一种含多角形节理网络的类岩石试样制备方法技术领域
本发明涉及一种含多角形节理网络的类岩石试样制备方法，属于地质学、岩石力
学、材料力学等多学科的交叉技术领域。
背景技术
岩体经历了长期的地质作用，形成了不同地质成因、不同规模与不同力学性质的
节理、裂隙、断层等不连续面。含节理网络岩体的力学性质复杂，具有强烈的非均匀性、各向
异性及界面透水性。根据节理定向排列的相互关系，可将节理网络分为以下三类：1）系统的
节理网络；2）多角形节理网络；3）混乱的节理网络。其中多角形类节理网络是系统的节理网
络向混乱的节理网络的过度状态，其力学性质复杂且研究较少。
含多角形节理网络的岩体不同于规则节理岩体，其强度特性、水力特性及节理网
络渗流特性的研究较少。柱状节理岩体是一种典型的多角形节理网络岩体，关于柱状节理
力学性质的研究亦未形成统一的认识。
为研究岩石的力学性质，试验是一种有效的手段，常用的有现场原位试验与室内
试验，其中原位试验的经济效益较差，部分研究机构无法在工程场地开展试验。利用类岩石
材料进行室内研究是岩石力学理论研究的重要手段，常用的类岩石材料有水泥砂浆材料、
树脂类透明岩石材料与石膏类材料等，通过合理的配比可较好模拟岩石的脆性性质。
目前，通过相似岩石材料制备含连续的、断续的与片断的多角形节理网络的类岩
石试样并开展真三轴试验研究未见相关报道，真实工程岩体中含多角形节理网络的岩体普
遍存在，故制作类岩石试样制备模具，选择合理的相似材料与制样方法制备含多角形节理
网络的试样具有重要的意义。
发明内容
目的：为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种含多角形节理网络的类岩石试
样制备方法，该方法可以有效制备含连续的、断续的与片断的多角形节理网络的类岩石试
样，该方法操作简单、可行性强、经济效益高，为含多角形节理网络的岩石强度特性、水力特
性研究提供了可靠的方法支撑。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种含多角形节理网络的类岩石试样制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1）设计制作三联式试样制备模具，用以制备含连续的、断续的与片断的多角形节理网
络的类岩石试样；
2）将水泥、河砂、水与消泡剂按一定质量比拌合均匀后浇铸到模具中，振捣、浇铸完成
后放入恒温恒湿箱养护；
3）养护1~2小时后将试样表面刮平，将节理网络断面素描图平铺在试样表面，将高硬度
不锈钢插片透过节理线段垂直插入试样；
4）养护6~8小时将高硬度不锈钢插片组成的节理网络拔出，将河砂、石膏与水按一定质
量比拌合均匀后灌注到节理网络中；
5）养护24~36小时后拆模形成含多角形节理网络的类岩石试样，拆模后养护28天用于
真三轴岩石力学试验。
步骤1）中，三联式试样制备模具可自由组装与拆卸，三联式试样制备模具的材质
为不锈钢、有机玻璃或铸铁。
步骤1）中，所述模具包含底板、两块长边方向侧板、两块短边方向侧板和两块中间
隔板两块，底板、侧板和中间隔板的板厚均为2cm，模具在拼接完成后通过四个螺栓进行固
定，所述三联式试样制备模具用于制备尺寸为100×100×100mm立方体试样。
所述步骤1）中，多角形节理网络为3~8边形、Voronoi随机多边形中的一种或几种
的组合。
所述步骤2）中，水泥、河砂、水与消泡剂的质量比为2：1：0.8：0.04，采用微型振捣
棒及小型振动台进行振捣，恒温恒湿箱型号为KMH225L，养护条件为室温15-25°，相对湿度
90 %以下。
所述步骤3）中，节理网络断面素描图尺寸为100×100mm，素描图上多边形的直径
根据现场实测数据缩尺为原位几何尺寸的1/25~1/20。
所述步骤3）中，不锈钢插片根据节理网络断面素描图上的节理尺寸提前加工，所
述不锈钢插片的厚度为0.5~2mm。
所述步骤4）中，河砂、石膏与水的质量比为1：3：2.4，其中河砂直径小于1mm，石膏
采用凝结速度较慢的普通石膏，充填物的总质量根据含节理网络岩石试样的节理填充度确
