CN104764643A - 一种含自然结构面的耦合剪切试样制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含自然结构面的耦合剪切试样制作方法，属于岩石结构面试验研究领域，内容包括：利用三维白光扫描仪器扫描岩体自然表面获取自然结构面的点云数据，利用逆向工程软件将得到的点云数据制作成含自然结构面的虚拟三维模型，通过3D打印机将生成的虚拟三维模型打印成实体模具，然后将打印出的模具放进标准铸铁试模中进行剪切试样制作。本发明可以用来重复制作形态完全一致的含自然结构面的耦合剪切试样，对研究岩体自然结构面的剪切破坏机理具有重要意义。

Description

一种含自然结构面的耦合剪切试样制作方法

技术领域

本发明涉及一种含自然结构面的耦合剪切试样制作方法，更具体涉及一种含岩体结构面形态的相似材料耦合剪切试样的制作方法，它可用来重复制作表面形态与岩体自然结构面完全相同的剪切试样，为岩石自然结构面剪切试验研究提供一种上盘与下盘完全吻合的剪切试样。

背景技术

地球表面岩体经历了历史上多次复制的拉伸、挤压、旋转等地质构造作用，其内部存在大量相互交错的岩体结构面。这些岩体中的自然结构面明显劣化了岩体的完整性，使得其力学强度和稳定性降低，是导致工程建设中岩体稳定与安险的主要风险源之一。为深入认识岩体自然结构面力学特性，目前通常都采用类似岩石的相似材料制作含人工结构面的剪切试样，从而实现实验室条件下对具有一定起伏度的结构面进行多次重复剪切试验。

然而，构成含自然结构面的剪切试样的上盘试块和下盘试块之间的阴阳耦合是其制作时的关键难题。因为只有制作的剪切试验上盘岩块与下盘岩块紧密接触，才能确保采用相似材料制作出来的试样的剪切试验结果与实际工程岩体结构面力学特性一致。但是，现有涉及含自然结构面剪切试样的制作技术储备明显缺乏：

(1) 通常一些含结构面剪切试样的制作技术与研究侧重于其结构面形态的人工模具制造方法，而未能细致考虑如何实现结构面上盘试块和下盘试块之间的紧密接触。《岩土力学》，2013年第4期，题名“系列尺度岩石结构面相似表面模型制作的逆向控制技术研究”，作者黄曼等，研制了结构面上、下盘的系列尺度试样模具，但由于上盘与下盘是分别独立制作的，制作时相似材料凝固过程中温度和人工误差将无法确保由最终上下盘组合在一起的含结构面试样完全吻合；中国专利公开号CN103645081A，公开日2014.03.19，发明名称“一种角度和尺寸可调的锯齿状结构面试样制作模具”，该申请案本提出一种包括定位底座，模具外框和齿形活动板，角度和尺寸可调的锯齿状结构面试样制作模具，并详细阐明了模具的使用方法，但未提出可靠技术实现含岩体结构面上盘试块与下盘试块之间的紧密吻合；中国专利公开号CN103674646A，公开日2014.03.26，发明名称“一种起伏度可控的波状起伏结构面试样制作模具”，该申请案涉及一种起伏度可控的波状起伏结构面试样制作模具方法，但未提出充分技术手段实现含结构面上盘试块与下盘试块之间的完全耦合。

