野外大尺度岩石结构面相似表面的模拟方法

摘要

一种野外大尺度岩石结构面相似表面的模拟方法，包括如下步骤：(1)、岩石结构面区域选定和表面处理；(2)、岩石结构面类别判断：对已经划定的岩石取样，测定其岩石的类别、成分和力学参数；(3)、上胶模拟：选取中性的凝胶作为模拟材料，用打胶枪将它从胶瓶内打出，对凝胶表面进行抹平使凝胶与岩石表面完全接触，并将其表面修整；(4)、脱胶处理：待硬度达到预设值，先将小木条依次以顺时针方向从其四周取下，从岩石表面脱离出来，并且保持其逆向纹路的原样；(5)、养护：进行养护，使凝胶硬化。本发明提供一种野外大尺度岩石结构面相似表面的模拟方法，无需野外采样就能满足制作相似表面起伏形态的模型结构面，准确性较高。

说明书

技术领域

本发明属于工程技术领域，涉及一种野外大尺度岩石结构面相似 表面的模拟方法，用于野外采集岩石结构面的表面形态，在水利、交 通、采矿、地质等相关工程中模拟出结构面进行结构面抗剪强度等工 程设计参数的确定。

背景技术

岩石结构面的抗剪强度指标是工程设计中的重要参考指标，为了 得到抗剪强度指标需要进行结构面的抗剪强度试验。但原岩结构面一 般是赋存于岩体中，现场取样的成本高，运输困难，试验周期长，难 以满足大量工程试验的需要；为了能够开展结构面抗剪强度的力学试 验，需制作模型结构面代替原岩结构面。专利号为ZL200910154781.9， 提出了一种直剪试验结构面模型的制作方法，该方法是对已采样的原 岩结构面上进行不同尺寸的模拟试样制作，得到与原岩结构面表面形 态一样、上下盘结构面的吻合性好的模型结构面。通过该方法制作的 模型结构面不会破坏原岩结构面，满足了制作不同尺寸模型结构面的 要求，也减少了野外原岩结构面的采样数量，降低了试验成本。但该 方法的首要工作还需采得满足试验要求的原岩结构面，并要求采样过 程中原岩结构面的表面起伏形态需完整无缺，运输过程中也不得有任 何的破坏。可见该专利中还需要进行野外的试样采样，且对原岩结构 面的采样提出了较高的要求。而如何能够无需野外的原岩采样，即可 得到与原岩结构面相似的表面形态，又能满足专利号 ZL200910154781.9中不同试样的制作要求，进一步降低试验的成本和 试验周期，是模型结构面抗剪强度试验的发展方向。

发明内容

为了解决现有岩石结构面试样制作方法需野外采集试样，成本高、 周期长的不足，本发明提供一种野外大尺度岩石结构面相似表面的模 拟方法，无需野外采样就能满足制作相似表面起伏形态的模型结构面， 准确性较高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种野外大尺度岩石结构面相似表面的模拟方法，所述模拟方法 包括如下步骤：

(1)岩石结构面区域选定和表面处理：划定需要模拟的岩石表面纹理 区域，并对该表面进行清理，去除表面的碎石杂块，再使用设定厚度 的小木条将划定的区域分隔开；

(2)岩石结构面类别判断：对已经划定的岩石取样，测定其岩石的类 别、成分和主要力学参数；

(3)上胶模拟：选取中性的凝胶作为模拟材料，用打胶枪将它从胶瓶 内打出，对凝胶表面进行抹平使凝胶与岩石表面完全接触，并将其表 面修整，凝胶材料最薄处的最小厚度控制在5～10mm；

(4)脱胶处理：待硬度达到预设值，先将小木条依次以顺时针方向从 其四周取下，再利用凝胶本身的特性在其上表面率先施加一个不大于 其弹性伸缩强度的一个外界荷载，使其从岩石表面脱离出来，并且保 持其表面形态的纹路原样；

