CN110470522B

CN110470522B - 一种预制不同含水饱和度裂隙网络岩体试样的方法

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Publication number: CN110470522B
Application number: CN201910886226.9A
Authority: CN
Inventors: 李连崇; 牟文强; 朱万成; 杨天鸿; 于庆磊; 刘洪磊; 张鹏海
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2019-09-19
Filing date: 2019-09-19
Publication date: 2020-10-30
Anticipated expiration: 2039-09-19
Also published as: CN110470522A

Abstract

本发明公开了一种预制不同含水饱和度裂隙网络岩体试样的方法，属于岩土工程中含水裂隙岩体试验研究应用领域。本发明利用制作好的注浆模具，根据不同岩体裂隙的空间形态及其含水饱和度，在水凝结成冰前导入不同含量的气体，制作成内有不同空腔的、各种形状的冰模，将冰模间隔放置在注浆模具设定的空间位置处并浇灌已配比好的泥浆材料，加压成型后进行高温养护；通过后期高温养护可以使得岩体试样内冰块融化，从而实现不同含水饱和度裂隙网络岩体试样的制备。本发明能够完成对非贯通、不同含水饱和度裂隙岩体试样的制作，有利于不同含水饱和度裂隙岩体的各类试验研究，推动裂隙岩体力学的发展与应用。

Description

一种预制不同含水饱和度裂隙网络岩体试样的方法

技术领域

本发明涉及在裂隙岩体注浆、含水裂隙岩体渗水、含水裂隙岩体强度试验等领域中，实现制作含水饱和度裂隙网络的岩体试样，满足对不同条件下裂隙岩体的力学性能测试及试验要求，尤其涉及一种预制不同含水饱和度裂隙网络岩体试样的方法。

背景技术

采矿工程、隧道工程、水利工程等涉及岩体堵水加固的地质工程，由于岩体中裂隙的存在改变了原有岩体的力学性质，且在岩体裂隙中往往含有呈现不同含水饱和度的水分。鉴于在重大工程建设中裂隙岩体的重要性，需要对存在不同含水饱和度的裂隙岩体进行力学实验，但是受实验手段及现有技术的影响，往往不能实现在原岩中采集试样，因此需要利用岩体试样来实现对裂隙岩体的实验室尺度实验。

而对于含天然裂隙岩体试样的构造，人们往往通过添加纸片、3d打印岩体模具等手段完成对单一裂隙岩体的构建。如《一种基于3D打印技术的非贯通裂隙岩体试样的制备方法》(ZL201511019619.8)公开了一种利用3D打印技术制作简单模具，实现非贯通裂隙岩体试样的制备，但利用该模具仅能实现单个或几个不连续裂隙的打印构建，且该方法进对非贯通裂隙岩体适用，不能实现复杂裂隙网络的组成，打印成型形成试样裂隙的预制结构不被拔出对裂隙岩体的性能有较大影响，且不能考虑裂隙内含水的情况；《一种室内单裂隙岩石试样制备装置》(ZL201410052815.4)公开了一种单一裂隙岩体的制备方法，但是不能考虑裂隙网络的情况，更不能考虑裂隙内含水的情况，不能实现不同饱和度裂隙的反应；而且天然裂缝往往是含水分的，且水分对裂隙岩体的性能影响很大，未能考虑裂隙中的含水情况。

当前缺乏有效的制作方法实现在试件中添加构建与地质岩体相同的裂隙网络，尤其是缺乏在裂隙中含有不同饱和度水分的裂隙网络岩体的简单试验制作方法。

发明内容

针对目前含不同含水饱和度及裂隙网络裂隙岩体试样制作所存在的问题，对符合天然裂缝试样的制备方法，提出了一种预制不同含水饱和度裂隙网络岩体试样的方法，其目的是提供一种能够实现对不同含水情况的、不同裂隙形态的、裂隙网络交错的裂隙岩体试样制作方法，为裂隙岩体试验提供有力的技术支撑与试验基础，同时减少试验成本，使试验简单、低廉、易操作。

