斷續充填裂隙巖石試樣模型的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種類巖石試樣的制作方法，尤其是一種能考慮巖體內部裂隙充填條件的巖石試樣的制作方法，適用于通過試驗研宄考慮巖體裂隙發育條件及充填性質對其物理力學性質影響的場合。
【背景技術】
[0002]巖體中裂隙面的存在破壞了自身的完整性和連續性，巖體的強度要遠低于巖石強度。由于裂隙面的幾何形狀、充填性質與空間展布規律的不同，導致了巖體的強度、變形特性存在明顯的差異性。
[0003]目前，試驗研宄是分析含裂隙巖體的變形與強度特性的重要研宄手段。但考慮到天然巖石試樣結構的復雜性與取樣難度，一般很難通過真實的巖石試樣對其的力學變形特性與破壞規律進行研宄。另外，野外含裂隙巖體取樣代表性很難控制，在定量分析裂隙對巖塊綜合物理性質影響時，試樣存在隨機性與不可重復性，進而影響了試驗結果的規律分析與總結。因此，國內外學者大都采用制作含裂隙巖石試樣模型來替代天然巖石試樣，進行相關試驗研宄。如何制作含裂隙巖石試樣已發展成為巖體力學試驗領域的重點和難點。
[0004]21世紀以來，研宄者們對含裂隙巖石試樣模型的方法與工藝進行了深入細致的探索，并取得了卓越的試驗研宄成果，其具有代表性的含裂隙巖石模型制樣裝置或方法簡介如下:
[0005](I) 2006年，公開號為CN 1800085A的中國專利申請《用于裂隙巖石試驗的類巖石陶瓷材料及其試件制備方法》中，提供了一種用于裂隙巖石試驗的類巖石陶瓷材料及其試件制備方法，重點介紹了陶瓷材料的物質構成和加工工藝，對比了類巖石陶瓷材料與巖石的力學性能。
[0006](2) 2009年，公開號為CN 101462854A的中國專利申請《用于制作類巖石的脆性材料及其試件預制裂隙的制備方法》中，給出了一種用于制作類巖石的脆性材料，內部裂隙采用固定器固定，模擬裂隙的材料為聚酯薄膜或金屬片。
[0007](3) 2011年，公開號為CN 102435475A的中國專利申請《一種室內單裂隙巖石試樣制備裝置》中，提出了一種充填一定厚度粘結材料單裂隙巖石試樣制備裝置。
[0008](4) 2012年，公開號為CN 102519767A的中國專利申請《一種制作類巖石試塊裂隙面的模具》中，公開了一種由滑槽、鋼片定位桿、量角器、滑桿和鋼片組成的制作類巖石試塊裂隙面的模具。
[0009](5) 2013年，公開號為CN 103196717A的中國專利申請《一種能精確定位充填型預制裂隙的類巖石試樣模具》中，該模具具體包括底座、側板、隔板、夾具、雙頭螺栓和帶帽螺栓，采用齒輪狀夾具定位裂隙角度，充填物則通過有凹槽的橡膠墊塊夾持。
[0010](6) 2014年，公開號為CN 103674658A的中國專利申請《一種隨機裂隙試驗模型的制備方法》中，提出了一種將不同厚度、不同大小以及不同數量的裂隙碎片隨機摻入到連續介質模型材料中，以制備能夠有效模擬巖體裂隙、節理等天然結構特征，以及非均質特性的試驗模型，其中裂隙碎片材質為云母片或聚四氟乙烯薄片。
[0011](7) 2014年，公開號為CN 103822808A的中國專利申請《一種隨機裂隙巖石試樣的制作方法》中，給出了一種用錫條模擬裂隙的方法，將錫條和砂漿材料混合攪拌，形成含大量隨機裂隙的巖石試樣。
[0012]上述現有技術確實在一定程度上解決了含裂隙巖石制作的問題，主要還存在如下冋題:
[0013](I)含裂隙巖體試樣制作時，一般考慮單裂隙或者簡單空間形態的二維裂隙，針對三維空間裂隙的相關制作工藝較少，考慮裂隙的空間形態特征不夠充分；
