一種反映原巖應力狀態的錯動帶試樣制備方法
【專利摘要】本發明提供了一種反映原巖應力狀態的錯動帶試樣制備方法，屬巖土工程【技術領域】。該制備方法首先進行錯動帶試驗洞現場勘察，測定其距洞壁不同深度處的密度與含水率，選取參數趨于一致的位置取樣，同時應用應力解除法獲取取樣地點的原巖應力；在室內重塑制樣，包含制樣準備、試樣制備過程控制、試樣后期標準化處理以及通過電鏡掃描試驗和力學實驗進行試樣與原狀樣對比分析。本方法采用替代法對錯動帶進行超粒徑處理，同時控制預固結壓力和穩壓時間進行靜載固結，對制樣壓力室改進，不僅結構簡單、成本低廉，節約試驗時間，更能反映錯動帶的天然特性，試驗結果可靠度高，強度更接近實際，在制得反映原巖應力狀態的均勻重塑樣上達到了良好的效果。
【專利說明】一種反映原巖應力狀態的錯動帶試樣制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種室內試樣制備方法，尤其涉及一種反映原巖應力狀態的錯動帶試樣制備方法。
【背景技術】
[0002]1.進入新世紀以來，我國已在西部金沙江、雅魯藏布江規劃和興建了一系列水利水電工程，但這些水電站70%集中在內外動力地質作用強烈、巖體環境構造復雜、地質環境脆弱的西部深山峽谷，其規模和建設難度都是空前的。地下廠房洞室群作為主要的水工建筑物，規模巨大，遭遇層間錯動帶的機率大大增加。它的存在，給許多巖體工程的穩定帶來嚴重威脅。據不完全統計，在我國已建和正建的大壩中，有90余座壩基下埋藏有層間錯動帶，其中由于層間錯動帶的影響而改變設計或增加工程量或后期加固的有30余座。
[0003]2.考慮到其賦存環境條件，對于埋藏位置較深的層間錯動帶，其所處地應力較大，高法向壓力試驗條件下(一般指法向壓力大于IMPa)會獲得與低法向壓力條件下不同的力學特性。例如，在建的白鶴灘水電站地下廠房遭遇了不利產出狀態下的C2、C3、C4和C5等多個層間錯動帶，其力學性質較差，先期受到地質歷史時期引起的圍壓作用；現場地應力實測最大主應力高達33.39MPa。因此錯動帶仍然承受著較高的應力狀態。這種高應力狀態是研究層間錯動帶所必須考慮的。傳統的錯動帶試樣室內制備未考慮這一重要因素，導致試驗得到試樣強度較低，無法較好的反映原狀樣強度。
[0004]3.室內三軸剪切試驗是測定巖土體抗剪強度的比較完善的方法，試驗土樣分為天然原狀樣和重塑樣。原狀樣受取樣環境和技術的影響，取樣過程中會受很大程度擾動，同時試驗結果離散性大，試驗結果并不理想。然而，重塑樣則相對性質均勻，離散性小。因此，國內外土工試驗中主要使用性質均勻，離散性相對較小的重塑樣。制備重塑樣通常采取擊實法和固結法，一些研究者也提出一些重塑樣的制備方法和裝置。
[0005]中國專利申請號:200710164847.3，發明名稱:一種空心圓柱扭剪儀及重塑樣擊實器，提出一套適用于扭剪試驗重塑土樣的制備裝置，無法制備適合常規三軸剪切試驗試樣。
[0006]中國專利申請號:200920109190.5，發明名稱:實驗室重塑海洋地基軟粘土制備裝置，利用真空抽吸軟粘土達到制樣標準，但是過程過于繁瑣，制備的土樣是大體積土體，需要大量二次修剪，對試驗結果影響較大。