(2) 其它一些涉及岩体结构面试样的研究多注重其相似材料研究和剪切力学性质分析，未专门考虑结构面上盘与下盘的高度吻合技术，从而无法可靠地确保含岩体结构面剪切试样的上盘试块与下盘试块之间的完全耦合。《岩石力学与工程学报》，2008年第7期，题名“模拟岩石节理试样剪切变形特征和破坏机制研究”，作者李海波等，该研究基于钢板模具，通过人工浇注素混凝土节理试样进行了不同剪切变形速率、法向应力和起伏角情况下的剪切试验，制作的试样存在明显的气孔，显然无法实现其上盘与下盘的完全耦合；中国专利公开号CN101718644A，公开日2009.12.07，发明名称“一种直剪试验结构面模型的制作方法”，该申请案采用原状岩石结构面做模具，并通过涂脱模剂和铺隔离膜的技术进行含结构面剪切试样制作，但由于隔离膜具有一定厚度从而无法确保上盘试块与下盘试块之间的上凸或下凹的结构面尖点之间完全吻合；中国专利公开号CN101717224A，公开日2010.06.02，发明名称“直剪试验结构面模拟岩石及制作工艺”，该申请案提出一种包括砂、水泥、水、硅粉及减水剂的结构面模拟岩石材料，但未阐明其含结构面上盘与下盘耦合技术；《岩土力学》，2010年第11期，题名“岩石结构面力学原型试验相似材料研究”，作者杜时贵等，该研究研制以高强水泥、硅粉、高效减水剂、标准砂、水等原料混合而成的模拟材料，并利用其制得的试样及结构面模型进行大量物理力学试验的对比分析，但为能说明如何实现含结构面试样的上盘与下盘吻合；《岩石力学与工程学报》，2010年第4期，题名“规则齿型结构面剪切特性的模型试验研究”，作者沈明荣等，该论文通过规则齿型结构面在不同法向应力下的剪切试验，对其力学特性进行基础性研究，提出试样制作过程中采用分层加料和分层捣实的浇筑方法，同样未能提出有效技术手段实现其上盘与下盘的完全耦合。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种含自然结构面的耦合剪切试样制作方法，为自然结构面剪切试验研究提供一种上盘与下盘完全吻合的剪切试样。

为了达到上述目的，本发明的技术解决方案是：一种含自然结构面的耦合剪切试样制作方法，所述的制作方法按以下步骤进行：

A. 获取岩体的自然结构面的点云数据：

选取扫描用的裸露岩体的自然结构面，清洁自然结构面表面后喷洒反差增强剂，按5.0-8.0厘米间距在自然结构面表面随机贴上标记点，利用高精度白光扫描仪采用分片扫描方式测量贴有标记点的自然结构面，然后基于共同的标记点对分片扫描的数据进行拼接，得到岩体的自然结构面的完整的点云数据；

B. 打印含自然结构面的模具试件：

通过逆向工程分析软件，对经步骤A得到的点云数据进行由点到面，由面到体的方式处理后生成含自然结构面的虚拟三维立体模型，将三维立体模型的电子文件导入3D打印机中打印，通过3D打印得到与裸露岩体自然结构面表面一致的含自然结构面的模具试件；

C. 利用相似材料制作含自然结构面的上盘试块和下盘试块：

对铸铁试模内壁涂上薄层油脂，采用雾化喷洒方式对模具试件的自然结构面表面喷洒油膜，然后将模具试件放置于铸铁试模内，模具试件外轮廓线与铸铁试模内轮廓线吻合，模具试件的含自然结构面朝上，在铸铁试模底板与模具试件底部之间设置垫块使得自然结构面正好位于铸铁试模高度方向的中部，将质量配分别为：

快硬水泥     1份

细磨石英砂   2～4份，

水           0.45～0.55份

减水剂       0.005～0.015份

构成的相似材料混合并搅拌均匀后，一次性倒入铸铁试模内，采用震动泵对相似材料捣实，捣实后抹平铸铁试模的顶断面，使得相似材料正好填满铸铁试模，依据《混凝土结构工程施工质量验收规范GB50204-2002》对铸铁试模内上盘试块进行养护，等上盘试块凝固后取出并采用雾化喷洒方式对上盘试块的自然结构面的表面喷洒油膜，取出模具试件和垫块，将喷洒了油膜的上盘试块放置于铸铁试模内，自然结构面朝上，同样将质量配比别为：

快硬水泥     1份

细磨石英砂   2～4份，

水           0.45～0.55份

减水剂       0.005～0.015份

构成的相似材料混合并搅拌均匀后，一次性倒入铸铁试模内，采用震动泵对相似材料捣实，捣实后抹平铸铁试模顶断面，使得相似材料正好填满铸铁试模，依据《混凝土结构工程施工质量验收规范GB50204-2002》对铸铁试模的下盘试块进行养护，将凝固的下盘试块取出，采用可挥发除油膜液分别对上盘试块和下盘试块的自然结构面表面上的油膜清洗干净，依据《混凝土结构工程施工质量验收规范GB50204-2002》对上盘试块和下盘试块进行龄期养护，等达到规定养护时间后即得到含自然结构面的耦合剪切试样。

