本發(fā)明涉及一種柱面含充填氣孔的柱狀節(jié)理巖體試樣制備方法，屬于巖體力學(xué)、地質(zhì)學(xué)、滲流力學(xué)與3D打印技術(shù)多學(xué)科的交叉技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

柱狀節(jié)理是玄武巖一種常見(jiàn)的原生構(gòu)造，柱狀節(jié)理巖體是一類(lèi)特殊的工程地質(zhì)巖體，其節(jié)理面一般為橫截面規(guī)則的多邊形柱體面。中國(guó)大陸柱狀節(jié)理節(jié)理分布廣泛，西南地區(qū)某大型水電站即選址在柱狀節(jié)理區(qū)，隨著項(xiàng)目建設(shè)的發(fā)展，研究者越來(lái)越注意到柱狀節(jié)理巖體非線性、各向異性節(jié)理面滲流的研究?jī)r(jià)值，其已成為該水電工程主要的巖石力學(xué)問(wèn)題之一。

玄武巖柱狀節(jié)理成因的主導(dǎo)學(xué)說(shuō)為“冷卻收縮說(shuō)”，節(jié)理樁長(zhǎng)的大小主要與熔巖的厚度、巖漿冷凝收縮的速度及溫度密切相關(guān)，當(dāng)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，在柱面中形成圓形、條帶狀、拉長(zhǎng)狀氣孔。氣孔的存在改變了節(jié)理面導(dǎo)水狀態(tài)，氣孔充填物往往在水流沖刷下流失，氣孔則具有一定的儲(chǔ)水能力，柱狀節(jié)理滲流因此表現(xiàn)出典型的各向異性、不連續(xù)性。

賦存氣孔節(jié)理面的滲流特性很難用常見(jiàn)的粗糙度理論解釋?zhuān)?jīng)典立方定律更加不適用，滲流控制方程Reynolds方程與N-S方程的適用性有待進(jìn)一步研究。

由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)費(fèi)用高、結(jié)果離散性大，同時(shí)柱狀節(jié)理取樣困難，且塊體通常較大。因此，通過(guò)室內(nèi)人工調(diào)試配比，基于相似比準(zhǔn)則開(kāi)展力學(xué)理論研究成為一種較為實(shí)用的方法。在柱狀節(jié)理滲流方面，相關(guān)學(xué)者主要關(guān)注節(jié)理面粗糙度、節(jié)理填充物及節(jié)理充填度等因素對(duì)節(jié)理滲流的影響，而忽略了對(duì)一種普遍存在于節(jié)理面的充填氣孔對(duì)滲流特性的影響。

綜上所述，忽略柱面充填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)，如何便捷地制備一種柱面含充填的氣孔的柱狀節(jié)理試驗(yàn)并開(kāi)展?jié)B流試驗(yàn)研究成為當(dāng)前巖石力學(xué)、滲流力學(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：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種柱面含充填氣孔的柱狀節(jié)理巖體試樣制備方法，該方法可真實(shí)反映柱面充填氣孔對(duì)柱狀節(jié)理巖體界面滲流特性的影響，制樣方法簡(jiǎn)便、高效、成品率高。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案。

本發(fā)明的一種柱面含充填氣孔的柱狀節(jié)理巖體試樣制備方法，包括如下步驟：

(1)采用原位地質(zhì)調(diào)查，測(cè)定玄武巖柱狀節(jié)理巖體的橫斷面幾何形態(tài)、巖層產(chǎn)狀、節(jié)理隙寬及單柱的柱面形態(tài)特征，利用Revit軟件并基于相似比準(zhǔn)則構(gòu)建柱狀節(jié)理巖體的三維幾何模型；

(2)根據(jù)柱狀節(jié)理巖體不同的單柱柱面形態(tài)特征，建立數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表格以定性、定量描述所述柱狀節(jié)理巖體的柱面氣孔的數(shù)量、幾何形狀與空間位置，將所述柱狀節(jié)理巖體的柱面氣孔統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)與所述的柱狀節(jié)理巖體的三維幾何模型導(dǎo)入3D打印機(jī)；

(3)玄武巖粉末作為柱體材料，次生性黃泥作為節(jié)理與柱面氣孔充填材料，將上述材料分別裝入3D打印機(jī)2個(gè)噴頭內(nèi)同時(shí)打印，形成柱面含充填氣孔的柱狀節(jié)理巖體初始試樣；

