本發(fā)明涉及一種用于滲流試驗(yàn)的含鑿痕結(jié)構(gòu)柱狀節(jié)理試樣制備方法，屬于地質(zhì)學(xué)、滲流力學(xué)與巖石力學(xué)等多學(xué)科的交叉技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

節(jié)理是巖體中分布廣泛的一類(lèi)地質(zhì)不連續(xù)面。巖體滲流在本質(zhì)上是不連續(xù)面及其網(wǎng)絡(luò)的滲流，因此，節(jié)理滲透特性的研究對(duì)于巖體水力性質(zhì)具有重要的意義。早期在進(jìn)行節(jié)理滲流特性研究時(shí)，將節(jié)理假定為光滑平行板，發(fā)展了經(jīng)典的立方定律。但是，實(shí)際巖石節(jié)理并不是光滑平直的，滲流領(lǐng)域的相關(guān)學(xué)者提出了節(jié)理粗糙度系數(shù)、孔道迂曲度系數(shù)等在節(jié)理滲流與節(jié)理滲流-應(yīng)力耦合方面開(kāi)展了大量有益研究，但目前仍沒(méi)有形成系統(tǒng)的理論體系。

巖體中的非連續(xù)面按滲流作用可分為主干裂隙和網(wǎng)絡(luò)狀裂隙兩部分，主干裂隙如斷層、剪切破碎帶、層間錯(cuò)動(dòng)帶、大節(jié)理，通常切割深、延伸長(zhǎng)、規(guī)模大。網(wǎng)絡(luò)中裂隙單體規(guī)模小，密度大。主干裂隙滲透性強(qiáng)，是主要的導(dǎo)水通道，網(wǎng)絡(luò)狀裂隙主要起儲(chǔ)水作用。其中，柱狀節(jié)理巖體滲流是一種典型的主干裂隙導(dǎo)水，微裂隙儲(chǔ)水的滲流體系。柱狀節(jié)理面上的微裂隙、孔洞等嚴(yán)重影響了節(jié)理面的滲透特性。特別是一種特殊地質(zhì)構(gòu)造鑿痕狀裂紋的出現(xiàn)，其光滑部分可用平行板理論分析，但是凸出的粗糙部分改變了滲流通道，兩者的組合更加顯著的影響了節(jié)理面的滲流特性，因此，鑿痕結(jié)構(gòu)的存在為柱狀節(jié)理巖體網(wǎng)絡(luò)滲流特性的研究增加了新的研究課題。

柱狀節(jié)理巖體通常柱體較長(zhǎng)、直徑較大，原位取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)不符合目前設(shè)備的尺寸要求，通常，研究者根據(jù)相似比準(zhǔn)則，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)定試樣的幾何形態(tài)、柱面特征與節(jié)理特征等進(jìn)行室內(nèi)縮尺模型試驗(yàn)，該方法相對(duì)經(jīng)濟(jì)、可靠。在柱狀節(jié)理巖體室內(nèi)試驗(yàn)研究方面，大部分的研究都是通過(guò)河砂、水泥與石膏等材料進(jìn)行不同配比拌合結(jié)合模具澆鑄試樣，通過(guò)多次嘗試發(fā)現(xiàn)配比澆鑄試樣的方法很難制備出滿足滲流試驗(yàn)要求的試樣，因?yàn)樵摲椒ㄔ诠?jié)理寬度控制方面很難做到制備的試樣各節(jié)理寬度、充填程度及粗糙度一致。

綜上所述，節(jié)理網(wǎng)絡(luò)滲流理論研究并不完善，柱狀節(jié)理巖體節(jié)理滲流特性的研究幾乎空白；柱狀節(jié)理鑿痕結(jié)構(gòu)的存在顯著改變了滲流路徑，既有研究成果未見(jiàn)相關(guān)研究；既有用于滲流試驗(yàn)的含節(jié)流網(wǎng)絡(luò)的試樣制備方法適用性較差。因此，提出一種合理的、可靠度較高的用于滲流試驗(yàn)的含鑿痕結(jié)構(gòu)柱狀節(jié)理網(wǎng)絡(luò)的試樣制備方法并開(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：

目的：為了彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種用于滲流試驗(yàn)的含鑿痕結(jié)構(gòu)柱狀節(jié)理試樣制備方法，該方法可真實(shí)反映節(jié)理面鑿痕結(jié)構(gòu)對(duì)柱狀節(jié)理巖體網(wǎng)絡(luò)滲流特性的影響，該試驗(yàn)制備方法操作可合理控制節(jié)理間距與節(jié)理充填度，制樣方法合理、可靠度較高。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種用于滲流試驗(yàn)的含鑿痕結(jié)構(gòu)柱狀節(jié)理試樣制備方法，其特征在于：包括如下步驟：

