基于巴西劈裂试验确定柱状节理岩体各向异性特性的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于巴西劈裂试验确定柱状节理岩体各向异性特性的方法，包括以下步骤：步骤S1，模拟待测的实际柱状节理岩体，制备不同柱体倾角的相似材料模型；步骤S2，对各相似材料模型进行巴西劈裂试验，测量其抗拉强度；步骤S3，基于不同倾角下的抗拉强度变化确定柱状节理岩体的各向异性特性。本发明专利技术方法首先得到不同柱体倾角下的柱状节理岩体相似材料模型，再而进行巴西劈裂试验得到不同倾角下的抗拉强度，从而确定这个柱状节理岩体的各向异性特性，解决了现有技术中各向异性表征的片面性。本发明专利技术方法简单，测量成本低，可操作性强，适用范围广。

【技术实现步骤摘要】
基于巴西劈裂试验确定柱状节理岩体各向异性特性的方法
本专利技术涉及岩石力学
，具体涉及一种基于巴西劈裂试验确定柱状节理岩体各向异性特性的方法。
技术介绍
柱状节理岩体是一种异于别节理岩体的特殊岩体，它的形成是非常特别，主要是火山发育的地质环境中，玄武岩岩浆沿地表裂缝喷涌而出，在地面上流动，冷凝后形成玄武岩熔岩流。冷凝过程中，玄武岩岩浆有两个冷凝面：一个在岩流面上部接触空气，一个在岩流面底面接触下覆基岩。热量从上下两个冷凝面扩散。原生热张拉裂缝从上下两个冷凝面向岩流层中部扩展并最终形成柱状节理。柱状节理岩体的典型结构为细长的多边形柱体。地质研究表明，柱体的横截面主要为规则或非规则多边形。因利用相似材料的模型实验进行对比研究具有方便、可控性强、造价低和针对性强等优点，此方法广泛应用于研究岩石工程问题的研究。现有技术中利用模型试验分析岩体的各向异性特征已有大量研究文献，如专利《一种定量确定裂隙岩体渗流各向异性的方法》、《一种节理岩体各向异性确定方法》中公布了一种单个裂隙或者多个裂隙在模型实验中不同倾角岩体的各向异性特性的确定，但是此方法没有针对柱状节理岩体进行类似的各向异性特性研究；《柱状节理岩体渗透张量测试方法及各向异性定量评估方法》中公开的是一种利用不同节理角度下的渗透特性来测定这个柱状节理岩体的各向异性，这个通过渗透张量确定各向异性具有一定的局限性，只能由特有的渗透测试装置才能测定。而通过现场只能测试轴向和竖向的泊松比从而只得到两个方向不同的模量变化，无法得到这个全节理角度变化下的各向异性特性。因此，针对现有技术的缺陷，如何有效的建立相似材料模型试样求取柱状节理岩体的各向异性特性，成为迫切需要解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种基于巴西劈裂试验确定柱状节理岩体各向异性特性的方法，该方法主要利用相似模型方法建立不同角度下的柱状节理岩体模型，通过进行巴西劈裂试验确定这个柱状节理岩体的各向异性特性。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于巴西劈裂试验确定柱状节理岩体各向异性特性的方法，其特征是，包括以下步骤：步骤S1，模拟待测的实际柱状节理岩体，制备不同柱体倾角的相似材料模型；步骤S2，对各相似材料模型进行巴西劈裂试验，测量其抗拉强度；步骤S3，基于不同倾角下的抗拉强度变化确定柱状节理岩体的各向异性特性。进一步的，在步骤S1中，制备相似材料模型的具体过程包括：步骤S11，基于相似关系模拟实际柱状节理岩体，根据其岩体成分及空间形态，确定所制备的模拟柱体的原料、大小及形状；步骤S12，利用确定的模型材料制作柱状节理小柱子，再将柱子胶结起来形成相似材料模型；步骤S13，将此模型加工成不同柱体倾角的柱状节理岩体相似材料模型。进一步的，原料包括水泥、沙和水。进一步的，柱体倾角为0°，30°，45°，60°和90°。进一步的，步骤S2中，抗拉强度通过以下公式获得：式中：σt为岩石抗拉强度，单位MPa；p为劈裂荷载值，单位N；D为模型直径，单位mm；H为模型高度，单位mm。进一步的，各向异性系数的大小是用来描述材料的各向异性特性强弱的指标，各向异性系数为最大的抗拉强度与最小抗拉强度的比值。与现有技术相比，本专利技术所达到的有益效果是：本专利技术方法首先得到不同柱体倾角下的柱状节理岩体相似材料模型，再而进行巴西劈裂试验得到不同倾角下的抗拉强度，从而确定这个柱状节理岩体的各向异性特性，解决了现有技术中各向异性表征的片面性。本专利技术方法简单，测量成本低，可操作性强，适用范围广。附图说明图1是实施例中柱状节理岩体的抗拉强度的各向异性图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。本专利技术的一种基于巴西劈裂试验确定柱状节理岩体各向异性特性的方法，包括以下步骤：步骤S1，模拟待测的实际柱状节理岩体，制备不同柱体倾角的相似材料模型。