含不同方向结构面岩样的人工制备方法
【专利摘要】含不同方向结构面岩样的人工制备方法，属于土木建筑技术领域。将砂、石膏、水、硼砂充分搅拌均匀，得到岩石基质，将石灰、粘土、水充分搅拌均匀，得到结构面材料，将岩石基质、结构面材料及岩石基质按照一定要求依次倒入模具中，然后将取样装置的环刀从模具内岩石基质上方插入，使位于环刀内的结构面平面经过环刀内的中心点，然后保持环刀不动，用刮刀将环刀外部的岩石基质和结构面取走，将环刀两端多余的浇筑物去除，将两端刮平，环刀内为岩样；岩样放于阴凉干燥处自然养护7天，即得到最终模拟岩样。本发明适用于岩体力学特性研究。
【专利说明】
含不同方向结构面岩样的人工制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于土木建筑技术领域，尤其是涉及一种含不同方向结构面岩样的人工制 备方法。
【背景技术】
[0002] 在土建工程中，通常需要利用含结构面的岩样进行岩体的力学特性研究。然而，含 结构面的天然岩样一般都难以钻取，即使在易于钻取的天然岩样中进行操作，也容易对结 构面造成扰动，此外，对这种岩样的研究只能针对相对特定的情况，却不能对影响结构面力 学性质的各种因素进行全面独立的研究。由于人工制备的含不同方向结构面岩样即多种结 构面岩样能够克服上述缺点，因此技术人员提出了采用人工制备的含不同方向结构面岩样 进行实验研究，以便更好的研究岩石乃至岩体的结构面力学特性。现有技术中已经对人工 制备岩石结构面进行了一系列研究，有人通过石膏模型模拟了水波状、锯齿状、台阶状结构 面的力学特性，也有人进行了闭合断续节理的模型试验研究，还有人通过制备含和原型结 构面形状相同结构面的立方体试样进行直剪试样研究。然而，现有技术的方法得到的岩样 的形状不能用于三轴试验系统的压力室，并不能进行三轴试验，且制样的成功率低，不便于 推广。因此，亟需一种能够人工制备含不同方向多种结构面岩样的方法。
【发明内容】
[0003] 本发明所要解决的技术问题是为了克服现有技术中人工制备岩石结构面不能进 行三轴试验、方向性差的缺点，提供一种含不同方向结构面岩样的人工制备方法。
[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:含不同方向结构面岩样的人工制备 方法，包括以下步骤：
[0005] A.按照以下材料及质量分数将岩石基质的材料混合，充分搅拌均匀，得到岩石基 质，所述岩石基质的材料及其质量份数分别为:砂850-1150份、石膏150-350份、水300-700 份、硼砂2.7-6.3份;并按照以下材料及质量分数将结构面的材料混合，充分搅拌均匀，得到 结构面配料，所述结构面的材料及其质量份数分别为:石灰300-500份、粘土 1000份、水150-250份；
[0006] B.将岩石基质从模具上方倒入并捣实，直到岩石基质顶面距模具底面的高度为
，其中，Η为模具高度，h为结构面预设高度，然后将其顶面抹平；
[0007] C.将结构面配料倒入模具内，覆盖在已浇筑好的岩石基质顶面上并捣实，使结构 面的厚度达到其预设高度h，然后将结构面顶面抹平；
[0008] D.在结构面顶面上方继续浇筑岩石基质，直至浇筑上方的岩石基质顶面距模具底 面的高度为H，盖上模具的顶板并固紧；
