本發(fā)明屬于巖體力學(xué)與地質(zhì)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種柱體含氣孔的柱狀節(jié)理巖體試樣制備方法。

背景技術(shù)：

玄武巖柱狀節(jié)理巖體構(gòu)造是一種原生張性破裂構(gòu)造，在世界各地均有發(fā)現(xiàn)，在我國(guó)云南省、江蘇省及浙江省等地分布廣發(fā)。隨著西部大開發(fā)的實(shí)施，我國(guó)西南地區(qū)水電工程壩址區(qū)柱狀節(jié)理構(gòu)造已成為水電工程主要的巖石力學(xué)問題之一，因此斷續(xù)柱狀節(jié)理巖體力學(xué)行為研究具有重大的理論與實(shí)際價(jià)值。

玄武巖柱狀節(jié)理形成機(jī)制的主導(dǎo)學(xué)說是“冷卻收縮說”，熔巖表面冷卻時(shí)，產(chǎn)生很多的收縮中心，其體積收縮引起巖石物質(zhì)向固定中心聚集，從而在垂直于等溫面方向上產(chǎn)生張拉縱裂隙，這些裂隙切割巖體，如果熔巖物質(zhì)是均質(zhì)的，則形成規(guī)則六面柱體，但是，柱體形成時(shí)受到種種環(huán)境條件的影響，特別是熔巖物質(zhì)的不均質(zhì)性，因而形成了四邊形、五邊形、七邊形及不規(guī)則柱體結(jié)構(gòu)。其中，形成柱狀節(jié)理巖體的熔巖在壓力減小和溫度驟然降低的條件下，其中揮發(fā)性成分不斷散失，再加上熔巖迅速冷卻而凝固，在柱體中形成圓球形、條帶狀、拉長(zhǎng)狀氣孔，因而柱狀節(jié)理巖體在力學(xué)行為上表現(xiàn)出典型的各向異性、不連續(xù)性和非均質(zhì)性。

在研究柱狀節(jié)理巖體力學(xué)行為時(shí)，室內(nèi)與原位試驗(yàn)是巖石力學(xué)領(lǐng)域常用的測(cè)試手段，原位試驗(yàn)由于受環(huán)境影響大、經(jīng)濟(jì)效益差、試驗(yàn)結(jié)果離散性較大等，其適用性受到了限制；原位取樣用于室內(nèi)試驗(yàn)僅適用于部分巖土與水電工程，由于柱狀節(jié)理巖體單柱尺寸大、非均質(zhì)性、不連續(xù)等，原位取樣很難以用于室內(nèi)試驗(yàn)儀器的尺寸并且其代表性較差；基于相似比理論，在室內(nèi)人工制備試樣是目前較為可信的研究方法。

但是，目前制備柱狀節(jié)理巖體試樣的方法還不完備，同時(shí)相關(guān)學(xué)者主要關(guān)注柱狀節(jié)理網(wǎng)絡(luò)及隱節(jié)理的制備方法，而忽略了柱體內(nèi)大量分布的氣孔對(duì)柱狀節(jié)理巖體各向異性力學(xué)行為的影響，同時(shí)，連通的氣孔會(huì)形成新的滲流路徑，進(jìn)而影響柱狀節(jié)理巖體的水力學(xué)行為，而上述問題是目前柱狀節(jié)理巖體力學(xué)研究領(lǐng)域沒有關(guān)注的。同時(shí)，目前常用的模擬孔隙或裂隙的相似材料，如云母、銅、錫等由于摩擦作用在室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)過程中不可避免的增加試樣的強(qiáng)度，不能真實(shí)孔隙或裂隙對(duì)巖體力學(xué)的影響。綜上所述，忽略柱體內(nèi)氣孔的存在將不能真實(shí)反映柱狀節(jié)理巖體的工程性質(zhì)，如何制備含真實(shí)氣孔空腔的柱狀節(jié)理巖體試樣成為當(dāng)前巖石力學(xué)試驗(yàn)領(lǐng)域重要的且亟需的研究課題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種柱體含氣孔的柱狀節(jié)理巖體試樣制備方法，可真實(shí)反映柱體內(nèi)大量分布的氣孔對(duì)柱狀節(jié)理巖體各向異性力學(xué)行為的影響，并可進(jìn)一步研究由于連通的氣孔所形成得新滲流路徑對(duì)柱狀節(jié)理巖體水力學(xué)行為的影響，可以有效避免模擬孔隙或裂隙材料對(duì)力學(xué)性質(zhì)的不必要影響。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種柱體含氣孔的柱狀節(jié)理巖體試樣制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一：根據(jù)柱狀節(jié)理巖體局部冷凝面的幾何形狀、產(chǎn)狀以及基于幾何相似比原則的主體大小，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件構(gòu)建柱狀節(jié)理巖體的三維幾何模型；