[0007]中國專利申請號:201010564744.8，發明名稱:輕型重塑土制樣裝置。裝置采取有機玻璃，制樣可視化操作，但是制樣過程中采用排水措施，雖然可以在一定程度上縮短制樣時間，但無法保證含水率。
[0008]中國專利申請號:201210530125.6，發明名稱:一種粉土三軸試驗試驗的制備方
法及其裝置。利用泥漿在對開圓模內在自重作用下沉淀，采用真空負壓固結，但是未考慮原巖應力的影響。
[0009]以上方法均未考慮巖石或土的原巖應力狀態，特別是大埋深高應力狀態，因此并未控制原巖應力、試驗變形控制和穩壓時間。對于錯動帶這種介于巖石和土之間的特殊產物，為了更好的開展錯動帶力學特性的研究，制備與現場力學性質接近反映原巖應力狀態的錯動帶重塑樣顯得十分重要。
【發明內容】
[0010]本發明的目的是針對現有技術存在的上述問題，提供一種反映原巖應力狀態的錯動帶試樣制備方法，解決了錯動帶試樣制備三大技術難題，包括試樣的均勻性和含水率恒定、試樣達到原巖應力狀態并在此壓力下達到穩定、高原巖應力狀態下試樣的質量以及裝樣拆樣的效率。
[0011]為了實現上述目的，本發明的技術解決方案為:
[0012]一種反映原巖應力狀態的錯動帶試樣制備方法，所述制備方法按以下步驟進行:
[0013]A試驗洞錯動帶現場勘察、測定與取樣
[0014]測定試驗洞內錯動帶取樣點的天然密度與天然含水率，做出密度和含水率隨距試驗洞洞壁深度的變化曲線，選取物理參數基本相同的位置取樣，將取出的擾動樣進行現場密封保存和編號記錄，運回室內；
[0015]B試驗洞錯動帶取樣點的原巖應力獲取
[0016]利用應力解除法，通過測量應力解除前后試驗洞錯動帶取樣點的鉆孔孔徑的變化計算三維地應力；
[0017]C制樣準備工作-1
[0018]將錯動帶擾動樣風干，再配至所需含水率，進行超粒徑處理與顆粒粒度分析；
[0019]D制樣準備工作-2
[0020]進行錯動帶試樣制備系統的改進與準備；
[0021]E試樣制備過程控制
[0022]包括錯動帶試樣制備原巖應力控制與穩壓控制，固結時間與位移控制與監測；
[0023]F試樣后期標準化處理以及與原狀樣對比分析
[0024]檢查試樣，使試樣高度、直徑和表面平整度達到試驗標準，并進行SEM掃描和三軸試驗，與原狀樣進行結構和強度的對比，從而反映了試樣制備的合理性。
[0025]所述步驟C具體操作是:
[0026]將獲取的錯動帶擾動樣團聚體用木槌輕輕敲散，保證錯動帶擾動樣的顆粒粒徑與現場一致，混合均勻在室外風干，通過替代法對錯動帶擾動樣進行超粒徑處理，即用儀器容許最大粒徑以下的粗粒部分等量替代超粒，擾動樣粒徑小于等于儀器容許最大粒徑，取足夠試驗用的土樣，充分拌勻，測定風干含水率，裝入保濕缸中備用；根據測得的天然含水率和干密度配至錯動帶所需含水率，并準確計算稱量試樣所需錯動帶樣質量。
[0027]所述步驟E制備步驟為:
[0028]E-1取出可開合制樣壓力室，內壓力筒采用三瓣結構設計，外壓力筒采取對中二等分設計，將內壓力筒內壁均勻涂抹一層凡士林，底座上平鋪濾紙，同時利用內插垂直螺栓固定好底座和外壓力筒，將內壓力筒三瓣按順序置于外壓力筒內，通過內插水平螺栓用扳手將外壓力筒箍緊，分層擊實錯動帶樣并進行拉毛處理，錯動帶擾動樣裝好后，在擾動樣上部平鋪濾紙，并把帶有導桿的壓頭置于濾紙之上，裝樣完畢；[0029]E-2將制樣壓力室置于液壓測力千斤頂正下方，千斤頂上連接測力表，手壓活動手柄，觀察千斤頂活塞，待千斤頂活塞與制樣壓頭接觸后緩慢均勻施加壓力，實時觀察測力表的讀數，待壓力達到預固結壓力停止加載，預固結壓力稍高于原巖應力；
