一种随机裂隙试验模型的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种随机裂隙试验模型的制备方法，其通过将不同厚度、不同大小以及不同数量的裂隙碎片随机掺入到连续介质体模型材料中，以制备出能够有效模拟岩体裂隙、节理等天然结构特征，以及非均质特性的岩体随机结构特征分布和复杂力学环境的非均质特性的试验模型，以此进行随机裂隙岩体的模拟试验。本发明专利技术模型制备过程简单、操作简便，相对于现有技术，其制备出的岩体模型与工程岩体更接近，试验结果与岩体真实情况更加贴合。本发明专利技术的随机裂隙试验模型的制备方法，可适用于大型相似模拟试验，尤其是涉及到相似模拟矿压观测、非均质岩层流固耦合模拟实验、破碎煤岩体开挖模拟试验等对岩层有结构要求等的模拟试验模型的制备。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，其通过将不同厚度、不同大小以及不同数量的裂隙碎片随机掺入到连续介质体模型材料中，以制备出能够有效模拟岩体裂隙、节理等天然结构特征，以及非均质特性的岩体随机结构特征分布和复杂力学环境的非均质特性的试验模型，以此进行随机裂隙岩体的模拟试验。本专利技术模型制备过程简单、操作简便，相对于现有技术，其制备出的岩体模型与工程岩体更接近，试验结果与岩体真实情况更加贴合。本专利技术的随机裂隙试验模型的制备方法，可适用于大型相似模拟试验，尤其是涉及到相似模拟矿压观测、非均质岩层流固耦合模拟实验、破碎煤岩体开挖模拟试验等对岩层有结构要求等的模拟试验模型的制备。【专利说明】
本专利技术涉及一种岩体力学性能测试试验模型的制备方法，尤其涉及，属于大型地下工程模拟试验
。
技术介绍
岩石作为一种具有内部结构的非均质材料，在外力作用下，岩石内部微缺陷的成核、扩展及相互之间的作用决定了岩石的宏观变形、破坏特性。尽管学者在研究岩石破裂方面取得了诸多有益的成果。但这些研究一直是在均匀介质假设前提上进行的，很少涉及到岩石自身非均质性引起的岩石破坏。由于构造应力场的长期作用，岩石不是均质的，而是由许许多多的滑动面、裂纹、节理、弱面、夹层以及断层等组成的非均质各向异性和非连续的复合结构体，非连续面的力学特性常常决定整个岩体的力学特性。随机裂隙岩体的失稳和破坏最终都是通过岩体内部这些不连续面的张开、闭合和扩展而产生的贯通滑移面所引起的。通过把岩体的随机结构特征和赋存环境，以及岩体的工程作用力学模型统一到室内的模拟试验中去，模拟岩体的变形、破坏过程和机理，成为了研究节理裂隙岩体的一种行之有效的方法。随着室内相似物理模拟试验平台的研发，重现采动岩体变形、移动、破坏等一系列的矿压显现现象，使得地下工程问题可以此作为一种重要手段来进行研究，达到真正的“仿真”目的。针对目前相似物理模拟试验中，对于有确定产状和连通率的节理岩体，可在原型与模型间，将节理裂隙的频度、连通率以及他们之间的间距等按照相似条件可以实现，但对于随机节理岩体而言，节理、裂隙在岩体中的空间位置、产状和尺寸都是随机的，而传统采用的堆砌、镶嵌的方式比较困难且费时费力，制作模型效果差。如何在把岩体的随机结构特征和赋存环境，以及岩体的工程作用力学模型统一到室内的模拟试验中去，如何在模拟材料中将裂隙随机分布在模型中去，这是相似模拟试验的难点及重点所在，也是能否借助室内模拟真实再现天然裂隙岩体非均质特性的成功关键所在。现有技术的随机裂隙模拟实验试样模型的制备方法，通过采用的堆砌、镶嵌的方式插入裂隙碎片等方式，制备单裂隙、双裂隙试样模型。其存在试样模型制作精度低、费时费力，裂隙空间分布和产状分布不能保证随机性等系列问题，特别是，试样在凝结固化过程中需要将裂纹片及时抽出，因而不可避免地造成时试样模型的破坏，无法获取能够真实反映出所需模拟的工程岩体的试样模型。
技术实现思路
本专利技术的目的是，提供一种操作简便、具有良好的非均质特性的随机裂隙试验模型的制备方法。本专利技术为实现上述目的需要解决的技术问题是，如何将裂隙模拟材料即不同厚度、不同大小以及不同数量的裂隙碎片随机掺入到连续介质体模型材料中，以此来模拟随机裂隙岩体的试验，制作出能够有效模拟岩体裂隙、节理等天然结构特征以及岩体所赋存的非均质特性的岩体随机结构特征分布以及岩体所赋存的复杂力学环境的具有良好的非均质特性的随机裂隙试验模型的技术问题。本专利技术为解决上述技术问题采用的技术方案是，，其特征在于，包括如下步骤:a.在工程岩体分区基础上，对分区岩体内的裂隙网络几何信息结构要素进行地质情况统计，现场取出岩样并测试出岩样弹性模量和单轴抗压强度，以及单位体积所含的裂隙数目；b.根据统计出的地质情况，确定实验模型的几何相似比Q、容重相似比CY、强度相似比CfQXCY、弹性模量相似比CpQXCy，并以此确定模型的具体尺寸、骨料、胶结材料的原料及配比；c.