一种用于研究剪切全过程岩石节理面形貌演化的试验方法

摘要

本发明涉及一种用于研究剪切全过程岩石节理面形貌演化的试验方法，该方法通过使用人工岩石材料复制岩石节理面得到多组具有完全相同表面形貌的节理试样，试验前对所有节理试样进行扫描获得节理面初始形貌数据；进行一组节理剪切试验获得完整的节理剪切位移—剪切应力试验曲线；在后续研究过程中，选取不同的节理剪切应力状态对应的剪切位移，进行多组节理剪切试验，各组试验在不同的剪切位移处停止，再对各组试验后的节理面形貌数据进行扫描，与试验前各试样形貌数据对比便可以获得节理剪切过程中的形貌演化数据。与现有技术相比，本发明方法简单便捷、试验结果更加真实准确，且可重复性好，适用范围广，具有很好的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于岩土力学试验技术领域，涉及一种用于研究剪切全过程岩石节理面形貌演化的试验方法。

背景技术

自然界中岩体由岩块和节理(结构面)组成，节理的存在对岩体性质的影响是显著的，节理的存在不仅削弱了岩体的强度，而且为水流提供了流动的通道，诱发各种灾害。节理表面形貌是节理剪切力学性质和渗流特性的主要影响因素，而且在节理剪切过程中，随着上下节理面发生错位且不断有突起被剪断，节理表面形貌时刻发生着变化，节理剪切过程中的节理面形貌的演化直接反应了剪切过程中节理的力学行为和渗流特性的变化。

室内试验是进行节理剪切过程中节理面形貌演化研究的最直接的手段。已有一些学者进行了相关研究的初步探索，但是其存在着各种不足之处。例如，在试验开始前对节理面进行扫描采集数据，在节理剪切过程中，当剪切到达预先设定剪切位移停止试验，对上下节理面进行扫描。扫描结束后将上下节理面复位继续试验。然而，这一试验过程较为复杂，而且在试验中途停止试验将上下节理面分开，破坏了其原有的应力状态，使得整个剪切过程的节理力学性质发生了变化，进而影响后续试验过程中节理面变形破坏。

而如果在试验开始前对节理面进行扫描采集数据，根据剪切试验过程中的法向位移和剪切位移，对上下节理面数据进行相对移动，移动过程中的上下节理面相交的区域，便默认为破坏区域进而删除，这样便可以获得节理剪切过程中的节理面形貌数据。然而，实际节理在剪切过程中相互接触的节理突起会发生弹塑性变形，尤其弹性变形在接触分开后会恢复。这种将上下节理面相交的区域便默认为破坏区域的处理方式大大的高估了节理剪切过程中的破坏区域，只能获得指定剪切位移处的近似破坏，所得结果与实际差距较大。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种简单便捷、试验结果更加真实准确，且可重复性好的用于研究剪切全过程岩石节理面形貌演化的试验方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于研究剪切全过程岩石节理面形貌演化的试验方法，该方法具体包括以下步骤：

(1)硅胶节理试样的制备：选取天然岩石节理面，经切割后，放入钢模中，在天然岩石节理表面及钢模内侧面均匀涂刷脱模剂；将模具硅胶与固化剂混合，搅拌均匀，形成胶体，并置于容器中，抽真空，除去胶体内的气泡；随后将抽真空后的胶体均匀浇筑在天然岩石节理的上表面，静置，脱模，即制得硅胶节理试样；

(2)浇筑α高强石膏节理试样下半部分和α高强石膏节理试样上半部分：

(2-1)将制得的硅胶节理试样置于钢模中，在硅胶节理试样表面及钢模内侧面上均匀涂刷脱模剂，将α高强石膏和水放入搅拌器中，均匀搅拌2-3min，迅速均匀浇筑在硅胶节理试样的上表面，并震动1-2min至表面不再有气泡溢出，静置，脱模，即制得α高强石膏节理试样下半部分；

(2-2)将制得的α高强石膏节理试样下半部分置于钢模中，在α高强石膏节理试样下半部分表面及钢模内侧面上均匀涂刷脱模剂，将α高强石膏和水放入搅拌器中，均匀搅拌2-3min，迅速均匀浇筑在α高强石膏节理试样下半部分的上表面，并震动1-2min至表面不再有气泡溢出，静置，脱模，即制得α高强石膏节理试样上半部分，所述的α高强石膏节理试样下半部分与α高强石膏节理试样上半部分为一组偶合石膏节理试样；