[0030]E-3將穩壓長桿套在活動手柄上，長桿尾部掛上加載砝碼盤，調整穩壓長桿的位置，增刪加載砝碼數目直至測力表數值穩定；
[0031]E-4將位移監測裝置千分表固定于反力架上，千分表活動表頭置于制樣壓頭導桿之上，調整千分表讀數至較大值。每隔一定時間記錄千分表讀數。繪制錯動帶試樣豎向變形-時間變化曲線，待曲線水平時穩壓時間確定，表明錯動帶試樣在先期固結壓力原巖應力狀態下基本穩定，可取出試樣。
[0032]本發明與傳統制樣方法相比，具有以下優點:
[0033](I)采用替代法對原始錯動帶進行超粒徑處理，縮尺備樣，用儀器容許最大粒徑(本試驗儀器為5mm)以下的粗粒的部分等量替代超粒，基本上保持了粗、細粒組的含量比例，能很好地反映天然錯動帶的基本特性，強度更接近于實際，同時保證了試樣的均勻性。
[0034](2)考慮了錯動帶的原巖應力狀態，控制預固結壓力和穩壓時間，同時靜載固結錯動帶試樣，可得到密度和含水率均勻的重塑樣，得到的數據結果真實可靠，制得了與現場力學性質接近的錯動帶重塑樣。
[0035](3)制樣壓力室內壓力筒采用三瓣結構設計，外壓力筒采取對中二等分設計，解決了拆樣困難的問題；外壓力筒布置三排螺栓，解決了因壓力較大導致下部壓力筒張開問題。同時底座設有對稱內插垂直螺栓與外筒適配，解決因預壓力太大導致外筒上移的問題。
[0036](4)試樣頂部設有壓頭，壓頭連接水平調節導桿，導桿與百分表連接，實現了位移的實時監測，繪制錯動帶試樣位移-時間曲線確定穩壓時間，進而獲得反映原巖應力狀態的錯動帶試樣，這是先前試樣制備所未有的。
[0037](5)采用穩壓長桿和加載砝碼進行穩壓，解決了恒定固結壓力難題；利用可開合的兩半圓夾具實現試樣尺寸的修整，實現了試樣標準化問題。
[0038]采用上述技術方案的錯動帶試樣制備方法及其裝置，通過理論分析、計算和實驗驗證等途徑，有效利用了力學準則及材料特性，一方面制樣裝置密封性良好且拆樣簡便，另一方面制樣方法不僅快捷，便于操作，節約了試驗時間，更在制取反映原巖應力的重塑樣上達到了良好的效果；從而為錯動帶力學性質研究提供了極大的幫助。因此，本發明是一種有效可靠反映原巖應力狀態的錯動帶試樣制備方法。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0039]圖1是反映原巖應力狀態的錯動帶試樣制備系統示意圖。
[0040]圖2是反映原巖應力狀態的錯動帶試樣制備壓力室正視圖。
[0041]圖3是反映原巖應力狀態的錯動帶試樣制備壓力室A-A剖面圖。
[0042]圖4是反映原巖應力狀態的錯動帶試樣制備壓力室B-B剖面圖。
[0043]圖5是本發明制備方法的流程框圖。
[0044]附圖1-4中:1一制樣壓頭；2—導桿；3—制樣內壓力筒；4一制樣外壓力筒；5—內插水平螺栓；6—制樣底座；7—制樣筒把；8—濾紙；9一錯動帶試樣；10 —內插垂直螺栓；11 一液壓測力千斤頂；12—千斤頂活塞；13—試樣反力架；14一千分表；15—測力表；16—活動手柄；17—穩壓長桿；18—加載砝碼盤。