定，节理填充度越大，节理孔隙度越小。
所述步骤4）中，插片应具有较高的硬度，以保证其插入混凝土试样时较好的垂直
性，不会弯折；不锈钢插片亦可用其他硬度较高的材料替代，如钢化玻璃、陶瓷片等。
所述步骤5）中制备的含连续的、断续的与片断的多角形节理网络的类岩石试样，
经过剖光机打磨、整平至满足精度要求后用于真三轴岩石力学试验。
有益效果：本发明提供的含多角形节理网络的类岩石试样制备方法，具有以下优
点：
（1）该方法简单可靠、经济效益高。克服了原位试验受环境影响大、经济性差的弊端，室
内模型试验可做操作性强、可重复性高，试验结果离散性较小，因此更加可靠；
（2）该方法弥补了国内外关于多角形节理网络的岩体各向异性强度特性与非线性渗流
特征研究的不足，且该方法可验证各种相似岩石材料与充填节理材料、多边形形状与尺寸、
节理充填度等对力学特性及渗流特征的影响，系统性强；
（3）该方法可为含多角形节理网络的岩体地区建筑工程、水利水电工程等领域各向异
性力学性质研究提供可靠的方法支撑。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为试样制备模具平面图；
图3为本发明含多角形节理网络的类岩石试样三维示意图；
图中：底座1、侧板2、3、中间挡板4、螺栓5、节理网络断面素描图6、不锈钢插片7、连续的
多角形节理网络8、断续的多角形节理网络9、片断的多角形节理网络10。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。
如图3所示，含多角形节理网络的类岩石试样，包含以下几种：含连续的多角形节
理网络8、断续的多角形节理网络9与片断的多角形节理网络10的类岩石试样。
如图1至图3所示，一种含多角形节理网络的类岩石试样制备方法，包括以下步骤：
1）自主设计制作三联式试样制备模具，模具材料为不锈钢，其中底座1厚度为2cm，底座
1上侧板2、3及中间挡板4部位刻槽，刻槽深度为5mm；长边方向侧板2、短边方向侧板3及中间
挡板4的厚度均为2cm，高度为105mm；模具拼接完成后通过四个长螺栓5进行固定，装配完成
的模具包含三个100×100×100mm立方型空腔，可用以制备含连续的多角形节理网络8、断
续的多角形节理网络9与片断的多角形节理网络10的类岩石试样。
2）将水泥、河砂、水与消泡剂的质量比为2：1：0.8：0.04均匀拌合后浇铸到模具的
三个空腔内，采用微型振捣棒及小型振动台进行振捣，振捣、浇铸完成后置于型号为
KMH225L的恒温恒湿箱型进行养护，养护条件为室温15-25°，相对湿度90 %以下。
3）养护1小时后将三个试样的表面刮平，去除多余的水泥砂浆材料，将含六边形的
节理网络断面素描图6平铺在试样表面，该六边形直径为17.32mm，根据节理线段的几何尺
寸与分布加工厚度为1mm的高硬度不锈钢插片7，将高硬度不锈钢插片7透过节理线段垂直
插入试样。
4）养护8小时将高硬度不锈钢插片7组成的节理网络拔出，将河砂、石膏与水的质
量比为1：3：2.4拌合均匀后灌注到节理网络中模拟节理材料，节理材料的强度明显小于岩
石材料；河砂直径小于1mm，石膏采用凝结速度较慢的普通石膏，充填物的总质量根据含节
理网络岩石试样的节理填充度确定，节理填充度越大，节理孔隙度越小，节理岩体强度越
低，单位渗透压下的渗水量越大。
5）养护24小时后拆模形成含多角形节理网络的类岩石试样，经过剖光机打磨、整
平至满足精度要求后养护28天用于真三轴岩石力学试验。
所述多角形节理网络可为3~8边形、Voronoi随机多边形或上述多边形的组合；所
述类岩石材料可以为不同配比条件下的水泥砂浆材料、树脂类透明岩石材料与石膏类材料
等；所述类岩石试样尺寸可根据真三轴试验需要，制备成100×100×100mm、300×300×
300mm等标准立方型试样。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人
员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应
视为本发明的保护范围。