本發(fā)明涉及一種類巖石試樣的制備裝置及制備方法，具體涉及一種含隱節(jié)理的類巖石試樣制備裝置及制備方法，屬于土木工程、水電工程領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在工程巖體中普遍存在各種尺度的節(jié)理裂隙，節(jié)理裂隙對巖石的力學特性具有顯著的影響，巖石的失穩(wěn)破壞也與這些節(jié)理裂隙具有密切的關(guān)系。特別是在高水頭壓力形成的高壓滲流下，巖體滲流應(yīng)力耦合力學特性，直接關(guān)系到工程的長期穩(wěn)定性與安全性評價。節(jié)理巖體工程特性的研究成為一個熱點。

然而實際工程現(xiàn)場很難鉆取到含節(jié)理裂隙的天然巖樣，即使在容易鉆取的區(qū)域，鉆取出的巖樣一方面會對節(jié)理結(jié)構(gòu)面造成過大擾動，另一方面由于實驗室尺度問題，巖樣通常不含節(jié)理裂隙或者僅有部分節(jié)理裂隙，不具有代表性。模型試驗提供了一種直接有效的方法，即通過相似材料人工制備含節(jié)理的類巖石試樣，而類巖石試樣制備的關(guān)鍵在于如何真實反映節(jié)理裂隙巖體的基本特征，即節(jié)理傾角、連通率、數(shù)量及間距。

目前人工制備節(jié)理巖體類巖石試樣的方法主要有兩種，一是采用機械切割后再粘接較弱的結(jié)構(gòu)面材料來模擬節(jié)理面，二是在試樣未完全凝固之前預(yù)留鐵片，及時抽取出鐵片后再回填弱的結(jié)構(gòu)面材料來模擬節(jié)理面。這兩類方法只能簡單的描述節(jié)理巖體的特征，并且制備的試樣中節(jié)理結(jié)構(gòu)面為全貫通或者半貫通，操作復(fù)雜，成本較高。對于如何制備包含在巖樣內(nèi)部的隱節(jié)理試樣，如何定量描述隱節(jié)理傾角、連通率、數(shù)量和間距，以便進行后續(xù)的實驗，是急需解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的針對現(xiàn)有巖樣制備方法只能制備貫通或部分貫通節(jié)理試樣、無法制備含隱節(jié)理試樣的問題，提供一種含隱節(jié)理的類巖石試樣制備裝置，并基于該裝置提供一種含隱節(jié)理的類巖石試樣制備方法；采用該制備裝置及制備方法制作的隱節(jié)理試樣可以精確描述隱節(jié)理傾角、連通率、數(shù)量和間距等節(jié)理巖體的基本特征。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的一種含隱節(jié)理的類巖石試樣制備裝置，包括底板和模具支撐系統(tǒng)，該模具支撐系統(tǒng)包括垂直連接的第一支撐板和第二支撐板，該第一支撐板上方設(shè)有與其平行的第一擋板和與其垂直的第二擋板，第一支撐板與第一擋板通過該第二擋板連接、共同構(gòu)成用于放置巖樣制備模具的柱形腔室，該柱形腔室具有一開口端；其中，所述兩支撐板的連接處與底板鉸接，使得模具支撐系統(tǒng)可帶動柱形腔室相對于底板轉(zhuǎn)動、與底板形成任意角度、以模擬隱節(jié)理傾角；而且，第一支撐板上設(shè)有尺寸刻度，可根據(jù)隱節(jié)理間的間距計算出試樣中每條隱節(jié)理對應(yīng)的尺寸刻度，從而可控制制得的試樣中隱節(jié)理的位置、數(shù)量和間距。

較優(yōu)的，模具支撐系統(tǒng)還包括位于第一支撐板和第二支撐板形成的角度范圍內(nèi)、并與兩支撐板分別固定的弧形支撐架，該弧形支撐架上自其與第一支撐板的固定處起至與第二支撐板的固定處順序設(shè)有0～90°的角度刻度，從而可方便地確定模具支撐系統(tǒng)與底板之間的角度，進而方便地模擬出隱節(jié)理傾角。

進一步的，該類巖石試樣制備裝置還包括與底板固定的鋸齒螺栓，該鋸齒螺栓上設(shè)有凹槽，弧形支撐架的每個刻度位置均設(shè)有可與該凹槽卡合固定的凸起。當弧形支撐架調(diào)節(jié)至所需角度時，可通過鋸齒螺栓將其固定。