步驟二：將柱狀節(jié)理巖體內(nèi)部氣孔的幾何特征與分布規(guī)律通過掃描設(shè)備進(jìn)行掃描，并通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件將掃描后的氣孔位置數(shù)據(jù)以及氣孔物理特征數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入并最終構(gòu)建出柱狀節(jié)理巖體柱體的三維氣孔結(jié)構(gòu)模型；

步驟三：將步驟一中構(gòu)建完成的柱狀節(jié)理巖體的三維幾何模型以及步驟二中構(gòu)建完成的柱狀節(jié)理巖體柱體的三維氣孔結(jié)構(gòu)模型均導(dǎo)入3D打印機(jī)內(nèi)部的控制系統(tǒng)中；

步驟四：將打印所需的柱體粉末狀材料、節(jié)里充填材料以及氣孔材料這三種粉末狀材料分別裝入3D打印機(jī)的三個(gè)噴頭內(nèi)，其中每個(gè)噴頭內(nèi)還放置有每個(gè)粉末狀材料所需的膠結(jié)劑；

步驟五：通過3D打印機(jī)內(nèi)部控制系統(tǒng)所接收到的柱狀節(jié)理巖體的三維幾何模型和柱狀節(jié)理巖體柱體的三維氣孔結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行打印，打印過程中三個(gè)噴頭同時(shí)進(jìn)行，最終打印形成柱體含氣孔的柱狀節(jié)理巖體初始試樣；

步驟六：將步驟五得到的柱狀節(jié)理巖體初始試樣進(jìn)行抽真空飽和，形成含真實(shí)氣孔空腔的柱狀節(jié)理巖體試樣；

步驟七：將步驟六中形成的含真實(shí)氣孔空腔的柱狀節(jié)理巖體試樣加工打磨，通過后期加工制備成滿足試驗(yàn)要求的高精度試樣。

進(jìn)一步的，所述柱狀節(jié)理巖體局部冷凝面的幾何特征主要包括四邊形、五邊形、六邊形及七邊形這四種形態(tài)，產(chǎn)狀為水平、傾向130°傾角10°，基于幾何相似比原則將柱長(zhǎng)、柱徑等物理尺寸縮尺為原位尺寸的1/20～1/25。

進(jìn)一步的，所述步驟一中的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件為Revit軟件。

進(jìn)一步的，所述步驟二中構(gòu)建柱狀節(jié)理巖體柱體的三維氣孔結(jié)構(gòu)模型的具體步驟為：首先通過CT掃描原位柱狀節(jié)理巖體氣孔的幾何特征與分布規(guī)律，然后利用蒙塔卡羅隨機(jī)模擬法生成具有統(tǒng)計(jì)參數(shù)和概率密度函數(shù)的隨機(jī)數(shù)序列來模擬氣孔位置、數(shù)量和尺寸的隨機(jī)分布，最后基于三維制圖軟件按照隨機(jī)數(shù)序列分布分配的氣孔位置和統(tǒng)計(jì)特征構(gòu)建柱狀節(jié)理巖體柱體三維氣孔結(jié)構(gòu)模型。

進(jìn)一步的，所述柱狀節(jié)理巖體的柱體內(nèi)部氣孔主要分為四種組合形態(tài)：1)柱面下部氣孔均勻分布，往上部氣孔呈條帶狀；2)氣孔發(fā)育較少，柱面下部主要為拉長(zhǎng)狀氣孔，往上部氣孔呈扁豆?fàn)睿?)柱面下部氣孔均勻分布，上部氣孔分布少而稀；4)柱面上部發(fā)育長(zhǎng)條帶狀氣孔，下部氣孔呈均勻分布。