(2-3)重复步骤(2-1)、(2-2)，制得多组具有完全相同表面形貌的偶合石膏节理试样；

(3)节理表面形貌数据采集：分别在α高强石膏节理试样下半部分、α高强石膏节理试样上半部分的侧面粘贴标志点A、标志点B，运用三维表面形貌仪对所有α高强石膏节理试样下半部分、α高强石膏节理试样上半部分的表面进行测量，获得剪切试验前节理表面形貌数据；再将各α高强石膏节理试样下半部分与相应的α高强石膏节理试样上半部分偶合对齐，运用三维表面形貌仪对各组石膏节理试样进行整体扫描，获得初始偶合状态下各组石膏节理试样的组合数据；

(4)进行一组节理剪切试验，获得完整的节理剪切位移--剪切应力试验曲线；

(5)在步骤(4)所获得的完整的节理剪切位移--剪切应力试验曲线上，选取不同的节理剪切应力状态对应的剪切位移，进行后续节理剪切试验；

(6)利用各组石膏节理试样中粘贴的标志点A、标志点B，将不同剪切位移下剪切试验后各组石膏节理试样形貌数据与试验前的形貌数据进行对比，获得剪切过程中节理表面破坏区域的变化过程；

(7)利用各组石膏节理试样中粘贴的标志点A、标志点B，将剪切试验后各组的α高强石膏节理试样下半部分和α高强石膏节理试样上半部分的形貌数据与各组在初始偶合状态下的组合数据对齐，再利用各组试验的法向位移、水平位移将各组的α高强石膏节理试样下半部分和α高强石膏节理试样上半部分的形貌数据错动，获得节理剪切过程中节理空腔的变化过程。

步骤(1)所述的天然岩石节理面切割成平面尺寸为100mm×200mm，并且所述的模具硅胶与固化剂的质量比为100:1。

步骤(1)所述的胶体占容器的容积≤50％。

步骤(2)所述的α高强石膏与水的质量比为4:1。

步骤(4)所述的节理剪切试验的方法为：将一组石膏节理试样放入剪切盒内，施加预定的法向应力，之后以0.2mm/min的剪切速率施加水平向剪切荷载，直至剪切应力达到稳定的残余应力状态，此时，对应的剪切位移为石膏节理试样在剪切方向长度的10％。

步骤(5)所述的后续节理剪切试验的方法为：将全新的石膏节理试样放入剪切盒内，首先施加与步骤(4)相同的法向应力，之后以0.2mm/min的剪切速率施加水平向剪切荷载，在剪切位移达到选取的剪切位移后，试验停止；采用三维表面形貌仪对剪切试验后的石膏节理试样表面进行测量，获得剪切试验后节理表面形貌数据。

本发明方法通过使用人工岩石材料复制岩石节理面得到多组具有完全相同表面形貌的节理试样，试验前对所有节理试样进行扫描获得节理面初始形貌数据；进行一组节理剪切试验，获得完整的节理剪切位移—剪切应力试验曲线；在后续研究过程中，选取不同的节理剪切应力状态对应的剪切位移，进行多组节理剪切试验，各组试验在不同的剪切位移处停止，再对各组试验后的节理面形貌数据进行扫描，与试验前各试样形貌数据对比便可以获得节理剪切过程中的形貌演化数据。

本发明试验方法能适用于水利、交通、采矿、地质、核废料储存、石油等相关工程中，采用节理面进行节理剪切过程中节理面粗糙度参数和节理空腔的确定。与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)采用多组复制所得石膏节理试样通过多次剪切试验来获得剪切形貌数据的变化，避免了破坏剪切过程中的应力状态，且剪切过程中的节理面形貌数据均是实测所得，并非由初始状态下的形貌数据变换得到的，所得结果更加真实、准确；

2)采用复制所得石膏节理试样进行剪切全过程节理面形貌演化研究，很好地实现了试验的可重复性，可以研究具有同一初始表面形貌的节理面在不同边界条件下(如不同法向应力、不同法向刚度、不同剪切速率)的剪切过程中的节理面形貌演化规律；

3)获得剪切过程中节理表面破坏区域的变化过程和节理空腔的变化过程，将对节理剪切-渗流耦合的研究起到极大的促进作用。

附图说明

图1为本发明硅胶节理试样制作示意图；

图2为本发明α高强石膏节理试样下半部分制作示意图；

图3为本发明α高强石膏节理试样上半部分制作示意图；

图4为本发明α高强石膏节理试样上半部分在初始状态带标志点扫描示意图；

图5为本发明α高强石膏节理试样下半部分在初始状态带标志点扫描示意图；

图6为本发明α高强石膏节理试样上半部分和α高强石膏节理试样下半部分在初始偶合状态下侧面粘贴标志点示意图；

图7为本发明α高强石膏节理试样上半部分在剪切试验后带标志点扫描示意图；

图8为本发明α高强石膏节理试样下半部分在剪切试验后带标志点扫描示意图；

图9为本发明α高强石膏节理试样上半部分和α高强石膏节理试样下半部分在剪切试验后组成的节理空腔。

图中标记说明：

1-钢模、2-天然岩石节理、3-硅胶节理试样、4-α高强石膏节理试样下半部分、5-α高强石膏节理试样上半部分、6-标志点A、7-标志点B、8-节理空腔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1：

