一种层状岩体类岩石试样的制备方法与流程

本发明涉及一种岩体试样制备方法，特别涉及一种层状岩体类岩石试样的制备方法，属于岩体力学与岩石工程领域。

背景技术：

岩体在漫长的地质作用影响下通常会具有一定的结构性，岩体的结构特征和所处的地质环境对岩体的性质有极大的影响，其中，层状岩体是受地质作用影响形成的一种较为常见的岩体。层状岩体的岩层在形成时一般是水平的，在地质构造作用下，岩层受力发生弯曲形成褶皱，因此层状岩体的岩层常含有倾角或变为曲面，这些层面结构及不同岩层间的性质差异都会影响层状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，常用的方法有原位试验和室内试验，原位试验对试验设备要求高，受场地条件影响大，费时费力且经济效益较差。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意义。

由于层状岩体的特殊结构，目前尚没有能够精确有效模拟层状岩体结构的类岩石试样制备方法。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层状类岩体试样，不能模拟具备曲面结构的岩层，局限性较大。

技术实现要素：

发明目的：针对目前室内试验中层状岩体的类岩石试样难以准确模拟的问题，本发明提供一种层状岩体类岩石试样的制备方法。

技术方案：本发明所述的一种层状岩体类岩石试样的制备方法，包括如下步骤：

(1)根据工程现场层状岩体岩层分布特征制作模具的三维模型，该模具包括用于成型试样外部整体结构的外部模具，该外部模具内间隔设置空腔和内部模具，其中，相邻两岩层中的一层以内部模具模拟，另一层以空腔模拟；

(2)分别以水溶性材料和可溶性材料作为外部模具、内部模具的原料，根据模具的三维模型3d打印得到试样模具；

(3)在外部模具的空腔部分浇注相应岩层的相似材料，待其固化终凝后，使用溶剂溶解内部模具，然后在被溶解的部位浇注相应岩层的相似材料；

(4)养护，然后用水溶解外部模具，即得层状岩体类岩石试样。

具体的，步骤(1)中，层状岩体岩层分布特征包括各岩层的厚度、倾角、结构形态及位置特征。

步骤(2)中，水溶性材料可为聚乙烯醇(简称为pva)；可溶性材料可为高抗冲聚苯乙烯(简称“hips”)，相应的，溶解该可溶性材料的溶剂为柠檬烯。

较优的，步骤(3)中，相似材料为与所模拟岩层的力学性能相近的水泥砂浆、白水泥砂浆、石膏砂浆等。

上述步骤(4)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％。养护完成后，用水溶解外部模具时，优选控制水温为60～80℃。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点为：(1)本发明通过制备模拟层状岩体，在外部模具中设置相邻的空腔和内部模具模拟相邻的岩层，通过可溶的内部模具控制层面结构，能够精确模拟工程现场的岩层分布特征，制作过程中的误差较小，可以制备不同倾角、不同层数的平面层状类岩体试样及曲面层状类岩体试样；(2)本发明使用可溶性材料打印内部模具，使用水溶性材料打印外部模具，模具溶解后不会影响已浇注材料的力学性质，避免了传统方法拔出插片及拆模对试样的影响；(3)本发明通过3d打印制作模具，制作方便、省时省力、成本较低。

附图说明

图1为本发明的一种层状岩体类岩石试样的制备方法流程图；

图2为实施例2中制备含曲面的层状岩体类岩石试样的模具。

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，本发明的一种层状岩体类岩石试样的制备方法，包括如下步骤：

(1)根据工程现场层状岩体岩层分布特征制作模具的三维模型，该模具包括用于成型试样外部整体结构的外部模具，该外部模具内间隔设置空腔和内部模具，其中，相邻两岩层中的一层以内部模具模拟，另一层以空腔模拟；

上述层状岩体岩层分布特征包括各岩层的厚度、倾角、结构形态及位置特征等层面结构特征。

(2)分别以水溶性材料和可溶性材料作为外部模具、内部模具的原料，根据模具的三维模型3d打印得到试样模具；

其中，水溶性材料可采用pva材料，采用水溶性材料成型外部模具，可避免拆模对试样的影响；可溶性材料可采用hips塑料，相应的，溶解该可溶性材料的溶剂为柠檬烯。

(3)在外部模具的空腔部分浇注相应岩层的相似材料，待其固化终凝后，使用溶剂溶解内部模具，然后在被溶解的部位浇注相应岩层的相似材料；

其中，相似材料为与所模拟岩层的力学性能相近的水泥砂浆、白水泥砂浆、石膏砂浆等。

(4)养护，然后用水溶解外部模具，即得层状岩体类岩石试样。

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％。养护完成后，用水溶解外部模具时，控制水温为60～80℃。

实施例1

(1)根据工程现场层状岩体岩层分布确定岩层倾角为5°，两种相间岩层厚度分别20mm、15mm、20mm、25mm、20mm，模具尺寸为150mm*150mm*150mm，在3d打印机切片软件中设置外部模具使用左喷头打印，内部模具使用右喷头打印；

(2)在打印机左喷头填入pva材料，右喷头填入hips材料，打印得到层状类岩体试样制备模具；

(3)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，将水泥砂浆填入外部模具的空腔内，振捣密实后刮平模具上表面，静置10h待水泥砂浆终凝后，使用柠檬烯溶解内部模具，配制配合比为白水泥:细砂:水＝1.0:0.5:0.4的白水泥砂浆，将白水泥砂浆填入模具原hips材料所在位置，振捣密实后刮平模具上表面，静置24h；

(4)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，随后使用80℃的水溶解模具的pva材料部分得到块状试样，对块状试样进行切割打磨即得层状岩体的类岩石标准试样，可用于进行后续试验。

实施例2

(1)根据工程现场层状岩体岩层分布确定岩层为四层，层面结构为曲面，模具尺寸为150mm*150mm*150mm，在3d打印机切片软件中设置外部模具使用左喷头打印，内部使用右喷头打印；

(2)在打印机左喷头填入pva材料，右喷头填入hips材料，打印得到层状类岩体试样制备模具，如图2；

(3)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，将水泥砂浆填入外部模具1的空腔内，振捣密实后刮平模具上表面，静置10h待水泥砂浆终凝后，使用柠檬烯溶解内部模具2，配制配合比为水泥:细砂:水＝1.0:0.4:0.35的水泥砂浆，将水泥砂浆填入模具原hips材料所在位置，振捣密实后刮平模具上表面，静置24h；

(4)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，随后使用60℃的水溶解模具的pva材料部分得到块状试样，对块状试样进行切割打磨即得层状岩体的类岩石标准试样，可用于进行后续试验。