CN104569348B - 一种模拟岩样可视化实验中岩样片理构造的方法 - Google Patents

Abstract

一种模拟岩样可视化实验中岩样片理构造的方法，该方法包括以下步骤：1)制作硅胶模具；2)称取K39树脂放入容器中3)制备复合硬化剂；4)加入促进剂；5)加入复合硬化剂；6)倒入30℃～40℃热水；7)加入消泡剂搅拌均匀至无气泡差生后制成配制好的K胶混合液；8)预制片理结构；9)将薄片固定在硅胶模具内；10)将步骤7)制得的配制好的K胶混合液沿容器壁缓慢倒入硅胶模具中，静置1～2h，即模拟出岩样可视化实验中岩样内部的片理构造。本发明提供的一种模拟岩样可视化实验中岩样片理构造的方法，可以解决现有方法制作的岩样内部无片理结构的问题，实现了对岩样内部不同片理进行模拟。

Description

一种模拟岩样可视化实验中岩样片理构造的方法

技术领域

本发明涉及涉及岩土工程技术领域，尤其是一种模拟岩样可视化实验中岩样片理构造的方法。

背景技术

目前，在岩样可视化实验中，已制岩样是通过在固定模具中注入含多种辅助剂的K39树脂材料，在满足多个技术要求和实验条件下使其凝固成型所得。成型后的试件无色透明，可视性非常好，且可通过调节辅助剂来改变试件的强度和泊松比等性能，能够模拟具有不同变形参数的各种岩石。但得到的透明试件连续无空隙，内部无片理构造，而实际中原岩内部存在一定数量和不同面积及方向的片理，如火成岩、沉积岩等。当岩石中含有不同片理时，岩石的变形性能会有较大的不同如各向异性等性质，当岩石受力变形时变形情况相应也会有较大的不同，因此，岩石内部片理结构的影响不能被忽略。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种模拟岩样可视化实验中岩样片理构造的方法，可以解决现有方法制作的岩样内部无片理结构的问题，实现了对岩样内部不同片理进行模拟，使岩石的各种片理构造达到可视化，从而能更好地模拟出岩样的内部环境，使岩样可视化实验具有更高可信度。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种模拟岩样可视化实验中岩样片理构造的方法，该方法包括以下步骤：

1)制作硅胶模具：将标准岩样大小的有机玻璃试件放在塑料杯的中央，沿杯壁向边缘倾倒硅胶至恰好与有机玻璃试件的上边缘齐平，带硅胶凝固后剪破塑料杯，取出制作好的硅胶模具；

2)称取K39树脂放入容器中：根据所需制作的原岩岩样的大小称取所需质量的K39树脂；

3)制备复合硬化剂：向硬化剂中加入异佛尔酮二胺制成复合硬化剂，硬化剂与异佛尔酮二胺的质量比按照需模拟的劈裂岩样强度设定；

4)向步骤2)称取好的K39树脂中加入促进剂制得K胶，K39树脂与促进剂的质量比为100：0.6～1.0，添加后缓慢搅拌至混合均匀；

5)向步骤4)制得的K胶中加入步骤3)中制得的复合硬化剂，步骤4)制得的K胶与复合硬化剂的质量比为100：1.2～1.6，添加后缓慢搅拌至混合均匀；

6)向装有步骤5)制得的混合均匀的K胶的容器中倒入30℃～40℃热水，均匀缓慢搅拌至K胶变得澄清；

7)继续均匀缓慢搅拌，均匀缓慢搅拌的同时向步骤6)制得的混合均匀的K胶中加入消泡剂搅拌均匀至无气泡差生后制成配制好的K胶混合液，步骤6)制得的混合均匀的K胶与消泡剂的质量比为100：0.4～0.6；

8)预制片理结构：将融化的蜡液根据需要模拟的岩样中片理结构的形状及厚度制成薄片；

9)将步骤8)制得的薄片固定在硅胶模具内按照需要模拟的岩样中片理结构的倾斜角度与位置设置薄片的倾斜角度与位置；

10)将步骤7)制得的配制好的K胶混合液沿容器壁缓慢倒入硅胶模具中，静置1～2h，观察到K胶混合液完全凝固成型后，从模具中取出岩样，即模拟出岩样可视化实验中岩样内部的片理构造。

