一种嵌套层间错动带的不规则柱状节理岩体试样制备方法与流程

本发明涉及一种岩体试样制备方法，特别涉及一种嵌套层间错动带的不规则柱状节理岩体试样制备方法，属于岩体力学与岩石工程领域。

背景技术：

玄武岩在火山喷发后的冷凝过程中体积迅速收缩形成节理面平直且相互平行的玄武岩节理柱，玄武岩柱多呈四边、五边、六边形，这些多边形节理被称为柱状节理。岩体在地质构造运动的作用下，通常会形成层间错动带，层间错动带部位的岩石被挤压破碎，力学性质远弱于完整岩块。柱状节理及层间错动带在玄武岩岩体中较为常见，两者相互影响，并最终影响了岩体的力学及渗透特性。

试验是研究岩石力学及渗透特性的一种有效手段，对于研究范围较大的试验，原位试验难以进行，使用类岩石材料进行室内试验可以突出岩石的结构特性，对岩石力学理论研究有重要的意义。但是，由于嵌套层间错动带的柱状节理岩体结构特殊，制样困难，使得试验研究通常不能考虑柱状节理与层间错动带在岩体破坏过程中的相互影响。

申请号为201810793707.0的中国发明专利申请《层状异性岩体相似材料的制作方法》公开了一种层状异性岩体相似材料的制作方法，该方法通过沿垂直方向浇注制备层状岩体，难以保证层面结构的平整度，且只能制作平面结构的节理岩体试样，无法考虑与节理方向垂直或有较大夹角的层间错动带对岩体性质的影响。

技术实现要素：

发明目的：针对目前试样制备方法无法考虑柱状节理与层间错动带间相互影响的问题，本发明提供一种嵌套层间错动带的不规则柱状节理岩体试样制备方法。

技术方案：本发明所述的一种嵌套层间错动带的不规则柱状节理岩体试样制备方法，包括如下步骤：

(1)根据工程现场岩体结构特性制作内部模具，该内部模具包括用于模拟柱状节理结构特征的三维多边形节理面网格，该节理面网格中嵌套有层间错动带模拟构件，其中，节理面网格由水溶性材料制成，错动带模拟构件由可溶性材料制成；

(2)沿节理柱柱体方向向节理面网格中浇注节理柱相似材料，待其终凝后用水溶解该节理面网格，然后在被溶解的部位浇注节理面相似材料；待该部分终凝后用溶剂溶解错动带模拟构件，再在溶解后的空腔中浇注错动带相似材料；

(3)养护，制得嵌套层间错动带的不规则柱状节理岩体试样。

上述步骤(1)中，内部模具的制备方法优选为：根据工程现场岩体结构特性确定柱状节理的结构特征及层间错动带的结构特征，制作包含节理面网格及错动带模拟构件的内部模具三维模型；然后分别以水溶性材料和可溶性材料为节理面网格、错动带模拟构件的原料，3d打印制得内部模具。其中，柱状节理的结构特征包括柱状节理的形状和尺寸以及节理面的厚度，错动带的结构特征包括错动带的厚度和倾角。

步骤(2)中，水溶性材料可为聚乙烯醇(简称“pva”)；可溶性材料可为高抗冲聚苯乙烯(简称“hips”)，对应溶解该可溶性材料的溶剂为柠檬烯。进一步的，节理柱相似材料为与节理柱力学性能相近的水泥砂浆，节理面相似材料为与节理面力学性能相近的水泥浆，错动带相似材料为与错动带力学性能相近的白水泥。

上述步骤(3)中，养护条件为恒温恒湿条件，其中，养护温度最好为22±2℃，相对湿度最好为90～95％。

优选的，本发明中制备试样的模具还包括外部模具，该外部模具包括用于成型试样外部整体结构的模具腔室。当试样为长方体试样时，对应的外部模具可包括底面、顶面和四个侧面，其中，顶面与侧面之间可拆卸连接，且至少一个侧面可拆卸；步骤(2)中，可先打开一侧面，将内部模具置于该模具腔室内，进行节理柱和节理面的浇注，浇注完成后，关闭该侧面，同时拆除外部模具的顶面，自外部模具的顶部溶解错动带模拟机构并浇注形成错动带。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点为：(1)本发明通过内部模具中的节理面网格及错动带模拟构件分别模拟柱状节理和层间错动带，同时两部分分别采用水溶性材料和可溶性材料制成，充分考虑了柱状节理与层间错动带的结构形态及相接部位的结构特征，可简单、方便地制备得到含层间错动带的柱状节理岩体试样，使得该类岩体力学渗流透性的研究提供试验基础；(2)本发明通过3d打印制作内部模具，能够更为精确地模拟出工程现场的岩体特性，模具制备方便，可操作性强，在制作多种不同结构柱状节理试样时可显著提高效率，避免了传统方法模具制作困难、成本高的问题；(3)本发明使用可溶性材料及可溶性材料制成内部模具，拆模时不会影响试样的力学性质，避免了传统方法模具拆除困难及拆模时容易损坏试样的缺点。