首先制作能够充分描述由柱状节理面引起的强烈各向异性的柱状节理岩体相似材料模型，包括这个柱状节理岩体中单个柱子的形状和尺寸。其具体过程为：1)通过对现场的柱状节理岩体进行描述汇总，得到这个现场柱状节理岩体的特征信息，其中特征信息包括岩体成分、空间形态、不同截面形状统计及平均边长。柱状节理构造是常见于火山熔岩中的一种呈规则或者不规则柱状形态的原生张性破裂构造，多见于玄武岩中，柱状节理岩体通常呈四边体、五边体、六边体，通常是相互嵌合在一起，但平均边长数为六边形，故本实施例中利用正六边形作为柱状节理岩体的截面形状。2)柱状节理岩体是由柱状类柱子和柱子间的填充物组成，利用相似理论确定柱状节理岩体相似材料模型制备所需的原料、大小及形状特性，其中包括模型岩体的混凝土的强度等级、混凝土柱子的尺寸大小，及将各个混凝土柱子胶合起来的胶结材料的强度；3)利用确定的模型材料制作柱状节理小柱子，再将柱子胶结起来形成相似材料模型，并进行养护。4)将胶结好的柱状节理岩体模型进行加工切割打磨成不同柱体倾角下的柱状节理岩体相似模型，其中不同柱体倾角包括0°，30°，45°，60°和90°。步骤S2，对各相似材料模型进行巴西劈裂试验，测量其抗拉强度。本试验研究是利用CSS-3940YJ型岩石剪切流变试验机开展的，在试验机添加了一个巴西劈裂实验夹具，通过把不同倾角的柱状节理岩体相似材料模型放在巴西劈裂实验夹具上进行巴西劈裂试验，对试验机加载的应力(劈裂荷载)进行测量记录。基于巴西劈裂实验最终的结果，获得不同倾角下各相似材料模型的抗拉强度σt，其抗拉强度通过以下公式获得：式中：σt为岩石抗拉强度，单位MPa；p为劈裂荷载值，单位N；D为模型直径，单位mm；H为模型高度，单位mm。步骤S3，基于不同倾角下的抗拉强度变化确定柱状节理岩体的各向异性特性。各向异性系数的大小是用来描述材料的各向异性特性强弱的指标，各向异性是指不同角度下抗拉强度的变化程度，一般各向同性材料在各个角度下的抗拉强度都是一样的，所以这个各向异性系数是指在这些值中最大值与最小值的比值。基于不同倾角下的抗拉强度变化，得到柱状节理岩体各向异性系数(即最大的抗拉强度与最小抗拉强度的比值为各向异性系数)，从而得到柱状节理岩体在不同倾角下的抗拉强度的变化规律。这是一种有效的确定柱状节理岩体各向异性特性的方法，方法简单、成本低廉、有效。经试验发现，柱状节理岩体模型的抗拉强度随着柱状节理倾角的变化而变化，其变化规律是随着倾角增大而呈现小U型。其柱状节理岩体的最小抗拉强度发生在30°。实施例一本实施案例中，基于现场柱状节理岩体的岩体成分及空间形态，采用的相似材料模型的试验材料为：水泥：沙：水＝2：1：1(此配比并不是唯一的，可根据待测的柱状节礼岩体进行调配，如材料配比也可为：水泥：沙：水＝3：2：1)；柱子截面形状为正六边形，边长为5mm，水泥等级为52.5R。利用此模型材料制作柱状节理小柱子，再将柱子用黑水泥材料胶结起来，并进行养护。然后将胶结好的柱状节理岩体模型进行加工切割打磨成0°，30°，45°，60°，90°不同柱体倾角下的圆柱状相似材料模型，直径为50mm，高度为50mm。将加工好的相似材料模型利用CSS-3940YJ型岩石剪切流变试验机进行室内的巴西劈裂试验研究本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于巴西劈裂试验确定柱状节理岩体各向异性特性的方法，其特征是，包括以下步骤：步骤S1，模拟待测的实际柱状节理岩体，制备不同柱体倾角的相似材料模型；步骤S2，对各相似材料模型进行巴西劈裂试验，测量其抗拉强度；步骤S3，基于不同倾角下的抗拉强度变化确定柱状节理岩体的各向异性特性。

【技术特征摘要】
1.基于巴西劈裂试验确定柱状节理岩体各向异性特性的方法，其特征是，包括以下步骤：步骤S1，模拟待测的实际柱状节理岩体，制备不同柱体倾角的相似材料模型；步骤S2，对各相似材料模型进行巴西劈裂试验，测量其抗拉强度；步骤S3，基于不同倾角下的抗拉强度变化确定柱状节理岩体的各向异性特性。2.根据权利要求1所述的基于巴西劈裂试验确定柱状节理岩体各向异性特性的方法，其特征是，在步骤S1中，制备相似材料模型的具体过程包括：步骤S11，基于相似关系模拟实际柱状节理岩体，根据其岩体成分及空间形态，确定所制备的模拟柱体的原料、大小及形状；步骤S12，利用确定的模型材料制作柱状节理小柱子，再将柱子胶结起来形成相似材料模型；步骤S13，将此模型加工成不同柱体倾角的柱状节理岩体相似材料模型。3.根据权利要求2所述的基...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐卫亚，林志南，王如宾，李跃，王环玲，王伟，贾朝军，滕志强，王苏生，向志鹏，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32