步骤4)中，K39树脂与促进剂的质量比为100：0.8，缓慢搅拌的时间为15～30秒，优选为20秒。

步骤5)中，步骤4)制得的K胶与复合硬化剂的质量比为100：1.4，缓慢搅拌的时间为15～30秒，优选为20秒。

步骤6)中，倒入热水的体积为容器体积的1/3。

步骤7)中，均匀缓慢搅拌的时间为40～90s，优选为60秒。

步骤8)中，薄片的优选厚度为2mm。

步骤3)所用硬化剂为过氧化二苯甲酰，步骤4)所用促进剂为二甲基苯胺，步骤7)所用消泡剂为聚氧乙烯聚氧丙烯甘油醚。

K39树脂具有以下优点：

K39树脂为透明液体，无挥发性，无毒；

K39树脂凝固时间短，强度可调，经济实用。

本发明步骤1)制作的硅胶模具具有以下优点：

硅胶的特点是耐高温，耐腐蚀，抗撕拉性强；

硅胶模具为软模具，相比硬模具，其具有制作简单、脱模容易、精细的特点；

硅胶模具具有不容易变形、可以反复使用的特点。

本发明提供的一种模拟岩样可视化实验中岩样片理构造的方法，将制作的不同形状及大小的蜡块薄片放在模拟岩样中来模拟真实岩石中的不同片理；用硅胶制成的模具制作岩样，以便用针从各个方向用针刺穿模具固定蜡块来控制岩样中片理的位置；从指定的任意位置使岩样产生不同片理可模拟岩石的具有不同产状的片理；从指定的固定位置使岩样产生不同方向和大小的片理；通过调节硬化剂的比例来改变模拟岩样的强度，使其在一定区间内变化，能够模拟真实岩石的强度与力学性能；采用K39树脂制作的劈裂岩样透明度好，可使岩石的片理构造可视，可以解决现有方法制作的岩样内部无片理结构的问题，实现了对岩样内部不同片理进行模拟，使岩石的各种片理构造达到可视化，从而能更好地模拟出岩样的内部环境，使岩样可视化实验具有更高可信度。

本发明方法的可行性分析如下：

采用K39树脂成型以后来模拟真实岩体。但树脂制作过程中会由于各个添加剂的成分不同，使得制作的岩样具有不同的物理性质，包括弹性模量，泊松比和峰值承载力。根据试验研究进行统计，硬化剂的质量含量对岩体的影响最大。因此，采用上述制作方法制作了不同质量含量硬化剂的岩样，然后对其进行进行单轴压缩试验，试验结果如图1-图4所示。

在现实市场中，对K39树脂制作相应的工艺品或者机械工具，进行配比组合添加试剂的时候，要求硬化剂的相对水晶树脂的重量百分百为1％。但是由此制作的岩样的弹性模量小，变形大。在进行单轴压缩试验的过程中，经常是承载力达到120kN左右时也未完全破坏，但是位移变形量超出了可测试范围，显然是不符合真实岩样的基本物理现象。经调节硬化剂的百分比含量以后，硬度明显增强，变形也相应变小，并且证明了其是完全可以模拟真实岩样的。由图1-图4可看出，当硬化剂质量含量为1％时，承载力强度可以达到120kN，但是变形程度也达到了4.2mm，能量完全转化为弹性能与其他能损耗了；此外，随着硬化剂含量的降低，虽然在制作过程中，树脂成岩样冷却硬化过程时间更长，但是弹性模量是持续增长，位移最大变形量降低，其脆性越大，基本与真实岩石类似。说明硬化剂在质量含量为0.2％左右的树脂岩样完全可以模拟承载力在50kN左右，弹性模量在2.2Gpa左右的岩石。

图5为制得的含片理模拟岩样单轴压缩的应力应变图，从图5可知，岩石发生瞬间破坏或者仪器震动等故障时才有比较明显的突变，一般情况下，细微岩体内部的裂缝扩展或者轻微损伤都很难进行定时定位的捕捉。但是根据在试验过程中，横向与纵向位移变形速率可以很明显的找到进行破坏的时刻。去上述应力应变图中第二个循环段的原始时间-位移数据，根据处理得出横向与纵向位移变形速率与时间的变化关系图，如图6和图7所示.

