本發(fā)明涉及巖石力學(xué)與工程技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種柱狀節(jié)理巖體取樣方法。

背景技術(shù)：

漫長(zhǎng)的地質(zhì)演化過(guò)程，使賦存于一定地質(zhì)和應(yīng)力環(huán)境中的巖體內(nèi)，廣泛發(fā)育不同成因、規(guī)模、特性的軟弱結(jié)構(gòu)面，如節(jié)理、裂隙、斷層等，將完整的巖石切割成不規(guī)則的巖塊，大大降低了巖石本身的強(qiáng)度。巖土工程項(xiàng)目大多處于性質(zhì)復(fù)雜的由結(jié)構(gòu)面和巖塊構(gòu)成的具有一定結(jié)構(gòu)特征的節(jié)理巖體之中，直接控制工程圍巖穩(wěn)定性。

柱狀節(jié)理是火山熔巖噴發(fā)溢流過(guò)程中由于冷卻收縮形成的呈不規(guī)則或規(guī)則形態(tài)的原生張性破裂構(gòu)造，多現(xiàn)于玄武巖中，在我國(guó)西南地區(qū)廣泛分布，一些典型的風(fēng)景型柱狀節(jié)理巖體如云南騰沖、香港萬(wàn)宜水庫(kù)等，諸多已建或在建大型水電站(白鶴灘、溪洛渡、銅街子、金安橋等)和特長(zhǎng)交通隧道等均有揭露。柱狀節(jié)理巖體節(jié)理裂隙異常發(fā)育，即包括柱體和柱體之間的節(jié)理(平行和垂直于柱體的縱向節(jié)理、橫向節(jié)理)，又包括單個(gè)柱體內(nèi)部隨機(jī)發(fā)育的微裂隙，受多組不同方向節(jié)理面切割而形成不同形狀或其他不規(guī)則棱柱狀。柱狀節(jié)理巖體具有顯著的力學(xué)各向異性、不連續(xù)和非均質(zhì)性，開(kāi)挖卸荷下具有明顯的非連續(xù)變形、易開(kāi)裂與漸進(jìn)松弛特征，圍巖自穩(wěn)能力較差、易發(fā)生失穩(wěn)破壞，對(duì)地下工程開(kāi)挖與支護(hù)設(shè)計(jì)施工都帶來(lái)了較大的難度。

目前，柱狀節(jié)理巖體力學(xué)特性的研究一般采用數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)方法，而大型現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作復(fù)雜、費(fèi)力、費(fèi)時(shí)、數(shù)據(jù)離散，類(lèi)巖石模型室內(nèi)試驗(yàn)節(jié)理構(gòu)造較為規(guī)則和簡(jiǎn)單，與自然界柱狀節(jié)理巖體差異較大，數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果的可靠性取決于巖塊和節(jié)理本構(gòu)關(guān)系的合理選取。

實(shí)驗(yàn)是巖石力學(xué)領(lǐng)域經(jīng)常采用的一種研究方法，為了進(jìn)行相關(guān)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)需要提前進(jìn)行取樣，常用的取樣方法包括鉆孔取樣(巖芯)和塊石取樣(切割、鎬)。由于柱狀節(jié)理巖體普遍被多組節(jié)理切割、完整性差，不管是鉆芯還是切割獲取含完整柱狀節(jié)理裂隙構(gòu)造的巖樣十分困難，往往只含有一組或不包含節(jié)理，即使取回也難以加工成符合實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的試樣，不能反映巖體的力學(xué)性質(zhì)。鑒于此，柱狀節(jié)理巖體基本物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究尚未見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，因此柱狀節(jié)理巖體現(xiàn)場(chǎng)取樣和實(shí)驗(yàn)室制樣成為巖石力學(xué)領(lǐng)域急需解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種柱狀節(jié)理巖體取樣方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中柱狀節(jié)理巖體普遍被多組節(jié)理切割、完整性差，鉆芯或者切割獲取含完整柱狀節(jié)理裂隙構(gòu)造的巖樣困難，難以加工成符合實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的試樣，不能反映巖體的力學(xué)性質(zhì)的技術(shù)問(wèn)題。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種柱狀節(jié)理巖體取樣方法，包括：

