一种确定柱状节理岩体受力及破坏机制的试验方法与流程

本发明属于岩石力学与工程领域，涉及岩石力学试验研究的一种方法，具体涉及一种确定柱状节理岩体受力及破坏机制的试验方法。

背景技术：

在我国的西南地区，水资源丰富，且处在我国的第一、第二阶梯交界处，落差极大，水能资源丰富，适宜建设大型水利工程设施。但西南地区复杂的地质构造制约着工程的建设，位于金沙江下游的白鹤滩水电站是中国第二大水电站，其导流洞建于柱状节理岩体带中，其安全稳定性受到了严重威胁。

柱状节理岩体作为一种典型的结构岩体，由于柱状节理构造的存在，其变形和强度表现出显著的各向异性特性。金沙江白鹤滩水电站坝址区柱状节理玄武岩与一般柱状节理玄武岩相比，特点明显，其柱状节理起伏、不规则，柱体断面不规则且切割不完全，柱体内微裂隙发育，岩体内缓倾角构造结构面也较发育，岩体完整性较差，但呈断续镶嵌结构。白鹤滩水电站左岸坝基柱状节理玄武岩出露于665m高程，670～665m高程为柱状节理玄武岩过渡段，665m高程以下为柱状节理玄武岩区。

白鹤滩水电站共布置5条导流洞(其中左岸布置3条、右岸布置2条)，总长8980.27m，其中，柱状节理玄武岩洞段总长为2450m。

柱状节理玄武岩洞段开挖支护施工过程中，发生的主要地质问题有:①岩体内发育有大量不规则纵向(平行柱体)与横向(垂直柱体)微裂隙，开挖后易形成不稳定的块体结构；②抗扰性差，卸荷以后岩体易松弛，导致出现局部失稳，发生松弛变形、脱落掉块、垮塌等不良地质现象；③未及时支护的柱状节理岩体会持续发生松弛卸荷破坏，且破坏会不断地往岩体深部发展；④局部地应力偏高的区域存在不同程度的片帮现象，危及施工人员。

对此，科研人员通常的做法是在现场进行模拟试验，但水利工程土方量巨大的特点制约了其可行性；另外一种方法是进行室内试验，但取样、测量、制模、试验的繁琐性会影响工程的工期。为了克服这些困难，我们需要采取一种简便但又不失准确性的研究方法，模型试验因其成本较低、易于量产、模拟程度高而成为了我们的选择。

技术实现要素：

发明目的：本发明的针对现有技术中存在的问题，提出了一种确定柱状节理岩体受力及破坏机制的试验方法。

技术方案：本发明所述的一种确定柱状节理岩体受力及破坏机制的试验方法，包括以下步骤：

1)根据实际岩体的力学特性配制水泥砂浆，充分搅拌后倒入模具中、制备正六棱柱体试样；

2)将制得的正六棱柱体试样沿其六个侧面相互拼接、形成类长方体柱状节理岩体试样模型，对试样模型进行养护、切割、打磨，制成不同倾角的正方体柱状节理岩体试件；

3)将制得的柱状节理岩体试件置于岩石流变仪中，将其水平方向固定、缓慢施加轴压，直至试件发生破坏，记录试验过程中的应力、应变数据；

4)对记录的试验数据进行处理，得到柱状节理岩体的应力应变之间的关系，即为该岩体的受力及破坏机制。

具体的，步骤(1)中，模具为柱体，其纵向开设有蜂窝状槽孔，将水泥砂浆倒入该槽孔中，放入振动台上充分振动后静置，待水泥砂浆成型后取出，置于阴凉通风处养护，即得正六棱柱体试样。

较优的，槽孔为盲孔。如此可保证水泥砂浆在养护成型阶段、拆模后再养护阶段不会流失。

进一步的，模具在横向上可拆分成多个模具组件，任一模具组件包含蜂窝状槽孔的一部分，且相邻两模具组件拼接后形成蜂窝状槽孔。待水泥砂浆固化成型后，将模具拆解即可完成脱模，脱模更为方便。

上述步骤(2)中，相邻的正六棱柱体试样之间通过粘接剂粘接固定。优选的，粘接剂为白水泥或黑水泥。

上述步骤(2)中，柱状节理岩体试件的倾角可为0°、15°、30°、45°、60°、75°或90°。

作为优选，步骤(3)中，岩石流变仪包括限位槽具，通过该限位槽具对试件进行水平方向的固定。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的确定柱状节理岩体受力及破坏机制的试验方法通过应用模型试验演示柱状节理岩体受力及破坏机制，减少现场试验的巨大花费，避免室内试验的繁琐性，利用模型试验的低成本、易量产、高模拟程度的特点，很好的解决了柱状节理岩体稳定性的研究问题，为其工程施工提供理论依据。