从图6和图7所知，含模拟片理岩体在单轴压缩试验中，由于片理面等软弱层的存在，岩石受压过程中，顺着片理结构面出现可视(在真正岩体中不会看见)的裂纹，缓慢发展。根据变形速率的对比可看出横行变形与垂直变形在时间上是具有对应性的这证明了运用变形速率来表征岩石在试验过程中发生微损伤或者裂隙的扩展情况是比较合适的。因此针对可视化模拟岩体情况下，实现宏观可视化树脂岩体破坏与微观变形速率的对应是可行的。由此可以研究真实岩体试验过程中是否产生了裂隙或者微破坏等损伤。

在图6和图7中，每个速率变化点的时间间隔为0.4s，变形速率为10图8中①-⑥为树脂岩样在压缩破坏过程中，加载阶段中发生为破坏后，变形速率发生突变时，用摄像机捕捉可视化情况下岩样破坏的图片，其间隔时间为0.2s。①-②的变化过程可明显看到内部片理面与树脂结构面的错动与断裂；③-④的变化过程中裂隙的阴影面积明显发生了改变，对岩样内部的压碎加剧；④-⑥的变化过程肉眼还是难以观察到细微的变化，但是对岩样内部的破坏过程是持续加剧的。整个过程说明内部片理面使得整个岩体的破坏从软弱结构面开始并发展。对研究真实岩体的破坏机理等都具有比较大的借鉴与参考意义。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为随不同复合硬化剂质量含量下最大位移图；

图2为随不同复合硬化剂质量含量下弹性模量图；

图3为随不同复合硬化剂质量含量下峰值力图；

图4为随不同复合硬化剂质量含量下泊松比图；

图5为制得的含片理模拟岩样单轴压缩的应力应变图；

图6为对制得的含片理模拟岩样进行加载时加载段出现微裂隙时变形速率突变图(横行速率)；

图7为对制得的含片理模拟岩样进行加载时加载段出现微裂隙时变形速率突变图(纵向速率)；

图8为图6和图7中各突变点可视化照片。

具体实施方式

实施例一

一种模拟岩样可视化实验中岩样片理构造的方法，该方法包括以下步骤：

1)制作硅胶模具：将标准岩样大小的有机玻璃试件放在塑料杯的中央，沿杯壁向边缘倾倒硅胶至恰好与有机玻璃试件的上边缘齐平，带硅胶凝固后剪破塑料杯，取出制作好的硅胶模具；

2)称取K39树脂放入容器中：根据所需制作的原岩岩样的大小称取所需质量的K39树脂；

3)制备复合硬化剂：向硬化剂中加入异佛尔酮二胺制成复合硬化剂，硬化剂与异佛尔酮二胺的质量比按照需模拟的劈裂岩样强度设定；

4)向步骤2)称取好的K39树脂中加入促进剂制得K胶，K39树脂与促进剂的质量比为100：0.6，添加后缓慢搅拌至混合均匀；

5)向步骤4)制得的K胶中加入步骤3)中制得的复合硬化剂，步骤4)制得的K胶与复合硬化剂的质量比为100：1.2，添加后缓慢搅拌至混合均匀；

6)向装有步骤5)制得的混合均匀的K胶的容器中倒入30℃～40℃热水，均匀缓慢搅拌至K胶变得澄清；

7)继续均匀缓慢搅拌，均匀缓慢搅拌的同时向步骤6)制得的混合均匀的K胶中加入消泡剂搅拌均匀至无气泡差生后制成配制好的K胶混合液，步骤6)制得的混合均匀的K胶与消泡剂的质量比为100：0.4；

8)预制片理结构：将融化的蜡液根据需要模拟的岩样中片理结构的形状及厚度制成薄片；

9)将步骤8)制得的薄片固定在硅胶模具内按照需要模拟的岩样中片理结构的倾斜角度与位置设置薄片的倾斜角度与位置；

10)将步骤7)制得的配制好的K胶混合液沿容器壁缓慢倒入硅胶模具中，静置1～2h，观察到K胶混合液完全凝固成型后，从模具中取出岩样，即模拟出岩样可视化实验中岩样内部的片理构造。