[0009] E.-定时间后取下模具的顶板，使用取样装置进行取样，所述取样装置包括刀架， 所述刀架包括两个平行的竖直导轨，每个导轨上沿其长度方向各设有滑道，在滑道上各安 装有一个螺杆，螺杆能够在滑道上下滑动，还包括圆柱形的环刀套管，环刀套管上设有至少 两个通孔，所述通孔的尺寸与螺杆相匹配，通过相适配的螺母及螺杆将环刀套管紧固在滑 道上，环刀套管下端连接有环刀，环刀为圆柱形管体，其下端为边缘锋利的刀口，把环刀刀 口指向岩石基质顶面，并和该面接触，将环刀从模具内岩石基质上方插入，使位于环刀内的 结构面平面经过环刀内的中心点，然后保持环刀不动，用刮刀将环刀外部的岩石基质和结 构面取走，将环刀两端多余的浇筑物去除，将两端刮平，环刀内为岩样；
[0010] F.待岩样终凝完成后，将岩样从环刀内取出，放于阴凉干燥处，在一定温度范围内 自然养护若干天，即得到最终模拟岩样。
[0011] 进一步的，所述步骤B中的模具为长方体形有机玻璃模具，长X宽X高为:300mm X 150mmX 200mm，所述模具由互相可拆分的底板、四个侧板及顶板组成，所述模具上设有刻度 尺。
[0012] 具体的，所述步骤E中的环刀内径为50mm，环刀长度为100mm，所述环刀为不锈钢圆 管。
[0013] 优选的，所述步骤E中的滑道两端的边角为具有弧度的角。
[0014]优选的，所述步骤E中的环刀上端设有螺纹，所述环刀套管下端设有与环刀螺纹相 匹配的螺纹，环刀与环刀套管通过螺纹配合连接。
[0015] 具体的，所述步骤F中自然养护的时间具体为1-7天，所述一定温度范围为10-30摄 氏度。
[0016] 具体的，所述结构面预设高度h为5mm，模具高度Η为200mm。
[0017] 本发明的有益效果是:方法简单，易于实现，提供了可以替代天然岩样的人工岩样 制备方法，解决了天然岩样结构面单一且钻取困难的问题，同时克服了现有人工制备的结 构面岩样方向性差的缺点，提供能够进行三轴试验的含不同方向结构面岩样，且能够制作 多种结构面岩样，便于试验研究，为评估岩体力学特性研究提供了更加精确的数据。本发明 适用于岩体力学特性研究。
【附图说明】
[0018] 图1是本发明在模子中完成岩石基质及结构面配料浇筑的结构示意图；
[0019] 图2是本发明中用到的取样装置的结构示意图；
[0020] 图3是本发明中取样过程示意图；
[0021 ]其中，1为刀架，2为螺杆，3为环刀套管，4为环刀，101为导轨，102为滑道。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。
[0023]本发明的含不同方向结构面岩样的人工制备方法的步骤如下：
[0024] 1.备料搅拌：
[0025] (1)岩石基质的各材料质量份数分别为：砂850-1150份、石膏150-350份、水300- 700份、硼砂2.7-6.3份，将上述材料按上述质量份数混合，充分搅拌均匀，得到岩石基质； [0026] (2)结构面各材料的质量份数分别为:石灰300-500份、粘土 1000份、水150-250份， 将上述材料按上述质量份数混合，充分搅拌均匀，得到结构面配料。
[0027] 2.浇筑：
[0028] (1)从模具上方将岩石基质倒入并捣实，直到岩石基质顶面距模具底面的高度为
，其中，Η为模具高度，h为结构面预设高度，然后将其顶面抹平；
[0029] (2)将结构面配料倒入模具内，覆盖在已浇筑好的岩石基质顶面上并捣实，使结构 面的厚度达到其预设高度h，即结构面顶面到结构面底面的距离为h，结构面顶面距离模具 底面的高度为
，然后将结构面顶面抹平；
[0030] (3)在结构面顶面上方继续浇筑岩石基质，直至浇筑上方的岩石基质顶面距模具 底面的高度为H，盖上模具的顶板并固紧，其结构如图1所示。
[0031 ]基于成本及实现效果考虑，模具为长方体形有机玻璃模具，长X宽X高为:300mm X150mmX 200mm，所述模具由互相可拆分的底板、四个侧板及顶板组成。在需要卸下模具 时，可以分拆每一个侧板及底板。为了便于监测浇筑材料的高度，所述模具尤其是侧板上设 有刻度尺。