進(jìn)一步的，所述柱體粉末狀材料選用玄武巖粉末，節(jié)里充填材料選用火山灰，氣孔材料選用水溶紙粉末；并基于相似比原則采用三種不同的膠結(jié)劑。

進(jìn)一步的，所述步驟五中打印機(jī)三個(gè)噴頭同步并行打印柱體、節(jié)理與氣孔材料，實(shí)現(xiàn)三維立體化同步工作，試樣一次成型。

進(jìn)一步的，所述水溶紙材料采用立可溶水溶紙。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明簡(jiǎn)單可靠、經(jīng)濟(jì)效益高?？朔嗽辉囼?yàn)受環(huán)境影響大、經(jīng)濟(jì)性差的弊端，室內(nèi)模型試驗(yàn)可做操作性強(qiáng)、可重復(fù)性高，試驗(yàn)結(jié)果離散性較小，因此更加可靠；

(2)本發(fā)明結(jié)合了3D打印技術(shù)，通過水溶紙粉末打印氣與抽真空飽和的方式，形成了真實(shí)的含氣孔空腔的柱狀節(jié)理巖體試樣，取代了常規(guī)方法用云母、銅或錫模擬內(nèi)置孔隙或裂隙的方式，由于通過上述方式添加的模擬材料會(huì)不可避免增大試樣強(qiáng)度；

(3)本發(fā)明制備的試樣可真實(shí)反映柱體內(nèi)大量分布的氣孔對(duì)柱狀節(jié)理巖體各向異性力學(xué)行為的影響，并可進(jìn)一步研究由于連通的氣孔所形成得新滲流路徑對(duì)柱狀節(jié)理巖體水力學(xué)行為的影響，系統(tǒng)性強(qiáng)；

(4)本發(fā)明可為柱狀節(jié)理巖體地區(qū)壩基工程、邊坡工程與引水隧洞工程等領(lǐng)域各向異性力學(xué)行為、水力學(xué)行為研究提供可靠的方法支撐。

附圖說明

圖1為本發(fā)明制備方法的總體流程圖；

圖2為具體實(shí)施例中3D打印柱體內(nèi)圓球形與條帶狀氣孔組合分布示意圖；

圖3為具體實(shí)施例中3D打印柱體內(nèi)扁豆?fàn)钆c拉長(zhǎng)狀氣孔組合分布示意圖；

圖4為具體實(shí)施例中3D打印柱體內(nèi)上下不均勻分布圓球形氣孔示意圖；

圖5為具體實(shí)施例中3D打印柱體內(nèi)長(zhǎng)條狀與圓球形氣孔組合分布示意圖；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式，進(jìn)一步闡明本發(fā)明。

如圖1所示，一種柱體含氣孔的柱狀節(jié)理巖體試樣制備方法，包括以下步驟：

(1)根據(jù)玄武巖柱狀節(jié)理巖體局部冷凝面的幾何形態(tài)、產(chǎn)狀以及基于幾何相似比原則的柱體大小，利用Revit2013軟件分別構(gòu)建柱體及節(jié)理網(wǎng)絡(luò)3D形態(tài)；

如可根據(jù)玄武巖柱狀節(jié)理巖體局部冷凝面的幾何特征主要包括四邊形、五邊形、六邊形及七邊形等四種形態(tài)，產(chǎn)狀為水平、傾向130°傾角10°等，基于幾何相似比原則將柱長(zhǎng)、柱徑等縮尺為原位尺寸的1/20～1/25；