（1）原位測(cè)定玄武巖柱狀節(jié)理巖體冷凝面幾何形態(tài)、產(chǎn)狀、柱徑、柱狀節(jié)理寬度、節(jié)理充填度、柱面鑿痕結(jié)構(gòu)條紋寬度與厚度；

（2）基于相似比原則，利用Revit軟件構(gòu)建三維縮尺幾何模型導(dǎo)入3D打印機(jī)；

（3）玄武巖粉末作為柱體材料，次生黃泥作為節(jié)理網(wǎng)絡(luò)材料，分別裝入3D打印機(jī)兩個(gè)噴頭內(nèi)同時(shí)打印，形成含鑿痕結(jié)構(gòu)柱狀節(jié)理網(wǎng)絡(luò)模型的試樣；

（4）后期加工處理、養(yǎng)護(hù)后，用于柱狀節(jié)理巖體滲流試驗(yàn)。

步驟（1）中，玄武巖柱狀節(jié)理、隱節(jié)理及微裂隙由次生性黃泥充填，柱面分布鑿痕狀條紋，鑿痕結(jié)構(gòu)分為光滑部分與粗糙部分。

步驟（2）具體是指：根據(jù)原位地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)，利用Revit2013軟件生成柱體3D模型及柱狀節(jié)理網(wǎng)絡(luò)3D模型，根據(jù)原位量測(cè)的柱面鑿痕結(jié)構(gòu)條紋寬度與厚度及分布位置在柱面上表征鑿痕結(jié)構(gòu)。

步驟（2）中，基于幾何相似比原則，3D模型尺寸為原位試樣尺為的1/20~1/25。

步驟（2）中，將柱體3D模型及柱狀節(jié)理網(wǎng)絡(luò)3D模型導(dǎo)入MakerBot Replicator 3D打印機(jī)。

步驟（3）中，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)理充填物的打印原材料，采用兩種不同強(qiáng)度的膠結(jié)劑模擬相似比。

步驟（3）中，柱狀節(jié)理充填物的厚度、密度與含水率物理力學(xué)特性及節(jié)理充填程度通過(guò)CT掃描原狀試樣及室內(nèi)試驗(yàn)確定。3D打印技術(shù)有效避免了配比澆鑄試樣的脫模、二次灌注問(wèn)題，MakerBot Replicator 3D打印機(jī)可同時(shí)打印柱體、節(jié)理網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)激光定位可以合理控制節(jié)理寬度與節(jié)理充填度，試樣一次成型。

步驟（4）具體是指，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天后打磨加工成100×100×100mm立方體試樣，配套巖石三軸裂隙滲流試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行滲流試驗(yàn)。

有益效果：本發(fā)明提供的用于滲流試驗(yàn)的含鑿痕結(jié)構(gòu)柱狀節(jié)理試樣制備方法，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）該方法有效避免了配比澆鑄試樣的脫模、二次灌注等問(wèn)題，MakerBot Replicator 3D打印機(jī)可同時(shí)打印柱體、節(jié)理網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)激光定位可以合理控制節(jié)理寬度與節(jié)理充填度，試樣一次成型；

（2）該方法可真實(shí)反映節(jié)理面鑿痕結(jié)構(gòu)對(duì)柱狀節(jié)理巖體網(wǎng)絡(luò)滲流特性的影響，填補(bǔ)柱狀節(jié)理網(wǎng)絡(luò)滲流研究方面的空白，并節(jié)理面滲流特性研究提供了一種新的方向；

（3）該方法簡(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；

（4）該方法可為柱狀節(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)域柱狀節(jié)理網(wǎng)絡(luò)滲流行為研究提供可靠的方法支撐。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明方法的流程圖；

圖2為一種柱面含鑿痕結(jié)構(gòu)的柱狀節(jié)理巖體的示意圖；

圖3為本發(fā)明用于滲流試驗(yàn)的含鑿痕結(jié)構(gòu)柱狀節(jié)理網(wǎng)絡(luò)的立方體試樣；

圖中：1. 鑿痕結(jié)構(gòu)粗糙部分；2. 鑿痕結(jié)構(gòu)光滑部分；3. 柱面鑿痕結(jié)構(gòu)條紋寬度；4. 柱面鑿痕結(jié)構(gòu)條紋厚度； 5. 柱徑；6. 匯流或分流節(jié)點(diǎn)；7. 滲流通道；8. 柱體；9. 節(jié)理網(wǎng)絡(luò)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。