[0032] 基于实际试验需要的岩样考虑，所述结构面预设高度h为5mm，模具高度Η的为 200_，以便制得实验室需要的岩样。此外，也可以设置其他高度。
[0033] 在实际应用中，对模具没有特殊要求，但基于成本及实现效果考虑，模具的高度最 好比取样装置的高度高，面积是4-6个环刀的面积，即一次可以取样4-6个。
[0034] 3.成型:一定时间后取下模具的顶板，使用如图2的取样装置进行取样。
[0035] 所述取样装置包括刀架1，所述刀架1包括两个平行的竖直导轨101，每个导轨101 上沿其长度方向各设有滑道102，在滑道102上各安装有一个螺杆2，螺杆2能够在滑道102上 下滑动，还包括圆柱形的环刀套管3,环刀套管3上设有至少两个通孔，所述通孔的尺寸与螺 杆2相匹配，通过相适配的螺母及螺杆2将环刀套管3紧固在滑道102上，，即环刀套管3被两 个螺杆2固定在刀架1上，具体而言，若通孔是普通圆孔，则将螺杆2穿过环刀套管3的通孔， 利用螺母将环刀套管3紧固在滑道102上，若通孔为螺纹孔时，此时可以无需螺母进行固定， 直接通过螺杆及螺纹孔将环刀套管3紧固在滑道102上。环刀套管3下端连接有环刀4,环刀4 为圆柱形管体，其下端为边缘锋利的刀口。如图3,箭头表示施力方向，把环刀刀口指向岩石 基质顶面，并和该面接触，将环刀从模具内岩石基质上方插入，使位于环刀内的结构面平面 经过环刀内的中心点，然后保持环刀不动，用刮刀将环刀外部的岩石基质和结构面取走，将 环刀两端多余的浇筑物去除，将两端刮平，环刀内为岩样。
[0036] 所述环刀4上端设有螺纹，所述环刀套管3下端设有与环刀螺纹相匹配的螺纹，环 刀4与环刀套管3通过螺纹配合连接，具体而言，环刀4上端表面设有外螺纹时，对应的，环刀 套管3下端设有内螺纹;而当环刀4上端内表面设有螺纹时，对应的，环刀套管3下端设有外 螺纹;此外，也可以选择卡接等其他连接形式。通过改变两个螺杆2的上下位置，从而设定环 刀与水平面的夹角。
[0037] 为了防止螺杆2的损坏，延长螺杆2的使用寿命，可将滑道102的两端设有圆润弧度 的半圆形，即两端的边角为具有弧度的角，换而言之就是选用半圆形滑道，防止螺杆被移动 到滑道102两端时，螺杆被损坏。
[0038] 由于在使用过程中，只有环刀需要与岩样接触，因此其容易损坏，为了延长环刀4 的使用寿命，所述环刀4为不锈钢圆管。基于成本及满足通常试验需求，所述环刀4内径为 50mm，环刀4长度为100mm，考虑到取样容重和装置大小，该尺寸的环刀使用范围较为广泛， 此外，可以根据实际需求，设计其他尺寸的环刀。
[0039] 4.脱模:待岩样终凝完成后，将岩样从环刀内取出，放于阴凉干燥处，在一定温度 范围内自然养护若干天，即得到最终模拟岩样。
[0040] 由于人工制备的含不同方向结构面岩样含有一定的石膏和石灰，故其养护过程需 要参考石膏和石灰产品的养护来做相应的修改，试样脱模完成后，置于室内阴凉干燥处养 护，若环境温度低于10摄氏度，应该置于密闭的养护室中养护，防止温度过低产生冰冻，因 此，需要在一定温度范围内养护，所述一定温度范围为10-30摄氏度。根据需要，养护时间为 1-7天，期间应定期记录养护温度，合理调整养护环境，确保各个试样养护完成后基质材料 和结构面材料的强度分别相同。
[0041] 本发明可选择顶面或者侧面作为环刀插入方向，此外，也可以以任意角度插入环 刀。经过实际验证，调整好取样装置的位置和高度，改变半圆形滑道的角度，分别得到含与 岩样轴向成〇度、30度、45度、60度、90度方向结构面的模拟岩样的容重如下表1所示，图中的 容重即为取样装置所取的样品的重量。
