專(zhuān)利名稱(chēng)：用于層狀裂隙灰?guī)r試驗(yàn)的裂紋系統(tǒng)試件的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于巖石材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及在原狀巖樣中產(chǎn)生具統(tǒng)計(jì)規(guī)律且可與天然巖體中裂隙類(lèi)比的裂紋系統(tǒng)試件的制備方法，可用來(lái)研究裂隙巖體的力學(xué)特性。
背景技術(shù)：
巖體多裂隙性。層狀裂隙巖體，特別是層狀灰?guī)r是我國(guó)水利、礦山等各種巖體工程中經(jīng)常遇到的一種復(fù)雜介質(zhì)。對(duì)層狀裂隙灰?guī)r力學(xué)特性的研究，是實(shí)際巖體工程的需要，同時(shí)也是一個(gè)科學(xué)性的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)研究是認(rèn)識(shí)和掌握裂隙巖體力學(xué)特性的最重要手段，包括了原位試驗(yàn)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行大量的原位試驗(yàn)畢竟條件有限，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)成了廣泛采用的重要方法，是試圖從宏觀微觀方面去認(rèn)識(shí)裂隙巖體力學(xué)特性。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的關(guān)于裂隙巖體試驗(yàn)研究多集中采用模型試驗(yàn)和數(shù)值試驗(yàn)方法進(jìn)行對(duì)于模型試驗(yàn)，由于制作模型試樣相對(duì)容易實(shí)施，因而這種試驗(yàn)方法為國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者所采用。即將巖體的工程效應(yīng)(如結(jié)構(gòu)特征和賦存環(huán)境等)統(tǒng)一到模型試驗(yàn)中去，通過(guò)石膏、水泥砂漿、重晶石等與其它混合料按一定比例配制，并通過(guò)在模型試樣中摻入裂紋片(如云母和紙片等)和薄鋼片來(lái)預(yù)制并模擬張開(kāi)和閉合裂隙，從而來(lái)研究節(jié)理裂隙巖體的力學(xué)特性。如 Fumagailli (1973)、R. J. Lutton (1974)、Bobet and Einstein (1998)、R. H. C Wonget al (2001)、張平等(2006)、李銀平和楊春和(2006)等的研究。也有用陶瓷代替巖石材料進(jìn)行巖石試驗(yàn)(李術(shù)才，李廷春，朱維申，2006)。數(shù)值試驗(yàn)方法是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)，研究成果多集中采用東北大學(xué)巖石破裂與失穩(wěn)研究中心研發(fā)的巖石破裂過(guò)程分析系統(tǒng)RFPA2D，對(duì)單裂紋或多裂紋巖石試樣進(jìn)行數(shù)值模擬，基于模擬結(jié)果來(lái)分析和探討裂隙對(duì)巖體力學(xué)特性的影響規(guī)律。這種分析方法考慮了巖體材料的非均質(zhì)性，但仍假定數(shù)值模型屬于平面應(yīng)力或平面應(yīng)變問(wèn)題。因而制作的模型試樣以及數(shù)值試樣與真實(shí)的巖石材料仍然存在著較大的差異性?；谝陨系脑?，就有研究者在真實(shí)巖樣中預(yù)制裂紋來(lái)模擬真實(shí)巖樣中的真實(shí)裂隙，但由于巖石比較堅(jiān)硬，制作裂紋并非容易的事，尤其是巖石越硬越不容易加工裂紋，故目前在真實(shí)巖樣中預(yù)制裂紋基本上只能是從外圍進(jìn)行簡(jiǎn)單的切割加工，雖然比制作模型在材料類(lèi)比上更進(jìn)一步，但還是不能反映出原狀巖樣裂隙系統(tǒng)的真實(shí)地質(zhì)沉積屬性。