步骤4)中，缓慢搅拌的时间为15秒。

步骤5)中，缓慢搅拌的时间为15秒。

步骤6)中，倒入热水的体积为容器体积的1/3。

步骤7)中，均匀缓慢搅拌的时间为40s。

步骤8)中，薄片的优选厚度为2mm。

步骤3)所用硬化剂为过氧化二苯甲酰，步骤4)所用促进剂为二甲基苯胺，步骤7)所用消泡剂为聚氧乙烯聚氧丙烯甘油醚。

实施例二

一种模拟岩样可视化实验中岩样片理构造的方法，该方法包括以下步骤：

1)制作硅胶模具：将标准岩样大小的有机玻璃试件放在塑料杯的中央，沿杯壁向边缘倾倒硅胶至恰好与有机玻璃试件的上边缘齐平，带硅胶凝固后剪破塑料杯，取出制作好的硅胶模具；

2)称取K39树脂放入容器中：根据所需制作的原岩岩样的大小称取所需质量的K39树脂；

3)制备复合硬化剂：向硬化剂中加入异佛尔酮二胺制成复合硬化剂，硬化剂与异佛尔酮二胺的质量比按照需模拟的劈裂岩样强度设定；

4)向步骤2)称取好的K39树脂中加入促进剂制得K胶，K39树脂与促进剂的质量比为100：1.0，添加后缓慢搅拌至混合均匀；

5)向步骤4)制得的K胶中加入步骤3)中制得的复合硬化剂，步骤4)制得的K胶与复合硬化剂的质量比为100：1.6，添加后缓慢搅拌至混合均匀；

6)向装有步骤5)制得的混合均匀的K胶的容器中倒入30℃～40℃热水，均匀缓慢搅拌至K胶变得澄清；

7)继续均匀缓慢搅拌，均匀缓慢搅拌的同时向步骤6)制得的混合均匀的K胶中加入消泡剂搅拌均匀至无气泡差生后制成配制好的K胶混合液，步骤6)制得的混合均匀的K胶与消泡剂的质量比为100：0.6；

8)预制片理结构：将融化的蜡液根据需要模拟的岩样中片理结构的形状及厚度制成薄片；

9)将步骤8)制得的薄片固定在硅胶模具内按照需要模拟的岩样中片理结构的倾斜角度与位置设置薄片的倾斜角度与位置；

10)将步骤7)制得的配制好的K胶混合液沿容器壁缓慢倒入硅胶模具中，静置1～2h，观察到K胶混合液完全凝固成型后，从模具中取出岩样，即模拟出岩样可视化实验中岩样内部的片理构造。

步骤4)中，缓慢搅拌的时间为30秒。

步骤5)中，缓慢搅拌的时间为30秒。

步骤6)中，倒入热水的体积为容器体积的1/3。

步骤7)中，均匀缓慢搅拌的时间为90s。

步骤8)中，薄片的优选厚度为2mm。

步骤3)所用硬化剂为过氧化二苯甲酰，步骤4)所用促进剂为二甲基苯胺，步骤7)所用消泡剂为聚氧乙烯聚氧丙烯甘油醚。

实施例三

一种模拟岩样可视化实验中岩样片理构造的方法，该方法包括以下步骤：

1)制作硅胶模具：将标准岩样大小的有机玻璃试件放在塑料杯的中央，沿杯壁向边缘倾倒硅胶至恰好与有机玻璃试件的上边缘齐平，带硅胶凝固后剪破塑料杯，取出制作好的硅胶模具；