選址，選擇具有典型完整的柱狀節(jié)理分布特征的取樣地點(diǎn)；

凍結(jié)，凍結(jié)所述取樣地點(diǎn)處的巖體；

切割或鉆芯，將凍結(jié)的巖體切割或鉆取柱狀巖芯。

進(jìn)一步地，所述方法還包括：

保護(hù)，

包裹并固定住切割或鉆取的凍結(jié)巖樣；

將固定好的凍結(jié)巖樣置于保溫隔熱箱中。

進(jìn)一步地，所述保護(hù)還包括：

通過(guò)冷藏運(yùn)輸，將所述保溫隔熱箱運(yùn)送回實(shí)驗(yàn)室。

進(jìn)一步地，所述方法還包括：

加工成樣，

保持凍結(jié)巖樣的凍結(jié)狀態(tài)下，加工成符合標(biāo)準(zhǔn)且包含完整柱狀節(jié)理裂隙網(wǎng)絡(luò)的試樣。

進(jìn)一步地，所述加工成樣還包括：

采用塑料膜或橡皮筋將加工完成的試樣包裹好，防止其解凍后破裂或散開(kāi)。

進(jìn)一步地，所述方法還包括：

解凍，

將加工成的試樣在自然狀態(tài)下解凍，使其水分流出，恢復(fù)到現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)，且保持柱狀節(jié)理巖體的完整性。

進(jìn)一步地，所述選址包括：

開(kāi)挖柱狀節(jié)理巖體區(qū)地下洞室；

在所述地下洞室的底板或邊墻選擇具有典型完整的柱狀節(jié)理分布特征且利于施工的取樣地點(diǎn)。

進(jìn)一步地，所述凍結(jié)包括：

在取樣地點(diǎn)外圍鉆孔并下放凍結(jié)媒介，其中，合理選取鉆孔間排距、直徑和深度，確保形成均勻封閉的凍結(jié)巖體；

向所述鉆孔內(nèi)注水，使巖體充水飽和；

通過(guò)所述凍結(jié)媒介提供冷量，使鉆孔內(nèi)的水凍結(jié)成冰并與巖體膠結(jié)成一體。

進(jìn)一步地，所述凍結(jié)媒介采用液氮凍結(jié)系統(tǒng)。

進(jìn)一步地，所述鉆孔位置為距離所述取樣地點(diǎn)外側(cè)0.3～0.5m處；

在凍結(jié)過(guò)程中，鉆孔的孔底以下0.5m區(qū)域的地層冷凍至零度以下的凍結(jié)狀態(tài)。

本申請(qǐng)實(shí)施例中提供的一個(gè)或多個(gè)技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點(diǎn)：

本申請(qǐng)實(shí)施例中提供的柱狀節(jié)理巖體取樣方法，針對(duì)柱狀節(jié)理裂隙巖體，采用凍結(jié)系統(tǒng)將取樣范圍內(nèi)柱狀節(jié)理巖體先行冷凍，使周?chē)畠鼋Y(jié)成冰并與巖體膠結(jié)成一體，從而完整且高強(qiáng)度的保持試樣，最大限度保證能夠從現(xiàn)場(chǎng)切割或取芯獲取含有裂隙網(wǎng)絡(luò)巖體的完整性；配合固定和保溫材料避免了凍結(jié)巖樣在運(yùn)輸過(guò)程中解凍和碰撞擾動(dòng)導(dǎo)致軟弱結(jié)構(gòu)面張開(kāi)破裂，并在巖體解凍以前加工成符合實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)尺寸的試樣，為柱狀節(jié)理巖體物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)和地下開(kāi)挖穩(wěn)定性研究提供了真實(shí)可靠的基礎(chǔ)資料與參考依據(jù)。本發(fā)明的方法簡(jiǎn)單，高效快捷，實(shí)用效果好，具有廣泛的應(yīng)用性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的柱狀節(jié)理巖體取樣方法流程圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的柱狀節(jié)理巖體取樣布置示意圖。