附图说明

图1为本发明的一种嵌套层间错动带的不规则柱状节理岩体试样制备方法流程图；

图2为实施例中制备试样的外部模具的分解图；

图3为实施例中制备试样的内部模具的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1，本发明的一种嵌套层间错动带的不规则柱状节理岩体试样制备方法，包括如下步骤：

(1)根据工程现场岩体结构特性制作内部模具，该内部模具包括三维多边形节理面网格、用于模拟柱状节理结构特征，该节理面网格中嵌套有层间错动带模拟构件，其中，节理面网格由水溶性材料制成，错动带模拟构件由可溶性材料制成；

该内部模具可有下述方法的制得：首先，根据工程现场岩体结构特性确定柱状节理的结构特征及层间错动带的结构特征，制作包含节理面网格及错动带模拟构件的内部模具三维模型，其中，柱状节理的结构特征包括柱状节理的形状和尺寸以及节理面的厚度，错动带的结构特征包括错动带的厚度和倾角；然后，分别以水溶性材料和可溶性材料为节理面网格、错动带模拟构件的原料，3d打印制得内部模具。

(2)沿节理柱柱体方向向节理面网格中浇注节理柱相似材料，待其终凝后用水溶解该节理面网格，然后在被溶解的部位浇注节理面相似材料；待该部分终凝后用溶剂溶解错动带模拟构件，再在溶解后的空腔中浇注错动带相似材料；

其中，水溶性材料为pva材料，采用水溶性材料成型节理面网格，可避免拆模对试样的影响；可溶性材料为hips塑料，对应的，溶解该可溶性材料的溶剂为柠檬烯。

节理柱相似材料为与节理柱力学性能相近的水泥砂浆，节理面相似材料为与节理面力学性能相近的水泥浆，错动带相似材料为与错动带力学性能相近的白水泥。

(3)养护，制得嵌套层间错动带的不规则柱状节理岩体试样。

养护条件为恒温恒湿条件，其中，养护温度最好为22±2℃，相对湿度最好为90～95％。

为便于试样成型、同时构筑试样外部轮廓，本发明中制备试样的模具还包括外部模具，该外部模具包括用于成型试样外部整体结构的模具腔室。具体而言，该外部模具可包括底面、顶面和侧面，底面、顶面和侧面共同构筑形成了模具腔室；以成型长方体试样的外部模具为例，其可包括底面、顶面和四个侧面，其中，顶面与侧面之间可拆卸连接，且其中一个侧面可拆卸。步骤(2)中，可先打开一侧面，将内部模具置于该模具腔室内，进行节理柱和节理面的浇注，浇注完成后，关闭该侧面，同时拆除外部模具的顶面，自外部模具的顶部溶解错动带模拟机构并浇注形成错动带。该外部模具可采用螺栓连接固定，拆卸简单，而且可循环利用。

实施例

(1)制作含层间错动带的柱状节理岩体试样外部模具

如图2，该外部模具包含底板1、顶板2、两块长边侧板3、两块正方形短边侧板4；其中，底板1与两长边侧板3通过底板螺栓5固定，顶板2与两长边侧板3通过顶板螺栓6固定，两长边侧板3之间通过螺栓7固定，短边侧板4与长边侧板3通过螺栓8固定。

(2)制备内部模具

在openscad软件中绘制内部模具三维模型，设置柱状节理为正六边形且边长为5mm，节理面厚度为1mm，层间错动带与柱状节理夹角为60°，错动带厚度为4mm，层间错动带位于柱状节理中部，在3d打印机左喷头填入可溶性材料，右喷头填入水溶性材料，打印得到制备含层间错动带的柱状节理岩体试样的内部模具，如图3，其包括节理面网格9和错动带模拟构件10；

(3)分别配制实际岩体各部分的相似材料

配制配合比为水泥:细砂:水＝1.0:0.5:0.35的水泥砂浆，其中水泥采用po52.5r水泥，细砂粒径为0.5mm，并加入水泥砂浆质量0.2％的减水剂以增加水泥砂浆和易性，作为柱状节理柱体相似材料；

配制配合比水泥:水＝1.0:0.35的水泥浆，其中水泥采用po32.5r水泥，作为节理面相似材料；

配置配合比为白水泥：水＝1:0.3的白水泥浆，作为错动带相似材料。

(4)将内部模具放置于外部模具中，拧下短边侧板螺栓8，拆下短边侧板4，将水泥砂浆填入模具，振捣密实后刮平模具表面并安装短边侧板4；静置10h待水泥砂浆终凝后，再次打开短边侧板4，使用50℃的水溶解节理面网格9，将水泥浆填入原节理面网格9所在位置，振捣密实后刮平模具表面并安装短边侧板4；静置10h待水泥浆终凝后，拧开顶板螺栓6，拆下模具顶板2，使用柠檬烯溶解错动带模拟构件10，将白水泥浆填入原错动带模拟构件10所在位置，振捣密实后刮平模具表面并安装顶板2；

(5)将试样放置于温度为22±2℃、相对湿度为95％的环境中养护28天，拆开外部模具，得到块状试样，对块状试样进行切割打磨，即得嵌套层间错动带的不规则柱状节理岩体标准试样，可以用于后续试验。