[0042] 表 1
[0043]
[0044] 实施例：
[0045] 本例中的含不同方向结构面岩样的人工制备方法如下：
[0046] A.岩石基质的各材料质量份数分别为：砂1000份、石膏200份、水400份、硼砂2.7 份，混合，充分搅拌均匀，得到岩石基质；
[0047]结构面各材料的质量份数分别为:石灰300份、粘土 1000份、水150份，混合，充分搅 拌均匀，得到结构面配料；
[0048] B.将已备好的带有刻度的长方体形有机玻璃模具(取长X宽X高= 300mmX150mm X200mm)的顶板取走，从模具上方倒入岩石基质，分两层捣实以便形成薄弱层，直到岩石基 质顶面距模具底面的高度为
>取结构面预设高度为5_，则直到岩石基质顶面浇筑到 模子中部以下2.5m(结构面预设高度即其厚度的一半)处，然后将顶面抹平。
[0049] C.将结构面配料倒入有机玻璃模具内，覆盖在已浇筑好的岩石基质顶面上，分一 层捣实，使结构面顶部浇筑至模子中部以上2.5_处，即使得模具内中部的结构面厚度达到 5mm，然后将结构面顶面抹平。
[0050] D.在结构面上方继续分两层浇筑岩石基质，直到浇筑到模具顶面，盖上顶板并固 定好。
[0051] E.以45度为例，为了得到含有与岩样轴向成45度方向结构面的岩样，需要利用一 个含任意方向结构面模拟岩样取样装置，如图2所示，环刀下端锋利以便切取试样。如图3所 示，将取样装置放在模具侧面，取走顶板，把环刀口指向岩石基质顶面，并和该面接触，调整 半圆形滑道使其与水平方向成45度角，然后通过两个螺杆将半圆形滑道固定，沿着该角度 将环刀斜向下从模具内岩石基质上方插入，使位于环刀内的结构面平面经过环刀内的中心 点，然后保持环刀不动，将有机玻璃模具的模板逐一小心取走，用刮刀将环刀外部的岩石基 质和结构面小心取走，注意不要扰动环刀内试样。小心将环刀两端多余的浇筑物去除，将两 端刮平，环刀内便得到含有与轴向成45度角方向结构面的岩样。
[0052] F.待岩样终凝完成后，通过液压推土器将岩样从环刀内取出，将岩样放于环境阴 凉干燥处自然养护7天，即得到最终模拟岩样。
[0053]本发明克服现有技术的不足，提供一种含不同方向结构面岩样的人工制备方法， 先准备好组成岩石基质和结构面所需的材料，按照拟定的配合比混合，并充分搅拌均匀，分 别得到岩石基质和结构面配料的搅拌物。将岩石基质搅拌物倒入带有刻度的长方体形有机 玻璃模子内，分多层捣实，直到岩石基质顶面浇筑到模子中部以下结构面厚度的一半处。接 着将结构面配料倒入有机玻璃模子内，覆盖在已浇筑好的岩石基质顶面上，分一层捣实，使 结构面顶部浇筑至模子中部以上结构面厚度一半处，然后在结构面顶部以上继续分层浇筑 基质岩石的配料，直到模子顶面。将某一合适的含任意方向结构面模拟岩样取样装置，放在 距离模子合适的距离和高度，沿着某一角度从配料中定量深度取得岩样，从而使得到的椭 圆或圆形结构面关于圆柱形岩样的中心对称。待模拟岩样终凝完成后，将岩样从取样装置 内取出，将岩样放于相应环境中养护一定时间，即得到最终产品。从而完成模拟岩样的制 备。在操作上，此方法制样方法较为简便，仅需准备好模具和材料就可以了，且时间控制简 单，外部影响因素少。产品上，制备的材料具有成功率高、均一性好等特点。通过不同的配比 可制备具有不同力学特性的岩石基质和结构面，同时可以制备出各个方向的结构面。由于 试样是标准的三轴试验试样，可以很方便地进行室内三轴试验，从而研究岩样和结构面的 力学特性。由于岩石基质材料较为均匀，可较好地研究单一因素对力学特性的影响。另外通 过这种方法，还能制备含一组至多组平行或不平行节理的三轴试验试样，可以进行含更为 复杂结构面分布岩样的力学特性研究。因此，可以认为这种含不同方向结构面岩样的人工 制备方法是合适的。
