CN105608736A - 一种含复杂结构面岩体模型三维应力场的获取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用快速成型技术获取含复杂结构面岩体三维应力场的方法，包括以下步骤：（1）测定快速成型材料的应力“冻结”条纹值，确定最佳“冻结”温度；（2）生成岩体结构面网络系统和岩体CAD模型；（3）岩体模型检查与打印；（4）应力“冻结”；（5）模型切片，测定应力条纹值；（6）重建岩体模型应力场。本发明以3D打印机的复杂建造技术和光弹测试技术为基础，重点解决了现有技术中“难以制作含复杂结构面的岩体模型”和“岩体内部应力分布属于黑箱”的两个限制因素，从而通过普通的试验手段进行观测和测量，不仅能够促进模型试验的发展，对于岩体力学行为的研究也具有重要的应用价值。

Description

一种含复杂结构面岩体模型三维应力场的获取方法
技术领域
本发明属于工程技术领域，具体是涉及一种含复杂结构面岩体模型三维应力场的获取方法，用于岩石力学模型试验、岩石强度分析、岩石断裂扩展分析等方面。
背景技术
岩体的断裂破坏与其内部的应力场密切相关。从断裂力学和岩石破裂的微观角度来看，岩体的破坏往往都是由内部节理、裂隙等埋藏型结构面在应力场的作用下扩展、延伸、连通造成的。因此，含复杂结构面的岩体应力场的获取，以及结构面之间的联合作用规律和应力集中现象对于科学研究和工程应用都具有重要的意义。尽管许多学者已经利用数值模拟的手段，对岩体应力场特征和结构面之间的联合作用规律进行研究，并取得了很多有益的成果，但是与之相应的模型试验却进步缓慢。主要原因在于以下两点：（1）难以制作含复杂结构面的岩体模型，（2）岩体内部应力分布属于“黑箱”问题，难以通过普通的试验手段进行观测和测量。
本发明以3D打印机的复杂建造技术和光弹测试技术为基础，重点解决了以上两个限制因素。本发明的提出不仅能够促进模型试验的发展，对于岩体力学行为的研究也具有重要的应用价值。
发明内容
为解决含复杂结构面的岩体应力场的获取，研究结构面之间的联合作用规律和应力集中现象的问题，本发明结合3D打印机的复杂建造技术和光弹测试技术，提供了一种有效、可行的试验方法。
为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种含复杂结构面岩体模型三维应力场的获取方法，包括如下步骤：
（1）通过光弹测试原理，利用四点弯曲试验测定成型材料的应力“冻结”条纹值，确定快速成型材料最佳“冻结”温度；
（2）生成岩体结构面网络系统和岩体CAD模型：利用计算机程序生成岩体结构面网络系统，并根据该虚拟网络系统，生成岩体CAD模型；
（3）岩体模型检查与打印：将岩体CAD模型导入到虚拟打印软件中进行检查，排除结构面精度、结构方面的错误，并选择合适的打印方向，检查完毕后将岩体CAD模型输入到3D打印机中，并利用快速成型材料进行打印；
（4）应力“冻结”：将打印好的岩体模型放入程控变温箱中，并对岩体模型施加单轴或三轴荷载，通过升温和/或降温对岩体内部应力进行“冻结”；
（5）模型切片，测定应力条纹值：将应力“冻结”后的岩体模型进行激光切片，并将每一切片放在光弹测试仪中进行应力条纹值测量；
（6）重建岩体模型应力场：根据步骤（1）中测定的应力“冻结”条纹值，将每一切片的应力条纹值转化为真实条件下的应力值数据，把获取的应力值数据顺序导入绘图软件中，利用内插法重建岩体模型应力场。
所述步骤（1）中快速成型材料采用透明的树脂类光敏材料，所述四点弯曲试验试样尺寸大小为20cm×4cm×0.7cm的扁平六面体，所述温度应为从室温稳定上升到快速成型材料的软化温度。
所述步骤（3）中3D打印机的成型技术为“PolyJet-液体喷印成型技术”。