(5)养护：将硅酮胶模型平铺在水平地面上，进行养护，使凝胶硬化。

进一步，所述模拟方法还包括如下步骤：

(6)重复上述步骤(3)～(5)，采集四个以上岩石表面的反纹理， 选取完整性较强，纹理较为清晰的硅酮胶模型；

(7)利用表面形态测量仪等设备获得原岩结构面和模型结构面的表面 起伏形态，对比分析其相似程度，当相似程度在95％以上时，即可满 足试验要求。

再进一步，所述步骤(3)所述凝胶为单组份硅酮胶。

更进一步，所述步骤(3)中，用玻璃制成的刮板，在其表面抹上 少量的清水。

所述步骤(3)中，当需模拟的表面面积超过预设值，选择从四角 率先上胶抹平压实再向中间汇拢的方法模拟其表面形态。

所述步骤(5)中，养护的环境为：23℃以上，50％相对湿度。

本发明的有益效果主要表现在：(1)解决了原岩采集运输困难的 问题；(2)可以较为准确的复制出相似程度较高的岩石表面形态；(3) 硅酮胶本身自重较轻，与原岩相比更为方便灵活；(4)硅酮胶取下来 硬化后表面形态相对稳定，可以重复使用，解决的一部分的成本问题； (5)硅酮胶材料未硬化前粘结度较好，能够依附在倾斜的岩石表面而 不至于脱落；(6)岩石表面区域选择相对灵活，可以在特定的区域进 行其表面模拟；(7)该方法不会破坏岩石的表面，但能较好的模拟岩 石的表面形态；(8)硅酮胶有硬化的过程，在未完成硬化前，将其脱 离原岩表面，在完全硬化后，其强度高，可以以其作为模型试件制作 的底面模板。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。

一种野外大尺度岩石结构面相似表面的模拟方法，所述模拟方法 包括如下步骤：

(1)岩石结构面区域选定和表面处理：划定需要模拟的岩石表面纹理 区域，并对该表面进行清理，去除表面的碎石杂块，再使用设定厚度 的小木条将划定的区域分隔开；

(2)岩石结构面类别判断：对已经划定的岩石取样，测定其岩石的类 别、成分和力学参数；

(3)上胶模拟：选取中性的凝胶作为模拟材料，用打胶枪将它从胶瓶 内打出，对凝胶表面进行抹平使凝胶与岩石表面完全接触，并将其表 面修整，凝胶材料最薄处的最小厚度控制在5～10mm；，优选为5mm；

(4)脱胶处理：待硬度达到预设值，先将小木条依次以顺时针方向从 其四周取下，再利用凝胶本身的特性在其上表面率先施加一个不大于 其弹性伸缩强度的一个外界荷载，使其从岩石表面脱离出来，并且保 持其表面形态的纹路原样；

(5)养护：进行养护，使凝胶硬化。

进一步，所述模拟方法还包括如下步骤：

(6)重复上述步骤(3)～(5)，采集四个以上岩石表面的反纹理， 选取完整性较强，纹理较为清晰的硅酮胶模型。

再进一步，所述步骤(3)所述凝胶为单组份硅酮胶。

更进一步，所述步骤(3)中，用玻璃制成的刮板，在其表面抹上 少量的清水。

所述步骤(3)中，当需模拟的表面面积超过预设值(例如 50cm*50cm)，选择从四角率先上胶抹平压实再向中间汇拢的方法模拟 其表面形态。

所述步骤(5)中，养护的环境为：23℃以上，50％相对湿度。

本实施例的野外大尺度岩石结构面相似表面的模拟方法，包含以 下步骤：

(1)野外岩石表面划定试验的区域：选取需要研究的岩石表面对 其进行表面的清理，并将其划分成几个区域，进行编号。

(2)区域划分：使用3mm厚度的小木条将划定的区域分隔开。

(3)上胶：选取中性的单组份硅酮胶原材料，用打胶枪将它从胶 瓶内打出，然后用玻璃制成的刮板，在其表面抹上少量的清水作为润 滑剂，对硅酮胶表面进行抹平压实使硅酮胶与岩石表面完全接触，并 将其表面修整。其中需保证硅酮胶的最小厚度控制在3mm左右。若 需模拟的表面面积过大，可选择从四角率先上胶抹平压实再向中间汇 拢的方法模拟表面形态的纹路原样。

(4)脱胶：待其硬度达到30％，先将小木条依次以顺时针方向 从其四周取下，再利用硅酮胶本身的特性在其上表面率先施加一个不 大于其弹性伸缩强度的一个外界荷载，使其从岩石表面脱离出来，并 且保持其表面形态的纹路原样。

(5)养护：在23℃以上，50％相对湿度的环境下，在硅酮胶表 面高出5cm左右处置起防水模板，防止雨水混入硅酮胶中对硅酮胶硬 化产生影响。为缩短养护时间可以适当的提高局部环境内的温度和湿 度，以加速其硬化凝结的时间。

利用轮廓曲线仪对原岩结构面和硅酮胶模型进行表面起伏形态测 量，对比模拟表面和原岩表面的相似性。以模拟结构面的尺寸为 100cm*100cm为例(见表1)，上、下盘结构面的表面起伏度和粗糙度 系数的数值相差不大，不同尺度的上、下盘结构面粗糙度系数JRC_n的最大相对误差小于7.14％，平均误差为4.54％。可见采用该模拟方 法能够较好的满足试验要求。表1为结构面的起伏差R_y和粗糙度系数 JRC_n

表1

本实施例使用的硅酮胶为单组份的透明中性硅酮胶原料；硬化时 间按其标准进行，即24小时后可硬化表面3mm的硅酮胶；使用的硅 酮胶材料最好具有一定的发泡膨胀性能；具有一定强度的弹性系数， 保证其在脱落时表面形态不发生改变。