CN108507842A - 一种岩石三维自然结构面的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩石三维自然结构面的制作方法，包括如下步骤：(1)野外目标原岩自然结构面获取；(2)三维自然结构面形貌数据变换；(3)投影加深粗加工和曲面精雕刻过程；(4)制作的岩石自然结构面质量检验。一方面本发明方法将结构面形貌数据直接雕刻在岩石上，利用含有三维自然结构面的岩石进行试验，克服了现有结构面制备技术制样过程中相似材料不能完全模拟和反映自然岩体结构面力学特性的弊端，从而使室内试验结果能够更真实可靠的反映原岩结构面的力学特性；另一方面，本发明方法雕刻结构面精度有保障，制作流程简便，不需要耗费大量人力和时间。

Description

一种岩石三维自然结构面的制作方法

技术领域

本发明涉及岩石力学与工程技术领域，具体地，涉及一种岩石三维自然结构面的制作方法，更具体的是通过雕刻技术将天然原岩结构面雕刻在规定尺寸的岩石上，从而最大程度实现岩石结构面的重塑，为进一步开展室内节理岩体力学试验提供一致的批量试样。

背景技术

结构面的存在极大的影响着岩体的物理力学性质与渗流特征，在洞室开挖时，节理充分发育的部位对围岩变形和破坏起控制作用。目前对含节理岩体的物理力学性质、荷载作用下的破坏特征、附属结构的变形演化等研究正如火如荼的展开，其中，含有软弱节理岩体的剪切特性一直是国内外学者研究的热点问题。但是在对节理岩体剪切特征进行分析时，面临着以下几个方面的问题：一是由于结构面的抗剪强度试验是破坏性试验，一个原岩结构面只能进行一次抗剪强度试验，结构面一旦破坏就不能重复利用，基本上难以实现对相同节理面进行重复性试验；二是现场取样的成本高，制作成为符合室内实验尺寸的试样周期较长；三是在实际工程中，岩体结构面包含的表面形貌特征信息丰富，在室内获取具有相同表面形貌特征的节理试样非常困难，进而导致试验结果的重复性和稳定性较差。

目前对批量制作结构面的方法研究如下：(1)《岩石力学与工程学报》2010年第4期，题名“规则齿形结构面剪切特性的模型试验研究”，作者沈明荣等，采用规则齿形结构面水泥砂浆试件来研究结构面剪切荷载作用下的力学特性；(2)专利号CN 101768644提出一种直剪试验结构面模型的制作方法，该方法以原岩结构面为模具，在其上覆盖隔离膜后浇筑相似材料并养护得到结构面上下盘试样；(3)专利号CN 104807685提出利用3D打印制作含特定几何特征结构面的节理试样方法，该方法利用三维扫描技术获取结构面表面形貌数据，并利用3D打印技术打印出含有结构面形貌的模具，并在该模具上浇筑相似材料，养护后得到结构面上下盘试样；(4)专利申请号201710784710.1提出一种岩石结构面制造方法，主要是通过扫描原岩结构面样品并根据扫描曲面对岩石试样进行雕刻，以得到原岩结构面，但未提出结构面雕刻制作的关键控制技术和检验技术。

上述结构面制作方法存在以下问题：一是规则齿形结构面不能反映自然界中三维自然结构面力学特性；二是从现场取得的原岩结构面样本制作周期较长，成本较高；三是在原岩结构面上浇筑相似材料获取结构面试样时不可避免会对原岩结构面造成破坏且制作的结构面试样为相似材料而非真正的岩石材料，另外隔离膜的存在会使原岩结构面细小节理被忽略，不能被复制，从而使得复制出的结构面不能完全反映原岩结构面的几何特性；四是利用相似材料模拟含结构面岩石/岩体往往只能在强度上大体接近，不是所有的因素都严格满足相似比，而且在浇筑相似材料过程因材料内部气泡存在而影响制样质量；再者，利用相似材料进行填充时因材料颗粒尺寸限制而无法制作含小尺寸、精细的结构面节理。这样得到的相似模型进行剪切试验的数据结果并不能完全反映真实节理岩体的性质。