将裂隙薄片剪成任意形状的碎片，按照工程岩体中统计出来的裂隙数量及体积百分比确定出模型制作原料中所需加入的裂隙碎片的加入量；将骨料和胶结材料组成的混合料加水在搅拌筒内搅拌均匀，备用；然后将骨料、胶结材料和裂隙碎片组成的混合料加水在搅拌筒内搅拌均匀，备用；d.在相似模拟平台刚性模具的底壁预先铺设不含有裂隙薄片的混合料后，依次将搅拌均匀的含有裂隙碎片的混合料倒入相似模拟平台刚性模具中，进行试样的逐层铺设；每铺设一层试样，先用平铲将混合料铺平，再利用平台自带的三向加压系统压实；其中，在试样的最上层铺设不含有裂隙薄片的混合料；在试样与相似模拟平台刚性模具各壁面的接触处，均铺设不含有裂隙薄片的混合料；e.脱模取出试样，置于通风、阴凉、干燥处一周左右，进行自然风干即成。上述技术方案直接带来的技术效果是，采用不同数量的裂隙碎片来模拟岩体中节理、裂隙的密度大小，且将裂隙碎片随机混合在模型混合料中，无需抽出，保证了裂隙碎片在模型岩层中的空间分布和产状分布是随机的。解决了现有技术中存在的试样模型制作精度要求高、费时费力，裂隙空间分布和产状分布不能保证随机性等系列问题，特别是，试样在凝结固化过程中不需要将裂纹片及时抽出，实现了试样模型的一次成型，所得到的试样模型能够较好地符合所需模拟的工程岩体的真实情况。上述随机裂隙试验模型的制备方法，其制备简单、操作简便。上述随机裂隙试验模型的制备方法，其岩体中裂隙数目是依据在工程岩体中统计结果后，根据模型体积的大小后，依据体积百分比换算出模型中裂隙的数目，不同裂隙数目对同一配比下的模型强度有着较大区别。这种方法制备的岩体模型与工程岩体更接近，试验结果与岩体真实情况更加贴合。上述随机裂隙试验模型的制备方法，制备出的试样模型的各外表面未涉及到研究区域的岩层均铺设不含有裂隙薄片的混合料，从而消除了裂隙在模型上下边缘及周边分布对试验过程中可能带来的干扰和影响，这进一步提高了试样模型的“仿真性”；上述随机裂隙试验模型的制备方法，其利用模拟实验平台液压加载系统进行实验模型的压实，可以达到固结成型和补偿加载的目的，因而制备方法简单、操作简便；并且上述随机裂隙试验模型的制备方法，对于大型相似模拟试验，尤其是涉及到相似模拟矿压观测、非均质岩层流固耦合模拟实验、破碎煤岩体开挖模拟试验等对岩层有结构要求的模拟均可适用。作为优选，上述骨料为重结晶粉和铁粉；所述胶结材料为石膏。进一步优选，上述裂隙碎片为云母片或聚四氟乙烯薄片，裂隙碎片的长度和宽度为 0.厚度为 0.1-0.7mm。上述优选技术方案直接带来的技术效果是，一方面，是由于云母片、聚四氟乙烯薄片的不粘结、不透水、表面光滑摩擦系数低能够更为接近工程岩体裂隙的特性；另一方面，原料来源广泛，易于获取。综上所述，本专利技术的，具有以下有益效果:采用不同大小的裂隙碎片来模拟岩体中节理、裂隙的存在，且将裂隙碎片随机混合在模型混合料中，试样在凝结固化过程中和模型制备完成后不需要将裂纹片抽出，其制备方法简单、操作简便，且制备原料来源广泛，易于获取，实现了试样模型的一次成型，所得到的试样模型能够较好地符合所需模拟的工程岩体的真实情况。这一方面，保证了裂隙碎片在模型岩层中的空间分布和产状分布是随机的；另一方面，解决了现有技术中存在的试样模型制作精度要求本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种随机裂隙试验模型的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：a.在工程岩体分区基础上，对分区岩体内的裂隙网络几何信息结构要素进行地质情况统计，现场取出岩样并测试出岩样弹性模量和单轴抗压强度，以及单位体积所含的裂隙数目；b.根据统计出的地质情况，确定实验模型的几何相似比Cl、容重相似比Cγ、强度相似比CR=Cl×Cγ、弹性模量相似比CE=Cl×Cγ，并以此确定模型的具体尺寸、骨料、胶结材料的原料及配比；c.将裂隙薄片剪成任意形状的碎片，按照工程岩体中统计出来的裂隙数量及体积百分比确定出模型制作原料中所需加入的裂隙碎片的加入量；将骨料和胶结材料组成的混合料加水在搅拌筒内搅拌均匀，备用；然后将骨料、胶结材料和裂隙碎片组成的混合料加水在搅拌筒内搅拌均匀，备用；d.在相似模拟平台刚性模具的底壁预先铺设不含有裂隙薄片的混合料后，依次将搅拌均匀的含有裂隙碎片的混合料倒入相似模拟平台刚性模具中，进行试样的逐层铺设；每铺设一层试样，先用平铲将混合料铺平，再利用平台自带的三向加压系统压实；其中，在试样的最上层铺设不含有裂隙薄片的混合料；在试样与相似模拟平台刚性模具各壁面的接触处，均铺设不含有裂隙薄片的混合料；e.脱模取出试样，置于通风、阴凉、干燥处一周左右，进行自然风干即成。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高东川，马志涛，高东忍，李瑞瑞，张云月，张孝强，刘慧洁，郭峰，陈宗泰，冯宜语，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37