更優(yōu)的，柱形腔室的開口端可拆卸連接有環(huán)形卡口，該環(huán)形卡口的內(nèi)徑尺寸與巖樣制備模具的內(nèi)徑尺寸相同。環(huán)形卡口可以拆卸連接，有利于試樣上端部分的澆注，試樣是在一定傾斜的狀態(tài)下進行澆注，上端不易完全澆注滿，設(shè)置一個環(huán)形卡口，一直澆筑至環(huán)形卡口，待試樣初凝，取下環(huán)形卡口，將上端抹平即完成試樣澆注。

本發(fā)明所述的一種利用類巖石試樣制備裝置制備含隱節(jié)理的類巖石試樣的方法，包括如下步驟：

1)準備用于制作試樣的原料，包括制作用于形成試樣的模具、根據(jù)隱節(jié)理的結(jié)構(gòu)特征裁剪出可模擬隱節(jié)理的錫片、以及配制用于模擬天然巖石的水泥砂漿；

2)調(diào)節(jié)類巖石試樣制備裝置，使第一支撐板與底板之間的角度β＝90°-α，α為待模擬的隱節(jié)理傾角，然后將模具放置于柱形腔室內(nèi)；

3)澆注試樣：根據(jù)隱節(jié)理間的間距要求，確定每條隱節(jié)理所在位置對應(yīng)在第一支撐板上的刻度值，向模具內(nèi)分次注入水泥砂漿，當水泥砂漿的量達到每條隱節(jié)理對應(yīng)的刻度值時，放入錫片，直至最后一條錫片置入后，將模具內(nèi)注滿；

4)試樣脫模、打磨成型并養(yǎng)護；

5)對試樣進行低溫處理，直至錫片變成粉末、形成隱節(jié)理結(jié)構(gòu)，即得試樣。

上述步驟1)中，模具的制作方法為：采用3D打印技術(shù)，以樹脂材料為原料制作兩個可拆分的半圓柱形模具組件，然后將兩個模具組件固定形成圓柱狀的模具。進一步的，模擬隱節(jié)理的錫片為橢圓形，橢圓形錫片的長軸和短軸尺寸可根據(jù)節(jié)理連通率確定。

上述步驟3)中，相鄰兩條隱節(jié)理所在位置對應(yīng)在第一支撐板上的兩刻度值之差其中，D為相鄰兩條隱節(jié)理間的間距。

較優(yōu)的，步驟3)中，每次放入錫片后，暫停澆注，靜置、直至水泥砂漿和錫片穩(wěn)定后繼續(xù)澆注，從而可避免錫片在水泥砂漿澆注過程中移動位置，進一步提高隱節(jié)理位置的準確性。

具體的，步驟5)中，低溫處理是將養(yǎng)護后的試樣置于零下35℃～零下33℃的溫度條件下1～2h。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的顯著優(yōu)點在于：(1)本發(fā)明的類巖石試樣制備裝置能夠定量描述巖樣中隱節(jié)理的傾角、連通率、數(shù)量和間距等節(jié)理變量，制得的巖樣能夠真實反映節(jié)理裂隙巖體的基本特征；(2)本發(fā)明的類巖石試樣制備方法操作簡單，能夠進一步精確控制巖樣中各種節(jié)理變量，制得的巖樣與天然巖石的符合度更高，對于研究隱節(jié)理裂隙在三軸壓縮以及滲流-應(yīng)力耦合-流變過程中的強度特性、滲透率的演化規(guī)律、節(jié)理裂隙擴展機理具有重要意義；(3)本發(fā)明的類巖石試樣制備方法以錫片模擬裂隙，試樣成型后對其進行低溫處理，錫片即可變成粉末形成節(jié)理，一次成型，避免了對試樣造成的破壞。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的含隱節(jié)理的類巖石試樣制備裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中A處的局部放大圖；

圖3為本發(fā)明的環(huán)形卡口的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為實施例1制得的含隱節(jié)理巖樣的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為實施例2制得的含隱節(jié)理巖樣的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步說明。