由于采用了上述技术方案，本发明可以克服以往含自然结构面的剪切试样无法大量重复制作的困难，具有如下技术效果：

(1) 由于采用了高精度白光扫描仪对岩体自然结构面进行表面特征扫描，从而可以精确数字化地获得岩体自然结构面的形态；

(2) 由于采用了3D打印技术制作含自然结构面的模具试样，从而可以快速和方便地为大批量复制含岩体自然结构面形貌的试样提供了高精度母版，这为开展多次重复性的自然结构面剪切试验奠定了前提条件；

(3) 由于采用了制作的含自然结构面的上盘试块作为基础制作下盘试块，从而确保制作的由上下盘构成的剪切试样中的自然结构面完全耦合，这对于精细研究岩体自然结构面的剪切破坏机理具有重要意义。

附图说明：

附图1为含自然结构面耦合剪切试样的上盘试块制作过程。

附图2为含自然结构面耦合剪切试样的下盘试块制作过程。

具体实施方式：

下面结合附图1和附图2，对本发明一种含自然结构面的耦合剪切试样制作方法作进一步详细描述：

见附图1和附图2。

一种含自然结构面的耦合剪切试样制作方法，

（1）扫描岩体的自然结构面形态：选取裸露岩体自然结构面，将其表面清扫干净去除杂物后，喷上一层薄薄的表面反差增强剂，用来增强岩体自然结构面的反差效果，待反差增强剂干燥后，按5-8厘米间距在在岩体自然结构面表面随机贴上扫描标记点，打开标定好的白光扫描仪器，把处理好的岩体自然结构面样品放在扫描仪下进行扫描，采用不断移动岩体自然结构面样品的分片扫描方式测量贴有标记点的岩体自然结构面，然后基于共同的标记点对分片扫描的数据进行拼接，得到岩体自然结构面的完整的点云数据，最后保存成指定的文件格式；

（2）制作含自然结构面2的虚拟立体模型：通过逆向工程的计算机辅助设计软件Geomagic Studio，将对扫描获得的点云数据进行由点到面处理得到虚拟的自然结构面2，调整自然结构面2的数字化曲面的倾斜度，再将自然结构面2的曲面边界剪切成规则形状，再通过计算机辅助设计进行封装生成虚拟的三维立体模型并保存；

（3）打印自然结构面2的模具试样3：将制作好的虚拟三维自然结构面模型文件转换成3D打印机可识别的工业标准格式，通过3D打印得到与裸露岩体自然结构面表面一致的含自然结构面2的模具试件3；

（4）模具试样3的固定：对铸铁试模4的内壁涂上薄层油脂，采用雾化喷洒方式对模具试样3的自然结构面2的表面喷洒油膜，将模具试样3放置于铸铁试模4内，模具试样3的含自然结构面2的一侧朝上，模具试样3的外轮廓线与铸铁试模4的内轮廓线吻合，在模具试样3的底板与铸铁试模2的底部之间设置垫块5使得模具试样3的自然结构面2的表面正好位于铸铁试模4的中部；

（5）上盘试块1制作：将质量配比将质量配分别为：

快硬水泥     1份

细磨石英砂   2～4份，

水           0.45～0.55份

减水剂       0.005～0.015份

构成的相似材料混合并搅拌均匀后，一次性倒入铸铁试模4内，并采用震动泵对相似材料捣实，捣实后抹平铸铁试模4的顶端面，使得相似材料正好填满铸铁试模4；

（6）上盘试块1的养护：依据《混凝土结构工程施工质量验收规范GB50204-2002》对混凝土铸铁试模4的填充混凝土进行养护，规定时间后等混凝土凝固后取出得到上盘试块1，并采用雾化喷洒方式对上盘试块1的自然结构面2的表面喷洒油膜；