具體實(shí)施方式

本申請(qǐng)實(shí)施例通過(guò)提供一種柱狀節(jié)理巖體取樣方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中柱狀節(jié)理巖體普遍被多組節(jié)理切割、完整性差，鉆芯或者切割獲取含完整柱狀節(jié)理裂隙構(gòu)造的巖樣困難，難以加工成符合實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的試樣，不能反映巖體的力學(xué)性質(zhì)的技術(shù)問(wèn)題。

為了更好的理解上述技術(shù)方案，下面將結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖以及具體的實(shí)施方式對(duì)上述技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明實(shí)施例以及實(shí)施例中的具體特征是對(duì)本申請(qǐng)技術(shù)方案的詳細(xì)的說(shuō)明，而不是對(duì)本申請(qǐng)技術(shù)方案的限定，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)實(shí)施例以及實(shí)施例中的技術(shù)特征可以相互組合。

參見(jiàn)圖1，一種柱狀節(jié)理巖體取樣方法，包括：

選址，選擇具有典型完整的柱狀節(jié)理分布特征的取樣地點(diǎn)；

凍結(jié)，凍結(jié)所述取樣地點(diǎn)處的巖體；

切割或鉆芯，將凍結(jié)的巖體切割或鉆取柱狀巖芯。

具體來(lái)說(shuō)，所述選址包括：開(kāi)挖柱狀節(jié)理巖體區(qū)地下洞室；在所述地下洞室的底板或邊墻選擇具有典型完整的柱狀節(jié)理分布特征且利于施工的取樣地點(diǎn)。一般而言，在取樣地點(diǎn)選擇長(zhǎng)，寬均為1m，距底板0.5～1m的區(qū)域作為取樣區(qū)域。

所述凍結(jié)包括：

在取樣地點(diǎn)外圍鉆孔并下放凍結(jié)媒介，其中，合理選取鉆孔間排距、直徑和深度，確保形成均勻封閉的凍結(jié)巖體；

向所述鉆孔內(nèi)注水，使巖體充水飽和；

通過(guò)所述凍結(jié)媒介提供冷量，使鉆孔內(nèi)的水凍結(jié)成冰并與巖體膠結(jié)成一體。

一般來(lái)說(shuō)，在選定取樣地點(diǎn)外側(cè)0.3～0.5m處垂直邊墻鉆孔并安裝凍結(jié)無(wú)縫鋼管，孔深0.5～1m，確保形成均勻封閉的柱狀節(jié)理凍結(jié)體；向鉆孔內(nèi)注水，使巖體充水飽和；選擇液氮凍結(jié)系統(tǒng)，通過(guò)高壓泵將低溫液氮流體持續(xù)泵入到孔底，使周?chē)畠鼋Y(jié)成冰并與巖體膠結(jié)成一體，確保整個(gè)松散破碎柱狀節(jié)理巖體成為一個(gè)整體；保持鉆孔內(nèi)一定液面高度的液氮2小時(shí)以上，使孔底以下0.5m區(qū)域的地層冷凍至零度以下的凍結(jié)狀態(tài)，并通過(guò)埋設(shè)在冷凍管外側(cè)的測(cè)溫儀控制凍結(jié)范圍和溫度。

完成凍結(jié)后，停止液氮泵，采用巖石切割機(jī)和鎬等機(jī)械方式將巖體切割成0.5m×0.5m×0.5m的立方體，確保橫向和縱向方向上至少包含5個(gè)完整柱狀節(jié)理巖體或裂隙切割的巖塊。

其中，鉆孔：利用鉆機(jī)在選定的在取樣位置，1～2m×1～2m，外側(cè)一定距離處垂直巖體表面鉆進(jìn)凍結(jié)孔，合理選取鉆孔間排距、直徑和深度，確保能夠形成均勻封閉的凍結(jié)帷幕。

