CN103926129B - 一种用人工岩石材料复制节理起伏度及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用人工岩石材料复制节理起伏度及实验方法，先运用三维激光扫描方法对节理表面轮廓线起伏度进行测量；通过轮廓跟踪对图形实施细化和去除噪点,对节理轮廓线进行图像缩放变换和坐标变换，运用插值法得到轮廓线上各点的坐标值；读取节理表面轮廓线数据，对节理表面轮廓线起伏度数字化后导入电火花切割控制机，用2Cr13合金钢材加工钢块并制作砂浆节理；将不同厚度和含水率的节理夹泥或矿物粘土铺设于砂浆节理的中间，进行节理力学实验。本发明能真实地反映实际含节理充填物岩体物理状态，通过后期实验能研究节理充填物对节理岩体强度和变形特性的影响,适用于质量良好到破碎的各类岩体。

Description

一种用人工岩石材料复制节理起伏度及实验方法

技术领域

本发明涉及岩土力学实验技术,尤其涉及一种用人工岩石材料复制节理起伏度及实验方法。

背景技术

天然岩体受地壳运动等影响，会产生大量节理、层理、断层等不连续面，在漫长的地质年代中，在水岩相互作用下，节理之间岩石往往被风化并形成具有一定厚度的节理充填物，这些节理充填物的物理性质和力学特性，往往是影响隧道、边坡等各类岩体工程稳定性的重要因素。

传统的获取岩石节理起伏度的方法是进行实地人工测量,通常使用的仪器有轮廓曲线仪、皮尺、地质罗盘等，这种测量方法不仅精度不高且需要测量人员攀爬危岩，而多数工程岩体表面人们无法到达，人工实地测量即耗时而又危险，测量范围和精度都受到地质条件好坏的限制，因此通过采用三维激光扫描方法，不仅能对各种地质条件下节理岩体的三维参数进行精确测量，而且安全可靠。

在工程应用方面，工程人员对测得的节理岩体三维参数只是进行定性的地质分析，并采取工程措施加以防治，并未针对特定的地质模型开展力学实验，这使得地质调查过程投入精力与产出结果不相符合。

传统室内制作节理的方法有以下三种：（1）浇模法：该法系在现场用硅胶将节理表面形态注模，然后在实验室用石膏、水泥或硫化物浇筑上下节理面的复制品。该法实验过程中需要通过取芯来获得上下节理面，过程较复杂。（2）巴西劈裂法和压模剪切法。现有室内实验常通过巴西劈裂法和压模剪切法改变节理表面形态的实验方法形成岩石节理，再通过力学实验等分析节理对岩体工程影响，然而对于同一岩性的岩石而言，上述方法不仅难以得到不同节理面起伏度系数的节理，而且制作的节理与实际工程中的节理存在较大差别,不能模拟真实环境下节理受力和变形情况，加上制作后不能保证岩石节理完全一致，故不能成批量制作节理。（3）锯开和喷砂处理。该法系用金刚砂锯片切开岩石试样，并磨光或经不同粒度的喷砂处理，形成不同起伏度的节理面。该法过程复杂，而且重复率也差。

而采用数控电火花线切割方法加工钢模节理剖面，不仅能真实还原特定岩土工程节理的表面起伏度，成批量地制作节理的复制品，而且还可以将现场收集的节理夹泥或矿物粘土充填物铺设在砂浆节理的表面，从而更准确地模拟节理真实条件，达到掌握节理充填物物理性质对节理岩体的强度和变形特性影响的目的。

发明内容

本发明提供了一种用人工岩石材料复制节理起伏度及实验方法。该方法能准确地对岩体工程节理表面轮廓线起伏度和三维参数进行精确测量，采用电火花线切割方法加工的钢块，能真实还原特定岩土工程节理的表面起伏度和三维参数，实现了对节理岩体三维参数的充分利用，同时能批量制作节理复制品，将不同厚度和含水率的节理夹泥或矿物粘土铺设于砂浆节理中间，能真实地反映实际节理岩体物理状态，并通过后期实验研究节理充填物物理性质对节理岩体强度和变形特性的影响。

为了解决上述技术问题,本发明采用了如下技术方案:

一种用人工岩石材料复制节理起伏度的方法，包括如下步骤：

1）运用三维激光扫描方法对岩体工程节理表面轮廓线起伏度和三维参数进行精确测量，得到节理轮廓线图形，具体操作过程如下：首先选择所需要观测的节理表面并进行初始位置标记，选定观测岩面的三维激光扫描仪位置，并通过仪器上的光栅发射器在测量位置产生5m～10m的光栅框架，开机进行扫描,获取节理轮廓线图形；

2）获取节理轮廓线图形后，通过几何纠正来减少扫描过程中产生的随机误差，在纠正后的节理轮廓线图形中人工采集或自动识别出控制点,并采用轮廓跟踪对节理轮廓线图形中心线进行抽取，得到其骨架和中轴；再对节理轮廓线图形进行多次迭代,每一次迭代过程中删除噪点,然后应用多项式方法和双线性插值方法,得到校正后的节理轮廓线，并由软件自动读取相应节理面产状参数倾向、倾角和走向；

3）对节理轮廓线进行图像缩放变换和坐标变换,首先统计节理表面平均高度和节理表面高度均方根，分析节理表面高度分布的离散性，接着将在节理平均高度下的垂直起伏度缩放为轮廓线上一点，高于节理平均高度的垂直起伏度按照相应线性比例进行缩放变换；水平方向上按节理轮廓线和制作的节理模型尺寸比例进行缩放标定；

4）运用插值法得到轮廓线上各点的坐标值，由于进行步骤3)后轮廓线上点都为离散点，为得到所有轮廓线上点的坐标值，对输入轮廓线上的点坐标做插值处理,得到轮廓线上点的采样函数,从而得到所有轮廓线上点的坐标值；接着以三维激光扫描仪测量机位点作为坐标转换的标志点，进行坐标转换，得到点云数据图，使得扫描数据坐标系统与实际情况相一致；用数字化仪将节理轮廓线数据读入，依据Barton的粗糙度系数划分规则取值为0～20，以便于对岩体节理分类；

5）用数控电火花线切割方法加工钢块上半部分和钢块下半部分：将节理轮廓线数据输入电火花线切割机，将节理轮廓线设定为钢块的剖切线，在150mm×150mm×150mm或200mm×200mm×200mm的钢块上切得钢块上半部分和钢块下半部分；为防止线切割出现空刀或者断丝现象，先使用角磨机切去表面凹凸的氧化层，并选择下列电参数:脉冲间隔为3μs～5μs，倍率为3～4，电流为0.9A～1.1A；同时控制电极丝中心轨迹的补偿量为0.05μm～0.07μm，采用少量、多次切割，降低切割速度为15mm²/min～18mm²/min；切割时选用浓度为12%～15%的合成线切割液，加工完后再进行淬火处理；

6）浇筑砂浆节理试样上半部分和砂浆节理试样下半部分：先将钢块上半部分放入150mm×150mm×150mm或200mm×200mm×200mm的钢模中，在钢模四周及钢块上半部分均匀涂上脱模剂，设计类岩体砂浆材料灰砂比0.4～0.5、水灰比0.35～0.5，同时加入1%～1.5%的速凝剂缩短拆模时间，所选砂粒经筛选后的粒径小于5mm。为了避免由于试件材料强度和变形特性的差异而造成实验结果的差异，每一批的试件都采用相同的材料、配合比、养护时间、模具。将水泥、沙子、速凝剂、水放入搅拌器中均匀搅拌3min～5min，迅速将其倒入组装好的模具中,用钢丝振捣至表面不再有气泡溢出。将翻转180度的钢块剖切线5数据输入电火花线切割机，用同样的方法和步骤制得砂浆节理试样上半部分，用刮刀刮平试样表面后放入养护箱内养护24小时，养护好后脱模,检查试件端部平整度，剔除不符合实验条件的试样。