【主权项】
1. 含不同方向结构面岩样的人工制备方法，其特征在于，包括以下步骤： A. 按照以下材料及质量分数将岩石基质的材料混合，充分搅拌均匀，得到岩石基质，所 述岩石基质的材料及其质量份数分别为:砂850-1150份、石膏150-350份、水300-700份、硼 砂2.7-6.3份;并按照以下材料及质量分数将结构面的材料混合，充分搅拌均匀，得到结构 面配料，所述结构面的材料及其质量份数分别为:石灰300-500份、粘土 1000份、水150-250 份； B. 将岩石基质从模具上方倒入并捣实，直到岩石基质顶面距模具底面的高度为$ -1， 其中，Η为模具高度，h为结构面预设高度，然后将其顶面抹平； C. 将结构面配料倒入模具内，覆盖在已浇筑好的岩石基质顶面上并捣实，使结构面的 厚度达到其预设高度h，然后将结构面顶面抹平； D. 在结构面顶面上方继续浇筑岩石基质，直至浇筑上方的岩石基质顶面距模具底面的 高度为Η，盖上模具的顶板并固紧； Ε.-定时间后取下模具的顶板，使用取样装置进行取样，所述取样装置包括刀架（1)， 所述刀架（1)包括两个平行的竖直导轨（101)，每个导轨（101)上沿其长度方向各设有滑道 (102)，在滑道（102)上各安装有一个螺杆(2)，螺杆(2)能够在滑道（102)上下滑动，还包括 圆柱形的环刀套管(3)，环刀套管(3)上设有至少两个通孔，所述通孔的尺寸与螺杆(2)相匹 配，通过相适配的螺母及螺杆(2)将环刀套管（3)紧固在滑道（102)上，环刀套管(3)下端连 接有环刀(4)，环刀(4)为圆柱形管体，其下端为边缘锋利的刀口，把环刀刀口指向岩石基质 顶面，并和该面接触，将环刀从模具内岩石基质上方插入，使位于环刀内的结构面平面经过 环刀内的中心点，然后保持环刀不动，用刮刀将环刀外部的岩石基质和结构面取走，将环刀 两端多余的浇筑物去除，将两端刮平，环刀内为岩样； F.待岩样终凝完成后，将岩样从环刀内取出，放于阴凉干燥处，在一定温度范围内自然 养护若干天，即得到最终模拟岩样。2. 按照权利要求1所述含不同方向结构面岩样的人工制备方法，其特征在于，所述步骤 Β中的模具为长方体形有机玻璃模具，长X宽X高为:300mmX 150mm X 200mm，所述模具由互 相可拆分的底板、四个侧板及顶板组成，所述模具上设有刻度尺。3. 按照权利要求1所述含不同方向结构面岩样的人工制备方法，其特征在于，所述步骤 E中的环刀内径为50_，环刀长度为100_，所述环刀(4)为不锈钢圆管。4. 按照权利要求1所述含不同方向结构面岩样的人工制备方法，其特征在于，所述步骤 E中的滑道两端的边角为具有弧度的角。5. 按照权利要求1所述含不同方向结构面岩样的人工制备方法，其特征在于，所述步骤 E中的环刀（4)上端设有螺纹，所述环刀套管（3)下端设有与环刀螺纹相匹配的螺纹，环刀 (4)与环刀套管(3)通过螺纹配合连接。6. 按照权利要求1所述含不同方向结构面岩样的人工制备方法，其特征在于，所述步骤 F中自然养护的时间具体为1-7天，所述一定温度范围为10-30摄氏度。7. 按照权利要求1所述含不同方向结构面岩样的人工制备方法，其特征在于，所述结构 面预设高度h为5mm，模具高度Η为200mm。
【文档编号】G01N1/28GK105865868SQ201610204288
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月1日
【发明人】刘恩龙, 蒋炼, 尹霄, 刘明星, 周成, 张建海
【申请人】四川大学