對(duì)裂隙巖體實(shí)驗(yàn)測(cè)試試樣的研究依然是個(gè)關(guān)鍵性的問(wèn)題，沒(méi)有一個(gè)概化合理的試樣模型，則得出的試驗(yàn)成果的可靠度也大打折扣。如何充分結(jié)合巖石的地質(zhì)成因特性，考慮巖體的層狀結(jié)構(gòu)以及沉積層紋特點(diǎn)，在運(yùn)用影響巖體結(jié)構(gòu)發(fā)育狀態(tài)的主要因素條件下，制備可與天然巖體裂隙系統(tǒng)相類(lèi)比的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的巖石試樣是非常值得研究的。目前還沒(méi)有這樣的研究報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于層狀裂隙灰?guī)r試驗(yàn)的裂紋系統(tǒng)試件的制備方法。技術(shù)方案本發(fā)明是將天然巖體中產(chǎn)生具有地質(zhì)成因特征和統(tǒng)計(jì)規(guī)律裂紋的裂隙巖樣用于裂隙巖體力學(xué)性質(zhì)研究。經(jīng)多年的野外工程實(shí)踐和調(diào)研，薄層狀的灰?guī)r多數(shù)具有沉積巖明顯特征的層紋結(jié)構(gòu)，可利用這一特征進(jìn)行灰?guī)r巖石材料選樣。在現(xiàn)場(chǎng)選取具有典型薄層特征的灰?guī)r(一般在野外風(fēng)化后或在卸荷帶區(qū)，層紋結(jié)構(gòu)特征明顯)?，F(xiàn)場(chǎng)鉆取巖芯，取出的巖樣要求層紋特征明顯，強(qiáng)度符合工程要求。制樣時(shí)加工的試樣基本尺寸和加工精度均要符合巖石試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。本發(fā)明用于層狀裂隙灰?guī)r試驗(yàn)的裂紋系統(tǒng)試件的具體的制備方法如下
(1)選樣選取具有薄層狀結(jié)構(gòu)的灰?guī)r巖樣，薄層狀結(jié)構(gòu)肉眼可見(jiàn)，但隙寬測(cè)量不出，這種巖石常見(jiàn)于水利水電工程中的邊坡、壩肩等卸荷區(qū)內(nèi)；
(2)取樣在現(xiàn)場(chǎng)鉆取巖芯,加工成圓柱形樣,為了減少巖樣之間的差異性，鉆取巖芯時(shí)盡量在同一塊巖樣的同一方向進(jìn)行加工，并保證巖樣表面沒(méi)有明顯裂紋，上下表面平行度在0. 05mm以?xún)?nèi)，表面平面度在0. 02mm以?xún)?nèi)；
(3)制備
①將加工好的巖樣抽真空4-6小時(shí)，飽水12-24小時(shí)；
②將真空飽和后的巖樣，放到-20(± 2 )°C的凍結(jié)箱中凍結(jié)4-6小時(shí)，然后在20( ± 2 )°C的水中融解4-6小時(shí)；
③將解凍后的飽和巖樣放在溫度為105±2°C的烤箱中烘烤24-36小時(shí)(根據(jù)熱裂化原
理)；
④將烘烤后的巖樣放置在空氣中冷卻；
此時(shí)一個(gè)循環(huán)結(jié)束，每個(gè)循環(huán)結(jié)束后比較每個(gè)步驟巖樣重量的變化以及巖樣外觀微隱伏結(jié)構(gòu)微裂紋的變化，同時(shí)測(cè)量微裂紋的隙寬，如果有明顯裂紋生成，即裂紋隙寬在
0.5mm-2. 0mm，則得到裂紋系統(tǒng)試件，制備過(guò)程結(jié)束；如果沒(méi)有達(dá)到所要求的隙寬，繼續(xù)進(jìn)行①-④的實(shí)驗(yàn)循環(huán)。因巖樣之間的差異性，一般灰?guī)r進(jìn)行10-60次循環(huán)，可以得到微裂紋隙寬為0. 5mm至2. Omm的具地質(zhì)成因特征和統(tǒng)計(jì)規(guī)律的且可與天然巖體中裂隙類(lèi)比的裂紋系統(tǒng)，并且所制備的裂隙巖樣的密度、孔隙率、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度以及變形特征指標(biāo)等力學(xué)性能仍符合工程要求。因不同成因的層狀灰?guī)r巖樣質(zhì)地不同，則實(shí)驗(yàn)進(jìn)行循環(huán)的次數(shù)也不一樣，要視具體的層狀灰?guī)r巖樣。