一种用含夹泥充填物的砂浆节理试样获取节理力学参数的实验方法，包括如下过程：收集现场节理矿物粘土或夹泥充填物铺设在步骤6)制得的砂浆节理试样表面，配置含水率为10%～20%的夹泥充填物，再铺设保鲜膜垫层，防止夯实过程中夹泥充填物的水分流失，采用自动土壤夯实机按设定次数50～70次夯实夹泥充填物，用切土刀切割夹泥充填物得到30mm～50mm厚度的夹泥充填物，再用钢丝锯将夹泥充填物削薄至设计厚度≤20mm，然后将夹泥充填物平铺于砂浆节理中间，进行4组以上不同正应力下的压剪实验，通过改变夹泥充填物厚度与步骤3）统计得到的节理表面平均高度之比、夹泥充填物含水率和节理粗糙度这三项因素进行力学实验,研究压剪实验条件下夹泥充填物的物理性质对砂浆节理的强度和变形特性的影响,获得含夹泥充填物砂浆节理内聚力、内摩擦角、杨氏模量和泊松比等力学参数。

由于不含充填物节理时要求节理上下面闭合度高，要求在使用电火花切割方法制造上下节理面时应控制切割精度误差应在0.01mm，而上下节理面的切割过程不仅需要保证轮廓线跟原节理面一致，还需要切割形成特定的倾角、走向，加工钢块上半部分和钢块下半部分时，采用热处理淬透性好、变形小的2Cr13合金钢材，加工厚度为150mm或200mm。

与现有技术相比，本发明的一种用人工岩石材料复制节理起伏度及实验方法，具有如下优点：

1）通过采用三维激光扫描方法，能对各种地质条件下节理岩体的三维参数进行精确测量，在提高测量精度的同时，避免了测量人员攀爬危岩带来的危险。

2）通过对节理轮廓线进行图像缩放变换和坐标变换，准确地对岩体工程节理表面轮廓线起伏度和三维参数进行测量，采用电火花线切割方法加工得到的钢块，能真实还原特定岩土工程节理的表面起伏度和三维参数倾向、倾角和走向，实现了对节理岩体三维参数的充分利用，同时解决了现有技术中不能批量制作节理复制品的问题。

3）通过将不同厚度和含水率的节理夹泥或矿物粘土铺设于砂浆节理的中间，设计厚度为0～20mm的夹泥充填物，进行4组以上不同正应力下的压剪实验，获得含充填物节理人工岩石材料内聚力、内摩擦角和泊松比等力学参数。试件能真实地反映实际节理岩体物理状态，能研究节理充填物物理性质对节理岩体强度和变形特性的影响。

附图说明

图1是本发明砂浆节理试样上半部分6制作示意图；

图2是本发明和砂浆节理试样下半部分2制作示意图；

图3是本发明含一定厚度充填物的砂浆节理示意图。

图中：1—钢模；2—砂浆节理试样下半部分；3—钢块的剖切线；4—钢块上半部分；5—翻转180度的钢块剖切线；6—砂浆节理试样上半部分；7—一定厚度夹泥充填物；8—钢块下半部分。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

一种用人工岩石材料复制节理起伏度及实验方法，该实验方法包括如下步骤：

1）运用三维激光扫描方法对岩体工程节理表面轮廓线起伏度和三维参数进行精确测量，得到节理轮廓线图形，具体操作过程如下：首先选定所需要观测的节理表面并进行初始位置标记，选定观测岩面的三维激光扫描仪位置，并通过仪器上的光栅发射器在测量位置产生5～10m的光栅框架，开机进行扫描,获取节理轮廓线图形；

2）获取节理轮廓线图形后，通过几何纠正来减少扫描过程中产生的随机误差，在纠正后的图形中人工采集或自动识别出控制点,并采用轮廓跟踪对图形中心线进行抽取，得到其骨架和中轴；再对图像进行多次迭代,每一次迭代过程中删除噪点,然后应用多项式方法和双线性插值方法,得到校正后的节理轮廓线，并由软件自动读取相应节理面产状参数倾向、倾角和走向；

3）对节理轮廓线进行图像缩放变换和坐标变换,首先统计节理表面平均高度和节理表面高度均方根，分析节理表面高度分布的离散性，接着将在节理平均高度下的垂直起伏度缩放为轮廓线上一点，高于节理平均高度的垂直起伏度按照相应线性比例进行缩放变换；水平方向上按节理轮廓线和制作的节理模型尺寸比例进行缩放标定；