(2)根據(jù)不同的柱面形態(tài)特征，定性與定量描述氣孔的數(shù)量、幾何形狀與空間位置，將模型導(dǎo)入3D打印機(jī)；

如圖2至圖5所示，本發(fā)明可系統(tǒng)制備以下四種分布形態(tài)的柱體含氣孔試樣：1)柱面下部均勻分布圓球形氣孔2，上部為條帶狀氣孔1；2)氣孔發(fā)育較少，柱面下部主要為拉長(zhǎng)狀氣孔4，往上部為扁豆?fàn)顨饪?；3)柱面下部均勻分布圓球形氣孔2，上部圓球形氣孔2分布少而??；4)柱面上部發(fā)育長(zhǎng)條帶狀氣孔5，下部圓球形氣孔2呈均勻分布；

通過CT掃描原位柱狀節(jié)理巖體氣孔的幾何特征與分布規(guī)律，利用蒙塔卡羅隨機(jī)模擬法生成具有統(tǒng)計(jì)參數(shù)和概率密度函數(shù)的隨機(jī)數(shù)序列來模擬氣孔位置、數(shù)量和尺寸的隨機(jī)分布，基于三維制圖軟件按照隨機(jī)數(shù)序列分布分配的氣孔位置和統(tǒng)計(jì)特征構(gòu)建柱狀節(jié)理巖體柱體三維氣孔結(jié)構(gòu)模型；

所述蒙塔卡羅隨機(jī)模擬法的解題步驟如下：

1)根據(jù)提出的問題構(gòu)造一個(gè)簡(jiǎn)單、適用的概率模型或隨機(jī)模型，使問題的解對(duì)應(yīng)于該模型中隨機(jī)變量的某些特征(如概率、均值和方差等)，所構(gòu)造的模型在主要特征參量方面要與實(shí)際問題或系統(tǒng)相一致；

2)根據(jù)模型中各個(gè)隨機(jī)變量的分布，在計(jì)算機(jī)上產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，實(shí)現(xiàn)一次模擬過程所需的足夠數(shù)量的隨機(jī)數(shù)。通常先產(chǎn)生均勻分布的隨機(jī)數(shù)，然后生成服從某一分布的隨機(jī)數(shù)，方可進(jìn)行隨機(jī)模擬試驗(yàn)；

3)根據(jù)概率模型的特點(diǎn)和隨機(jī)變量的分布特性，設(shè)計(jì)和選取合適的抽樣方法，并對(duì)每個(gè)隨機(jī)變量進(jìn)行抽樣(包括直接抽樣、分層抽樣、相關(guān)抽樣、重要抽樣等)；

4)按照所建立的模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)、計(jì)算，求出問題的隨機(jī)解。

(3)玄武巖粉末作為柱體材料，火山灰作為節(jié)理充填材料，水溶紙粉末作為氣孔材料，將上述材料分別裝入3D打印機(jī)3個(gè)噴頭內(nèi)；

為了最接近原位試樣，采用玄武巖粉末作為柱體的打印原材料，以火山灰作為柱狀節(jié)理充填物的打印原材料，以水溶紙粉末作為氣孔的打印原材料，基于相似比原則采用三種不同的膠結(jié)劑，通過控制膠結(jié)劑的強(qiáng)度得到可模擬原位巖樣的三種室內(nèi)模擬相似材料；

(4)3個(gè)噴頭同時(shí)打印，形成柱體含氣孔的柱狀節(jié)理巖體初始試樣；

柱狀節(jié)理充填物的厚度、密度與含水率等物理力學(xué)特性及節(jié)理充填程度等通過CT掃描原狀試樣及室內(nèi)試驗(yàn)確定；

打印機(jī)三個(gè)噴頭同步并行打印柱體、節(jié)理與氣孔材料，實(shí)現(xiàn)三維立體化同步工作，試樣一次成型；

(5)基于水溶紙常溫下即可溶解于水的特性，將初始試樣進(jìn)行抽真空飽和，形成含真實(shí)氣孔空腔的柱狀節(jié)理巖體試樣；

水溶紙材料可快速溶解于絕大部分液體，獲取方便，本發(fā)明采用AQUASOL立可溶水溶紙；

將飽水后形成的含真實(shí)氣孔空腔的柱狀節(jié)理巖體試樣通過打磨機(jī)與拋光機(jī)加工打磨，通過后期加工制備成滿足試驗(yàn)要求的高精度試樣；