所述的打印机支撑材料性质设置为“最疏松”级别。
所述步骤（4）中升温的最高温度为步骤（1）确定的快速成型材料的最佳“冻结”温度。
所述步骤（4）中的升温阶段温度梯度不超过15℃/小时，降温阶段温度梯度控制在5℃/小时以下。
所述步骤（5）在水浴环境中用高能激光对岩体模型进行切片，并对切割的表面进行打磨处理，切片厚度不大于3mm。
所述步骤（5）测定应力条纹值时对每一个切片依次进行一次正射、二次斜射。
所述的正射时透射偏振光场中光线角度与切片垂直，所述斜射时的斜射角度为15°-20°。
为提高试验精度，需要打印两个含完全相同结构的岩体模型进行平行试验，所述步骤（5）中的切片采用“十字形”切片方式。
本发明的有益效果如下：
本发明含复杂结构面岩体模型三维应力场的获取方法，以3D打印机的复杂建造技术和光弹测试技术为基础，重点解决了现有技术中“难以制作含复杂结构面的岩体模型”和“岩体内部应力分布属于黑箱”的两个限制因素，从而通过普通的试验手段进行观测和测量，不仅能够促进模型试验的发展，对于岩体力学行为的研究也具有重要的应用价值。
附图说明
图1为本发明中的快速成型材料四点弯曲试验示意图；
图2为本发明中的岩体模型的“十字形”切片方式示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本发明一种含复杂结构面岩体模型三维应力场的获取方法，包括如下步骤：
（1）将3D打印机打印的四点弯曲试验试样置于控温箱中，施加4点弯曲荷载，并照射偏振光，将控温箱中温度从室温不断上升到快速成型材料的软化温度，测定快速成型材料的应力“冻结”条纹值，确定快速成型材料最佳“冻结”温度；
（2）生成岩体结构面网络系统和岩体CAD模型：利用成熟的三维结构面网络生成技术生成岩体结构面网络系统，并根据该虚拟网络系统，生成岩体CAD模型；
（3）岩体模型检查与打印：将岩体CAD模型导入到虚拟打印软件中进行检查，排除结构面精度、结构方面的错误，并选择合适的打印方向，检查完毕后将岩体CAD模型输入到3D打印机中，并利用快速成型材料进行打印；
（4）应力“冻结”：将打印好的岩体模型放入程控变温箱中，并对岩体模型施加荷载（单轴或三轴荷载），先使温度逐步升至快速成型材料的最佳“冻结”温度，并且升温阶段温度梯度不超过15℃/小时，然后降低控温箱温度，要求降温过程温度梯度严格控制在5℃/小时以下，整个升温、降温过程都要求精确控温；
（5）模型切片，测定应力条纹值：将应力“冻结”后的岩体模型在水浴环境中进行激光切片，要求切片厚度不大于3mm，并在水浴环境中对切割的表面进行打磨处理，随后将每一切片置于光弹测试仪中，对每一个切片依次进行一次正射（透射偏振光场中光线角度与切片垂直）、二次斜射（斜射角度为15°-20°）；
（6）重建岩体模型应力场：根据步骤（1）中测定的应力“冻结”条纹值，将每一切片的应力条纹值转化为真实条件下的应力值数据，把获取的应力值数据顺序导入绘图软件中，利用内插法重建岩体模型应力场。
本实施例快速成型材料要求采用透明的树脂类光敏材料，四点弯曲试验试样尺寸大小为20cm×4cm×0.7cm的扁平六面体，四点弯曲试验要保证两个加载点、两个支撑点均处于水平位置，防止出现应加载失稳导致的试验扭曲现象，如图1所示。
本实施例要求3D打印机的成型工艺为“PolyJet-液体喷印成型技术”，打印机支撑材料性质设置为“最疏松”级别。
本实施例升温的最高温度为步骤（1）确定的快速成型材料的最佳“冻结”温度，升温阶段温度梯度不超过15℃/小时，降温阶段温度梯度要求严格控制在5℃/小时以下。
本实施例要求在水浴环境中用高能激光对岩体模型进行切片，严格控制切割和打磨过程中产生的热量。