[0014](2)在制樣材料中摻入不同材料來模擬隨機裂隙的方法，以均勻性假設為前提，只能用于大尺寸巖石模型材料的模擬，其中各裂隙的空間形態和具體形狀是不可控的；
[0015](3)裂隙的固定裝置復雜、定位難度大，簡單裂隙制作雖然基本能滿足要求，但是一旦裂隙數量增大，其調節或固定的機構將異常復雜，甚至會導致不同機構的運動干涉；
[0016](4)裂隙制作時一般需要從試樣外側插入硬質板狀結構(如鋼片)來預制裂隙，都屬于由試樣表面向內部進行加工的工藝過程，無法制作巖石內置裂隙，即表面必須貫通；
[0017](5)制作巖石試樣的相似材料固結后，難以將預制裂隙的結構物拔出，拔出后容易導致裂縫厚度、寬度變大，在原裂縫周圍產生次級裂縫，甚至導致巖體結構的整體破壞；
[0018](6)裂隙的模擬材料的選擇包括聚酯薄膜、牛皮紙、金屬片、云母片等，但模擬材料與真實裂隙填充物的相似性評價存在不足，試驗結果以定性分析為主。

【發明內容】

[0019]為了克服已有技術無法有效制作斷續充填裂隙巖石試樣模型的不足，本發明提供了一種原理簡單、操作方便、成本低廉、成型效果好，能充分考慮巖體裂隙空間位置及充填物性質的斷續充填裂隙巖石試樣模型的制作方法。
[0020]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0021]一種斷續充填裂隙巖石試樣模型的制作方法，所述制作方法包括如下步驟:
[0022](I)根據巖塊試樣與模型的幾何相似比、強度相似比和彈性模量相似比，確定巖塊模型的骨料、膠結材料的配比方案；配比物質組成包括標準砂、水、硅粉、水泥和減水劑；
[0023](2)根據充填物質的測試結果與相似關系，確定裂隙模擬材料的物理力學性質；配比物質組成為高強度石膏、標準砂、水；確定不同充填性質條件下裂隙模擬材料的配比方案，其中，水的含量大小由巖塊的飽和含水率確定；
[0024](3)無水條件下，拌制裂隙模擬材料并加工成薄片狀混合材料，充填物的寬度與裂隙寬度相當，混合材料上下兩面通過薄層水溶紙包夾；
[0025](4)將模擬裂隙的薄片模擬材料平面用水溶線固定在制樣模具中；每片裂隙材料的平面由四個點固定；豎直方向的水溶線打結后分上下兩段，下段水溶線垂直高度與裂隙平面高度相同，水溶線起豎直方向固定作用；結頭設置在裂隙材料底部，保證裂隙材料不發生滑落；水溶線上端通過制樣模具上部平臺固定；
[0026](5)對巖塊相似材料的配合比進行稱量并拌合均勻，將混合材料分層倒入試樣模具內，模具內部涂抹脫離劑；在常溫下進行養護，水溶線在混合物逐漸溶解；
[0027](6)將試樣與制樣模具放入烘箱中加熱；加熱條件下，加速水溶線溶解過程并完成溶解；裂隙材料在加熱條件下，表面的薄層石蠟發生熔化；
[0028](7)將試樣從制樣模具中取出，采用煮沸法飽和試樣，煮沸容器內的水面始終高于試樣；試樣飽水后，裂隙充填材料與水相互作用；
[0029](8)取出試樣，置于通風、陰涼、干燥處，進行自然風干即成。
[0030]進一步，所述步驟(3)中，水溶性紙是以羧甲基纖維素鈉鹽或銨鹽為主要成分的紙，再將其表面打上石蠟，使得薄片材料包裹嚴密。該方案中水溶性紙的材質是本領域比較常用的，例如以羧甲基纖維素鈉鹽為主要成分，其他成分對本領域技術人員來說也是公知的；當然，水溶性紙的材質也可以采用其他遇水溶解的材料。
[0031]再進一步，所述步驟(4)中，水溶線的物質組成為聚乙烯醇，遇水溶解。該方案中水溶線的