柱状节理裂隙网络模型岩芯试样的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于岩石工程领域，涉及柱状节理裂隙网络模型岩芯试样的制备方法。
【背景技术】
[0002]柱状节理构造是常见于火山熔岩中的一种呈规则或者规则组合柱状形态的原生张性破裂构造，多见于玄武岩中，通常具有以下特点:(1)外形呈四边体、五边体、六边体、八边形，通常是相互嵌合在一起，且在实际的岩体中是倾斜的，且具有一定的倾角；(2)柱状节理岩体的节理都具有一定的尺寸，尺寸的大小直接影响节理强度；(3)在实际岩体中节理间不是完全裂隙，是由一些松散的碎肩物填充，节理间具有一定的强度，节理强度由于节理间的充填物的胶结强度的改变而改变。
[0003]因为上述特点，因此获得特定位置下岩芯样存在着财力、物力以及技术层面的困难。而利用相似材料的模型实验进行对比研究具有方便、可控性强、造价低和针对性强等优点，此方法广泛应用于研究岩石工程问题的研究。现有的岩芯试样是先制备小的岩体模型柱子，然后将其各个柱子胶结起来获得，存在岩芯试样中中间的胶合物的厚度无法控制和不均一，且相当费人力和物力的问题。申请号为2013101245872的中国发明专利，公开的是一种节理面的剪切方法，该方法只是分析剪切节理面的力学特性，没有进行深入分析柱状节理岩体的力学特性。申请号为2014102608609的中国专利，公开的是一种页岩人造岩芯的制备方法，只是一种生成考虑有大尺度的纵向节理的页岩体的力学特性的岩芯试样方法，不能用来分析竖向的柱状节理岩芯的力学特性。申请号为2014105643869的中国专利，公开的是一种不规则柱状节理裂隙网络模型岩芯试样的制备方法，该方法只是制备类voronoi的3D随机柱状节理裂隙网络的柱状节理岩体模型的制备，只能制备倾角为0度的柱状岩体试验，没有深入研究柱状岩体的不同形状对岩体的强度和渗透性的影响，不同倾角对柱体的强度的影响。肖维民的论文《单轴压缩条件下柱状节理岩体变形和强度各向异性模型试验研究》中只是分析了柱状节理岩体相似材料的模型试验，但是这个模型试验研究中采用大尺寸的柱体，只有少量的柱状节理网格，没能克服尺寸效应，这样不能真实地反映柱状节理岩体的力学特性，其而且只能在单轴仪分析柱状节理岩体的抗压强度，由于做的试样尺寸较大不能利用岩石三轴仪来分析柱状节理岩体的力学特性，同时不能分析不同节理厚度和节理强度的柱状节理岩体的渗流特性。
【发明内容】
[0004]为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种柱状节理裂隙网络模型岩芯试样的制备方法，该方法可以得到不同倾角、不同节理厚度、不同节理强度的岩芯试样，能够相对准确的模拟出不同的柱状节理岩体的渗流特性。
[0005]为了实现以上的技术目标，采用下述的技术方案:
(1)利用有机玻璃块胶结成三维的横断面形状为正六边形、倾角为30° -75°的节理裂隙网络；在节理裂隙网络和可拆卸U型槽同时涂脱模剂； (2)有机玻璃的厚度为l_2mm，有机玻璃的厚度即节理裂隙网络拔出后形成的网络空隙的宽度；
(3)所述的U型槽的两个相对面板可拆卸；
(4)有机玻璃节理裂隙网络的底部距离U型槽底部有5mm-15mm，便于模型材料在底部胶结在一起，有利于后续倒入填充材料。
[0006](5)有机玻璃节理裂隙网络的顶部高于U型槽顶部，便于从U型槽中拔出；
(6)向U型槽内灌入模型材料；模型材料是由水泥、砂与水按2-3:1-1.5:1的重量比获得的混合物，其中砂的粒径为小于1mm ；
(7)向装满模型材料的U型槽内插入步骤(1)得到的有机玻璃节理裂隙网络；
(8)在温度24°、湿度为95%的恒温恒湿箱中养护至有机玻璃节理裂隙网络易于拔出且不破坏模型材料胶结的程度，放置时间7-10小时；
(9)养护结束后，将U型槽的两个可拆卸面板拆除，拔出有机玻璃节理裂隙网络，形成规则柱状节理裂隙网络空隙，然后将可拆卸对称面板装回到U型槽中，继续恒温养护24-36小时；
(10)将网络空隙填充物与水的混合物倒入网络空隙中，然后将U型槽放置到通风处中自然养护10-15天；拆卸U型槽面板，得到柱状节理裂隙网络的柱状节理试块。网络空隙填充物可以是石膏、白水泥或E44环氧树脂。
[0007]本发明制备得到不同节理厚度、不同节理强度、不同倾角的人造柱状节理模型试验试样，适用于分析柱状节理岩体力学特性和渗透特性，所用的材料简单、成本低廉、操作简单。其中，利用有机玻璃块制作三维柱状节理裂隙网络，有机玻璃的厚度即为模拟的节理厚度；不同填充材料充填柱体的节理来模拟不同节理间的强度；不同材料的胶结强度模拟不同柱状节理强度。
【附图说明】
[0008]图1为实施例1所拼接的形状为正六边形，倾角为75°的柱状节理裂隙网络图； 图2为图1的侧视图；
图3为对称面可拆卸的U型槽结构示意图；a为未设置可拆卸对称面板的U型槽山为带有可拆卸对称面板的U型槽；其中，U型槽的长X宽X高是lOOmmX 100mmX 200mm，侧壁厚度是20mm ；
图4为实施例1得到的已经切割好的岩芯的侧视图；
图5为实施例1获得的倾角为75°的Φ50πιπι*Φ 100mm圆柱试样的实物图；
图6为本发明实施例1获得的试样在围压4MPa，渗压为IMPa的应力应变曲线。可以看出:试样没有出现峰后强度，随着围压的增大，应力应变曲线出现峰值，残余强度也随之增大；
图7为本发明实施例1中获得的试样在围压4mpa，渗压为lmpa下的渗压-应变关系曲线图。可以从图7中看出:当试样处于初始压密阶段时，初始渗透系数随围压的增加而减小，随着渗压的增大而增加；当试样进入线弹性阶段，渗透系数基本保持不变；当试样进入屈服阶段后，节理面逐渐变形贯通，渗透率增加幅度比线弹性阶段增大，当试样进入破坏阶段，渗透率达到最大值； 图8为本发明实施例1中获得的试样在围压为6mpa、渗压为lmpa的渗透率-应变和应力-应变关系曲线；
图9为本发明实施例1中获得的试样在围压为8mpa、渗压为lmpa的渗透率-应变和应力-应变关系曲线；
图10是本发明实施例1中获得的试样的渗透率在不同围压下随轴向应变的变化趋势；可以从图10中看出:在渗透压力为IMPa时，随着围压的增大(4MPa、6MPa、8MPa)，渗透率增加速率逐渐减小。围压4MPa时的渗透率曲线较陡，最大渗透率为31.08X10 16 m2，围压6MPa时的渗透率最大值为22.46X 10 16 m2，在围压8MPa的情况下，渗透率演化曲线比低围压(4MPa)情况下平缓，当试样破坏后达到的最大渗透率为6.67X10 16 m2。<