(4)進(jìn)行后期打磨、拋光、修平，養(yǎng)護(hù)成滿足滲流試驗(yàn)要求的柱狀節(jié)理試樣。

所述的步驟(1)的具體過(guò)程為：

(1-1)原位測(cè)定玄武巖柱狀節(jié)理巖體橫斷面的幾何形態(tài)，所述的橫斷面的幾何形態(tài)為四邊形、五邊形、六邊形及七邊形四種形態(tài)；所述的玄武巖柱狀節(jié)理巖體單柱柱面下部均勻分布有不充填圓形氣孔，上部有較大的充填條帶狀氣孔；其產(chǎn)狀各異，節(jié)理、微裂隙及柱面氣孔由次生性黃泥充填；

(1-2)原位測(cè)定所述的橫斷面為四邊形、五邊形、六邊形及七邊形四種幾何形態(tài)下的柱寬、柱高、節(jié)理寬度；

(1-3)按照所述的橫斷面的四種幾何形態(tài)，利用Revit2013軟件構(gòu)建柱狀節(jié)理巖體的三維幾何模型。

所述步驟(2)的具體過(guò)程為：

建立柱面氣孔形態(tài)特征統(tǒng)計(jì)表，分別表征所述四種橫斷面幾何形態(tài)下圓形、條帶狀氣孔各自的數(shù)量、空間位置及尺寸大小，將所述柱狀節(jié)理巖體的柱面氣孔統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)與所述的柱狀節(jié)理巖體的三維幾何模型導(dǎo)入MakerBot Replicator 3D打印機(jī)。

所述步驟(3)的具體過(guò)程為：

以玄武巖粉末作為柱體的打印原材料，以次生泥巖作為柱狀節(jié)理及柱面氣孔充填物的打印原材料，粘接材料為兩種不同粘接強(qiáng)度的膠水，如環(huán)氧樹(shù)脂與502膠水；3D打印機(jī)兩個(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，使試樣一次成型。

所述的柱狀節(jié)理及柱面氣孔充填物的厚度、密度與含水率，以及節(jié)理充填程度，均通過(guò)CT掃描原狀試樣及室內(nèi)試驗(yàn)確定。

所述的制備試樣在溫度為20±2°、相對(duì)濕度標(biāo)準(zhǔn)為95％的條件下，養(yǎng)護(hù)28天后用于室內(nèi)試驗(yàn)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明包括以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

(1)本發(fā)明方法簡(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)明方法結(jié)合了3D打印技術(shù)，一次成型、成品率高，操作簡(jiǎn)便、快捷。

(3)本發(fā)明方法制備的試樣可真實(shí)反映柱面充填氣孔對(duì)柱狀節(jié)理界面滲流的影響，為滲流力學(xué)研究提供了一種新的方向。

(4)本發(fā)明方法可為柱狀節(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)域各向異性滲流力學(xué)行為研究提供可靠的方法支撐。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的一種實(shí)施例的方法流程圖。

圖2為本發(fā)明的一種實(shí)施例方法所制備的柱狀節(jié)理巖體單柱柱面形態(tài)特征示意圖。

圖3為本發(fā)明的一種實(shí)施例方法所制備的單節(jié)理巖體試樣滲流試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1至圖2所示，一種柱面含充填氣孔的柱狀節(jié)理巖體試樣制備方法，包括以下步驟：

(1)采用原位地質(zhì)調(diào)查，測(cè)定玄武巖柱狀節(jié)理巖體的橫斷面幾何形態(tài)、巖層產(chǎn)狀、節(jié)理隙寬及單柱的柱面形態(tài)特征，利用Revit軟件并基于相似比準(zhǔn)則構(gòu)建柱狀節(jié)理巖體的三維幾何模型；

(2)根據(jù)柱狀節(jié)理巖體不同的單柱柱面形態(tài)特征，建立數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表格以定性、定量描述所述柱狀節(jié)理巖體的柱面氣孔的數(shù)量、幾何形狀與空間位置，將所述柱狀節(jié)理巖體的柱面氣孔統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)與所述的柱狀節(jié)理巖體的三維幾何模型導(dǎo)入3D打印機(jī)；

(3)玄武巖粉末作為柱體材料，次生性黃泥2作為節(jié)理與柱面氣孔充填材料，將上述材料分別裝入3D打印機(jī)2個(gè)噴頭內(nèi)同時(shí)打印，形成柱面含充填氣孔的柱狀節(jié)理巖體初始試樣；