综上所述，岩石结构面的室内重塑对节理岩体的研究至关重要，针对现有岩石结构面制作技术的不足，本发明提出了一种岩石三维自然结构面制作方法。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种岩石三维自然结构面的制作方法，该方法克服了现有岩石/岩体自然结构面取样困难和制备技术不能完全模拟和不能反映自然岩体结构面力学特性的弊端，能够精确获得相应的岩石三维自然结构面。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种岩石三维自然结构面的制作方法，包括如下步骤：

(1)野外目标原岩结构面形貌数据获取：在野外原岩结构面上选取野外目标原岩结构面，并在野外目标原岩结构面的上、下、左、右共贴四个标靶点，利用手持式三维激光扫描仪Artec 3D SPIDER对野外目标原岩结构面和标靶点进行扫描，然后将扫描得到的结构面形貌点云数据导入Cyclone软件，利用该软件自动识别标靶点，根据四个标靶点确定扫描结构面形貌点云数据基准面的坐标系；

(2)三维自然结构面形貌数据变换：在三维设计软件中将步骤1中得到的野外目标原岩结构面形貌点云数据进行顶部聚中后得到结构面三维重构下盘模型，再将步骤1得到的野外目标原岩结构面形貌点云数据进行Z向镜像和竖直镜像转换后顶部聚中生成相吻合的结构面三维重构上盘模型；

(3)将步骤2生成的野外目标原岩结构面三维重构上盘模型、结构面三维重构下盘模型在三维设计软件中生成刀具路径文件后读入到雕刻机数控软件中，然后将符合室内试验仪器尺寸的岩块6用热熔胶固定在雕刻机上，在雕刻机刀具与岩块原点对中后进行三维自然结构面雕刻，其中雕刻过程分为第一步投影加深粗加工和第二步曲面精雕刻；

(4)制作的岩石自然结构面质量检验：将步骤3制作的岩石三维自然结构面试样通过三维激光扫描获得其表面形貌的点云数据，将野外目标原岩结构面形貌点云数据与雕刻得到的岩石结构面形貌点云数据进行对齐配准处理，基于允许公差设定值不超过扫描仪器精度的原则进行岩石自然结构面的合格性质量检验。

优选的，所述的步骤3中第一步投影加深粗加工设定的加工余量为0.1～1毫米，路径间距为0.3～1毫米，刀具种类为大直径浮雕类刀头，直径为3～8毫米，投影加深粗加工除去岩石的毛坯部分；第二步曲面精雕刻时设定的路径间距为0.01～0.1毫米，刀具种类为小直径浮雕类刀头，直径为0.5～1.5毫米，曲面精加工除去岩石的毛坯部分。

优选的，所述的步骤4中结构面精度验证包括以下步骤：

第一步：在雕刻得到的三维自然结构面粘贴四个标靶点后进行三维激光扫描，获取雕刻结构面形貌点云数据，利用Cyclone软件识别出该结构面形貌点云数据的四个标靶点，并将其作为基准点建立坐标系；

第二步：野外目标原岩结构面形貌点云数据与雕刻得到的岩石结构面形貌点云数据进行对齐配准处理：首先选取原岩结构面形貌点云数据中三个特征点组成原岩结构面形貌点云数据特征三角形，然后将雕刻结构面形貌点云数据输入计算软件中进行编程，并利用迭代法找出与原岩结构面特征三角形全等的雕刻结构面形貌点云数据特征三角形，最后计算上述两个特征三角形重合的旋转矩阵和平移矩阵即为原岩结构面和雕刻结构面点云数据配准对齐的变换矩阵，并利用计算软件编程令两个形貌点云数据对齐配准；

第三步：利用计算软件对原岩结构面形貌点云数据和雕刻结构面形貌点云数据进行等间距插值处理；其中，允许公差设定值不超过扫描仪器的精度，如果两个形貌点云数据对应点高差在允许公差范围内，则认为该点两个结构面吻合；统计出允许高差范围内点的个数占结构面点云个数的百分比，即为原岩结构面与雕刻结构面的重合度。

优选的，所述第二步和第三步中计算软件为MATLAB软件。

所述的步骤(1)利用手持式扫描仪对野外原岩结构面直接扫描获取原岩结构面表面形貌数据，解决了目前结构面试样制备过程中需要将原岩结构面取回室内，从而导致周期长，成本较高的问题；