【具體實施方式】
[0045]以下結合附圖對本發明作進一步詳細說明。見附圖。
[0046]—種反映原巖應力狀態的錯動帶試樣制備方法，所述制備方法按以下步驟進行:
[0047]A試驗洞錯動帶現場勘察、測定與取樣
[0048]測定試驗洞內錯動帶取樣點的天然密度與天然含水率，做出密度和含水率隨距試驗洞洞壁深度的變化曲線，選取物理參數基本相同的位置取樣，將取出的擾動樣進行現場密封保存和編號記錄，運回室內；
[0049]B試驗洞錯動帶取樣點的原巖應力獲取
[0050]采取應力解除法對取樣地點的地應力進行測量，測量應力解除前后試驗洞錯動帶取樣點的鉆孔孔徑的變化，計算三維地應力，獲取取樣點錯動帶的原巖應力；
[0051]C制樣準備工作-1
[0052]在實驗室內將獲取的錯動帶擾動樣團聚體用木槌輕輕敲散，保證錯動帶擾動樣的顆粒粒徑與現場一致，混合均勻并在室外風干，通過替代法對錯動帶擾動樣進行超粒徑處理，即用儀器容許最大粒徑以下的粗粒部分等量替代超粒，擾動樣粒徑小于等于儀器容許最大粒徑，本試驗儀器為5_，基本保持了粗細粒組的含量比例，能很好地反映錯動帶基本特性，強度更接近實際；進行顆粒粒度分析；取足夠試驗用的土樣，充分拌勻，測定風干含水率，裝入保濕缸或塑料袋中備用。將錯動帶擾動樣配至測得的天然含水率和干密度水平，并準確計算稱量試樣所需錯動帶樣質量。
[0053]D制樣準備工作-2
[0054]進行錯動帶試樣制備系統的改進與準備；錯動帶試樣制備壓力室的內壓力筒3刷凡士林，底座上平鋪濾紙8，分別用螺栓10和螺栓5固定好底座6和外壓力筒4。將配得的一定質量的錯動帶試樣注入內筒3中，分層擊實并進行拉毛處理；在土樣上平鋪濾紙8，將帶有導桿2的壓頭I置于濾紙8之上，裝樣完畢。
[0055]E試樣制備過程控制
[0056]包括錯動帶試樣制備原巖應力控制與穩壓控制，固結時間與位移控制與監測；
[0057]取出可開合制樣壓力室，內壓力筒3采用三瓣結構設計，外壓力筒4采取對中二等分設計，將內壓力筒3內壁均勻涂抹一層凡士林，底座6上平鋪濾紙8，同時利用內插垂直螺栓10固定好底座6和外壓力筒4，將內壓力筒3三瓣按順序置于外壓力筒4內，通過內插水平螺栓5用扳手將外壓力筒4箍緊，分層擊實錯動帶樣并進行拉毛處理，錯動帶擾動樣裝好后，在擾動樣上部平鋪濾紙8，并把帶有導桿2的壓頭I置于濾紙8之上，裝樣完畢；
[0058]握緊制樣筒把4將制樣壓力室置于液壓測力千斤頂11正下方，千斤頂11上連接測力表15，手壓活動手柄16，觀察千斤頂活塞12，待千斤頂活塞12與制樣壓頭I接觸后緩慢均勻施加壓力，實時觀察測力表15的讀數，待壓力達到預固結壓力停止加載，預固結壓力稍高于原巖應力；
[0059]將穩壓長桿17套在活動手柄16上，長桿17尾部掛上加載砝碼盤18，調整穩壓長桿17的位置，增刪加載砝碼數目直至測力表15數值穩定；
[0060]將位移監測裝置千分表14固定于反力架13上,千分表14活動表頭置于制樣壓頭I導桿2之上，調整千分表14讀數至較大值。每隔一定時間記錄千分表14讀數。繪制錯動帶試樣9豎向變形-時間變化曲線，待曲線水平時穩壓時間確定，表明錯動帶試樣9在先期固結壓力原巖應力狀態下基本穩定，可取出試樣。
