一種模擬巖樣可視化實(shí)驗(yàn)中巖樣片理構(gòu)造的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及涉及巖土工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種模擬巖樣可視化實(shí)驗(yàn)中巖樣片理構(gòu)造的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，在巖樣可視化實(shí)驗(yàn)中，已制巖樣是通過在固定模具中注入含多種輔助劑的K39樹脂材料，在滿足多個(gè)技術(shù)要求和實(shí)驗(yàn)條件下使其凝固成型所得。成型后的試件無色透明，可視性非常好，且可通過調(diào)節(jié)輔助劑來改變?cè)嚰膹?qiáng)度和泊松比等性能，能夠模擬具有不同變形參數(shù)的各種巖石。但得到的透明試件連續(xù)無空隙，內(nèi)部無片理構(gòu)造，而實(shí)際中原巖內(nèi)部存在一定數(shù)量和不同面積及方向的片理，如火成巖、沉積巖等。當(dāng)巖石中含有不同片理時(shí)，巖石的變形性能會(huì)有較大的不同如各向異性等性質(zhì)，當(dāng)巖石受力變形時(shí)變形情況相應(yīng)也會(huì)有較大的不同，因此，巖石內(nèi)部片理結(jié)構(gòu)的影響不能被忽略。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種模擬巖樣可視化實(shí)驗(yàn)中巖樣片理構(gòu)造的方法，可以解決現(xiàn)有方法制作的巖樣內(nèi)部無片理結(jié)構(gòu)的問題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)巖樣內(nèi)部不同片理進(jìn)行模擬，使巖石的各種片理構(gòu)造達(dá)到可視化，從而能更好地模擬出巖樣的內(nèi)部環(huán)境，使巖樣可視化實(shí)驗(yàn)具有更高可信度。
[0004]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種模擬巖樣可視化實(shí)驗(yàn)中巖樣片理構(gòu)造的方法，該方法包括以下步驟:
[0005]I)制作硅膠模具:將標(biāo)準(zhǔn)巖樣大小的有機(jī)玻璃試件放在塑料杯的中央，沿杯壁向邊緣傾倒硅膠至恰好與有機(jī)玻璃試件的上邊緣齊平，帶硅膠凝固后剪破塑料杯，取出制作好的硅膠模具；
[0006]2)稱取K39樹脂放入容器中:根據(jù)所需制作的原巖巖樣的大小稱取所需質(zhì)量的K39樹脂；
[0007]3)制備復(fù)合硬化劑:向硬化劑中加入異佛爾酮二胺制成復(fù)合硬化劑，硬化劑與異佛爾酮二胺的質(zhì)量比按照需模擬的劈裂巖樣強(qiáng)度設(shè)定；
[0008]4)向步驟2)稱取好的K39樹脂中加入促進(jìn)劑制得K膠，K39樹脂與促進(jìn)劑的質(zhì)量比為100:0.6?1.0，添加后緩慢攪拌至混合均勻；
[0009]5)向步驟4)制得的K膠中加入步驟3)中制得的復(fù)合硬化劑，步驟4)制得的K膠與復(fù)合硬化劑的質(zhì)量比為100:1.2?1.6，添加后緩慢攪拌至混合均勻；
[0010]6)向裝有步驟5)制得的混合均勻的K膠的容器中倒入30°C?40°C熱水，均勻緩慢攪拌至K膠變得澄清；
[0011]7)繼續(xù)均勻緩慢攪拌，均勻緩慢攪拌的同時(shí)向步驟6)制得的混合均勻的K膠中加入消泡劑攪拌均勻至無氣泡差生后制成配制好的K膠混合液，步驟6)制得的混合均勻的K膠與消泡劑的質(zhì)量比為100:0.4?0.6 ;
[0012]8)預(yù)制片理結(jié)構(gòu):將融化的蠟液根據(jù)需要模擬的巖樣中片理結(jié)構(gòu)的形狀及厚度制成薄片；
[0013]9)將步驟8)制得的薄片固定在硅膠模具內(nèi)按照需要模擬的巖樣中片理結(jié)構(gòu)的傾斜角度與位置設(shè)置薄片的傾斜角度與位置；
[0014]10)將步驟7)制得的配制好的K膠混合液沿容器壁緩慢倒入硅膠模具中，靜置I?2h，觀察到K膠混合液完全凝固成型后，從模具中取出巖樣，即模擬出巖樣可視化實(shí)驗(yàn)中巖樣內(nèi)部的片理構(gòu)造。
[0015]步驟4)中，K39樹脂與促進(jìn)劑的質(zhì)量比為100:0.8，緩慢攪拌的時(shí)間為15?30秒，優(yōu)選為20秒。
[0016]步驟5)中，步驟4)制得的K膠與復(fù)合硬化劑的質(zhì)量比為100:1.4，緩慢攪拌的時(shí)間為15?30秒，優(yōu)選為20秒。
[0017]步驟6)中，倒入熱水的體積為容器體積的1/3。
[0018]步驟7)中，均勻緩慢攪拌的時(shí)間為40?90s，優(yōu)選為60秒。
[0019]步驟8)中，薄片的優(yōu)選厚度為2mm。
[0020]步驟3)所用硬化劑為過氧化二苯甲酰，步驟4)所用促進(jìn)劑為二甲基苯胺，步驟7)所用消泡劑為聚氧乙烯聚氧丙烯甘油醚。
[0021]K39樹脂具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0022]K39樹脂為透明液體，無揮發(fā)性，無毒；
[0023]K39樹脂凝固時(shí)間短，強(qiáng)度可調(diào)，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。