所述的步骤(2)对扫描得到的原岩结构面形貌数据进行变换，直接得到吻合的上下盘原岩结构面重构模型，与现有结构面试样制备过程中需要先制作出结构面模型，再利用模型浇筑结构面试样相比，减小模型二次传递造成的误差，精度有保障，方便快捷；

所述的步骤(3)结构面试样制备过程包括投影加深粗加工和曲面精雕刻两步，粗细加工相结合，既能确保试样制备精度，又能节约了制样时间；

所述的步骤(4)提出了一种检验结构面制作精度的方法，利用特征三角形配准的方法令两次扫描的点云形貌数据重合，从而计算各个对应点的误差来计算结构面精度，解决了目前结构面形貌数据配准的难题，计算用时较短，准确率高。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)利用手持式三维激光扫描仪Artec 3D SPIDER对野外原岩自然结构面直接扫描以获取自然结构面形貌数据，不需要在目标结构面上喷涂反差增强剂，不需要粘贴标志点，扫描仪可以实现扫描面自动拼接，该方法直接得到自然结构面三维形貌数据，与现有自然结构面制作方法中需要从野外将目标原岩结构面取下并运输到室内的步骤相比，简单快捷，成本低，操作简单，所需时间较短；

(2)本发明方法将结构面形貌数据直接雕刻在岩石上，利用含有三维自然结构面的岩石进行试验，与现有结构面制备技术制样过程中利用相似材料制作含有结构面的试样相比，改善了相似材料不能完全模拟和反映自然岩体结构面力学特性的弊端，从而使室内试验结果能够更真实可靠的反映原岩结构面的力学特性；

(3)本发明含自然结构面岩石制样包含投影加深粗加工和曲面精雕刻两个过程，从而使结构面复制精度可达到0.01毫米级，因此结构面包含的细微节理可以被复制出来，能最大程度的还原原岩结构面的表面形貌特征信息，改善了现有结构面制作方法中细小节理无法复制的缺点，使得结构面复制精度有保障；

(4)将扫描得到的结构面三维点云数据经过Z向镜像和竖直镜像后直接得到相吻合的结构面上下盘重构模型，之后利用数控雕刻机雕刻，结构面上下盘试样吻合度有保证；

(5)本发明的岩石三维自然结构面可以批量制作，克服了结构面剪切试验的破坏性造成的原岩结构面剪切试验不能重复的缺点；

(6)本发明岩石三维自然结构面制作方法流程简便，不需要耗费大量人力和时间。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明一种岩石三维结构面制作方法流程图；

图2为本发明原岩结构面标靶点布置方法；

图3为本发明一种岩石三维自然结构面雕刻过程之投影加深粗加工示意图；

图4为本发明一种岩石三维自然结构面雕刻过程之曲面精加工示意图；

图5为本发明中原岩结构面形貌点云数据特征三角形示意图；

图6为本发明中雕刻结构面形貌点云数据特征三角形示意图；

其中：1-野外原岩结构面，2-野外目标原岩结构面，3-标靶点，4-大直径浮雕类刀头，5-投影加深粗加工除去岩石的毛坯部分，6-符合室内试验仪器尺寸的岩块，7-小直径浮雕类刀头，8-曲面精加工除去岩石的毛坯部分，9-原岩结构面形貌点云数据特征三角形，10-雕刻结构面形貌点云数据特征三角形。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

实施例1：

一种在岩石上雕刻三维自然结构面的方法，包括如下步骤：

(1)在野外原岩结构面1上选取野外目标原岩结构面2，并在野外目标原岩结构面2上布置上、下、左、右共贴四个标靶点3，利用手持式三维激光扫描仪Artec 3D SPIDER对野外目标原岩结构面2进行扫描，扫描仪器距离原岩结构面保持在25厘米，扫描过程中缓慢移动扫描仪位置，直至扫描完目标原岩结构面范围，然后对扫描得到的点云进行去除噪音和去除体外孤点处理得到以X、Y、Z坐标形式储存的点云数据，将上述形貌点云数据导入Cyclone软件，识别出标靶点作为重新建立坐标系的基准点，建立新的坐标系；

