模拟出该隐节理倾角。

如图2，底板1上还可以固定有锯齿螺栓8，该锯齿螺栓8上设置凹槽9，弧形支撑架7的每个刻度位置均设有可与该凹槽8卡合固定的凸起10。当弧形支撑架7调节至所需角度时，可通过锯齿螺栓8将其固定，更精确地模拟出隐节理倾角。

为方便试样的浇注，可在柱形腔室6的开口端设置与其可拆卸连接的环形卡口11，环形卡口11的内径尺寸与模具的内径尺寸相等，如图3。由于试样是在一定倾斜的状态下进行浇注，上端不易完全浇注满，设置一个环形卡口11，一直浇筑至环形卡口11，待试样初凝，取下环形卡口11，将试样上端抹平即可完成试样浇注。

实施例1

制备隐节理倾角α1＝45°，连通率k1＝22.4％，数量n1＝2条，间距D1＝2cm的类砂岩试样，包含如下步骤：

1)利用3D打印技术，采用树脂材料制作两个可拆分的半圆柱模具，然后将两个半圆柱模具用两个带螺栓的金属条固定在一起，形成一个标准圆柱样模具，尺寸为Φ50×100；

2)采用薄锡片模拟隐节理裂隙，锡片的厚度为0.1mm，将锡片裁剪为长轴a＝2cm，短轴b＝1cm的椭圆形，使得形成的节理的连通率k1＝22.4％；

3)调节隐节理试样制备装置，使弧形支撑架7上与底板1位置对应处的刻度β＝45°并固定好，则隐节理倾角为α＝90°-45°＝45°，然后将步骤1)制备的标准模具放入柱形腔室6中；

4)制备砂浆材料：砂浆材料主要由水泥、砂、水混合搅拌得到，根据带模拟的天然岩石的强度和渗透性能确定；本实例模拟砂岩，结合相关文献资料，采用52.5的水泥，即水泥：砂：水三者的质量比为1:0.5:0.35；

5)浇筑试样：本实例中模拟的类砂岩试样的节理间距D1＝2cm，两条隐节理所在面对应在第一支撑架2上的刻度之间的距离用针筒抽取步骤4)制得的砂浆材料，向模具内注入砂浆至第一支撑架2上刻度L1＝4cm处，振捣均匀后放入一条步骤2)裁剪的锡片，待30s后砂浆和锡片都处于稳定状态，继续浇筑砂浆、至L2＝L1+ΔL＝6.8cm处，振捣均匀后放入第二条锡片，然后浇筑至环形卡口11。

6)试样脱模以及打磨成型：将步骤5)中浇筑的试样在类岩石试样制备装置上放置6小时后取出，摘下环形卡口11，将试样的上表面磨平；试样放置24小时后，脱掉模具，将试样置于温度20℃±2℃、相对湿度为95％的养护箱中养护。

7)试样的低温处理：试样养护28天后，置于冷冻储藏箱中，温度调到零下33°，低温处理1个小时。

经过冷处理后的试样，预制的隐节理将将发生“锡瘟”，变成没有强度的粉末，达到真正模拟隐节理的目的，同时试样又具有岩石的脆性特征。本实施例制得的含隐节理的类砂岩试样如图4，可以看到，试样中隐节理倾角为45°、连通率为22.4％、数量为2条，且两条隐节理之间的间距为2cm。

实施例2

制备隐节理倾角α2＝60°，连通率k2＝67.2％，数量n2＝3，间距D2＝1cm，的类砂岩试样，包含如下步骤：

1)实施例1中试样脱模后，将模具清洗干净后可重复使用。同实施例1一样，将两个半圆柱模具用两个带螺栓的金属条固定在一起，形成标准圆柱样模具。

2)采用薄锡片模拟隐节理裂隙，锡片的厚度为0.1mm，本实例中节理连通率k2＝67.2％，故将锡片裁剪为长轴a＝3cm、短轴b＝2cm的椭圆形；

3)调节隐节理试样制备装置，使弧形支撑架7上与底板1位置对应处的刻度β＝30°并固定好，则隐节理倾角为α＝90°-30°＝60°，然后将步骤1)制备的标准模具放入试样架；

4)制备砂浆材料：砂浆材料主要由水泥、砂、水混合搅拌得到，本实例模拟砂岩，结合相关文献资料，采用52.5的水泥，即水泥：砂：水三者的质量比为1:0.5:0.35；

5)浇筑试样：本实例中模拟的类砂岩试样的节理间距为D2＝1cm，数量为n＝3条，三条隐节理所在面对应在第一支撑架2上的刻度之间的距离用针筒抽取步骤4)制得的砂浆材料，向模具内注入砂浆至第一支撑架2上刻度L1＝4cm处，振捣均匀后放入一条步骤2)裁剪的锡片，待30s后砂浆和锡片都处于稳定状态，继续浇筑砂浆、至L2＝L1+ΔL＝6cm处，振捣均匀后放入第二条锡片，待砂浆和隐节理再次稳定后，继续注入砂浆、至L3＝L2+ΔL＝8cm处，放入第三条锡片，注入砂浆到环形卡口11满为止。

6)试样脱模以及打磨成型：将步骤5)中浇筑的试样在类岩石试样制备装置上放置6小时后取出，摘下环形卡口11，将试样的上表面磨平；试样放置24小时后，脱掉模具，将试样置于温度20℃±2℃、相对湿度为95％的养护箱中养护。

7)试样的低温处理：试样养护28天后，置于冷冻储藏箱中，温度调到零下33°，低温处理1个小时。

经过冷处理后的试样，预制的隐节理将将发生“锡瘟”，变成没有强度的粉末，达到真正模拟隐节理的目的，同时试样又具有岩石的脆性特征。本实施例制得的含隐节理的类砂岩试样如图5，可以看到，试样中隐节理倾角为60°，连通率为67.2％，数量为3条，且三条隐节理之间的间距为1cm。