有益效果(I)本發(fā)明致力于獲得在天然巖體中產(chǎn)生具地質(zhì)成因特征和統(tǒng)計(jì)規(guī)律裂紋的裂紋系統(tǒng)試件，制備出可與天然巖體裂隙系統(tǒng)相類(lèi)比的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的裂紋系統(tǒng)試件，克服了以往模型試驗(yàn)和數(shù)值試驗(yàn)方法中預(yù)制的裂紋不能反映真實(shí)裂隙巖樣的不足，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法有效可行，操作簡(jiǎn)單，成本低。(2)用本發(fā)明方法制得的裂紋系統(tǒng)試件進(jìn)行試驗(yàn)，既體現(xiàn)了原巖裂隙的地質(zhì)成因，又保留了其基本的物理力學(xué)性能，這是任何一種相似材料所不能完成的。本發(fā)明方法制備的裂紋系統(tǒng)試件，可廣泛應(yīng)用于能源、水利、交通、礦山等領(lǐng)域的巖土工程地質(zhì)力學(xué)特性及模型試驗(yàn)研究中，得出的各種力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果更具真實(shí)性和代表性。


圖1為本發(fā)明制備過(guò)程流程圖。其中①選取具薄層狀結(jié)構(gòu)的灰?guī)r巖樣,②鉆取巖芯加工成圓柱形樣,③巖樣抽真空4h飽水24h，④凍結(jié)4h后再放入20°C水中融解4h，⑤105°C烘箱內(nèi)烘烤巖樣24h后再常溫冷卻，⑥測(cè)量微裂紋隙寬，⑦制出具地質(zhì)成因的裂紋系統(tǒng)試件，K為裂紋隙寬。圖2是未進(jìn)行制備步驟的層狀灰?guī)r單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。圖3是經(jīng)過(guò)20次循環(huán)制備步驟的層狀裂隙灰?guī)r單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于所述實(shí)施例。實(shí)施例1 :本發(fā)明用于層狀裂隙灰?guī)r試驗(yàn)的裂紋系統(tǒng)試件的制備方法，具體包括如下步驟
1.選樣在云南阿海水電站現(xiàn)場(chǎng)選取在卸荷帶區(qū)內(nèi)具典型薄層狀結(jié)構(gòu)的灰?guī)r，灰?guī)r層紋特征結(jié)構(gòu)明顯，肉眼可見(jiàn)，但測(cè)量不出隙寬；
2.取樣在現(xiàn)場(chǎng)鉆取巖芯，為了減少巖樣之間的差異性,鉆取巖芯時(shí)盡量在同一塊巖樣的同一方向進(jìn)行加工，制樣時(shí)加工成圓柱形樣，并保證巖樣表面沒(méi)有明顯裂紋。上下表面平行度在0. 05 mm以?xún)?nèi)，表面平面度在0. 02mm以?xún)?nèi)；
3.制備①將加工好的天然巖樣抽真空4小時(shí)，飽水24小時(shí)。②將真空飽和后的巖樣，放到-20 (±2) 1的凍結(jié)箱中凍結(jié)4小時(shí)，然后在20°C的水中融解4小時(shí)。③將解凍后的飽和巖樣放在溫度為105°C的烤箱中烘烤24小時(shí)。④將烘烤后的巖樣放置在空氣中冷卻。此時(shí)一個(gè)循環(huán)結(jié)束，每次循環(huán)結(jié)束后，要比較每個(gè)步驟巖樣重量的變化以及巖樣外觀微隱伏結(jié)構(gòu)微裂紋的變化，同時(shí)測(cè)量微裂紋的隙寬，如果有明顯裂紋生成，即裂紋隙寬在
0.5mm-2. 0mm，則得到裂紋系統(tǒng)試件，制備過(guò)程結(jié)束；如果沒(méi)有達(dá)到所要求的隙寬，繼續(xù)進(jìn)行