[0061]F試樣后期標準化處理以及與原狀樣對比分析
[0062]檢查試樣，量測試樣的高度和直徑，如若有偏差,進行試樣后期標準化處理,使試樣高度、直徑和表面平整度達到試驗標準，并進行SEM掃描和三軸試驗，與原狀樣進行結構和強度的對比，從而反映了試樣制備的合理性。
[0063]本發明制備方法采用替代法對原始錯動帶進行超粒徑處理，同時控制預固結壓力和穩壓時間進行靜載固結，對制樣壓力室進行改進，能很好地反映天然錯動帶的基本特性，強度更接近于實際，同時保證了試樣的均勻性。
[0064]具體實施例:
[0065]白鶴灘水電站廠址區域普遍發育其它工程所罕見的力學性質較差的層間錯動帶，。左岸地下廠房層間錯動帶C2總體上傾向右岸偏上游，。C2玄武質凝灰巖厚度100cm，厚度20~30cm，性狀較差，遇水易軟化，強度低，會產生塑性變形和剪切變形，是左岸廠房區主要的軟弱夾層，初步圍巖分類為IV類。右岸地下廠房附近分布C3、C4、C5等層間錯動帶，在廠房頂拱等不同部位出露，易形成較大范圍的頂拱坍塌。此次試驗原狀試樣取自該工程區域水平探洞中。
[0066]步驟A，進行錯動帶現場勘察，選定距洞口 15m處為取樣點，每隔5cm挖去洞壁出露的層間錯動帶進行密度與 含水率的測定，在距洞壁40cm左右錯動帶的密度和含水率趨于一致，測定密度為2.5g/cm3,含水率為9%。進行取樣并將擾動樣進行現場密封保存和編號記錄，然后專車運回室內。
[0067]步驟B，錯動帶取樣點的原巖應力獲取，利用應力解除法(科學出版社，蔡美峰，2006年I月，“巖石力學與工程”)通過測量應力解除前后鉆孔孔徑的變化計算三維地應力，獲取取樣點錯動帶的原巖應力；具體為:打大孔至錯動帶測點，磨平孔底，打同心小孔，安裝孔徑變形計探頭，延伸大鉆孔解除應力，同時測量孔徑變形，取出巖芯，測其彈性參數，計算錯動帶巖體原巖應力為33.39MPa。
[0068]步驟C，進行錯動帶室內試樣制備前的準備工作。將步驟I中獲取的錯動帶擾動樣團聚體用木槌輕輕敲散，保證錯動帶的顆粒粒徑與現場一致，混合均勻并在室外風干。將上述錯動帶擾動樣進行超粒徑處理，處理超粒徑的基本方法主要有摒棄法、替代法和相似級配法三種。由于替代法是用儀器容許最大粒徑(本試驗儀器為5_)以下的粗粒的部分等量替代超粒，基本上保持了粗、細粒組的含量比例，能很好地反映天然材料的基本特性，強度更接近于實際，因此采用替代法對原始錯動帶試驗進行縮尺備樣，利用5mm以下的粗粒部分等量代替超粒，取足夠試驗用的土樣，充分拌勻，測定風干含水率為2 %，裝入保濕缸或塑料袋中備用。
[0069]根據步驟A測得的錯動帶天然含水率9%和天然干密度2.5g/cm3,把混合風干后的土樣平鋪于搪瓷盤中加入定量的蒸餾水攪拌均勻以達到天然含水率(9% )，并裝入密封塑料袋擱置在恒溫(22°C )的房間中24h以上。制備試樣所需的加水量應按下式計算:
【權利要求】