（7）下盘试块6制作：取出模具试件3和垫块5，将喷洒了油膜的上盘试块1放置于铸铁试模2内，自然结构面2,朝上，同样将一定质量配比为

快硬水泥     1份

细磨石英砂   2～4份，

水           0.45～0.55份

减水剂       0.005～0.015份

构成的相似材料混合，并搅拌均匀后一次性倒入铸铁试模4内，并采用震动泵对相似材料捣实，捣实后抹平铸铁试模4的顶端面，使得相似材料正好填满铸铁试模4，从而获得下盘试块6，依据《混凝土结构工程施工质量验收规范GB50204-2002》对铸铁试模4内的下盘试块6进行养护，规定时间后将下盘试块6取出；

（8）清洗油膜：采用油脂可溶性挥发液分别对上盘试块1和下盘试块6的自然结构面2进行清洗，清洁喷洒的油膜；

（9）含岩体自然结构面2的剪切试样养护：依据《混凝土结构工程施工质量验收规范GB50204-2002》对上盘试块1和下盘试块6进行龄期养护，等达到规定养护时间后即得到含自然结构面2的耦合剪切试样。

具体实施例：

为在RMT岩石直剪试样机上进行含自然结构面2的标准试件（边长15.0cm的立方体）剪切试验，现制作含一批含自然结构面2的耦合剪切试样，具体实施方法如下：

（1）扫描岩体的自然结构面形态：从工程现场选取一块表面较为粗糙的岩体自然结构面，岩体结构面各向长度都达到20.0cm左右，将其表面清扫干净去除杂物后，喷上一层薄薄的表面反差增强剂，达到增强岩体自然结构面的反差效果，待反差增强剂干燥后，在岩体自然结构面的表面按间距为6cm间距随机贴上直径为3.0毫米的扫描标记点，打开标定好的白光扫描仪器，把处理好的岩体自然结构面样品放在扫描仪下进行扫描，进而得到自然结构面的表面的点云坐标，不断移动岩体自然结构面样品，使得样品的每个部位都得到扫描，基于标记点将所有扫描单幅点云数据进行融合，最后保存成指定的Sjoint.dat文件格式进行下一步分析；

（2）制作含自然结构面2的虚拟立体模型：通过逆向工程的计算机辅助设计软件Geomagic Studio，将对上述扫描获得的点云数据进行由点到面处理，调整结构面的倾斜度，再将自然结构面2的曲面边界剪切成边长为15.0cm的矩形形状，然后通过计算机辅助设计进行封装生成高度约6.0～7.0cm左右的虚拟三维立体并模型保存；

（3）打印岩体自然结构面2的模具试样3：将制作好的虚拟三维自然结构2的虚拟模型文件转换成3D打印机可识别的工业标准格式Sjoint.stl文件，通过USB接口导到3D打印机后打印出模具试样3；

（4）模具试样3的固定：将打印的模具试样3放置于内框长、宽、高都为15.0cm的铸铁试模4内，模具试样3的含自然结构面2的一侧朝上，模具试样3的外轮廓线与铸铁试模4的内轮廓线吻合，测量表明模具试样3只有6.5cm高度，因此通过在模具试样3的底板与铸铁试模4的底部之间设置厚度为1.0cm的垫块5使得模具试样3的自然结构面2的表面正好位于铸铁试模4的中部，采用雾化喷洒方式对模具试样3的自然结构面2的表面喷洒油膜，同时对铸铁试模4的内壁涂上薄层油脂；

（5）上盘试块1制作：将质量配比为1：3：0.5：0.01的快硬水泥：细磨石英砂：水：减水剂构成的相似材料混合，并搅拌均匀后，一次性倒入铸铁试模4内，并采用震动泵对相似材料捣实，捣实后抹平铸铁试模4的顶端面，使得相似材料正好填满铸铁试模4，从而获得上盘试块1；

（6）上盘试块1的养护：依据《混凝土结构工程施工质量验收规范GB50204-2002》对混凝土铸铁试模的填充混凝土进行养护，12小时后取出上盘试块1，并采用雾化喷洒方式对上盘试块1的自然结构面2的表面喷洒油膜；

