野外大尺度巖石結構面相似表面的模擬方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于工程技術領域，涉及一種野外大尺度巖石結構面相似表面的模擬方 法，用于野外采集巖石結構面的表面形態，在水利、交通、采礦、地質等相關工程中模擬出結 構面進行結構面抗剪強度等工程設計參數的確定。
【背景技術】
[0002] 巖石結構面的抗剪強度指標是工程設計中的重要參考指標，為了得到抗剪強度指 標需要進行結構面的抗剪強度試驗。但原巖結構面一般是賦存于巖體中，現場取樣的成本 高，運輸困難，試驗周期長，難以滿足大量工程試驗的需要；為了能夠開展結構面抗剪強度 的力學試驗，需制作模型結構面代替原巖結構面。專利號為ZL200910154781.9,提出了一種 直剪試驗結構面模型的制作方法，該方法是對已采樣的原巖結構面上進行不同尺寸的模擬 試樣制作，得到與原巖結構面表面形態一樣、上下盤結構面的吻合性好的模型結構面。通過 該方法制作的模型結構面不會破壞原巖結構面，滿足了制作不同尺寸模型結構面的要求， 也減少了野外原巖結構面的采樣數量，降低了試驗成本。但該方法的首要工作還需采得滿 足試驗要求的原巖結構面，并要求采樣過程中原巖結構面的表面起伏形態需完整無缺，運 輸過程中也不得有任何的破壞。可見該專利中還需要進行野外的試樣采樣，且對原巖結構 面的采樣提出了較高的要求。而如何能夠無需野外的原巖采樣，即可得到與原巖結構面相 似的表面形態，又能滿足專利號ZL200910154781. 9中不同試樣的制作要求，進一步降低試 驗的成本和試驗周期，是模型結構面抗剪強度試驗的發展方向。
【發明內容】
[0003] 為了解決現有巖石結構面試樣制作方法需野外采集試樣，成本高、周期長的不足， 本發明提供一種野外大尺度巖石結構面相似表面的模擬方法，無需野外采樣就能滿足制作 相似表面起伏形態的模型結構面，準確性較高。
[0004] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：
[0005] 一種野外大尺度巖石結構面相似表面的模擬方法，所述模擬方法包括如下步驟：
[0006] (1)巖石結構面區域選定和表面處理：劃定需要模擬的巖石表面紋理區域，并對 該表面進行清理，去除表面的碎石雜塊，再使用設定厚度的小木條將劃定的區域分隔開；
[0007] (2)巖石結構面類別判斷：對已經劃定的巖石取樣，測定其巖石的類別、成分和主 要力學參數；
[0008] (3)上膠模擬：選取中性的凝膠作為模擬材料，用打膠槍將它從膠瓶內打出，對凝 膠表面進行抹平使凝膠與巖石表面完全接觸，并將其表面修整，凝膠材料最薄處的最小厚 度控制在5~IOmm ;
[0009] (4)脫膠處理：待硬度達到預設值，先將小木條依次以順時針方向從其四周取下， 再利用凝膠本身的特性在其上表面率先施加一個不大于其彈性伸縮強度的一個外界荷載， 使其從巖石表面脫離出來，并且保持其表面形態的紋路原樣；
[0010] (5)養護：將硅酮膠模型平鋪在水平地面上，進行養護，使凝膠硬化。
[0011] 進一步，所述模擬方法還包括如下步驟：
[0012] (6)重復上述步驟⑶~（5)，采集四個以上巖石表面的反紋理，選取完整性較強， 紋理較為清晰的硅酮膠模型；
[0013] (7)利用表面形態測量儀等設備獲得原巖結構面和模型結構面的表面起伏形態， 對比分析其相似程度，當相似程度在95%以上時，即可滿足試驗要求。
[0014] 再進一步，所述步驟（3)所述凝膠為單組份硅酮膠。
[0015] 更進一步，所述步驟（3)中，用玻璃制成的刮板，在其表面抹上少量的清水。
[0016] 所述步驟（3)中，當需模擬的表面面積超過預設值，選擇從四角率先上膠抹平壓 實再向中間匯攏的方法模擬其表面形態。
