[发明专利]一种用于制作不同粗糙度岩石节理的装置及方法

说明书

一种用于制作不同粗糙度岩石节理的装置及方法，涉及岩土工程技术领域，能够用于立方体岩石试样不同粗糙度节理面的制作。装置包括用于传递载荷的上压板和下压板，其中上压板和下压板在中部设置有上下对应的V形槽，压条卡合放置在V形槽上，下压板还设置有至少4个弹簧固定孔，弹簧配置在弹簧固定孔内，弹簧漏出弹簧固定孔的高度大于压条漏出V形槽的高度。压条为四棱柱，并且压条的一条侧边为粗糙边，上压板的侧面设置有限位柱，下压板的侧面设置导向柱，限位柱和导向柱相互配合保证上压板和下压板所在的两个平面相对平行的运动。使用相同的两个压条配合劈裂岩石可以形成不同粗糙度的新鲜节理面，从而方便不同粗糙度特征的节理岩体力学特性研究。

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，尤其是一种制作不同粗糙度的岩石节理的装置，以及利用该装置制作不同粗糙度岩石节理的方法。

背景技术

岩体是一种典型的天然地质体，经过上百万年甚至上亿年的地质历史作用形成。岩体具有非均质性、非连续性、各向异性等特性，岩体往往由完整的岩石块体和切割岩石块体的不连续地质构造(如断层，结构面，节理面，层理等)组成。节理面等弱面由于其极低的剪切强度和较高的渗透特性，成为决定岩体工程整体稳定性的重要因素。因此节理面几何特性、力学特性和渗透特性的研究一直是岩石力学领域研究的热点和难点问题。随着众多与岩体工程领域相关的工程建设相继展开，如大型水电站的建设，天然气、页岩气的开采，石油能源的地下存储，隧洞开挖，矿产资源开采，核废料的地下处置，边坡稳定性的治理等，各项工程中无不涉及岩体节理面的强度、变形等一系列的力学问题。节理面的存在大大的降低了岩体的整体性和稳定性，增加了施工过程中的危险系数，其诱发的剪切破坏(如隧道坍塌、边坡滑移、滑移型岩爆、诱发地震灾害等)可能会造成大量的人员伤亡和财产损失。

岩体中存在的节理面往往具有一定的延展性，节理面的表面形貌特征是影响其粗糙度的决定性因素。节理面粗糙系数(joint roughness coefficient，简写为JRC)，是根据室内试验确定的10条标准剖面线，用来描述JRC为0-20的节理面的粗糙度特征。众多研究和实践表明，节理的峰值和残余剪切强度、变形特征、节理面的渗透特性受节理面粗糙度的控制；在高应力条件下，节理、断层面的粗糙度还会影响节理剪切破坏的模式(如蠕滑、稳滑等的静态剪切滑移和滑移型岩爆、诱发地震等动态失稳破坏)。因此开展具有不同粗糙度特征的节理岩体力学特性、变形特征和渗透特性的研究具有重要的科学意义和工程意义。

直剪试验是测试岩石节理抗剪强度、获得节理面强度参数(粘聚力和内摩擦角)的主要试验方法。直剪试验一般选用立方体试样，节理面布置在试样中间，通过在垂直方向施加一定的法向压力，然后在水平方面施加剪切力，使得上下两部分发生剪切错动，测得相应的位移和剪切力，最终计算得到作用在节理面上的法向应力和剪应力。

目前，在直剪试验中，节理面一般通过如下方法制作：

(1)预制节理，即采用类岩石材料，如砂浆、石膏等制作立方体试样，在浇筑过程中，在试样中部预埋云母片、薄铁片，待试样初凝后，将薄铁片取出形成节理面；

(2)切割节理，即利用切割机将完整岩石切割成上下两部分，作为节理面的上半部分和下半部分；

(3)现场选样，即在工程现场选取含天然节理面的岩样，再进行切割、打磨，使得节理面正好位于立方体试样的中部；

(4)3D雕刻技术，即利用三维扫描仪获取原岩节理面的形貌，在平坦光滑岩石表面雕刻出与原岩节理面形貌一致的节理面；

(5)劈裂形成节理，即利用巴西劈裂试验机劈裂岩石形成新鲜节理面。