为实现上述目的，本发明所采取的具体技术方案如下：

一种预制不同含水饱和度裂隙网络岩体试样的方法，该方法包括以下步骤：

第一步，测定岩体裂隙参数

测定工程现场中的岩体中裂隙的几何长度、宽度、形状、含水饱和度、裂隙位置、多裂隙的层间及交错关系，从而确定符合工程实际的试验尺寸参数。

第二步，制备冰模

2.1)利用木质材料制作符合第一步确定的试验尺寸参数的裂隙网络水模，水模要能够实现盛水并保证在冰冻条件下不产生大的变形；

2.2)将步骤2.1)制作的各类型的水模固定放置于冰冻环境下，并向水模内灌水直至充满，同时依据第一步确定的裂隙含水饱和度在水模内填充不同含量的空气；

2.3)待水模内的水冷冻结冰直至冰块成型后，拆除水模，制作成内部含有不同空腔的冰模，从而实现对不同含水饱和度的表征。

第三步，准备岩体试样成型装置并构造岩体试样

3.1)岩体试样成型装置包括加压梁1、液压柱2、连接体3、封盖4和注浆模具7；加压梁1固定在地板上，其中部安装液压柱2；将注浆模具7放置于液压柱2正下方，注浆模具7顶部安装封盖4，并在封盖4上表面安装连接体3，实现对注浆模具7顶板加压；

3.2)根据第一步测定的裂隙空间结构及位置，将第二步制作成型的冰模放置在注浆模具7所设定的空间位置处，在低温条件下向注浆模具7中浇灌已配比好的泥浆材料，并在注浆模具7顶部利用加压梁1、液压柱2和连接体3向注浆模具7的封盖4缓慢施压成型，直至岩体试样成型稳定；

3.3)在岩体试样初步加工成型后，拆除注浆模具7，将岩体试样放置在高温环境中养护，保证岩体试样内部的冰模融化为水而填充内部裂隙。

进一步，所述步骤2.2)中，水模是具有不同形状和尺寸的内表面铺设薄膜的可拆装木质组件，组件要求能够实现充水并可实现完全拆卸；且每组水模8两端或中部均留设有气孔9(可实现临时密封)，将水灌入水模8中至满并密封，借助水模8端部或者中部位置的气孔9向水模8内部输入定量的气体，另一端气孔9则流出相等量的水，以保证含水饱和度的准确性，则其含水饱和度为总充入水量减去排水量后再除以总充入水量。

进一步，所述步骤3.2)中，应当尽快先浇灌裂隙冰模周围的其它岩体空间，其目的是为了防止冰模融化破坏裂隙网络几何形状及分布特性。

进一步，所述的注浆模具7为尺寸300mm*300mm*300mm的正方体钢板组合件。

进一步，所述的加压梁1是高度为1000mm的钢制“口型”板梁。

本发明的有益效果：本发明提供了有效的岩体试样制作方法，能够保证裂隙网络冰模的形状、尺寸、空间位置保持稳定而不发生变化。本发明实现了含水裂隙岩体的制作，尤其是针对含有不同含水程度裂隙的岩体试样制作，对进一步研究含水裂隙岩体力学性质、研究含水饱和度的影响、研究各类试验，如裂隙岩体注浆、裂隙岩体渗透性、裂隙岩体压裂流动等具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的一种预制不同含水饱和度裂隙网络岩体试样的方法的工作流程图；

图2为本发明的一种预制不同含水饱和度裂隙网络岩体试样的方法的装置布置图；

图3为本发明的一种预制不同含水饱和度裂隙网络岩体试样的方法的水模示意图；

图中：1加压梁；2液压柱；3连接体；4封盖；5冰模；6气体空隙；7注浆模具；8水模；9气孔。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

如图1所示，一种预制不同含水饱和度裂隙网络岩体试样的方法，具体分为三个阶段：①准备阶段，该阶段需要把所要研究的裂隙岩体的包含有裂隙的几何参数、裂隙位置、网络交错及含水饱和度等各类参数进行确定，从而构造更加符合工程实际的裂隙岩体试样模型；②构造冰模，该阶段主要是根据已确定的岩体裂隙网络参数，利用木质水模制作含有指定空气含量的冰模，满足岩体裂隙的含水饱和度要求；③构造裂隙岩体，该阶段内将冰模按照设计好的空间位置，放置于注浆模具内并灌入配比好的浆料，待加压浆料稳定成型后高温养护形成含水(不同含水饱和度)裂隙岩体。

如图2所示，本发明一种预制不同含水饱和度裂隙网络岩体试样的方法通过岩体试样成型装置实现，该装置包括加压梁1、液压柱2、连接体3、封盖4和注浆模具7；加压梁1是固定于地板上的高度为1000mm的钢制“口型”板梁，其中部安装液压柱2；注浆模具7是尺寸300mm*300mm*300mm的正方体钢板组合件，顶部安装有可移动的封盖4，并在封盖4上表面安装连接体3；将注浆模具7放置于液压柱2正下方，利用液压柱2、连接体3实现在加压梁1对注浆模具7及其内的浆料施加压力。