本实施例中，为提高试验精度，需要打印两个完全相同结构的岩体模型进行平行试验，切片时应采用“十字形”切片方式，如图2所示，每一个岩体模型均按照步骤（5）和（6）进行试验。
本发明含复杂结构面岩体模型三维应力场的获取方法，以3D打印机的复杂建造技术和光弹测试技术为基础，重点解决了现有技术中“难以制作含复杂结构面的岩体模型”和“岩体内部应力分布属于黑箱”的两个限制因素，从而通过普通的试验手段进行观测和测量，不仅能够促进模型试验的发展，对于岩体力学行为的研究也具有重要的应用价值。
上述实施例仅用于解释说明本发明的发明构思，而非对本发明权利保护的限定，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种含复杂结构面岩体模型三维应力场的获取方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）通过光弹测试原理，利用四点弯曲试验测定成型材料的应力“冻结”条纹值，确定快速成型材料最佳“冻结”温度；
（2）生成岩体结构面网络系统和岩体CAD模型：利用计算机程序生成岩体结构面网络系统，并根据该虚拟网络系统，生成岩体CAD模型；
（3）岩体模型检查与打印：将岩体CAD模型导入到虚拟打印软件中进行检查，排除结构面精度、结构方面的错误，并选择合适的打印方向，检查完毕后将岩体CAD模型输入到3D打印机中，并利用快速成型材料进行打印；
（4）应力“冻结”：将打印好的岩体模型放入程控变温箱中，并对岩体模型施加单轴或三轴荷载，通过升温和/或降温对岩体内部应力进行“冻结”；
（5）模型切片，测定应力条纹值：将应力“冻结”后的岩体模型进行激光切片，并将每一切片放在光弹测试仪中进行应力条纹值测量；
（6）重建岩体模型应力场：根据步骤（1）中测定的应力“冻结”条纹值，将每一切片的应力条纹值转化为真实条件下的应力值数据，把获取的应力值数据顺序导入绘图软件中，利用内插法重建岩体模型应力场。
2.如权利要求1所述含复杂结构面岩体模型三维应力场的获取方法，其特征在于：所述步骤（1）中快速成型材料采用透明的树脂类光敏材料，所述四点弯曲试验试样尺寸大小为20cm×4cm×0.7cm的扁平六面体，所述温度应为从室温稳定上升到快速成型材料的软化温度。
3.如权利要求1所述含复杂结构面岩体模型三维应力场的获取方法，其特征在于：所述步骤（3）中3D打印机的成型技术为“PolyJet-液体喷印成型技术”。
4.如权利要求1所述含复杂结构面岩体模型三维应力场的获取方法，其特征在于：所述的打印机支撑材料性质设置为“最疏松”级别。
5.如权利要求1所述含复杂结构面岩体模型三维应力场的获取方法，其特征在于：所述步骤（4）中升温的最高温度为步骤（1）确定的快速成型材料的最佳“冻结”温度。
6.如权利要求1所述含复杂结构面岩体模型三维应力场的获取方法，其特征在于：所述步骤（4）中的升温阶段温度梯度不超过15℃/小时，降温阶段温度梯度控制在5℃/小时以下。
7.如权利要求1所述含复杂结构面岩体模型三维应力场的获取方法，其特征在于：所述步骤（5）在水浴环境中用高能激光对岩体模型进行切片，并对切割的表面进行打磨处理，切片厚度不大于3mm。
8.如权利要求1所述含复杂结构面岩体模型三维应力场的获取方法，其特征在于：所述步骤（5）测定应力条纹值时对每一个切片依次进行一次正射、二次斜射。
9.如权利要求8所述含复杂结构面岩体模型三维应力场的获取方法，其特征在于：所述的正射时透射偏振光场中光线角度与切片垂直，所述斜射时的斜射角度为15°-20°。
10.如权利要求1所述含复杂结构面岩体模型三维应力场的获取方法，其特征在于：所述步骤（5）中的切片采用“十字形”切片方式。
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