(2)将步骤1得到的原岩结构面形貌点云数据利用MATLAB软件进行顶部聚中处理，即将点云数据的Z向最高点作为Z坐标轴的零点，得到的结构面形貌点云数据作为结构面下盘点云数据模型；

(3)将步骤1得到的原岩结构面形貌点云数据利用MATLAB软件进行镜像变换，首先进行Z向镜像，即将所有点云数据关于XOY平面对称，即将所有点云数据Z坐标乘以-1，其次进行竖向镜像，即所有点云数据关于XOZ平面对称，即将所有点云数据Y坐标乘以-1，其次将镜像后的结构面点云数据进行顶部聚中处理，即Z轴最高点作为Z轴零点后得到与结构面下盘相吻合的结构面上盘点云数据，然后利用Cyclone软件分别将结构面上下盘点云数据存储为STL格式，即为原岩结构面上下盘三维重构模型；

(4)在JDPaint软件中将步骤3得到的结构面上、下盘三维模型分别转换为雕刻机刀具路径，其中刀具路径分为投影加深粗加工路径和曲面精加工路径，投影加深粗加工路径选用大直径浮雕类刀头4，本实例选用直径三毫米锥度球头刀，设定刀具路径间距值较大，本实例刀具路径间距为0.3毫米，曲面精雕刻路径选用小直径浮雕类刀头7，本实例选用直径1毫米锥度球头刀，设定刀具路径间距值较小，本实例选取刀具路径间距0.07毫米；

(5)把要雕刻的符合室内试验仪器尺寸的岩块6用热熔胶固定在雕刻机上，为配合室内直剪试验仪器要求，选取岩石块尺寸长不超过150毫米，宽不超过150毫米，高不超过80毫米，本实例选用花岗岩尺寸为长100毫米，宽100毫米，高50毫米，雕刻结构面尺寸为长100毫米，宽100毫米；

(6)将步骤4结构面上、下盘投影加深粗加工刀具路径导入雕刻机数控软件中，雕刻机安装直径大直径浮雕类刀头4，打开雕刻机，进行刀头与目标岩石原点对准，开始第一步投影加深粗加工雕刻，除去岩石毛坯部分5；

(7)将步骤4曲面精加工刀具路径导入雕刻机数控软件，雕刻机更换小直径浮雕类刀头7，进行第二步曲面精加工雕刻，除去岩石毛坯部分8，此步骤完成后，利用刀片将岩石试样周围热熔胶去除，得到岩石三维自然结构面上、下盘试样；

(8)结构面制作精度验证：原岩结构面和雕刻结构面扫描点云形貌数据对齐配准，在雕刻得到的岩石三维自然结构面下盘试样粘贴标靶点后进行三维激光扫描，得到雕刻结构面形貌点云数据，点云数据处理同步骤1，将雕刻结构面形貌点云数据导入Cyclone软件识别出标靶点作为新建坐标系基准点，建立新的坐标系，选取原岩结构面三个特征点组成原岩结构面形貌点云数据特征三角形9，雕刻结构面形貌点云数据在MATLAB中编程利用迭代法，找出雕刻结构面形貌点云数据特征三角形10并使之与原岩结构面特征三角形全等，计算令两个特征三角形重合的旋转矩阵和平移矩阵即为原岩结构面和雕刻结构面点云数据配准对齐的变换矩阵，MATLAB编程令两个扫描结构面形貌点云数据对齐配准；

(9)结构面制作精度验证之重合度计算：由于扫描直接得到的点云数据为不规则散乱点云，故利用MATLAB软件编程对原岩结构面和雕刻结构面形貌点云数据做等间距插值处理，设定允许公差不超过扫描仪精度，本实例允许公差设定为0.01毫米，利用MATLAB软件计算出原岩结构面形貌点云数据和雕刻结构面形貌点云数据同一位置的点Z坐标高差不超过允许公差的点的个数占结构面形貌点云数据总点数的比例，即为结构面制作精度，在包含扫描误差和后续点云数据处理误差的情况下，得出原岩结构面点云数据与雕刻结构面点云数据重合度高达98.33％，说明本发明提出的雕刻结构面的方法精度较高，满足研究要求。