（7）下盘试块6制作：取出模具试样3和垫块5后，将喷洒了油膜的上盘试块1放置于铸铁试模4内，自然结构面2的一侧朝上，将质量配比为1：3：0.5：0.01的快硬水泥：细磨石英砂：水：减水剂构成的相似材料混合，并搅拌均匀后一次性倒入铸铁试模4内，并采用震动泵对相似材料捣实，捣实后抹平铸铁试模4的顶端面，使得相似材料正好填满铸铁试模4，从而获得下盘试块6，依据《混凝土结构工程施工质量验收规范GB50204-2002》对铸铁试模内的下盘试块6进行养护，12小时后将下盘试块4取出；

（8）清洗油膜：采用油脂可溶性挥发香蕉水分别对上盘试块1和下盘试块4的自然结构面2进行清洗，清洁喷洒的油膜；

（9）含岩体自然结构面2的剪切试样养护：依据《混凝土结构工程施工质量验收规范GB50204-2002》对上盘试块1和下盘试块6进行龄期养护，等达到规定28天时间后即得到含自然结构面2的耦合剪切试样；

（10）重复上述步骤（4）至步骤（9），可以大量重复制作出含自然结构面2的形态完全一样的十个耦合剪切试样用于试验测试。

Claims (1)

1.一种含自然结构面的耦合剪切试样制作方法，其特征在于，所述的制作方法按以下步骤进行：

A. 获取岩体的自然结构面的点云数据：

选取扫描用的裸露岩体的自然结构面，清洁自然结构面表面后喷洒反差增强剂，按5.0-8.0厘米间距在自然结构面表面随机贴上标记点，利用高精度白光扫描仪采用分片扫描方式测量贴有标记点的自然结构面，然后基于共同的标记点对分片扫描的数据进行拼接，得到岩体的自然结构面的完整的点云数据；

B. 打印含自然结构面的模具试件：

通过逆向工程分析软件，对经步骤A得到的点云数据进行由点到面，由面到体的方式处理后生成含自然结构面的虚拟三维立体模型，将三维立体模型的电子文件导入3D打印机中打印，通过3D打印得到与裸露岩体自然结构面表面一致的含自然结构面（2）的模具试件（3）；

C. 利用相似材料制作含自然结构面的上盘试块（1）和下盘试块（6）：

对铸铁试模（4）内壁涂上薄层油脂，采用雾化喷洒方式对模具试件（3）的自然结构面（2）表面喷洒油膜，然后将模具试件（3）放置于铸铁试模（4）内，模具试件（3）外轮廓线与铸铁试模（4）内轮廓线吻合，模具试件（3）的含自然结构面（2）朝上，在铸铁试模（4）底板与模具试件（3）底部之间设置垫块（5）使得自然结构面（2）正好位于铸铁试模（4）高度方向的中部，将质量配分别为：

快硬水泥     1份

细磨石英砂   2～4份，

水           0.45～0.55份

减水剂       0.005～0.015份

构成的相似材料混合并搅拌均匀后，一次性倒入铸铁试模（4）内，采用震动泵对相似材料捣实，捣实后抹平铸铁试模（4）的顶断面，使得相似材料正好填满铸铁试模（4），依据《混凝土结构工程施工质量验收规范GB50204-2002》对铸铁试模（4）内上盘试块（1）进行养护，等上盘试块（1）凝固后取出并采用雾化喷洒方式对上盘试块（1）的自然结构面（2）的表面喷洒油膜，取出模具试件（3）和垫块（5），将喷洒了油膜的上盘试块（1）放置于铸铁试模（4）内，自然结构面（2）朝上，同样将质量配比别为：

快硬水泥     1份

细磨石英砂   2～4份，

水           0.45～0.55份

减水剂       0.005～0.015份

构成的相似材料混合并搅拌均匀后，一次性倒入铸铁试模（4）内，采用震动泵对相似材料捣实，捣实后抹平铸铁试模（4）顶断面，使得相似材料正好填满铸铁试模（4），依据《混凝土结构工程施工质量验收规范GB50204-2002》对铸铁试模的下盘试块（6）进行养护，将凝固的下盘试块（6）取出，采用可挥发除油膜液分别对上盘试块（1）和下盘试块（6）的自然结构面（2）表面上的油膜清洗干净，依据《混凝土结构工程施工质量验收规范GB50204-2002》对上盘试块（1）和下盘试块（6）进行规定龄期养护，等达到规定养护时间后即得到含自然结构面的耦合剪切试样。