2)称取K39树脂放入容器中：根据所需制作的原岩岩样的大小称取所需质量的K39树脂；

3)制备复合硬化剂：向硬化剂中加入异佛尔酮二胺制成复合硬化剂，硬化剂与异佛尔酮二胺的质量比按照需模拟的劈裂岩样强度设定；

4)向步骤2)称取好的K39树脂中加入促进剂制得K胶，K39树脂与促进剂的质量比为100：0.8，添加后缓慢搅拌至混合均匀；

5)向步骤4)制得的K胶中加入步骤3)中制得的复合硬化剂，步骤4)制得的K胶与复合硬化剂的质量比为100：1.4，添加后缓慢搅拌至混合均匀；

6)向装有步骤5)制得的混合均匀的K胶的容器中倒入30℃～40℃热水，均匀缓慢搅拌至K胶变得澄清；

7)继续均匀缓慢搅拌，均匀缓慢搅拌的同时向步骤6)制得的混合均匀的K胶中加入消泡剂搅拌均匀至无气泡差生后制成配制好的K胶混合液，步骤6)制得的混合均匀的K胶与消泡剂的质量比为100：0.5；

8)预制片理结构：将融化的蜡液根据需要模拟的岩样中片理结构的形状及厚度制成薄片；

9)将步骤8)制得的薄片固定在硅胶模具内按照需要模拟的岩样中片理结构的倾斜角度与位置设置薄片的倾斜角度与位置；

10)将步骤7)制得的配制好的K胶混合液沿容器壁缓慢倒入硅胶模具中，静置1～2h，观察到K胶混合液完全凝固成型后，从模具中取出岩样，即模拟出岩样可视化实验中岩样内部的片理构造。

步骤4)中，缓慢搅拌的时间为20秒。

步骤5)中，缓慢搅拌的时间为20秒。

步骤6)中，倒入热水的体积为容器体积的1/3。

步骤7)中，均匀缓慢搅拌的时间为60s。

步骤8)中，薄片的优选厚度为2mm。

步骤3)所用硬化剂为过氧化二苯甲酰，步骤4)所用促进剂为二甲基苯胺，步骤7)所用消泡剂为聚氧乙烯聚氧丙烯甘油醚。

实施例四

本发明方法的可行性分析：

在现实市场中，对K39树脂制作相应的工艺品或者机械工具，进行配比组合添加试剂的时候，要求硬化剂的相对水晶树脂的重量百分百为1％。但是由此制作的岩样的弹性模量小，变形大。在进行单轴压缩试验的过程中，经常是承载力达到120kN左右时也未完全破坏，但是位移变形量超出了可测试范围，显然是不符合真实岩样的基本物理现象。经调节硬化剂的百分比含量以后，硬度明显增强，变形也相应变小，并且证明了其是完全可以模拟真实岩样的。

从图1-图4可以看出，硬化剂含量为1％时，承载力强度可以达到120kN，但是变形程度也达到了4.2mm，能量完全转化为弹性能与其他能损耗了；此外，随着硬化剂含量的降低，虽然在制作过程中，树脂成岩样冷却硬化过程时间更长，但是弹性模量是持续增长，位移最大变形量降低，其脆性越大，基本与真实岩石类似。说明硬化剂在0.2％左右的树脂岩样完全可以模拟承载力在50kN左右，弹性模量在2.2Gpa左右的岩石。

微观横向与纵向的变形速率与应力应变图对比：

图5是制得的含片理模拟岩样单轴压缩的应力应变图，从图5可知：岩石发生瞬间破坏或者仪器震动等故障时才有比较明显的突变，一般情况下，细微岩体内部的裂缝扩展或者轻微损伤都很难进行定时定位的捕捉。但是根据在试验过程中，横向与纵向位移变形速率可以很明显的找到进行破坏的时刻。去上述应力应变图中第二个循环段的原始时间-位移数据，根据处理得出横向与纵向位移变形速率与时间的变化关系图，如图6和图7所示。

图6和图7表明：

含模拟片理岩样在单轴压缩试验中，由于片理面等软弱层的存在，岩石受压过程中，顺着片理结构面出现可视(在真正岩体中不会看见)的裂纹，缓慢发展。根据变形速率的对比可看出横行变形与垂直变形在时间上是具有对应性的这证明了运用变形速率来表征岩石在试验过程中发生微损伤或者裂隙的扩展情况是比较合适的。因此针对可视化模拟岩体情况下，实现宏观可视化树脂岩体破坏与微观变形速率的对应是可行的。由此可以研究真实岩体试验过程中是否产生了裂隙或者微破坏等损伤。

