本發(fā)明屬于巖體力學(xué)和巖石工程領(lǐng)域，具體涉及一種不同節(jié)理粗糙度隱節(jié)理巖體模型試樣的制備方法和制備模具。

背景技術(shù)：

節(jié)理巖體是水利水電工程、隧道工程、采礦工程中經(jīng)常遇到的一種復(fù)雜巖體。巖體中含有不同規(guī)模的天然弱面，在地質(zhì)運(yùn)動(dòng)作用下，這些已有的弱面會(huì)閉合、張開、擴(kuò)展或?qū)е聨r石中產(chǎn)生新的裂隙。與完整巖塊相比，節(jié)理巖體的力學(xué)性質(zhì)很大程度決定于這些弱結(jié)構(gòu)面。當(dāng)?shù)叵滤诠?jié)理巖體中流動(dòng)時(shí)，節(jié)理的特性如粗糙度在很大程度上影響節(jié)理巖體的力學(xué)和水力學(xué)性質(zhì)。

在節(jié)理巖體的內(nèi)部，普遍發(fā)育著隱節(jié)理，新鮮巖體經(jīng)過開挖卸荷后，由于隱節(jié)理的關(guān)系，巖體的強(qiáng)度普遍降低很大，而且很容易破碎。因此，巖體中的隱節(jié)理對(duì)巖體本身強(qiáng)度的影響至關(guān)重要。在過去的幾十年內(nèi)，許多學(xué)者在多孔介質(zhì)滲透研究領(lǐng)域中取得了大量的成果，對(duì)宏觀現(xiàn)象分析的多，主要是針對(duì)宏觀的大的裂隙的滲流，比如建立的立方定律方程或修正的立方定律方程。而對(duì)巖石微裂縫系統(tǒng)中的隱節(jié)理流動(dòng)現(xiàn)象重視不夠，往往認(rèn)為滲透性小而被忽略。

目前節(jié)理巖體模型的制備多為制備柱狀節(jié)理巖體相似材料試樣或者隨機(jī)裂隙類巖石試樣，而缺少不同節(jié)理粗糙度隱節(jié)理巖體模型試樣的制備，給室內(nèi)不同節(jié)理粗糙度隱節(jié)理巖體力學(xué)試驗(yàn)帶來了不便。

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)明公開了一種不同節(jié)理粗糙度隱節(jié)理巖體模型試樣制備方法，該方法能夠精確制備出含有不同節(jié)理粗糙度的隱節(jié)理巖體模型試樣；同時(shí)本發(fā)明公開了用于制備不同節(jié)理粗糙度隱節(jié)理巖體模型試樣的模具。

技術(shù)方案：不同節(jié)理粗糙度隱節(jié)理巖體模型試樣制備方法，包括以下步驟：

步驟1、利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件建立不同節(jié)理粗糙度隱節(jié)理試樣模型，將節(jié)理粗糙度系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)輪廓曲線數(shù)字化，將數(shù)字化的節(jié)理粗糙度曲線輸入計(jì)算機(jī)并與3D打印機(jī)相連接；

步驟2、準(zhǔn)備3D打印機(jī)所需的粉末狀原料和粘合劑膠水，將所述粉末狀原料和粘合劑膠水裝入3D打印機(jī)內(nèi)，按照步驟(1)中設(shè)定的節(jié)理粗糙度曲線打印隱節(jié)理插片；

步驟3、對(duì)打印好的隱節(jié)理插片進(jìn)行切割，得到試驗(yàn)所需要不同尺寸的隱節(jié)理片；

步驟4、在試樣成型模具內(nèi)灌注部分水泥砂漿，將隱節(jié)理片放入后，將水泥砂漿注滿模具，使隱節(jié)理片埋于節(jié)理巖體模型內(nèi)部，外部不可見；

步驟5、養(yǎng)護(hù)至水泥砂漿固化成型、形成初具形狀的試樣部件后脫模；

步驟6、對(duì)試樣進(jìn)行打磨，得到滿足試驗(yàn)要求的不同節(jié)理粗糙度隱節(jié)理巖體模型試樣。

優(yōu)選地，步驟1中建立不同節(jié)理粗糙度隱節(jié)理試樣模型是基于10條標(biāo)準(zhǔn)節(jié)理剖面，通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件AutoCad來構(gòu)建。

優(yōu)選地，步驟2中所述粉末狀原料為錫粉，其強(qiáng)度符合巖體結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度。

優(yōu)選地，步驟3中使用高壓水刀對(duì)打印好的隱節(jié)理插片進(jìn)行切割，可以避免切割時(shí)破壞節(jié)理粗糙度的完整性。

優(yōu)選地，為避免制成的試樣出現(xiàn)空洞，步驟4中水泥砂漿配比為普通硅酸鹽水泥：河砂：水：聚羧酸減水劑＝1∶0.5:0.35：0.001。

優(yōu)選地，步驟4中灌注水泥砂漿采用分層澆筑，以保證做出不同角度的隱節(jié)理。

優(yōu)選地，步驟(5)中養(yǎng)護(hù)時(shí)間為22～26小時(shí)。

優(yōu)選地，步驟(4)中先向試樣成型模具內(nèi)壁涂抹潤(rùn)滑劑后再灌注水泥砂漿，這樣方便脫模。

本發(fā)明還公開了一種不同節(jié)理粗糙度隱節(jié)理巖體模型試樣制備模具，所述模具分為帶有弧形插片的第一模具片和帶有弧形凹槽的第二模具片，弧形插片與弧形凹槽可以插合；其中第一模具片與第二模具片均具有開口端與封閉端，第一模具片與第二模具片通過弧形插片與弧形凹槽的插合構(gòu)成具有空心腔體的模具本體，第一模具片的封閉端與第二模具片的封閉端拼接構(gòu)成空心腔體的底端。

