柱狀節(jié)理裂隙網(wǎng)絡(luò)模型巖芯試樣的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于巖石工程領(lǐng)域，涉及柱狀節(jié)理裂隙網(wǎng)絡(luò)模型巖芯試樣的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]柱狀節(jié)理構(gòu)造是常見于火山熔巖中的一種呈規(guī)則或者規(guī)則組合柱狀形態(tài)的原生張性破裂構(gòu)造，多見于玄武巖中，通常具有以下特點(diǎn):(1)外形呈四邊體、五邊體、六邊體、八邊形，通常是相互嵌合在一起，且在實(shí)際的巖體中是傾斜的，且具有一定的傾角；(2)柱狀節(jié)理巖體的節(jié)理都具有一定的尺寸，尺寸的大小直接影響節(jié)理強(qiáng)度；(3)在實(shí)際巖體中節(jié)理間不是完全裂隙，是由一些松散的碎肩物填充，節(jié)理間具有一定的強(qiáng)度，節(jié)理強(qiáng)度由于節(jié)理間的充填物的膠結(jié)強(qiáng)度的改變而改變。
[0003]因?yàn)樯鲜鎏攸c(diǎn)，因此獲得特定位置下巖芯樣存在著財(cái)力、物力以及技術(shù)層面的困難。而利用相似材料的模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比研究具有方便、可控性強(qiáng)、造價(jià)低和針對(duì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，此方法廣泛應(yīng)用于研究巖石工程問題的研究。現(xiàn)有的巖芯試樣是先制備小的巖體模型柱子，然后將其各個(gè)柱子膠結(jié)起來獲得，存在巖芯試樣中中間的膠合物的厚度無法控制和不均一，且相當(dāng)費(fèi)人力和物力的問題。申請(qǐng)?zhí)枮?013101245872的中國(guó)發(fā)明專利，公開的是一種節(jié)理面的剪切方法，該方法只是分析剪切節(jié)理面的力學(xué)特性，沒有進(jìn)行深入分析柱狀節(jié)理巖體的力學(xué)特性。申請(qǐng)?zhí)枮?014102608609的中國(guó)專利，公開的是一種頁巖人造巖芯的制備方法，只是一種生成考慮有大尺度的縱向節(jié)理的頁巖體的力學(xué)特性的巖芯試樣方法，不能用來分析豎向的柱狀節(jié)理巖芯的力學(xué)特性。申請(qǐng)?zhí)枮?014105643869的中國(guó)專利，公開的是一種不規(guī)則柱狀節(jié)理裂隙網(wǎng)絡(luò)模型巖芯試樣的制備方法，該方法只是制備類voronoi的3D隨機(jī)柱狀節(jié)理裂隙網(wǎng)絡(luò)的柱狀節(jié)理巖體模型的制備，只能制備傾角為0度的柱狀巖體試驗(yàn)，沒有深入研究柱狀巖體的不同形狀對(duì)巖體的強(qiáng)度和滲透性的影響，不同傾角對(duì)柱體的強(qiáng)度的影響。肖維民的論文《單軸壓縮條件下柱狀節(jié)理巖體變形和強(qiáng)度各向異性模型試驗(yàn)研究》中只是分析了柱狀節(jié)理巖體相似材料的模型試驗(yàn)，但是這個(gè)模型試驗(yàn)研究中采用大尺寸的柱體，只有少量的柱狀節(jié)理網(wǎng)格，沒能克服尺寸效應(yīng)，這樣不能真實(shí)地反映柱狀節(jié)理巖體的力學(xué)特性，其而且只能在單軸儀分析柱狀節(jié)理巖體的抗壓強(qiáng)度，由于做的試樣尺寸較大不能利用巖石三軸儀來分析柱狀節(jié)理巖體的力學(xué)特性，同時(shí)不能分析不同節(jié)理厚度和節(jié)理強(qiáng)度的柱狀節(jié)理巖體的滲流特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種柱狀節(jié)理裂隙網(wǎng)絡(luò)模型巖芯試樣的制備方法，該方法可以得到不同傾角、不同節(jié)理厚度、不同節(jié)理強(qiáng)度的巖芯試樣，能夠相對(duì)準(zhǔn)確的模擬出不同的柱狀節(jié)理巖體的滲流特性。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)以上的技術(shù)目標(biāo)，采用下述的技術(shù)方案:
(1)利用有機(jī)玻璃塊膠結(jié)成三維的橫斷面形狀為正六邊形、傾角為30° -75°的節(jié)理裂隙網(wǎng)絡(luò)；在節(jié)理裂隙網(wǎng)絡(luò)和可拆卸U型槽同時(shí)涂脫模劑； (2)有機(jī)玻璃的厚度為l_2mm，有機(jī)玻璃的厚度即節(jié)理裂隙網(wǎng)絡(luò)拔出后形成的網(wǎng)絡(luò)空隙的寬度；
(3)所述的U型槽的兩個(gè)相對(duì)面板可拆卸；
(4)有機(jī)玻璃節(jié)理裂隙網(wǎng)絡(luò)的底部距離U型槽底部有5mm-15mm，便于模型材料在底部膠結(jié)在一起，有利于后續(xù)倒入填充材料。