(4)進(jìn)行后期打磨、拋光、修平，養(yǎng)護(hù)成滿足滲流試驗(yàn)要求的柱狀節(jié)理試樣。

所述的步驟(1)的具體過(guò)程為：

(1-1)原位測(cè)定玄武巖柱狀節(jié)理巖體橫斷面的幾何形態(tài)，所述的橫斷面的幾何形態(tài)為四邊形、五邊形、六邊形及七邊形四種形態(tài)；所述的玄武巖柱狀節(jié)理巖體單柱柱面下部均勻分布有不充填圓形氣孔3，上部有較大的充填條帶狀氣孔1；其產(chǎn)狀各異，節(jié)理、微裂隙及柱面氣孔由次生性黃泥2充填；

(1-2)原位測(cè)定所述的橫斷面為四邊形、五邊形、六邊形及七邊形四種幾何形態(tài)下的柱寬、柱高、節(jié)理寬度；

(1-3)按照所述的橫斷面的四種幾何形態(tài)，利用Revit2013軟件構(gòu)建柱狀節(jié)理巖體的三維幾何模型。

所述步驟(2)的具體過(guò)程為：

建立柱面氣孔形態(tài)特征統(tǒng)計(jì)表，分別表征所述四種橫斷面幾何形態(tài)下圓形氣孔3、條帶狀氣孔1各自的數(shù)量、空間位置及尺寸大小，將所述柱狀節(jié)理巖體的柱面氣孔統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)與所述的柱狀節(jié)理巖體的三維幾何模型導(dǎo)入MakerBot Replicator 3D打印機(jī)。

所述步驟(3)的具體過(guò)程為：

以玄武巖粉末作為柱體的打印原材料，以次生泥巖作為柱狀節(jié)理及柱面氣孔充填物2的打印原材料，粘接材料為兩種不同粘接強(qiáng)度的膠水，如環(huán)氧樹(shù)脂與502膠水；3D打印機(jī)兩個(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，使試樣一次成型。

所述的柱狀節(jié)理及柱面氣孔充填物的厚度、密度與含水率，以及節(jié)理充填程度，均通過(guò)CT掃描原狀試樣及室內(nèi)試驗(yàn)確定。

所述的制備試樣在溫度為20±2°、相對(duì)濕度標(biāo)準(zhǔn)為95％的條件下，養(yǎng)護(hù)28天后用于室內(nèi)試驗(yàn)。

下面以制備西南地區(qū)某水電站壩基處柱面含充填氣孔的柱狀節(jié)理巖體為例，說(shuō)明本發(fā)明的一種柱面含充填氣孔的柱狀節(jié)理巖體試樣制備方法如下：

(1)利用原位地質(zhì)觀測(cè)，測(cè)定玄武巖柱狀節(jié)理巖體橫斷面的幾何形態(tài)為正六邊形、產(chǎn)狀為水平，原位測(cè)定柱寬、柱長(zhǎng)、節(jié)理寬度等，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軟件構(gòu)建柱狀節(jié)理巖體三維幾何模型；

(2)通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)與CT掃描技術(shù)確定柱狀節(jié)理充填物2的成分、厚度、密度與含水率等物理力學(xué)特性以及節(jié)理充填程度；

(3)建立統(tǒng)計(jì)分析表分別統(tǒng)計(jì)了單柱柱面圓形氣孔1、條帶狀氣孔3的位置、數(shù)量和尺寸的分布，將氣孔統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)與柱狀節(jié)理巖體三維幾何模型導(dǎo)入MakerBot Replicator 3D打印機(jī)；

(4)以玄武巖粉末作為柱體材料，次生黃泥作為節(jié)理充填材料分別裝入MakerBot Replicator 3D打印機(jī)2個(gè)噴頭內(nèi)，2個(gè)噴頭同時(shí)打印形成柱面含充填氣孔的柱狀節(jié)理巖體初始試樣；

(5)將試樣通過(guò)打磨機(jī)與拋光機(jī)加工打磨加工成尺寸為100*100*100mm的立方體試樣，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)滲流試驗(yàn)。

如圖3所示，在真三軸滲流試驗(yàn)裝置開(kāi)展柱狀節(jié)理巖體滲流試驗(yàn)，可分別或同時(shí)改變?nèi)蛑鲬?yīng)力與孔隙水壓力，當(dāng)法向主應(yīng)力與孔隙水壓力保持不變時(shí)，滲透系數(shù)與側(cè)向應(yīng)力增大的關(guān)系如圖3所示。從圖3可以看出，滲流系數(shù)與側(cè)限應(yīng)力增量間表現(xiàn)為明顯的非線性關(guān)系，與經(jīng)典線性立方定律描述相差較大，說(shuō)明該方法可較好的用于柱狀節(jié)理巖體非線性滲流特性研究。