如圖1至圖3所示，一種可用于滲流試驗(yàn)的含鑿痕結(jié)構(gòu)柱狀節(jié)理網(wǎng)絡(luò)的試樣試驗(yàn)主要包含以下幾個(gè)部分： 鑿痕結(jié)構(gòu)粗糙部分1；鑿痕結(jié)構(gòu)光滑部分2；柱面鑿痕結(jié)構(gòu)條紋寬度3；柱面鑿痕結(jié)構(gòu)條紋厚度4；柱徑5；匯流或分流節(jié)點(diǎn)6； 滲流通道7；柱體8； 節(jié)理網(wǎng)絡(luò)。

如圖1所示，一種用于滲流試驗(yàn)的含鑿痕結(jié)構(gòu)柱狀節(jié)理試樣制備方法，包括以下步驟：

（1）原位測(cè)定玄武巖柱狀節(jié)理巖體冷凝面幾何形態(tài)、產(chǎn)狀、柱徑5、柱狀節(jié)理寬度、節(jié)理充填度、柱面鑿痕結(jié)構(gòu)條紋寬度3與厚度4；

玄武巖柱狀節(jié)理、隱節(jié)理及微裂隙由次生性黃泥充填，柱面分布鑿痕狀條紋，鑿痕結(jié)構(gòu)分為光滑部分2與粗糙部分1；

（2）基于相似比原則，利用Revit軟件構(gòu)建三維縮尺幾何模型導(dǎo)入3D打印機(jī)；

根據(jù)原位地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)，利用Revit2013軟件生成柱體3D模型及柱狀節(jié)理網(wǎng)絡(luò)3D模型，根據(jù)原位量測(cè)的鑿痕結(jié)構(gòu)條紋寬度3、厚度4及分布位置在柱面上表征鑿痕結(jié)構(gòu)；

基于幾何相似比原則，3D模型尺寸為原位試樣尺為的1/20~1/25；

將柱體與節(jié)理網(wǎng)絡(luò)3D形態(tài)模型導(dǎo)入MakerBot Replicator 3D打印機(jī)；

（3）玄武巖粉末作為柱體8材料，次生黃泥作為節(jié)理網(wǎng)絡(luò)9材料，分別裝入3D打印機(jī)兩個(gè)噴頭內(nèi)同時(shí)打印，形成含鑿痕結(jié)構(gòu)柱狀節(jié)理網(wǎng)絡(luò)模型的試樣；

以玄武巖粉末作為柱體8的打印原材料，以次生泥巖作為柱狀節(jié)理網(wǎng)絡(luò)9充填物的打印原材料，采用兩種不同強(qiáng)度的膠結(jié)劑模擬相似比；

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(guò)CT掃描原狀試樣及室內(nèi)試驗(yàn)確定；

3D打印技術(shù)有效避免了配比澆鑄試樣的脫模、二次灌注等問(wèn)題，MakerBot Replicator 3D打印機(jī)可同時(shí)打印柱體8、節(jié)理網(wǎng)絡(luò)9，通過(guò)激光定位可以合理控制節(jié)理寬度與節(jié)理充填度，試樣一次成型；

（4）后期加工處理、養(yǎng)護(hù)后，用于柱狀節(jié)理巖體滲流試驗(yàn)。

將制備的試樣養(yǎng)護(hù)后打磨加工成100×100×100mm立方體試樣，配套巖石三軸裂隙滲流試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行滲流試驗(yàn)，滲流路徑主要由匯流或分流節(jié)點(diǎn)6與滲流通道7組成。

實(shí)施例

以制備浙江省某柱狀節(jié)理地區(qū)含鑿痕結(jié)構(gòu)柱狀節(jié)理巖體為例，本發(fā)明的一種用于滲流試驗(yàn)的含鑿痕結(jié)構(gòu)柱狀節(jié)理試樣制備方法如下：

（1）原位測(cè)定玄武巖柱狀節(jié)理巖體冷凝面幾何形態(tài)為正六邊形，產(chǎn)狀水平，柱徑5為25cm，由CT技術(shù)得到柱狀節(jié)理寬度、節(jié)理充填度，用電子尺量測(cè)柱面鑿痕結(jié)構(gòu)條紋寬度3與厚度4等，基于幾何相似比原則將柱體8大小縮尺為原樣的1/25，利用Revit2013軟件分別構(gòu)建柱體8及節(jié)理網(wǎng)絡(luò)9的3D模型；

（2）將模型導(dǎo)入MakerBot Replicator 3D打印機(jī)，以玄武巖粉末作為柱體8材料，次生黃泥作為節(jié)理網(wǎng)絡(luò)9充填材料分別裝入MakerBot Replicator 3D打印機(jī)兩個(gè)噴頭內(nèi)，兩個(gè)噴頭同時(shí)打印形成含鑿痕結(jié)構(gòu)柱狀節(jié)理網(wǎng)絡(luò)的巖體初始試樣；

（3）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天后打磨加工成100×100×100mm立方體試樣，配套巖石三軸裂隙滲流試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行滲流試驗(yàn)。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。