如图3所示，依据测定参数制作水模8并铺设薄膜密封，每组水模8的两端或中部均留设气孔9，将水灌入水模8中至满并密封，借助水模8一端或者中部位置的气孔9向内部输入定量的气体，另一端则流出相等量的水，保证含水饱和度的确定性，而后将整个水模移至冷冻环境冰冻，水模内的水结冰后拆除周围水模8及薄膜；将含有气体空隙6的冰模5放置入注浆模具7内，向注浆模具灌入配比完成的浆料，利用加压梁1、液压柱2、连接体3、封盖4加压成型，成型后高温养护。

本发明所述的方法具体操作如下：

第一步，测定岩体裂隙参数

测定工程现场中的岩体中裂隙几何长度、宽度、形状、含水饱和度、多裂隙的层间及交错关系，确定试验尺寸参数；

第二步，制备冰模

(1)利用木质材料制作符合各类型试验尺寸参数的裂隙网络水模8，水模8要求能够实现盛水并保证在冰冻条件下不产生大的变形；

(2)将各类型的水模8固定放置于冰冻环境下，并向水模8内灌水直至充满，同时依据确定的裂隙含水饱和度在水模8内填充不同含量的空气；

(3)待水模8内的水冷冻结冰直至冰块成型，拆除水模8，制作成内有不同气体空隙6的各种形状的冰模5，从而实现对不同含水饱和度的表征；

第三步，准备岩体试样成型装置并构造岩体试样

(1)根据第一步测定的裂隙空间结构及位置，将冰模5放置在注浆模具7所设定的空间位置处，在低温条件下浇灌已配比好的泥浆材料，以防止冰模5快速融化；并依靠加压梁1与液压柱2，利用连接体3向注浆模具7的封盖4缓慢施加作用力成型，直至岩体试样成型稳定；

(2)在岩体试样初步加工成型后，拆除注浆模具7，将岩体放置在高温环境中养护，保证内部的冰模融化为水而填充内部裂隙。

本发明所提出的方法设备制作简单，方法工序简单易实施，成本低廉，在实验室内容易实现。本发明能够实现任意含裂隙的岩体试样的制作，尤其是针对不通过内部含有含水饱和度的、裂隙网络的裂隙岩体制作，有利于推动裂隙岩体力学、裂隙岩体渗流力学、裂隙岩体冻融力学的发展。

Claims

1.一种预制不同含水饱和度裂隙网络岩体试样的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

第一步，测定岩体裂隙参数

测定工程现场中的岩体中裂隙的几何长度、宽度、形状、含水饱和度、裂隙位置、多裂隙的层间及交错关系，从而确定符合工程实际的试验尺寸参数；

第二步，制备冰模

2.2)将步骤2.1)制作的水模固定放置在冰冻环境下，并向水模内灌水直至充满，同时依据第一步确定的裂隙含水饱和度在水模内填充不同含量的空气；

2.3)待水模内的水冷冻结冰直至冰块成型，拆除水模，制作成内部含有气体空隙的冰模，从而实现对不同含水饱和度的表征；

第三步，准备岩体试样成型装置并构造岩体试样

3.1)岩体试样成型装置包括加压梁、液压柱、连接体、封盖和注浆模具；加压梁固定在地板上，其中部安装液压柱；将注浆模具放置于液压柱正下方，注浆模具顶部安装封盖，并在封盖上表面安装连接体，实现对注浆模具中浆料加压；

3.2)根据第一步测定的裂隙空间结构及位置，将第二步制作成型的冰模放置在注浆模具所设定的空间位置处，在低温条件下向注浆模具中浇灌已配比好的泥浆材料，并在注浆模具顶部利用加压梁、液压柱和连接体向注浆模具的封盖缓慢施加作用力成型，直至岩体试样成型稳定；

3.3)在岩体试样初步加工成型后，拆除注浆模具，将岩体试样放置在高温环境中养护，保证岩体试样内部的冰模融化为水而填充内部裂隙。

2.根据权利要求1所述的一种预制不同含水饱和度裂隙网络岩体试样的方法，其特征在于，所述步骤2.2)中，水模是内部铺设薄膜的可拆装木质组件；且每组水模的两端或中部均留设有气孔，将水灌入水模中至满并密封，借助水模端部或者中部位置的气孔向水模内部输入气体，另一端气孔则流出等量的水，以实现含水饱和度的准确表征。

3.根据权利要求1或2所述的一种预制不同含水饱和度裂隙网络岩体试样的方法，其特征在于，所述的注浆模具为尺寸300mm*300mm*300mm的正方体钢板组合件。

4.根据权利要求1或2所述的一种预制不同含水饱和度裂隙网络岩体试样的方法，其特征在于，所述的加压梁是高度为1000mm的钢制“口型”板梁。

5.根据权利要求3所述的一种预制不同含水饱和度裂隙网络岩体试样的方法，其特征在于，所述的加压梁是高度为1000mm的钢制“口型”板梁。