凍結(jié)試樣：鉆孔完畢后下放凍結(jié)管并注水，安裝整個(gè)凍結(jié)系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際條件可以選擇液氮凍結(jié)、氨-鹽水凍結(jié)或二氧化碳-酒精凍結(jié)，實(shí)施人工地層凍結(jié)，即向凍結(jié)管內(nèi)提供冷量，使整個(gè)松散破碎柱狀節(jié)理巖體成為一個(gè)整體，形成達(dá)到設(shè)計(jì)要求的厚度和溫度的凍結(jié)巖石。

測(cè)溫：在凍結(jié)過(guò)程中利用測(cè)溫孔中的測(cè)溫儀隨時(shí)掌握凍結(jié)巖體溫度變化，控制凍結(jié)范圍和凍結(jié)溫度。

切割或鉆芯：凍結(jié)操作完成后，停止供液、拔出凍結(jié)管，為便于操作和運(yùn)輸，采用巖石切割機(jī)、鎬等機(jī)械方式將巖體切割成0.5m×0.5m×0.5m的正方體，或利用取芯鉆機(jī)鉆取直徑10～20cm、長(zhǎng)度30～50cm的柱狀巖芯。

所述方法還包括：保護(hù)，包裹并固定住切割或鉆取的凍結(jié)巖樣；將固定好的凍結(jié)巖樣置于保溫隔熱箱中。

具體來(lái)說(shuō)，迅速將切割或取芯的凍結(jié)巖樣用塑料膜包裹，同時(shí)施加木板或麻繩或鋼絲約束；將固定好的巖體放入塑料泡沫材料箱中，起到保溫隔熱、防止碰撞的作用；然后裝入木箱中并用木屑覆蓋，及時(shí)通過(guò)冷藏車(chē)將這些正方體或圓柱體巖芯運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。

進(jìn)一步地，所述方法還包括：加工，保持凍結(jié)巖樣的凍結(jié)狀態(tài)下，加工成符合標(biāo)準(zhǔn)且包含完整柱狀節(jié)理裂隙網(wǎng)絡(luò)的試樣。采用塑料膜或橡皮筋將加工完成的試樣包裹好，防止其解凍后破裂或散開(kāi)。

所述方法還包括：解凍，將加工成的試樣在自然狀態(tài)下解凍，使其水分流出，恢復(fù)到現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)，且保持柱狀節(jié)理巖體的完整性。

分別進(jìn)行單軸壓縮、剪切、劈裂或三軸等室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。真實(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)巖體基本力學(xué)特性

應(yīng)當(dāng)指出：若條件允許，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行柱狀節(jié)理巖體的凍結(jié)和加工成標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)試樣效果更好。

下面結(jié)合具體的實(shí)施方案說(shuō)明本方案。

某水電站柱狀節(jié)理巖體現(xiàn)場(chǎng)取樣實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作更為詳細(xì)的描述。

導(dǎo)流洞為城門(mén)型，寬19.7m、高9.0m，沿線洞室柱狀節(jié)理巖體極其發(fā)育，受多個(gè)相交構(gòu)成的封閉筒狀節(jié)理面切割形成軸線彼此近似平行的完整-斷續(xù)的柱體，形狀基本為五邊形和六邊形，直徑10～40cm、長(zhǎng)度0.5～3m、傾角60°～85°；此外柱體單元內(nèi)部微裂隙發(fā)育切割巖體塊度一般5～10cm，相互咬合，呈柱狀鑲嵌結(jié)構(gòu)。柱狀節(jié)理巖體節(jié)理裂隙發(fā)育、強(qiáng)度小、質(zhì)量等級(jí)低，開(kāi)挖過(guò)程中巖體開(kāi)裂、松脫、垮塌等嚴(yán)重，其變形破壞穩(wěn)定性問(wèn)題是水電站工程面對(duì)的主要工程難題之一。為更好地研究柱狀節(jié)理巖體力學(xué)特性。