4）运用插值法得到轮廓线上各点的坐标值，由于进行步骤3)后轮廓线上点都为离散点，为得到所有轮廓线上点的坐标值，对输入轮廓线上的点坐标做插值处理,得到轮廓线上点的采样函数,从而得到所有轮廓线上点的坐标值；接着以三维激光扫描仪测量机位点作为坐标转换的标志点，进行坐标转换，得到点云数据图，使得扫描数据坐标系统与实际情况相一致；用数字化仪将节理轮廓线数据读入，依据Barton粗糙度系数JRC划分规则取值为0～20，以便于对岩体节理分类；

5）用数控电火花线切割方法加工钢块上半部分4和钢块下半部分8：将节理轮廓线数据输入电火花线切割机，将节理轮廓线设定为钢块的剖切线3，在150mm×150mm×150mm或200mm×200mm×200mm的钢块上切出钢块上半部分4和钢块下半部分8；为防止线切割出现空刀或者断丝现象，应先使用角磨机切去表面凹凸的氧化层，并选择下列电参数:脉冲间隔为3μs～5μs，倍率为3～4，电流为0.9A～1.2A；同时控制电极丝中心轨迹的补偿量为0.05μm～0.07μm，采用少量、多次切割，降低切割速度为15mm²/min～18mm²/min；切割时选用浓度为14%的合成线切割液，加工完后再进行淬火处理；

6）浇筑砂浆节理试样上半部分6和砂浆节理试样下半部分2：先将钢块上半部分4放入150mm×150mm×150mm的钢模1中，在钢模1四周及钢块上半部分4均匀涂上脱模剂，根据前期节理岩石力学实验，设计类岩体砂浆节理材料灰砂比0.4～0.5、水灰比0.35～0.5，同时加入1%～1.5%的速凝剂缩短拆模时间，所选砂粒经筛选后的粒径小于5mm。为了避免由于试件材料强度和变形特性的差异而造成实验结果的离散，每一批的试件都采用相同的材料、配合比、养护时间、模具。将水泥、沙子、速凝剂、水放入搅拌器中均匀搅拌3min～5min，迅速将其倒入组装好的模具中,用钢丝振捣至表面不再有气泡溢出。将翻转180度的钢块剖切线5数据输入电火花线切割机，用同样的方法和步骤制得砂浆节理试样上半部分2，用刮刀刮平试样表面后放入养护箱内养护24小时，养护好后脱模,检查试件端部平整度，剔除不符合实验条件的试样。

一种用含夹泥充填物的砂浆节理试样获取节理力学参数的实验方法，包括如下过程：收集现场节理矿物粘土或夹泥充填物铺设在步骤6)制得的砂浆节理试样2、6表面，配置4组含水率为12%、16%、18%、20%的夹泥充填物，再铺设保鲜膜垫层，防止夯实过程中夹泥充填物的水分流失，采用自动土壤夯实机按设定次数50～70次夯实夹泥充填物，用切土刀切割夹泥充填物得到30mm～50mm厚度的夹泥充填物，再用钢丝锯将夹泥充填物削薄至设计厚度为2mm、5mm、10mm、15mm或20mm，然后将夹泥充填物7平铺于砂浆节理中间，或者不铺设夹泥充填物7，再进行6组不同正应力下的压剪实验，通过改变夹泥充填物7厚度与步骤3）统计得到的节理表面平均高度之比、夹泥充填物7含水率和节理粗糙度这三项因素进行力学实验,研究压剪实验条件下夹泥充填物7物理性质对砂浆节理的强度和变形特性的影响,获得含夹泥充填物砂浆节理内聚力、内摩擦角、杨氏模量和泊松比等力学参数。

Claims (3)

1.一种用人工岩石材料复制节理起伏度的方法，其特征在于,该方法包括如下步骤：

1）运用三维激光扫描方法对岩体工程节理表面轮廓线起伏度和三维参数进行精确测量，得到节理轮廓线图形，具体操作过程如下：首先选择所需要观测的节理表面并进行初始位置标记，选定观测岩面的三维激光扫描仪位置，并通过仪器上的光栅发射器在测量位置产生5m～10m的光栅框架，开机进行扫描,获取节理轮廓线图形；

2）获取节理轮廓线图形后，通过几何纠正来减少扫描过程中产生的随机误差，在纠正后的图形中人工采集或自动识别出控制点,并采用轮廓跟踪对节理轮廓线图形中心线进行抽取，得到其骨架和中轴；再对节理轮廓线图形进行多次迭代,每一次迭代过程中删除噪点,然后应用多项式方法和双线性插值方法,得到校正后的节理轮廓线，并由软件自动读取相应节理面产状参数倾向、倾角和走向；