①-④的實(shí)驗(yàn)循環(huán)。本次實(shí)驗(yàn)直到實(shí)驗(yàn)循環(huán)進(jìn)行了 20次后，得到裂紋隙寬在0.5mm-2.0mm的裂隙系統(tǒng)試件。因巖樣之間的差異性，一般灰?guī)r進(jìn)行10-60次循環(huán)，可以得到微裂紋隙寬為0. 5mm至2. Omm的具地質(zhì)成因特征和統(tǒng)計(jì)規(guī)律的且可與天然巖體中裂隙類(lèi)比的裂紋系統(tǒng)試件。為了檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)制備后的裂隙系統(tǒng)試件的強(qiáng)度特征，將實(shí)驗(yàn)循環(huán)制備的裂隙系統(tǒng)試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，并與未經(jīng)過(guò)制備的天然巖樣進(jìn)行對(duì)比，其各種物理力學(xué)性能指標(biāo)如下表所示。
權(quán)利要求
1.一種用于層狀裂隙灰?guī)r試驗(yàn)的裂紋系統(tǒng)試件的制備方法，其特征在于包括如下步驟 (1)選樣選取具有薄層狀結(jié)構(gòu)的灰?guī)r巖樣； (2)取樣在現(xiàn)場(chǎng)鉆取巖芯，加工成圓柱形樣，并保證巖樣表面沒(méi)有明顯裂紋，上下表面平行度在0. 05mm以?xún)?nèi)，表面平面度在0. 02mm以?xún)?nèi)； (3)制備 ①將加工好的巖樣抽真空4-6小時(shí)，飽水12-24小時(shí)； ②將真空飽和后的巖樣，放到-20(±2) °〇的凍結(jié)箱中凍結(jié)4-6小時(shí)，然后在20±2°C的水中融解4-6小時(shí)； ③將解凍后的飽和巖樣放在溫度為105±2°C的烤箱中烘烤24-36小時(shí)； ④將烘烤后的巖樣放置在空氣中冷卻； 此時(shí)一個(gè)循環(huán)結(jié)束，每個(gè)循環(huán)結(jié)束后比較每個(gè)步驟巖樣重量的變化以及巖樣外觀微隱伏結(jié)構(gòu)微裂紋的變化，同時(shí)測(cè)量微裂紋的隙寬，如果有明顯裂紋生成，即裂紋隙寬在0. 5mm-2. 0mm,則得到裂紋系統(tǒng)試件，制備過(guò)程結(jié)束；如果沒(méi)有達(dá)到所要求的隙寬，繼續(xù)進(jìn)行①-④的實(shí)驗(yàn)循環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于層狀裂隙灰?guī)r試驗(yàn)的裂紋系統(tǒng)試件的制備方法，其特征在于步驟(I)中，選取的巖樣具有薄層狀結(jié)構(gòu)，層紋特征明顯；步驟(2)中，取樣時(shí)，鉆取巖芯在同一塊巖樣的同一方向進(jìn)行加工。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于層狀裂隙灰?guī)r試驗(yàn)的裂紋系統(tǒng)試件的制備方法，選取具有薄層狀結(jié)構(gòu)的灰?guī)r巖樣；現(xiàn)場(chǎng)鉆取巖芯，加工成圓柱形樣。將巖樣抽真空4h飽水24h，然后放入-20℃的凍結(jié)箱中凍結(jié)4h，再放入20℃的水中融解4h，將解凍后的飽和巖樣在溫度為105℃的烤箱中烘烤24h，然后放置空氣中冷卻。此時(shí)一個(gè)循環(huán)結(jié)束，測(cè)量裂紋隙寬，如果隙寬達(dá)到0.5-2.0mm，則停止實(shí)驗(yàn)，如果沒(méi)有達(dá)到所要求的隙寬，繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)循環(huán)。本發(fā)明充分結(jié)合層狀灰?guī)r的地質(zhì)成因，在運(yùn)用影響巖體結(jié)構(gòu)發(fā)育狀態(tài)的主要因素條件下，制備可與天然巖體裂隙系統(tǒng)相類(lèi)比的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的巖石試樣，是任何一種相似材料都無(wú)法替代的。
文檔編號(hào)G01N1/44GK103033413SQ20121053451
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月12日
發(fā)明者王環(huán)玲, 徐衛(wèi)亞 申請(qǐng)人:河海大學(xué)