附图说明

图1a为本发明的试验方法中所用模具的结构示意图；

图1b为本发明的试验方法中所用模具的局部拆解示意图；

图2a为本发明的试验方法中制作的正六棱柱试样的结构示意图；

图2b为本发明的试验方法中由正六棱柱试样拼接形成的类长方体柱状节理岩体试样模型的结构示意图；

图3为本发明的试验方法中制得的倾角为45°的柱状节理岩体试件置于岩石流变仪中的结构示意图；

图4为实施例中根据本发明的试验方法获得的柱状节理岩体的应力应变关系曲线；

图5为实施例中的柱状节理岩体的断面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明的一种确定柱状节理岩体受力及破坏机制的试验方法，包括以下步骤：

1)根据实际岩体的力学特性配制水泥砂浆，充分搅拌后倒入模具1中、制备正六棱柱体试样3；

如图1a，模具1可为柱体，其纵向开设有蜂窝状槽孔2，槽孔2的数量可为一个或多个，将水泥砂浆倒入该槽孔2中，放入振动台上充分振动后静置，待水泥砂浆固化成型后取出，置于阴凉通风处养护一段时间，即得正六棱柱体试样3，如图2a。

为方便固化成型后的水泥砂浆脱模，可将模具1设置为可拆解的结构，模具1在横向上可拆分成多个模具组件11，每个模具组件11包含槽孔2的一部分，如图1b，相邻两个模具组件11拼接后可形成蜂窝状槽孔2；待水泥砂浆固化成型后，将组成槽孔2的相邻模具组件11拆解即可完成该槽孔2内正六棱柱试样3的脱模，脱模更为方便。

其中，槽孔2可为盲孔，将其设置为盲孔，其一端封闭，可保证水泥砂浆在养护、成型阶段不会流失。

2)将制得的正六棱柱体试样3沿其六个侧面相互拼接、形成类长方体柱状节理岩体试样模型4，对其进行养护、切割、打磨，制成不同倾角的正方体柱状节理岩体试件5；

制得正六棱柱体试样3如图2a，将多个正六棱柱体试样3沿其侧面进行拼接，相邻的正六棱柱体试样3之间通过粘接剂粘接固定，粘接剂可为白水泥或黑水泥，如图2b，最终拼接形成了类长方体状柱状节理岩体试样模型4；将该试样模型4置于阴凉通风处养护一段时间后，对其进人工切割、打磨，制备出不同倾角的正方体柱状节理岩体试件5，柱状节理岩体试件5的倾角可为0°、15°、30°、45°、60°、75°或90°七种角度。

3)将制得的柱状节理岩体试件5置于岩石流变仪6中，如图3，将其水平方向固定、缓慢施加轴压，直至试件发生破坏，记录试验过程中的应力、应变数据；

可选择使用自带限位槽距的岩石流变仪，通过该限位槽具对试件进行水平方向的固定。

4)对记录的试验数据进行处理，得到柱状节理岩体的应力应变之间的关系，该应力应变关系揭示了柱状节理岩体的受力及破坏机制，可用于实际工程当中。

实施例：

一种确定柱状节理岩体受力及破坏机制的试验方法，包括下述步骤

1)按照现场岩样的力学特性计算出所需模型材料的级配“水泥：砂：水”为“3000:1500:1250”，并制作出该级配下的水泥砂浆，充分搅拌，加入适量的减水剂，改良其性质；

2)将4个模具组件11拼接成制备正六棱柱试样的模具1，其包括均匀分布的9个蜂窝状槽孔2，如图1a～1b，模具1的长宽为10厘米，高17厘米，将水泥砂浆倒入槽孔2中，为保证砂浆的均匀性，我们使用大口径的医用注射器往槽孔2中填筑砂浆；

3)用强力橡皮筋固定模具1防止脱落，将模具1放入振动台上充分振动，后静置24h；

4)24h后沿槽孔2将模具1拆解成多个模具组件11，将正六棱柱体从模具1中取出，置于阴凉通风处养护15d，得到边长为1厘米、高为15厘米的正六棱柱试样3，如图2a；

5)将制得的正六棱柱体试样3沿其六个侧面拼接、并用粘结剂(白水泥)粘结成长、宽40厘米左右，高10厘米左右的类长方体柱状节理岩体试样模型4，如图2b，将其置于阴凉通风处养护15d；

6)将制得的类长方体试样模型4进行人工切割、打磨，制备出倾角为45°、边长为8厘米的正方体柱状节理岩体试件5；

7)将柱状节理岩体试件5置于岩石流变仪6中，如图3，利用其自带的限位槽具限制柱状节理岩体试件5水平方向的位移；

8)调试仪器设备，缓慢施加轴压，直至试件破坏，记录上述过程中应力应变变化；

9)对试验数据及过程进行后期处理，得到其应力应变曲线，如图4，我们可以发现柱状节理岩体与普通的岩石相比具有不同的力学特性，应变达到0.015时即达到应力最大值；破坏后的柱状节理岩体试件5的断面图如图5，其破坏形态也与其构造面有关，大致沿着构造面破坏。