參見(jiàn)圖2，采用本發(fā)明提供的一種狀節(jié)理巖體現(xiàn)場(chǎng)取樣方法，具體步驟和方法如下：

1)：首先在水電站導(dǎo)流洞5內(nèi)邊墻處選擇合適取樣位置，長(zhǎng)×寬均為1m，距底板0.5～1m，具有典型完整的柱狀節(jié)理特征且施工方面。

2)：在選定取樣位置外側(cè)0.3～0.5m處垂直邊墻鉆孔并安裝凍結(jié)無(wú)縫鋼管2和排氣管3，孔深0.5～1m，確保形成均勻封閉的柱狀節(jié)理凍結(jié)體；向鉆孔內(nèi)注水，使巖體充水飽和；選擇液氮凍結(jié)系統(tǒng)，通過(guò)高壓泵4將低溫液氮流體持續(xù)泵入到孔底，使周?chē)畠鼋Y(jié)成冰并與巖體1膠結(jié)成一體，確保整個(gè)松散破碎柱狀節(jié)理巖體成為一個(gè)整體；保持鉆孔內(nèi)一定液面高度的液氮2小時(shí)以上，使孔底以下0.5m區(qū)域的地層冷凍至零度以下的凍結(jié)狀態(tài)，并通過(guò)埋設(shè)在冷凍管外側(cè)的測(cè)溫儀控制凍結(jié)范圍和溫度。

3)：完成凍結(jié)后，停止液氮泵，采用巖石切割機(jī)和鎬等機(jī)械方式將巖體切割成0.5m×0.5m×0.5m的立方體，確保橫向和縱向方向上至少包含5個(gè)完整柱狀節(jié)理巖體或裂隙切割的巖塊。

4)：迅速將切割的凍結(jié)巖樣用塑料膜包裹，施加木板或麻繩或鋼絲固定約束，并放入具有保溫隔熱、防止碰撞的塑料泡沫材料箱中，然后裝入木箱及時(shí)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室加工。

5)：在凍結(jié)巖體解凍以前加工成符合實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)且包含完整柱狀節(jié)理裂隙的試樣，可以加工成不同節(jié)理傾角、間距等試樣，并采用塑料膜或橡皮筋包裹好，防止其解凍后破裂或散開(kāi)。

6)：將加工成的試樣在自然狀態(tài)下解凍，恢復(fù)到現(xiàn)場(chǎng)原始狀態(tài)，分別進(jìn)行單軸壓縮、剪切、劈裂或三軸等室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。

本申請(qǐng)實(shí)施例中提供的一個(gè)或多個(gè)技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點(diǎn)：

本申請(qǐng)實(shí)施例中提供的柱狀節(jié)理巖體取樣方法，針對(duì)柱狀節(jié)理裂隙巖體，采用凍結(jié)系統(tǒng)將取樣范圍內(nèi)柱狀節(jié)理巖體先行冷凍，使周?chē)畠鼋Y(jié)成冰并與巖體膠結(jié)成一體，從而完整且高強(qiáng)度的保持試樣，最大限度保證能夠從現(xiàn)場(chǎng)切割或取芯獲取含有裂隙網(wǎng)絡(luò)巖體的完整性；配合固定和保溫材料避免了凍結(jié)巖樣在運(yùn)輸過(guò)程中解凍和碰撞擾動(dòng)導(dǎo)致軟弱結(jié)構(gòu)面張開(kāi)破裂，并在巖體解凍以前加工成符合實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)尺寸的試樣，為柱狀節(jié)理巖體物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)和地下開(kāi)挖穩(wěn)定性研究提供了真實(shí)可靠的基礎(chǔ)資料與參考依據(jù)。本發(fā)明的方法簡(jiǎn)單，高效快捷，實(shí)用效果好，具有廣泛的應(yīng)用性。

最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上具體實(shí)施方式僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。