[0017] 所述步驟（5)中，養護的環境為：23°C以上，50 %相對濕度。
[0018] 本發明的有益效果主要表現在：（1)解決了原巖采集運輸困難的問題；（2)可以較 為準確的復制出相似程度較高的巖石表面形態；（3)硅酮膠本身自重較輕，與原巖相比更 為方便靈活；(4)硅酮膠取下來硬化后表面形態相對穩定，可以重復使用，解決的一部分的 成本問題；（5)硅酮膠材料未硬化前粘結度較好，能夠依附在傾斜的巖石表面而不至于脫 落；(6)巖石表面區域選擇相對靈活，可以在特定的區域進行其表面模擬；（7)該方法不會 破壞巖石的表面，但能較好的模擬巖石的表面形態；(8)硅酮膠有硬化的過程，在未完成硬 化前，將其脫離原巖表面，在完全硬化后，其強度高，可以以其作為模型試件制作的底面模 板。
【具體實施方式】
[0019] 下面對本發明作進一步描述。
[0020] 一種野外大尺度巖石結構面相似表面的模擬方法，所述模擬方法包括如下步驟：
[0021] (1)巖石結構面區域選定和表面處理：劃定需要模擬的巖石表面紋理區域，并對 該表面進行清理，去除表面的碎石雜塊，再使用設定厚度的小木條將劃定的區域分隔開；
[0022] (2)巖石結構面類別判斷：對已經劃定的巖石取樣，測定其巖石的類別、成分和力 學參數；
[0023] (3)上膠模擬：選取中性的凝膠作為模擬材料，用打膠槍將它從膠瓶內打出，對凝 膠表面進行抹平使凝膠與巖石表面完全接觸，并將其表面修整，凝膠材料最薄處的最小厚 度控制在5~IOmm ;，優選為5mm ;
[0024] (4)脫膠處理：待硬度達到預設值，先將小木條依次以順時針方向從其四周取下， 再利用凝膠本身的特性在其上表面率先施加一個不大于其彈性伸縮強度的一個外界荷載， 使其從巖石表面脫離出來，并且保持其表面形態的紋路原樣；
[0025] (5)養護：進行養護，使凝膠硬化。
[0026] 進一步，所述模擬方法還包括如下步驟：
[0027] (6)重復上述步驟（3)~（5)，采集四個以上巖石表面的反紋理，選取完整性較強， 紋理較為清晰的硅酮膠模型。
[0028] 再進一步，所述步驟（3)所述凝膠為單組份硅酮膠。
[0029] 更進一步，所述步驟（3)中，用玻璃制成的刮板，在其表面抹上少量的清水。
[0030] 所述步驟（3)中，當需模擬的表面面積超過預設值（例如50cm*50cm)，選擇從四角 率先上膠抹平壓實再向中間匯攏的方法模擬其表面形態。
[0031] 所述步驟（5)中，養護的環境為：23°C以上，50%相對濕度。
[0032] 本實施例的野外大尺度巖石結構面相似表面的模擬方法，包含以下步驟：
[0033] (1)野外巖石表面劃定試驗的區域：選取需要研宄的巖石表面對其進行表面的清 理，并將其劃分成幾個區域，進行編號。
[0034] (2)區域劃分：使用3mm厚度的小木條將劃定的區域分隔開。
[0035] (3)上膠：選取中性的單組份硅酮膠原材料，用打膠槍將它從膠瓶內打出，然后用 玻璃制成的刮板，在其表面抹上少量的清水作為潤滑劑，對硅酮膠表面進行抹平壓實使硅 酮膠與巖石表面完全接觸，并將其表面修整。其中需保證硅酮膠的最小厚度控制在3_左 右。若需模擬的表面面積過大，可選擇從四角率先上膠抹平壓實再向中間匯攏的方法模擬 表面形態的紋路原樣。
[0036] (4)脫膠：待其硬度達到30%，先將小木條依次以順時針方向從其四周取下，再利 用硅酮膠本身的特性在其上表面率先施加一個不大于其彈性伸縮強度的一個外界荷載，使 其從巖石表面脫離出來，并且保持其表面形態的紋路原樣。
[0037] (5)養護：在23°C以上，50%相對濕度的環境下，在娃酮膠表面高出5cm左右處置 起防水模板，防止雨水混入硅酮膠中對硅酮膠硬化產生影響。為縮短養護時間可以適當的 提高局部環境內的溫度和濕度，以加速其硬化凝結的時間。