1.一種反映原巖應力狀態的錯動帶試樣制備方法，其特征在于:所述制備方法按以下步驟進行: A試驗洞錯動帶現場勘察、測定與取樣 測定試驗洞內錯動帶取樣點的天然密度與天然含水率，做出密度和含水率隨距試驗洞洞壁深度的變化曲線，選取物理參數基本相同的位置取樣，將取出的擾動樣進行現場密封保存和編號記錄，運回室內； B試驗洞錯動帶取樣點的原巖應力獲取 利用應力解除法，通過測量應力解除前后試驗洞錯動帶取樣點的鉆孔孔徑的變化計算三維地應力； C制樣準備工作-1 將錯動帶擾動樣風干，再配至所需含水率，進行超粒徑處理與顆粒粒度分析； D制樣準備工作-2 進行錯動帶試樣制備系統的改進與準備； E試樣制備過程控制 包括錯動帶試樣制備原巖應力控制與穩壓控制，固結時間與位移控制與監測； F試樣后期標準化處理以及與原狀樣對比分析 檢查試樣,使試樣高度、直徑和表面平整度達到試驗標準,并進行SEM掃描和三軸試驗，與原狀樣進行結構和強度的對比，從而反映了試樣制備的合理性。
2.根據權利要求1所述的反映原巖應力狀態的錯動帶試樣制備方法，其特征在于:所述步驟C具體操作是: 將獲取的錯動帶擾動樣團聚體用木槌輕輕敲散，保證錯動帶擾動樣的顆粒粒徑與現場一致，混合均勻在室外風干，通過替代法對錯動帶擾動樣進行超粒徑處理，即用儀器容許最大粒徑以下的粗粒部分等量替代超粒，擾動樣粒徑小于等于儀器容許最大粒徑，取足夠試驗用的土樣，充分拌勻，測定風干含水率，裝入保濕缸中備用；根據測得的天然含水率和干密度配至錯動帶所需含水率，并準確計算稱量試樣所需錯動帶樣質量。
3.根據權利要求1所述的反映原巖應力狀態的錯動帶試樣制備方法，其特征在于:所述步驟E制備步驟為: E-1取出可開合制樣壓力室，內壓力筒(3)采用三瓣結構設計，外壓力筒(4)采取對中二等分設計，將內壓力筒(3)內壁均勻涂抹一層凡士林，底座(6)上平鋪濾紙(8)，同時利用內插垂直螺栓(5)固定好底座(6)和外壓力筒(4)，將內壓力筒(3)三瓣按順序置于外壓力筒(4)內，通過內插水平螺栓(5)用扳手將外壓力筒(4)箍緊，分層擊實錯動帶樣并進行拉毛處理，錯動帶擾動樣裝好后，在擾動樣上部平鋪濾(8)，并把帶有導桿(2)的壓頭(I)置于濾紙之上，裝樣完畢； E-2將制樣壓力室置于液壓測力千斤頂(11)正下方，千斤頂(11)上連接測力表(15)，手壓活動手柄(16)，觀察千斤頂活塞(12)，待千斤頂活塞(12)與制樣壓頭(I)接觸后緩慢均勻施加壓力，實時觀察測力表(15)的讀數，待壓力達到預固結壓力停止加載，預固結壓力稍高于原巖應力； E-3將穩壓長桿(17)套在活動手柄(16)上，長桿(17)尾部掛上加載砝碼盤(18)，調整穩壓長桿(17)的位置，增刪加載砝碼數目直至測力表(15)數值穩定；E-4將位移監測裝置千分表(14)固定于反力架上，千分表(14)活動表頭置于制樣壓頭導桿(2)之上，調整千分表(14)讀數至較大值，每隔一定時間記錄千分表讀數，繪制錯動帶試樣(9)豎向變形-時間變化曲線，待曲線水平時穩壓時間確定，表明錯動帶試樣(9)在先期固結壓力原巖應力狀態下基本穩定，可取出試樣。
【文檔編號】G01N1/28GK103983490SQ201410226652
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月26日 優先權日:2014年5月26日
【發明者】段淑倩, 馮夏庭, 江權, 蘇方聲, 郝憲杰, 徐鴻, 李帥軍, 曹備, 劉華吉 申請人:中國科學院武漢巖土力學研究所
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