最后需要说明的是：以上实施例不以任何形式限制本发明。对本领域技术人员来说，在本发明基础上，可以对其作一些修改和改进。因此，凡在不偏离本发明精神的基础上所做的任何修改或改进，均属于本发明要求保护的范围之内。

Claims (5)

1.一种岩石三维自然结构面的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)野外目标原岩结构面形貌数据的获取：在野外原岩结构面(1)上选取野外目标原岩结构面(2)，并在野外目标原岩结构面(2)的上、下、左、右共贴四个标靶点(3)，利用手持式三维激光扫描仪对野外目标原岩结构面(2)和标靶点(3)进行扫描，然后将扫描得到的结构面形貌点云数据导入到点云处理软件，利用该软件自动识别标靶点，并根据四个标靶点确定扫描结构面形貌点云数据基准面的坐标系；

(2)三维自然结构面形貌数据的变换：在三维设计软件中将步骤(1)中得到的野外目标原岩结构面形貌点云数据进行顶部聚中后得到结构面三维重构下盘模型，再将步骤(1)得到的野外目标原岩结构面形貌点云数据进行Z向镜像和竖直镜像转换后顶部聚中生成相吻合的结构面三维重构上盘模型；

(3)将步骤(2)生成的野外目标原岩结构面三维重构上盘模型、结构面三维重构下盘模型在三维设计软件中生成刀具路径文件后读入到雕刻机数控软件中，然后将符合室内试验仪器尺寸的岩块(6)用热熔胶固定在雕刻机上，在雕刻机刀具与岩块原点对中后进行三维自然结构面雕刻，其中雕刻过程分为第一步投影加深粗加工和第二步曲面精雕刻，其中曲面精雕刻刀具路径间距比投影加深粗加工刀具路径间距小一个数量级；

(4)制作的岩石自然结构面质量检验：将步骤(3)制作的岩石三维自然结构面试样通过三维激光扫描获得其表面形貌的点云数据，将野外目标原岩结构面形貌点云数据与雕刻得到的岩石结构面形貌点云数据进行对齐配准处理，并基于允许公差设定值不超过扫描仪器精度的原则进行岩石自然结构面的合格性质量检验。

2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述的步骤(1)中手持式三维激光扫描仪型号为Artec 3D SPIDER，点云处理软件为Cyclone。

3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述的步骤(3)中第一步投影加深粗加工设定的加工余量为0.1～1毫米，路径间距为0.3～1毫米，刀具种类为大直径浮雕类刀头(4)，直径为3～8毫米，投影加深粗加工除去岩石的毛坯部分(5)；第二步曲面精雕刻时设定的路径间距为0.01～0.1毫米，刀具种类为小直径浮雕类刀头(7)，直径为0.5～1.5毫米，曲面精加工除去岩石的毛坯部分(8)。

4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述的步骤(4)中结构面精度验证包括以下步骤：

第一步：在雕刻得到的三维自然结构面粘贴四个标靶点后进行三维激光扫描，获取雕刻结构面形貌点云数据，利用Cyclone软件识别出该结构面形貌点云数据的四个标靶点，并将其作为基准点建立坐标系；

第二步：野外目标原岩结构面形貌点云数据与雕刻得到的岩石结构面形貌点云数据进行对齐配准处理：首先选取原岩结构面形貌点云数据中三个特征点组成原岩结构面形貌点云数据特征三角形(9)，然后将雕刻结构面形貌点云数据输入计算软件中进行编程，并利用迭代法找出与原岩结构面特征三角形全等的雕刻结构面形貌点云数据特征三角形(10)，最后计算上述两个特征三角形重合的旋转矩阵和平移矩阵即为原岩结构面和雕刻结构面点云数据配准对齐的变换矩阵，并利用计算软件编程令两个形貌点云数据对齐配准；

第三步：利用计算软件对原岩结构面形貌点云数据和雕刻结构面形貌点云数据进行等间距插值处理；其中，允许公差设定值不超过扫描仪器的精度，两个形貌点云数据对应点高差在允许公差范围内，该点两个结构面吻合；统计出允许高差范围内点的个数占结构面点云个数的百分比，为原岩结构面与雕刻结构面的重合度。

5.根据权利要求2-3所述的制作方法，其特征在于，所述第二步和第三步中计算软件为MATLAB软件。