柱状节理玄武岩原状岩芯制备方法与流程

本发明涉及柱状节理玄武岩地区建设的岩土工程，包括地下洞室、边坡、隧洞（道）、坝基等，可以应用于水利、水电、交通、矿山、核废料储存、地下实验室等对围岩条件有较高要求的岩土工程领域。

背景技术：

玄武岩具有坚硬、较完整、抗风化能力强、强度高的特点。然而玄武岩中普遍发育柱状节理。柱状节理岩体作为一种特殊的结构性岩体，由于柱状节理构造的存在，其力学行为表现出典型的各向异性、不连续和非均质性，导致岩体质量等级的降低,严重影响岩土工程的设计施工。

柱状节理构造是常见于火山熔岩中的一种呈规则或不规则柱状形态的原生张性破裂构造，多见于玄武岩中，有时在中酸性熔岩、熔结凝灰岩、潜火山岩、基性岩脉中也可见到。它的形态往往呈一种规则的多边形长柱体，包括四方、五方、六方棱柱体形态,柱体垂直于熔岩层的层面。例如在白鹤滩水电站坝址区的11层玄武岩层中，柱体断面主要以五边形及不规则四边形为主，柱体长度一般1～3m，部分柱体较长，达5m。柱状节理面宽度一般13～25cm，部分柱体柱面较宽，达50～120cm。柱面大多起伏，较粗糙，部分柱体柱面不完整，柱体扭曲。

柱状节理主要是由于熔岩在冷却收缩过程中，受到种种内外因素诸如熔岩物质的均一性、岩石的结构与构造、岩浆的粘度、岩浆的冷却温度及其变化、岩浆的冷却速度及冷却的均匀性、岩体产状，古地貌与古气候条件以及平坦的冷凝面与足够的岩流厚度等的综合影响，由一定应力作用方式所导致的张性破裂变形的产物。

岩体真实的力学特性是大型岩体工程论证和设计的关键科学与技术问题，也是岩体力学与工程的重要研究课题之一。但是由于柱状节理的存在，导致在现场很难取得完整的玄武岩岩芯，即使取得也包含大量的节理裂隙，并不能真实反映玄武岩的真实力学特性，因此获得柱状节理玄武岩的原状岩芯，揭示其真实力学性质，具有较高的实际和工程应用价值。

由于柱状节理的切割影响，玄武岩柱体断面通常呈一种规则的多边形长柱体，例如四方、五方、六方棱柱体形态，在取芯、运输和加工过程中，受钻机振动、运输振动、加工切割等物理作用的影响，加工成的岩芯成功率较差，并且受到严重扰动，无法反应初始岩样的真实力学特性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种柱状节理玄武岩原状岩芯制备方法，避免对取样岩体的柱体本身造成损伤，可以获取有效岩样。为此，本发明采用以下技术方案：

柱状节理玄武岩原状岩芯制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）在现场选取柱状节理与地下水同时发育地区，开挖取样洞；取样洞底板岩体的地层天然水含量大于10%，且地下水流动或渗透速度小于10m/d；

（2）冻结施工

在取样洞底板选取取样区，取样区内具有取样柱状节理玄武岩，取样区的轮廓靠近取样柱状节理玄武岩，在取样区的周边环形布置钻孔，钻孔距离取样区1~1.5m，钻孔深度超过取样岩柱的深度1~2m；

钻孔孔口密封隔热，在钻孔中布置换热钢管，将冷却盐水在换热钢管中进行循环，吸收取样区范围内岩体的热量，直至将使岩体温度降至-10℃以下，取样岩体冷冻形成完整体；

（3）取样

沿钻孔进行切割，将钻孔围绕的区域切割下来，切割下来的样品含有取样柱状节理岩体，并放入冷藏箱保存，运至试验室；

（4）化学侵蚀

在切割下来的样品中的柱体交界面处压入氢氟酸，将切割下来的样品放入高温容器中，温度稳定在200~240℃，反应一段时间，交界面物质转换为四氯化硅气体和水；

（5）岩芯制备

取出后放置在常温环境下，交界面处由于受到氢氟酸的腐蚀，已经变得非常脆弱，轻轻敲击切割，即可获得未受扰动的多边形长柱体；对多边形长柱体进行套钻取芯，便可获得原状岩芯。

进一步地，步骤（2）中钻孔孔距0.4-0.6m，钻孔直径20~30mm。

进一步地，步骤（4）中在柱体交界面处压入氢氟酸时施加的压力大约为0.08-0.11mpa.

