斷續無充填裂隙巖石試樣模型的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種類巖石試樣的制作方法，尤其是一種能考慮巖體內部裂隙無充填條件的巖石試樣的制作方法，適用于試驗研宄無充填裂隙發育特征對巖體物理力學性質影響的場合。
【背景技術】
[0002]巖體中裂隙面的存在破壞了自身的完整性和連續性，巖體的強度要遠低于巖石強度。由于裂隙面的幾何形狀、充填性質與空間展布規律的不同，導致了巖體的強度、變形特性存在明顯的差異性。
[0003]目前，試驗研宄是分析含裂隙巖體的變形與強度特性的重要研宄手段。但考慮到天然巖石試樣結構的復雜性與取樣難度，一般很難通過真實的巖石試樣對其的力學變形特性與破壞規律進行研宄。另外，野外含裂隙巖體取樣代表性很難控制，在定量分析裂隙對巖塊綜合物理性質影響時，試樣存在隨機性與不可重復性，進而影響了試驗結果的規律分析與總結。因此，國內外學者大都采用制作含裂隙巖石試樣模型來替代天然巖石試樣，進行相關試驗研宄。如何制作含裂隙巖石試樣已發展成為巖體力學試驗領域的重點和難點。
[0004]21世紀以來，研宄者們對含裂隙巖石試樣模型的方法與工藝進行了深入細致的探索，并取得了卓越的試驗研宄成果，其具有代表性的無充填裂隙巖石模型制樣裝置或方法簡介如下:
[0005](I) 2012年，公開號為CN 102519767A的中國發明專利申請《一種制作類巖石試塊裂隙面的模具》中，公開了一種由滑槽、鋼片定位桿、量角器、滑桿和鋼片組成的制作類巖石試塊裂隙面的模具，突出了通過調節鋼片的空間位置模擬巖體中裂隙的位置，抽出鋼片后形成無充填裂隙。
[0006](2) 2013年，公開號為CN 103033413A的中國發明專利申請《用于層狀裂隙灰巖試驗的裂紋系統試件的制備方法》中，公開了采用高溫加熱、低溫凍結的試驗手段，將飽和巖樣循環凍融產生裂隙的具體步驟。
[0007](3) 2014年，公開號為CN 103616272A的中國發明專利申請《斷續裂隙巖體模擬試件的制作模具及方法》中，提出了由底板，固定長側板、活動長側板、刻槽底部墊板、刻槽頂部蓋板等組成的制樣模具，無充填裂隙通過澆筑時預埋金屬片，固結后拔出留空實現。
[0008](4) 2014年，公開號為CN 103604672A的中國發明專利申請《用于巖土工程三維隨機裂隙的均勻施作裝置》中，提出了由模具框架、刀盤轉軸、裂隙刀盤等組成的制樣模具，無充填裂隙通過澆筑時插入裂隙刀盤，試樣固結后拔出留空實現，其中裂隙刀盤的空間位置由球臺轉軸控制、裂隙貫通長度由刀盤插入深度控制。
[0009]上述現有技術確實在一定程度上解決了無充填裂隙巖石制作的問題，但主要還存在如下問題:
[0010](I)無充填裂隙制作時，一般需要通過澆筑時預埋硬質板狀結構物(如鋼片)，從試樣外側插入試樣內部，固結后拔出留空實現；制作工藝上屬于由試樣表面向內部加工的工藝過程，無法制作巖石內置裂隙，即表面必須貫通；
[0011](2)制作巖石試樣的相似材料固結后，難以將預制裂隙的結構物拔出，拔出后容易導致裂縫厚度、寬度變大，在原裂縫周圍產生次級裂縫，甚至導致巖體結構的整體破壞；
[0012](3)每次通過對原巖進行高溫加熱、低溫融化、凍融循環得到的無充填裂隙巖體試樣無法獲得統一的裂隙網絡體系，每個試塊具有各自的裂隙發育條件，影響了試驗結構的分析，無法定量研宄裂隙對巖體物理力學性質的影響。
[0013](4)裂隙的固定裝置復雜、定位難度大，簡單裂隙制作雖然基本能滿足要求，但是一旦裂隙數量增大，其調節或固定的機構將異常復雜，甚至會導致不同機構的運動干涉。
【發明內容】
[0014]為了克服已有技術無法有效制作斷續無充填裂隙巖石試樣的不足，本發明提供了一種原理簡單、操作方便、成本低廉、成型效果好、能充分考慮巖體裂隙空間位置的斷續無充填裂隙巖石試樣模型的制作方法。
[0015]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0016]一種斷續無充填裂隙巖石試樣模型的制作方法，所述制作方法包括如下步驟:
[0017](I)根據巖塊試樣與模型的幾何相似比、強度相似比和彈性模量相似比，確定巖塊模型的骨料、膠結材料的配比方案；配比物質組成包括標準砂、水、硅粉、水泥和減水劑；
[0018](2)裁剪薄片狀水溶紙，使其幾何形狀與裂隙形狀相同、厚度與裂隙寬度相當，再將其表面打上石蠟；
[0019](3)將水溶線紙用水溶線固定在制樣模具中；每片裂隙材料的平面由四個點固定；豎直方向的水溶線打結后分上下兩段，下段水溶線垂直高度與裂隙平面高度相同，水溶線起豎直方向固定作用；結頭設置在水溶紙底部，保證水溶紙不發生滑落；水溶線上端通過制樣模具上部平臺固定；
[0020](6)對巖塊相似材料的配合比進行稱量并拌合均勻，將混合材料分層倒入試樣模具內，模具內部涂抹脫離劑；在常溫下進行養護，水溶線在混合物逐漸溶解；
[0021](7)將試樣與制樣模具放入烘箱中加熱；加熱條件下，加速水溶線溶解過程并完成溶解；水溶紙在加熱條件下，表面的薄層石蠟發生熔化；
[0022](8)將試樣從制樣模具中取出，采用煮沸法飽和試樣，煮沸容器內的水面始終高于試樣；試樣飽水后，水溶紙與水相互作用；
[0023](9)取出試樣，置于通風、陰涼、干燥處，進行自然風干即成。
[0024]進一步，所述步驟(2)中，所述水溶性紙是以羧甲基纖維素鈉鹽或銨鹽為主要成分的薄片狀水溶紙，所述薄片狀水溶紙表面包裹薄薄的蠟層。該方案中水溶性紙的材質是本領域比較常用的，例如以羧甲基纖維素鈉鹽為主要成分，其他成分對本領域技術人員來說也是公知的；當然，水溶性紙的材質也可以采用其他遇水溶解的材料。蠟厚的厚度優選為0.5mm ?2mmο
[0025]更進一步，所述步驟(2)中，對水溶紙的粗糙程度進行人為加工處理，保證其表面粗糙特征與原巖裂隙表面性質的相似性。
[0026]再進一步，所述步驟(3)中，所述水溶線的物質組成為聚乙烯醇，遇水溶解。該方案中水溶線的材質是本領域比較常用的，當然，也可以為其他遇水溶解的材料。
[0027]與現有技術相比，本發明的有益效果在于:
[0028](I)本斷續無充填裂隙巖石試樣模型的制樣方法的原理簡單，不需要制作復雜的制樣模具，不會因為制樣模具調節裝置損壞而影響到整個制樣裝置的使用；
[0029](2)本斷續無充填裂隙巖石試樣模型的制樣方法中裂隙不受形狀