將制備的試樣在溫度為20±2°與相對(duì)濕度標(biāo)準(zhǔn)為95％條件下，養(yǎng)護(hù)28天即可用于室內(nèi)試驗(yàn)。

以制備西南地區(qū)某水電站壩基處柱體含氣孔的柱狀節(jié)理巖體巖樣為例，本發(fā)明的含氣孔的柱狀節(jié)理巖體制備方法如下：

(1)根據(jù)玄武巖柱狀節(jié)理巖體局部冷凝面為正六邊形、產(chǎn)狀為水平以及基于幾何相似比原則將柱體柱體大小縮尺為原樣的1/20，利用Revit2013軟件分別構(gòu)建柱體及節(jié)理網(wǎng)絡(luò)3D形態(tài)；

(2)通過CT掃描原位柱狀節(jié)理巖體圓球形氣孔2的幾何特征與分布規(guī)律，利用蒙塔卡羅隨機(jī)模擬法生成具有統(tǒng)計(jì)參數(shù)和概率密度函數(shù)的隨機(jī)數(shù)序列來模擬氣孔位置、數(shù)量和尺寸的隨機(jī)分布，基于三維制圖軟件按照隨機(jī)數(shù)序列分布分配的氣孔位置和統(tǒng)計(jì)特征構(gòu)建柱狀節(jié)理巖體柱體三維氣孔分布結(jié)構(gòu)模型；通過室內(nèi)試驗(yàn)與CT掃描技術(shù)確定柱狀節(jié)理充填物的厚度、密度與含水率等物理力學(xué)特性及節(jié)理充填程度；

所述具體實(shí)施例中蒙塔卡羅隨機(jī)模擬法的解題步驟如下：

1)在三維空間，圓球形氣孔2可以用半徑r來表示氣孔的規(guī)模，假設(shè)圓球形氣孔2的球心空間位置按隨機(jī)分布，半徑r按照正態(tài)分布，圓形氣孔的數(shù)量按照威布爾分布，圓球形氣孔2的位置、尺寸和數(shù)量分布函數(shù)均符合CT掃描結(jié)果；

2)該模型中的隨機(jī)變量有圓球形氣孔的半徑r、空間位置與數(shù)量，針對(duì)上述假定的分布函數(shù)，利用Matlab軟件分別生成100000個(gè)隨機(jī)數(shù)，對(duì)每個(gè)隨機(jī)變量采用直接抽樣的方式進(jìn)行抽樣，以判定該隨機(jī)數(shù)是否在直徑50mm、高度100mm的圓柱形試樣內(nèi)；

3)利用Matlab軟件得到具有統(tǒng)計(jì)參數(shù)和概率密度函數(shù)的隨機(jī)數(shù)序列，上述隨機(jī)序列可用來模擬擬制備試驗(yàn)中氣孔位置、數(shù)量和尺寸的隨機(jī)分布。

(3)將柱體、節(jié)理網(wǎng)絡(luò)及氣孔分布結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入3D打印機(jī)；

(4)以玄武巖粉末作為柱體材料，火山灰作為節(jié)理充填材料，AQUASOL立可融水溶紙粉末作為氣孔材料，將上述材料分別裝入3D打印機(jī)3個(gè)噴頭內(nèi)，3個(gè)噴頭同時(shí)打印，形成柱體含氣孔的柱狀節(jié)理巖體初始試樣；

(5)將初始試樣進(jìn)行抽真空飽和，形成含真實(shí)氣孔空腔的柱狀節(jié)理巖體試樣，試樣通過打磨機(jī)與拋光機(jī)加工打磨加工成滿足試驗(yàn)要求的高精度試樣；

(6)將制備的試樣在溫度為20±2°與相對(duì)濕度標(biāo)準(zhǔn)為95％條件下，養(yǎng)護(hù)28天用于室內(nèi)試驗(yàn)。

以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例子而已，并不用于限制本發(fā)明。凡在本發(fā)明的原則之內(nèi)，所作的等同替換，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。本發(fā)明未作詳細(xì)闡述的內(nèi)容屬于本專業(yè)領(lǐng)域技術(shù)人員公知的已有技術(shù)。