優(yōu)選地，第一模具片與第二模具片通過弧形插片與弧形凹槽的插合構(gòu)成具有空心腔體的橫截面為圓形、長(zhǎng)方形、正方形或橢圓形。

有益效果：本發(fā)明公開的不同節(jié)理粗糙度隱節(jié)理巖體模型試樣制備方法利用3D打印技術(shù)打印不同節(jié)理粗糙度的隱節(jié)理插片，具有精度高，模擬節(jié)理粗糙度效果逼真的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了在相似材料巖體試樣內(nèi)部制作出不同節(jié)理粗糙度的隱節(jié)理，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)試驗(yàn)所需要的不同節(jié)理粗糙度隱節(jié)理巖體模型試樣的制備。本發(fā)明公開的不同節(jié)理粗糙度隱節(jié)理巖體模型試樣制備模具，可以制成表面平滑的試樣，通過吻合性號(hào)的弧形插片與弧形凹槽的插合與拆分，在使用時(shí)拆卸方便。

附圖說明

圖1為操作流程圖；

圖2為不同節(jié)理粗糙度隱節(jié)理巖體模型試樣制備模具的俯視圖；

圖3為不同節(jié)理粗糙度隱節(jié)理巖體模型試樣制備模具的立體圖；

圖4為具有弧形插片和弧形凹槽的模具片拼接后組成的完整試樣成型模具；

圖5為制成的第三級(jí)節(jié)理粗糙度為4～6隱節(jié)理巖體模型試樣示意圖。

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。

以制備第三級(jí)節(jié)理粗糙度為4～6的隱節(jié)理巖體模型試樣為例，本實(shí)施例的操作流程如圖1所示，包括以下步驟：

步驟1、基于10條標(biāo)準(zhǔn)節(jié)理剖面，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件AutoCad建立不同節(jié)理粗糙度隱節(jié)理試樣模型，將節(jié)理粗糙度系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)輪廓曲線數(shù)字化，將數(shù)字化的節(jié)理粗糙度曲線輸入計(jì)算機(jī)并與3D打印機(jī)相連接；

步驟2、準(zhǔn)備3D打印機(jī)所需的粉末狀原料和粘合劑膠水并裝入3D打印機(jī)內(nèi)，按照步驟(1)中設(shè)定的節(jié)理粗糙度曲線打印隱節(jié)理插片，本實(shí)施例中選用低強(qiáng)度的比較符合巖體結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的錫粉作為3D打印原料，粘合劑膠水按照所使用的打印機(jī)適用的膠水型號(hào)來選擇；

步驟3、對(duì)打印好的隱節(jié)理插片進(jìn)行切割，得到試驗(yàn)所需要不同尺寸的隱節(jié)理片，為了避免切割時(shí)破壞節(jié)理粗糙度的完整性，采用高壓水刀對(duì)打印好的隱節(jié)理插片進(jìn)行切割；

步驟4、本實(shí)施例制成的試樣為直徑50mm，高100mm的圓柱體，如圖2和圖3所示，所用的模具分為帶有弧形插片1的第一模具片2和帶有弧形凹槽3的第二模具片4，弧形插片與弧形凹槽可以插合；其中第一模具片2與第二模具片4均具有開口端5與封閉端6，第一模具片2與第二模具片4通過弧形插片1與弧形凹槽3的插合構(gòu)成具有空心腔體7的模具本體，第一模具片的封閉端與第二模具片的封閉端拼接構(gòu)成空心腔體7的底端。

將具有弧形插片的第一模具片插入具有弧形凹槽的第二模具片，即拼接成完整的試樣成型模具；如圖4所示，拼接后的試樣成型模具是外部為長(zhǎng)70mm，寬70mm，高150mm的長(zhǎng)方體，內(nèi)部是直徑50mm，高100mm的圓柱體，即空心腔體的橫截面為圓形。

在試樣成型模具內(nèi)壁涂抹潤(rùn)滑劑后再灌注水泥砂漿，這樣方便脫模。本實(shí)施例中涂抹的潤(rùn)滑劑為凡士林。之后灌注部分水泥砂漿，將隱節(jié)理片放入后，將水泥砂漿注滿模具，使隱節(jié)理片埋于節(jié)理巖體模型內(nèi)部，外部不可見；為避免制成的試樣出現(xiàn)空洞，水泥砂漿配比為普通硅酸鹽水泥：河砂：水：聚羧酸減水劑＝1∶0.5:0.35：0.001；灌注水泥砂漿采用分層澆筑，以保證做出不同角度的隱節(jié)理；

步驟5、養(yǎng)護(hù)24小時(shí)至水泥砂漿固化成型、形成初具形狀的試樣部件后脫模；

步驟6、使用鋼銼對(duì)試樣表面進(jìn)行打磨，得到滿足巖石三軸滲流伺服儀要求的不同節(jié)理粗糙度隱節(jié)理巖體模型試樣，其內(nèi)部有隱節(jié)理8，如圖5所示。