如圖1，本發(fā)明的一種含隱節(jié)理的類巖石試樣制備裝置包括底板1和模具支撐系統(tǒng)，模具支撐系統(tǒng)包括第一支撐板2和第二支撐板3，兩支撐板垂直連接；第一支撐板2上方設(shè)有第一擋板4和第二擋板5，其中，第一擋板4與其平行設(shè)置，第二擋板5與其垂直設(shè)置、且第二擋板4的兩端分別連接第一支撐板2和第一擋板4，三者共同構(gòu)成一柱形腔室6，其一端開口，巖樣制備模具可通過開口端置入柱形腔室6內(nèi)。

其中，兩支撐板的連接處與底板1鉸接，使得模具支撐系統(tǒng)可帶動柱形腔室6相對于底板1轉(zhuǎn)動、與底板1形成任意角度，從而可模擬出隱節(jié)理傾角。

第一支撐板2上設(shè)有尺寸刻度，可根據(jù)隱節(jié)理間的間距計算出試樣中每條隱節(jié)理對應(yīng)的尺寸刻度，從而可控制制得的試樣中隱節(jié)理的位置、數(shù)量和間距。

模具支撐系統(tǒng)還可包括弧形支撐架7，弧形支撐架7位于兩支撐板形成的角度范圍內(nèi)、并與兩支撐板分別固定，其弧形支撐架7上自其與第一支撐板2的固定處起至與第二支撐板3的固定處順序設(shè)有0～90°的角度刻度，此時可方便地確定模具支撐系統(tǒng)與底板1之間的角度、進而方便地模擬出隱節(jié)理傾角；以隱節(jié)理傾角為α為例，僅需轉(zhuǎn)動模具支撐系統(tǒng)，使弧形支撐架7上與底板1對應(yīng)位置處的刻度為β(β＝90°-α)，即可模擬出該隱節(jié)理傾角。

如圖2，底板1上還可以固定有鋸齒螺栓8，該鋸齒螺栓8上設(shè)置凹槽9，弧形支撐架7的每個刻度位置均設(shè)有可與該凹槽8卡合固定的凸起10。當弧形支撐架7調(diào)節(jié)至所需角度時，可通過鋸齒螺栓8將其固定，更精確地模擬出隱節(jié)理傾角。

為方便試樣的澆注，可在柱形腔室6的開口端設(shè)置與其可拆卸連接的環(huán)形卡口11，環(huán)形卡口11的內(nèi)徑尺寸與模具的內(nèi)徑尺寸相等，如圖3。由于試樣是在一定傾斜的狀態(tài)下進行澆注，上端不易完全澆注滿，設(shè)置一個環(huán)形卡口11，一直澆筑至環(huán)形卡口11，待試樣初凝，取下環(huán)形卡口11，將試樣上端抹平即可完成試樣澆注。

實施例1

制備隱節(jié)理傾角α1＝45°，連通率k1＝22.4％，數(shù)量n1＝2條，間距D1＝2cm的類砂巖試樣，包含如下步驟：

1)利用3D打印技術(shù)，采用樹脂材料制作兩個可拆分的半圓柱模具，然后將兩個半圓柱模具用兩個帶螺栓的金屬條固定在一起，形成一個標準圓柱樣模具，尺寸為Φ50×100；

2)采用薄錫片模擬隱節(jié)理裂隙，錫片的厚度為0.1mm，將錫片裁剪為長軸a＝2cm，短軸b＝1cm的橢圓形，使得形成的節(jié)理的連通率k1＝22.4％；

3)調(diào)節(jié)隱節(jié)理試樣制備裝置，使弧形支撐架7上與底板1位置對應(yīng)處的刻度β＝45°并固定好，則隱節(jié)理傾角為α＝90°-45°＝45°，然后將步驟1)制備的標準模具放入柱形腔室6中；

4)制備砂漿材料：砂漿材料主要由水泥、砂、水混合攪拌得到，根據(jù)帶模擬的天然巖石的強度和滲透性能確定；本實例模擬砂巖，結(jié)合相關(guān)文獻資料，采用52.5的水泥，即水泥：砂：水三者的質(zhì)量比為1:0.5:0.35；

5)澆筑試樣：本實例中模擬的類砂巖試樣的節(jié)理間距D1＝2cm，兩條隱節(jié)理所在面對應(yīng)在第一支撐架2上的刻度之間的距離用針筒抽取步驟4)制得的砂漿材料，向模具內(nèi)注入砂漿至第一支撐架2上刻度L1＝4cm處，振搗均勻后放入一條步驟2)裁剪的錫片，待30s后砂漿和錫片都處于穩(wěn)定狀態(tài)，繼續(xù)澆筑砂漿、至L2＝L1+ΔL＝6.8cm處，振搗均勻后放入第二條錫片，然后澆筑至環(huán)形卡口11。