图8中，①-⑥为树脂岩样在压缩破坏过程中，加载阶段中发生为破坏后，变形速率发生突变时，用摄像机捕捉可视化情况下岩样破坏的图片，其间隔时间为0.2s。①-②可明显看到内部片理面与树脂结构面的错动与断裂；③-④过程中裂隙的阴影面积明显发生了改变，对岩样内部的压碎加剧；④-⑥的过程肉眼还是难以观察到细微的变化，但是对岩样内部的破坏过程是持续加剧的。整个过程说明内部片理面使得整个岩体的破坏从软弱结构面开始并发展。对研究真实岩体的破坏机理等都具有比较大的借鉴与参考意义。

Claims (7)

1.一种模拟岩样可视化实验中岩样片理构造的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1）制作硅胶模具：将标准岩样大小的有机玻璃试件放在塑料杯的中央，沿杯壁向边缘倾倒硅胶至恰好与有机玻璃试件的上边缘齐平，待硅胶凝固后剪破塑料杯，取出制作好的硅胶模具；

2）称取K39树脂放入容器中：根据所需制作的原岩岩样的大小称取所需质量的K39树脂；

3）制备复合硬化剂：向硬化剂中加入异佛尔酮二胺制成复合硬化剂，硬化剂与异佛尔酮二胺的质量比按照需模拟的劈裂岩样强度设定；

4）向步骤2）称取好的K39树脂中加入促进剂制得K胶，K39树脂与促进剂的质量比为100：0.6～1.0，添加后缓慢搅拌至混合均匀；

5）向步骤4）制得的K胶中加入步骤3）中制得的复合硬化剂，步骤4）制得的K胶与复合硬化剂的质量比为100：1.2～1.6，添加后缓慢搅拌至混合均匀；

6）向装有步骤5）制得的混合均匀的K胶的容器中倒入30℃～40℃热水，均匀缓慢搅拌至K胶变得澄清；

7）继续均匀缓慢搅拌，均匀缓慢搅拌的同时向步骤6）制得的混合均匀的K胶中加入消泡剂搅拌均匀至无气泡产生后制成配制好的K胶混合液，步骤6）制得的混合均匀的K胶与消泡剂的质量比为100：0.4～0.6；

8）预制片理结构：将融化的蜡液根据需要模拟的岩样中片理结构的形状及厚度制成薄片；

9）将步骤8）制得的薄片固定在硅胶模具内按照需要模拟的岩样中片理结构的倾斜角度与位置设置薄片的倾斜角度与位置；

10）将步骤7）制得的配制好的K胶混合液沿容器壁缓慢倒入硅胶模具中，静置1～2h，观察到K胶混合液完全凝固成型后，从模具中取出岩样，即模拟出岩样可视化实验中岩样内部的片理构造。

2.根据权利要求1所述的一种模拟岩样可视化实验中岩样片理构造的方法，其特征在于：步骤4）中，K39树脂与促进剂的质量比为100：0.8，缓慢搅拌的时间为15～30秒。

3.根据权利要求1所述的一种模拟岩样可视化实验中岩样片理构造的方法，其特征在于：步骤5）中，步骤4）制得的K胶与复合硬化剂的质量比为100：1.4，缓慢搅拌的时间为15～30秒。

4.根据权利要求1所述的一种模拟岩样可视化实验中岩样片理构造的方法，其特征在于：步骤6）中，倒入热水的体积为容器体积的1/3。

5.根据权利要求1所述的一种模拟岩样可视化实验中岩样片理构造的方法，其特征在于：步骤7）中，均匀缓慢搅拌的时间为40～90s。

6.根据权利要求1所述的一种模拟岩样可视化实验中岩样片理构造的方法，其特征在于：步骤8）中，薄片的厚度为2mm。

7.根据权利要求1所述的一种模拟岩样可视化实验中岩样片理构造的方法，其特征在于：步骤3）所用硬化剂为过氧化二苯甲酰，步骤4）所用促进剂为二甲基苯胺，步骤7）所用消泡剂为聚氧乙烯聚氧丙烯甘油醚。