本实施例研究剪切全过程岩石节理面形貌演化的试验方法，该试验方法包括如下步骤：

1)用精细模具硅胶复制天然岩石节理面：选取天然岩石节理面，切割成平面尺寸为100mm×200mm放入钢模1中，在天然岩石节理2表面和钢模1内侧四周均匀涂刷脱模剂；以质量比为100:1称取精细模具硅胶和固化剂，搅拌至充分混合后，放入容器内，胶体占容器的容积不大于50％，放入真空缸内抽真空以消除硅胶内的气泡；将抽真空后的硅胶分层均匀浇筑在天然岩石节理2面上，静置24h后脱模，获得硅胶节理试样3，如图1所示；

2)浇筑α高强石膏节理试样上半部分5和α高强石膏节理试样下半部分4：将制得的硅胶节理试样3放入钢模1中，硅胶节理试样3表面和钢模1内侧四周均匀涂刷脱模剂，设计α高强石膏材料水灰比为1:4；为了避免由于试样材料强度和变形的差异而造成的试验结果的差异，每一批的试件都采用相同的材料、配合比、养护时间、模具；将α高强石膏和水放入搅拌器中均匀搅拌2-3min，迅速将其倒入组装好的模具中，在振动台上震动1-2min至表面不再有气泡溢出，这一过程要迅速，因为α高强石膏的初凝时间在7min左右，10min左右脱模，1h后将复制所得α高强石膏节理试样下半部分4放入钢模1中，重复上述过程，便可得到α高强石膏节理试样上半部分5，如图2-3所示，α高强石膏节理试样下半部分4与α高强石膏节理试样上半部分5为一组偶合石膏节理试样；重复整个过程2)，便可获得多组具有完全相同表面形貌的偶合石膏节理试样；

3)节理表面形貌数据采集：分别在α高强石膏节理试样下半部分4、α高强石膏节理试样上半部分5的侧面粘贴标志点A 6、标志点B 7，运用三维表面形貌仪对所有α高强石膏节理试样下半部分4、α高强石膏节理试样上半部分5的表面进行测量，获得剪切试验前节理表面形貌数据，如图4-5所示；再将各α高强石膏节理试样下半部分4与相应的α高强石膏节理试样上半部分5偶合对齐，运用三维表面形貌仪对各组石膏节理试样进行整体扫描，获得初始偶合状态下各组石膏节理试样的组合数据，如图6所示；

4)进行一组节理剪切试验，获得完整的节理剪切位移—剪切应力试验曲线：将一组石膏节理试样放入剪切盒内，施加预定的法向应力，之后以0.2mm/min的剪切速率施加水平向剪切荷载，直至剪切应力达到了稳定的残余应力状态，此时对应的剪切位移一般为试样在剪切方向长度的10％；至此便获得了此节理的完整的节理剪切位移—剪切应力试验曲线。

5)在步骤4)所获得的完整的节理剪切位移—剪切应力试验曲线，选取不同的节理剪切应力状态对应的剪切位移，进行后续的节理剪切试验：将全新的石膏节理试样放入剪切盒内，首先施加与步骤4)相同的法向应力，之后以0.2mm/min的剪切速率施加水平向剪切荷载，在剪切位移达到选取的剪切位移后，试验停止；运用三维表面形貌仪对剪切试验后的石膏节理试样表面进行测量获得剪切试验后节理表面形貌数据；每一个剪切位移对应一组剪切试验，这样便可以获得剪切过程中节理表面的形貌变化过程；

6)利用各组石膏节理试样中粘贴的标志点A 6、标志点B 7，将不同剪切位移下剪切试验后各组石膏节理试样形貌数据与试验前的形貌数据进行对比，获得剪切过程中节理表面破坏区域的变化过程，如图7-8所示；

7)利用各组石膏节理试样中粘贴的标志点A 6、标志点B 7，将剪切试验后各组的α高强石膏节理试样下半部分4和α高强石膏节理试样上半部分5的形貌数据与各组在初始偶合状态下的组合数据对齐，再利用各组试验的法向位移、水平位移将各组的α高强石膏节理试样下半部分4和α高强石膏节理试样上半部分5的形貌数据错动，获得节理剪切过程中节理空腔8的变化过程，如图9所示。

实施例2：

本实施例中，α高强石膏材料水灰比为1:3，其余同实施例1。

实施例3：

本实施例中，α高强石膏材料水灰比为1:5，其余同实施例1。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。