进一步地，步骤（5）中套钻直径根据试验需要确定，一般为50~100cm。

本发明提供了一种柱状节理玄武岩原状岩芯制备方法，充分利用玄武岩本身的组成成分与高温敏感性，采用冻结法确保了获得大尺度柱状节理岩体，有效保留了内部初始结构特征；同时，采用化学方法代替物理方法对节理面进行弱化，避免了对岩体造成扰动损伤，本发明能有效减少对岩芯的冲击扰动，最大程度地保证了获取原状岩芯。

附图说明

图1为本发明开挖取样洞后的剖面图。

图2为本发明在取样区的周边环形布置钻孔后的俯视图。

图3为本发明在取样区的周边环形布置钻孔后的剖视图。

图4为本发明对钻孔进行冷冻的示意图。

图5为对柱体交界面处压入氢氟酸的示意图。

具体实施方式

参照附图。本发明的柱状节理玄武岩原状岩芯制备方法包括以下步骤：

（1）开挖取样洞

在现场选取柱状节理与地下水同时发育地区，开挖取样洞100，洞室直径不超过3m，深度5~10m，满足施工人员工作和取样设备安置即可，见图1。

（2）冻结施工

取样洞的地域只要地层天然水含量大于10%，且地下水流动或渗透速度小于10m/d的情况，都可采用冻结施工。

为便于施工和保证冻结效果，一般将取样区域设置在取样洞底板。取样区2中含有形状比较规则的柱状节理玄武岩岩体，作为取样岩体21。取样区2的轮廓接近取样岩体，取样区2在取样岩体21外的部分能够在运输中起到保护岩体的作用及避免对岩体内部原状岩芯取样部位的扰动。

在规划的取样区周边布置钻孔1，钻孔孔距0.5m，钻孔直径20~30mm，钻孔距离取样区2的距离1~1.5m，避免钻孔施工对取样区域产生扰动，见图2，其中附图标号22表示柱状节理。钻孔深度最好超过取样岩体的深度1~2m，保证冻结效果，见图3。孔口处需采用橡胶34进行密封处理，保证密封冷却效果。

在洞取样洞100洞口处布置冻结设备31，该设备可采用工程中使用的冻结设备，其冷却介质可采用氟利昂等，而在钻孔1中布置换热钢管33，换热钢管中流通换热介质盐水（氯化钙），利用冻结设备对盐水冷却降温至0℃最佳地降至-10℃以下，输出至钻孔1内的换热钢管33的进水口。

冷却盐水注入换热钢管33中进行循环，吸收取样区2内岩体的热量，对取样区进行降温冻结，升温后的盐水经换热钢管33的出水口流入盐水罐32，盐水罐32和冻结设备31连接，向冻结设备提供需冷却的盐水，如此不停循环，直至将取样区内岩体温度降至-10℃以下，岩体冷冻形成完整体，见图4。

柱状节理是玄武岩中常见的一种原生破裂构造，多见于厚层熔岩中。因此，柱状节理为冷却收缩的产物，裂隙也是在岩浆冷却过程中形成的，对温度具有较高的敏感性，通过冷冻过程取样，实质上已将柱状节理是玄武岩取样的潜在节理进行显性化，以便后续实验室处理和取芯避让。

沿钻孔进行切割，将钻孔围绕的区域切割下来，使大尺度柱状节理岩体样品21从取样洞的底板全部取出，并放入冷藏箱保存，运至试验室。

（3）化学侵蚀

由于玄武岩是一种基性喷出岩，sio2含量变化于45%~52%之间，在高温条件下，可以与氢氟酸反应，生成四氯化硅气体和水。

在取芯洞取出的大尺度柱状节理岩体在运输到实验室后，用环氧树脂将岩体包裹，在柱状节理交界面22处，采用人工方式抠出3~5mm小孔，将氢氟酸管道口24插入其中，用压力泵25将氢氟酸压入到交界面也即节理22处中，施加的压力大约为0.1mpa，避免压力过高对柱体产生破坏，见图5。

将大尺度柱状节理岩体放入高温容器中，温度稳定在200~240℃，保持12~24小时，交界面物质将转换为四氯化硅气体和水。

（4）岩芯制备

取出后放置在常温环境下，交界面处由于受到氢氟酸的腐蚀，已经变得非常脆弱，轻轻敲击切割，即可获得未受扰动的多边形玄武岩长柱体23。

对多边形玄武岩长柱体23进行套钻取芯，套钻直径可根据试验需要确定，一般为50~100cm，便可获得原状岩芯。

以上所述仅为发明的具体实施案例，本发明的技术特征并不局限于此，任何相关领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的保护范围之中。