6)試樣脫模以及打磨成型：將步驟5)中澆筑的試樣在類巖石試樣制備裝置上放置6小時后取出，摘下環(huán)形卡口11，將試樣的上表面磨平；試樣放置24小時后，脫掉模具，將試樣置于溫度20℃±2℃、相對濕度為95％的養(yǎng)護箱中養(yǎng)護。

7)試樣的低溫處理：試樣養(yǎng)護28天后，置于冷凍儲藏箱中，溫度調(diào)到零下33°，低溫處理1個小時。

經(jīng)過冷處理后的試樣，預(yù)制的隱節(jié)理將將發(fā)生“錫瘟”，變成沒有強度的粉末，達到真正模擬隱節(jié)理的目的，同時試樣又具有巖石的脆性特征。本實施例制得的含隱節(jié)理的類砂巖試樣如圖4，可以看到，試樣中隱節(jié)理傾角為45°、連通率為22.4％、數(shù)量為2條，且兩條隱節(jié)理之間的間距為2cm。

實施例2

制備隱節(jié)理傾角α2＝60°，連通率k2＝67.2％，數(shù)量n2＝3，間距D2＝1cm，的類砂巖試樣，包含如下步驟：

1)實施例1中試樣脫模后，將模具清洗干凈后可重復(fù)使用。同實施例1一樣，將兩個半圓柱模具用兩個帶螺栓的金屬條固定在一起，形成標準圓柱樣模具。

2)采用薄錫片模擬隱節(jié)理裂隙，錫片的厚度為0.1mm，本實例中節(jié)理連通率k2＝67.2％，故將錫片裁剪為長軸a＝3cm、短軸b＝2cm的橢圓形；

3)調(diào)節(jié)隱節(jié)理試樣制備裝置，使弧形支撐架7上與底板1位置對應(yīng)處的刻度β＝30°并固定好，則隱節(jié)理傾角為α＝90°-30°＝60°，然后將步驟1)制備的標準模具放入試樣架；

4)制備砂漿材料：砂漿材料主要由水泥、砂、水混合攪拌得到，本實例模擬砂巖，結(jié)合相關(guān)文獻資料，采用52.5的水泥，即水泥：砂：水三者的質(zhì)量比為1:0.5:0.35；

5)澆筑試樣：本實例中模擬的類砂巖試樣的節(jié)理間距為D2＝1cm，數(shù)量為n＝3條，三條隱節(jié)理所在面對應(yīng)在第一支撐架2上的刻度之間的距離用針筒抽取步驟4)制得的砂漿材料，向模具內(nèi)注入砂漿至第一支撐架2上刻度L1＝4cm處，振搗均勻后放入一條步驟2)裁剪的錫片，待30s后砂漿和錫片都處于穩(wěn)定狀態(tài)，繼續(xù)澆筑砂漿、至L2＝L1+ΔL＝6cm處，振搗均勻后放入第二條錫片，待砂漿和隱節(jié)理再次穩(wěn)定后，繼續(xù)注入砂漿、至L3＝L2+ΔL＝8cm處，放入第三條錫片，注入砂漿到環(huán)形卡口11滿為止。

6)試樣脫模以及打磨成型：將步驟5)中澆筑的試樣在類巖石試樣制備裝置上放置6小時后取出，摘下環(huán)形卡口11，將試樣的上表面磨平；試樣放置24小時后，脫掉模具，將試樣置于溫度20℃±2℃、相對濕度為95％的養(yǎng)護箱中養(yǎng)護。

7)試樣的低溫處理：試樣養(yǎng)護28天后，置于冷凍儲藏箱中，溫度調(diào)到零下33°，低溫處理1個小時。

經(jīng)過冷處理后的試樣，預(yù)制的隱節(jié)理將將發(fā)生“錫瘟”，變成沒有強度的粉末，達到真正模擬隱節(jié)理的目的，同時試樣又具有巖石的脆性特征。本實施例制得的含隱節(jié)理的類砂巖試樣如圖5，可以看到，試樣中隱節(jié)理傾角為60°，連通率為67.2％，數(shù)量為3條，且三條隱節(jié)理之間的間距為1cm。