3）对节理轮廓线进行图形缩放变换和坐标变换,首先统计节理表面平均高度和节理表面高度均方根，分析节理表面高度分布的离散性，接着将低于节理平均高度的垂直起伏度缩放为节理轮廓线上一点，高于节理平均高度的垂直起伏度按照相应线性比例进行缩放变换；水平方向上按节理轮廓线和制作的节理模型尺寸比例进行缩放标定；

4）运用插值法得到节理轮廓线上各点的坐标值，由于进行步骤3)后节理轮廓线上点都为离散点，为得到所有节理轮廓线上点的坐标值，对输入节理轮廓线上的点坐标做插值处理,得到节理轮廓线上点的采样函数,从而得到所有节理轮廓线上点的坐标值；接着以三维激光扫描仪测量机位点作为坐标转换的标志点，进行坐标转换，得到点云数据图，使得扫描数据坐标系统与实际情况相一致；用数字化仪将节理轮廓线数据读入，依据Barton的粗糙度系数划分规则取值为0～20，以便于对岩体节理分类；

5）用数控电火花线切割方法加工钢块上半部分和钢块下半部分：将节理轮廓线数据输入电火花线切割机，将节理轮廓线设定为钢块的剖切线，在150mm×150mm×150mm或200mm×200mm×200mm的钢块上切得钢块上半部分和钢块下半部分；为防止线切割出现空刀或者断丝现象，先使用角磨机切去表面凹凸的氧化层，并选择下列电参数:脉冲间隔为3μs～5μs，倍率为3～4，电流为0.9A～1.1A；同时控制电极丝中心轨迹的补偿量为0.05μm～0.07μm，采用少量、多次切割，降低切割速度为15mm²/min～18mm²/min；切割时选用浓度为12%～15%的合成线切割液，加工完后再进行淬火处理；

6）浇筑砂浆节理试样上半部分和砂浆节理试样下半部分：先将钢块上半部分放入150mm×150mm×150mm或200mm×200mm×200mm的钢模中，在钢模四周及钢块上半部分均匀涂上脱模剂，设计砂浆节理灰砂比0.4～0.5、水灰比0.35～0.5，同时加入1%～1.5%的速凝剂缩短拆模时间，所选砂粒经筛选后的粒径小于5mm；为了避免由于试件材料强度和变形特性的差异而造成实验结果的差异，每一批的试件都采用相同的材料、配合比、养护时间和模具；将水泥、沙子、速凝剂和水放入搅拌器中均匀搅拌3min～5min，迅速将其倒入组装好的模具中,用钢丝振捣至表面不再有气泡溢出；用同样的方法和步骤制得砂浆节理试样下半部分，用刮刀刮平试样表面后放入养护箱内养护24小时，养护好后脱模,得到砂浆节理试样。

2.根据权利要求1所述的用人工岩石材料复制节理起伏度的方法，其特征在于：钢块上半部分和钢块下半部分选用2Cr13合金钢材，加工厚度为150mm或200mm。

3.一种用含夹泥充填物的砂浆节理试样获取节理力学参数的实验方法，其特征在于包括如下过程：收集现场节理矿物粘土或夹泥充填物铺设在如权利要求1中步骤6)制得的砂浆节理试样表面，配置含水率为10%～20%的夹泥充填物，再铺设保鲜膜垫层，防止夯实过程中夹泥充填物的水分流失，采用自动土壤夯实机按设定次数50～70次夯实夹泥充填物，用切土刀切割夹泥充填物得到30mm～50mm厚度的夹泥充填物，再用钢丝锯将夹泥充填物削薄至设计厚度≤20mm，然后将夹泥充填物平铺于砂浆节理中间，进行4组以上不同正应力下的压剪实验，通过改变夹泥充填物厚度与如权利要求1中步骤3）统计得到的节理表面平均高度之比、夹泥充填物含水率和节理粗糙度这三项因素进行力学实验,研究压剪实验条件下夹泥充填物的物理性质对砂浆节理的强度和变形特性的影响,获得含夹泥充填物砂浆节理内聚力、内摩擦角、杨氏模量和泊松比力学参数。