[0024]本發(fā)明步驟I)制作的硅膠模具具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0025]硅膠的特點(diǎn)是耐高溫，耐腐蝕，抗撕拉性強(qiáng)；
[0026]硅膠模具為軟模具，相比硬模具，其具有制作簡(jiǎn)單、脫模容易、精細(xì)的特點(diǎn)；
[0027]硅膠模具具有不容易變形、可以反復(fù)使用的特點(diǎn)。
[0028]本發(fā)明提供的一種模擬巖樣可視化實(shí)驗(yàn)中巖樣片理構(gòu)造的方法，將制作的不同形狀及大小的蠟塊薄片放在模擬巖樣中來模擬真實(shí)巖石中的不同片理；用硅膠制成的模具制作巖樣，以便用針從各個(gè)方向用針刺穿模具固定蠟塊來控制巖樣中片理的位置；從指定的任意位置使巖樣產(chǎn)生不同片理可模擬巖石的具有不同產(chǎn)狀的片理；從指定的固定位置使巖樣產(chǎn)生不同方向和大小的片理；通過調(diào)節(jié)硬化劑的比例來改變模擬巖樣的強(qiáng)度，使其在一定區(qū)間內(nèi)變化，能夠模擬真實(shí)巖石的強(qiáng)度與力學(xué)性能；采用K39樹脂制作的劈裂巖樣透明度好，可使巖石的片理構(gòu)造可視，可以解決現(xiàn)有方法制作的巖樣內(nèi)部無片理結(jié)構(gòu)的問題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)巖樣內(nèi)部不同片理進(jìn)行模擬，使巖石的各種片理構(gòu)造達(dá)到可視化，從而能更好地模擬出巖樣的內(nèi)部環(huán)境，使巖樣可視化實(shí)驗(yàn)具有更高可信度。
[0029]本發(fā)明方法的可行性分析如下:
[0030]采用K39樹脂成型以后來模擬真實(shí)巖體。但樹脂制作過程中會(huì)由于各個(gè)添加劑的成分不同，使得制作的巖樣具有不同的物理性質(zhì)，包括彈性模量，泊松比和峰值承載力。根據(jù)試驗(yàn)研宄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，硬化劑的質(zhì)量含量對(duì)巖體的影響最大。因此，采用上述制作方法制作了不同質(zhì)量含量硬化劑的巖樣，然后對(duì)其進(jìn)行進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1-圖4所不O
[0031]在現(xiàn)實(shí)市場(chǎng)中，對(duì)K39樹脂制作相應(yīng)的工藝品或者機(jī)械工具，進(jìn)行配比組合添加試劑的時(shí)候，要求硬化劑的相對(duì)水晶樹脂的重量百分百為I % O但是由此制作的巖樣的彈性模量小，變形大。在進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)的過程中，經(jīng)常是承載力達(dá)到120kN左右時(shí)也未完全破壞，但是位移變形量超出了可測(cè)試范圍，顯然是不符合真實(shí)巖樣的基本物理現(xiàn)象。經(jīng)調(diào)節(jié)硬化劑的百分比含量以后，硬度明顯增強(qiáng)，變形也相應(yīng)變小，并且證明了其是完全可以模擬真實(shí)巖樣的。由圖1-圖4可看出，當(dāng)硬化劑質(zhì)量含量為I %時(shí)，承載力強(qiáng)度可以達(dá)到120kN，但是變形程度也達(dá)到了 4.2mm，能量完全轉(zhuǎn)化為彈性能與其他能損耗了 ；此外，隨著硬化劑含量的降低，雖然在制作過程中，樹脂成巖樣冷卻硬化過程時(shí)間更長(zhǎng)，但是彈性模量是持續(xù)增長(zhǎng)，位移最大變形量降低，其脆性越大，基本與真實(shí)巖石類似。說明硬化劑在質(zhì)量含量為0.2%左右的樹脂巖樣完全可以_旲擬承載力在50kN左右，彈性t旲量在2.2Gpa左右的巖石。
[0032]圖5為制得的含片理模擬巖樣單軸壓縮的應(yīng)力應(yīng)變圖，從圖5可知，巖石發(fā)生瞬間破壞或者儀器震動(dòng)等故障時(shí)才有比較明顯的突變，一般情況下，細(xì)微巖體內(nèi)部的裂縫擴(kuò)展或者輕微損傷都很難進(jìn)行定時(shí)定位的捕捉。但是根據(jù)在試驗(yàn)過程中，橫向與縱向位移變形速率可以很明顯的找到進(jìn)行破壞的時(shí)刻。去上述應(yīng)力應(yīng)變圖中第二個(gè)循環(huán)段的原始時(shí)間-位移數(shù)據(jù)，根據(jù)處理得出橫向與縱向位移變形速率與時(shí)間的變化關(guān)系圖，如圖6和圖7所示.
[0033]從圖6和圖7所知，含模擬片理巖體在單軸壓縮試驗(yàn)中，由于片理面等軟弱層的存在，巖石受壓過程中，順著片理結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)可視(在真正巖體中不會(huì)看見)的裂紋，緩慢發(fā)展。根據(jù)變形速率的對(duì)比可看出橫行變形與垂直變形在時(shí)間上是具有對(duì)應(yīng)性的這證明了運(yùn)用變形速率來表征巖石在試驗(yàn)過程中發(fā)生微損傷或者裂隙的擴(kuò)展情況是比較合適的。因此針對(duì)可視化模擬巖體情況下，實(shí)現(xiàn)宏觀可視化樹脂巖體破壞與微觀變形速率的對(duì)應(yīng)是可行的。由此可以研宄真實(shí)巖體試驗(yàn)過程中是否產(chǎn)生了裂隙或者微破壞等損傷。
[0034]在圖6和圖7中，