[0038] 利用輪廓曲線儀對原巖結構面和硅酮膠模型進行表面起伏形態測量，對比模擬表 面和原巖表面的相似性。以模擬結構面的尺寸為100cm*100cm為例（見表1)，上、下盤結 構面的表面起伏度和粗糙度系數的數值相差不大，不同尺度的上、下盤結構面粗糙度系數 JRCn的最大相對誤差小于7. 14%，平均誤差為4. 54%。可見采用該模擬方法能夠較好的滿 足試驗要求。表1為結構面的起伏差Ry和粗糙度系數JRC n
[0039] 表 1
[0040]
【主權項】
1. 一種野外大尺度巖石結構面相似表面的模擬方法，其特征在于：所述模擬方法包括 如下步驟： (1) 巖石結構面區域選定和表面處理：劃定需要模擬的巖石表面紋理區域，并對該表 面進行清理，去除表面的碎石雜塊，再使用設定厚度的小木條將劃定的區域分隔開； (2) 巖石結構面類別判斷：對已經劃定的巖石取樣，測定其巖石的類別、成分和力學參 數； (3) 上膠模擬：選取中性的凝膠作為模擬材料，用打膠槍將它從膠瓶內打出，對凝膠 表面進行抹平使凝膠與巖石表面完全接觸，并將其表面修整，凝膠的最小厚度控制在3~ 8mm； (4) 脫膠處理：待硬度達到預設值，先將小木條依次以順時針方向從其四周取下，再利 用凝膠本身的特性在其上表面率先施加一個不大于其彈性伸縮強度的一個外界荷載，使其 從巖石表面脫離出來，并且保持其逆向紋路的原樣； (5) 養護：進行養護，使凝膠硬化。
2. 如權利要求1所述的野外大尺度巖石結構面相似表面的模擬方法，其特征在于：所 述模擬方法還包括如下步驟： (6) 重復上述步驟（3)~（5)，采集四個以上巖石表面的反紋理，選取完整性較強，紋理 較為清晰的硅酮膠模型； (7) 利用表面形態測量儀等設備獲得原巖結構面和模型結構面的表面起伏形態，對比 分析其相似程度，當相似程度在95%以上時，即可滿足試驗要求。
3. 如權利要求1或2所述的野外大尺度巖石結構面相似表面的模擬方法，其特征在于： 所述步驟（3)中，所述凝膠為單組份硅酮膠。
4. 如權利要求3所述的野外大尺度巖石結構面相似表面的模擬方法，其特征在于：所 述步驟（3)中，用玻璃制成的刮板，在其表面抹上少量的清水。
5. 如權利要求3所述的野外大尺度巖石結構面相似表面的模擬方法，其特征在于：所 述步驟（3)中，當需模擬的表面面積超過預設值（例如50cm*5〇Cm)，選擇從四角率先上膠抹 平壓實再向中間匯攏的方法模擬其表面形態。
6. 如權利要求3所述的野外大尺度巖石結構面相似表面的模擬方法，其特征在于：所 述步驟（5)中，養護的環境為：23°C以上，50%相對濕度。
【專利摘要】一種野外大尺度巖石結構面相似表面的模擬方法，包括如下步驟：(1)、巖石結構面區域選定和表面處理；(2)、巖石結構面類別判斷：對已經劃定的巖石取樣，測定其巖石的類別、成分和力學參數；(3)、上膠模擬：選取中性的凝膠作為模擬材料，用打膠槍將它從膠瓶內打出，對凝膠表面進行抹平使凝膠與巖石表面完全接觸，并將其表面修整；(4)、脫膠處理：待硬度達到預設值，先將小木條依次以順時針方向從其四周取下，從巖石表面脫離出來，并且保持其逆向紋路的原樣；(5)、養護：進行養護，使凝膠硬化。本發明提供一種野外大尺度巖石結構面相似表面的模擬方法，無需野外采樣就能滿足制作相似表面起伏形態的模型結構面，準確性較高。
【IPC分類】G01N1-28
【公開號】CN104792587
【申請號】CN201510121090
【發明人】黃曼, 杜時貴, 羅戰友, 雍睿, 胡云進, 鐘振, 梁奇峰
【申請人】紹興文理學院
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年3月19日