[发明专利]一种仿制天然裂缝岩样的人造实验样品制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及岩土力学实验技术，尤其涉及一种仿制天然裂缝岩样的人造实验样品制作方法。

背景技术

天然岩体通常会经受复杂的地质运动而在其内部产生许多形貌各异的裂缝。岩体大多沿着裂缝面发生破坏，而裂缝面内的流体流动能力也远大于岩石基质，因此裂缝对岩体的变形性质和水力学特性有着重要的影响。在地面和地表开展的各类岩体工程，如隧道、边坡、洞室中，裂缝影响着各类工程的稳定性和安全性。在开发深部地层的油气资源时，岩体中的裂缝又影响着钻井效率和油气藏开发效果。同时众多学者的研究均表明，裂缝的具体形貌进一步决定了其对岩体性质的影响，因此研究裂缝形貌对岩体性质的影响意义重大。

目前针对裂缝形貌对岩体性质的研究，主要是天然裂缝岩样在不同的应力、温度、流体条件下的裂缝法向闭合实验研究和裂缝切向剪切实验研究两种。由于工程需要预测不同条件下同样一个裂缝对岩体性质的影响，通常需要针对同一天然裂缝岩样进行多次不同实验条件下的实验。

由于自然界中不可能有表现形貌完全相同的裂缝面，因此工程中常常直接使用同一裂缝岩样进行多次不同实验条件下的实验。但大多数裂缝岩样在经历了第一次、第二次实验后，其裂缝表面会被磨损，形貌发生改变，所得到的实验数据并不能真实反映原始裂缝对岩体性质的影响。此外，地面和地表岩体工程可采取原位实验和室内实验，取样较为方便。而深部岩体则仅能通过成本高昂的钻井取芯来获取进行室内实验的实验样品。因此许多学者和工程师都采用力学性质和岩石相似的混凝土、水泥砂浆等材料浇筑成许多具有相同裂缝形貌的边长在50毫米到300毫米之间的长方体形人造实验样品来进行实验。这样可以保证每次实验中的人造实验样品的材料性能基本相同、裂缝的形貌基本一致，实验结果也更加真实可靠。这种浇筑人造实验样品的方法被广泛采用，促进了裂缝岩体性质的室内实验研究的发展，得出了许多宝贵的结论，但也存在一定的不足之处。

目前浇筑制备人造实验样品的方法可细分为以下三种。

(1)直接浇筑方法。在现场获得含一对裂缝面的岩体样品后，对其进行切割加工，获得两块仅一个面为裂缝面，其他五个面为平面的长方体岩样。将这两块岩样都按照带有裂缝面的一面朝上放置，并在四周用特定尺寸的平板围起来组成浇筑盒，以提供浇筑的空间。在配置好水泥砂浆等浇筑材料后，直接在天然裂缝岩样的裂缝表面上进行浇筑。如果天然裂缝岩样的两个裂缝面耦合度较好，浇筑所得到两块浇筑体即可作为人造实验样品进行实验。而如果天然裂缝岩样的两个裂缝面耦合度较差，则需要将浇筑所得到的两块浇筑体作为中间件，以中间件为模具再进行一次类似浇筑才能得到实验所需的人造实验样品。

(2)间接浇筑方法。间接浇筑方法是对直接浇筑方法的改进。不同于直接浇筑方法需要先制作中间件，间接浇筑方法先使用硅胶或者树脂等材料对裂缝面进行翻模。在翻模前无需对天然裂缝岩样进行切割，而是将翻模得到的硅胶树脂等材料切割成规则外形后进行浇筑来得到人造实验样品。

(3)基于裂缝表面轮廓线测量的制作方法(发明专利申请号20141083577.0)。该方法首先利用三维(3D)激光扫描方法对5到10米的大尺寸裂缝面的表面轮廓线和倾向、倾角、走向进行测量。在对测量数据进行诸如去噪，缩放等处理后，得到了小尺寸的裂缝面模型。将其导入电火花切割控制机加工出带有相应轮廓线形状和倾向、倾角、走向的钢块便可浇筑出人造实验样品。该方法被用于研究裂缝充填物物理性质对裂缝岩体的强度和变形特性的影响。