[0006](5)有機(jī)玻璃節(jié)理裂隙網(wǎng)絡(luò)的頂部高于U型槽頂部，便于從U型槽中拔出；
(6)向U型槽內(nèi)灌入模型材料；模型材料是由水泥、砂與水按2-3:1-1.5:1的重量比獲得的混合物，其中砂的粒徑為小于1mm ；
(7)向裝滿模型材料的U型槽內(nèi)插入步驟(1)得到的有機(jī)玻璃節(jié)理裂隙網(wǎng)絡(luò)；
(8)在溫度24°、濕度為95%的恒溫恒濕箱中養(yǎng)護(hù)至有機(jī)玻璃節(jié)理裂隙網(wǎng)絡(luò)易于拔出且不破壞模型材料膠結(jié)的程度，放置時(shí)間7-10小時(shí)；
(9)養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，將U型槽的兩個(gè)可拆卸面板拆除，拔出有機(jī)玻璃節(jié)理裂隙網(wǎng)絡(luò)，形成規(guī)則柱狀節(jié)理裂隙網(wǎng)絡(luò)空隙，然后將可拆卸對(duì)稱面板裝回到U型槽中，繼續(xù)恒溫養(yǎng)護(hù)24-36小時(shí)；
(10)將網(wǎng)絡(luò)空隙填充物與水的混合物倒入網(wǎng)絡(luò)空隙中，然后將U型槽放置到通風(fēng)處中自然養(yǎng)護(hù)10-15天；拆卸U型槽面板，得到柱狀節(jié)理裂隙網(wǎng)絡(luò)的柱狀節(jié)理試塊。網(wǎng)絡(luò)空隙填充物可以是石膏、白水泥或E44環(huán)氧樹脂。
[0007]本發(fā)明制備得到不同節(jié)理厚度、不同節(jié)理強(qiáng)度、不同傾角的人造柱狀節(jié)理模型試驗(yàn)試樣，適用于分析柱狀節(jié)理巖體力學(xué)特性和滲透特性，所用的材料簡(jiǎn)單、成本低廉、操作簡(jiǎn)單。其中，利用有機(jī)玻璃塊制作三維柱狀節(jié)理裂隙網(wǎng)絡(luò)，有機(jī)玻璃的厚度即為模擬的節(jié)理厚度；不同填充材料充填柱體的節(jié)理來模擬不同節(jié)理間的強(qiáng)度；不同材料的膠結(jié)強(qiáng)度模擬不同柱狀節(jié)理強(qiáng)度。
【附圖說明】
[0008]圖1為實(shí)施例1所拼接的形狀為正六邊形，傾角為75°的柱狀節(jié)理裂隙網(wǎng)絡(luò)圖； 圖2為圖1的側(cè)視圖；
圖3為對(duì)稱面可拆卸的U型槽結(jié)構(gòu)示意圖；a為未設(shè)置可拆卸對(duì)稱面板的U型槽山為帶有可拆卸對(duì)稱面板的U型槽；其中，U型槽的長(zhǎng)X寬X高是lOOmmX 100mmX 200mm，側(cè)壁厚度是20mm ；
圖4為實(shí)施例1得到的已經(jīng)切割好的巖芯的側(cè)視圖；
圖5為實(shí)施例1獲得的傾角為75°的Φ50πιπι*Φ 100mm圓柱試樣的實(shí)物圖；
圖6為本發(fā)明實(shí)施例1獲得的試樣在圍壓4MPa，滲壓為IMPa的應(yīng)力應(yīng)變曲線?？梢钥闯?試樣沒有出現(xiàn)峰后強(qiáng)度，隨著圍壓的增大，應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)峰值，殘余強(qiáng)度也隨之增大；
圖7為本發(fā)明實(shí)施例1中獲得的試樣在圍壓4mpa，滲壓為lmpa下的滲壓-應(yīng)變關(guān)系曲線圖。可以從圖7中看出:當(dāng)試樣處于初始?jí)好茈A段時(shí)，初始滲透系數(shù)隨圍壓的增加而減小，隨著滲壓的增大而增加；當(dāng)試樣進(jìn)入線彈性階段，滲透系數(shù)基本保持不變；當(dāng)試樣進(jìn)入屈服階段后，節(jié)理面逐漸變形貫通，滲透率增加幅度比線彈性階段增大，當(dāng)試樣進(jìn)入破壞階段，滲透率達(dá)到最大值； 圖8為本發(fā)明實(shí)施例1中獲得的試樣在圍壓為6mpa、滲壓為lmpa的滲透率-應(yīng)變和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線；
圖9為本發(fā)明實(shí)施例1中獲得的試樣在圍壓為8mpa、滲壓為lmpa的滲透率-應(yīng)變和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線；
圖10是本發(fā)明實(shí)施例1中獲得的試樣的滲透率在不同圍壓下隨軸向應(yīng)變的變化趨勢(shì)；可以從圖10中看出:在滲透壓力為IMPa時(shí)，隨著圍壓的增大(4MPa、6MPa、8MPa)，滲透率增加速率逐漸減小。圍壓4MPa時(shí)的滲透率曲線較陡，最大滲透率為31.08X10 16 m2，圍壓6MPa時(shí)的滲透率最大值為22.46X 10 16 m2，在圍壓8MPa的情況下，滲透率演化曲線比低圍壓(4MPa)情況下平緩，當(dāng)試樣破壞后達(dá)到的最大滲透率為6.67X10 16 m2。<