CN108959823A - 一种裂隙张开型和填充型复杂裂隙岩体物理模型构建方法 - Google Patents

一种裂隙张开型和填充型复杂裂隙岩体物理模型构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种裂隙张开型和填充型复杂裂隙岩体物理模型构建方法，包括：采集岩体裂隙的产状、迹长与间距参数，获取各组裂隙统计结果；建模生成复杂裂隙网络数值模型；设定裂隙的厚度，修剪模型并缩减比例，生成复杂裂隙网络实体模型；利用3D打印机打印复杂裂隙网络物理模型；将所述复杂裂隙网络物理模型内置于制样模具，灌注砂浆并养护，制备获得含裂隙材料复杂裂隙岩体物理模型；将含裂隙材料复杂裂隙岩体物理模型浸泡到化学溶剂中，持续小幅振动直至裂隙材料完全溶解，制备获得裂隙张开型复杂裂隙岩体物理模型；加热石蜡熔融，使熔融石蜡灌注进裂隙张开型复杂裂隙岩体物理模型，制备获得裂隙填充型复杂裂隙岩体物理模型。

Description

一种裂隙张开型和填充型复杂裂隙岩体物理模型构建方法
技术领域
本发明涉及岩石力学领域，尤指一种裂隙张开型和填充型复杂裂隙岩体物理模型构建方法。
背景技术
在岩石力学特性室内研究方面，受限于复杂模型建模方法，目前的研究多针对岩石或类岩石(石膏、混凝土)材料进行研究，针对含复杂裂隙分布的相似岩体材料的力学行为研究较少。随着3D打印技术的兴起和进步，实现复杂结构的实体建模逐渐成为可能。目前，3D打印技术在医学、机械制造、汽车等领域应用较广，在岩石力学方面的应用还较少，尤其在复杂结构面几何建模方面的应用成果鲜见于报道。由于实际岩体中富含大量随机分布的复杂几何形态的节理结构面，且这种岩体的力学特性研究对于岩体工程稳定性分析及力学参数获取具有重要价值，由于岩体内部节理结构面空间几何分布的复杂性、随机性，针对这种含复杂节理的岩体物理试验模型尚未见于报道。目前采用3D打印技术进行岩体节理结构面力学分析方面，主要有以下两类相似的方案：第一类方法是采用3D打印技术，研究单一节理面的表面粗糙形态，进而进行建模和开展相关的力学试验，比如直剪试验等。第二类方法是采用3D打印技术，进行含单条平滑节理的类岩石材料建模，研究平滑节理的倾角对试件的力学影响。现有技术主要针对单结构面进行建模，主要方法是采用激光扫描的方式进行单结构面复杂几何形态的扫描、计算机建模，进一步开展3D打印生成物理模型。
传统裂隙岩体物理模型构建方法通过在砂浆浇筑过程中预置片状材料、浇筑完成后再将片状材料移除的方法构建裂隙岩体，但只能构建包含单一或简单组合裂隙的岩体物理模型。
近些年，陆续有科研院所采用3D打印技术构建复杂裂隙岩体物理模型，主要有两种方式：(1)首先构建复杂裂隙岩体数值模型，然后利用3D打印技术直接打印出裂隙岩体物理模型。该方法受3D打印材料限制，复杂裂隙岩体物理模型的强度不可随意调控。(2)首先构建复杂裂隙网络数值模型，并利用3D打印技术打印出复杂裂隙网络物理模型，然后将复杂裂隙网络物理模型内置于制样模具内并浇筑砂浆，最终构建出复杂裂隙岩体物理模型。该方法构建出的复杂裂隙岩体物理模型中包含有裂隙材料，而裂隙材料会显著影响复杂裂隙岩体物理模型的力学性质。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提出了一种构建包含复杂裂隙网络的裂隙岩体物理模型的方法，模型主体为强度可调的常规砂浆材料，裂隙既可以是张开的，也可以是填充的。
具体的，该方法包括：S1，采集岩体裂隙的产状、迹长与间距参数，利用产状参数进行裂隙分组，针对各组裂隙分别统计产状、迹长、间距服从的概率分布，获取各组裂隙统计结果；S2，根据所述各组裂隙统计结果，通过建模生成复杂裂隙网络数值模型；S3，设定所述复杂裂隙网络数值模型中各个裂隙的厚度，修剪模型并缩减比例，生成复杂裂隙网络实体模型；S4，利用3D打印机，选择具备一定强度且易溶解的物质为打印材料，将所述复杂裂隙网络实体模型打印成复杂裂隙网络物理模型；S5，通过砂浆配比试验确定砂浆配比，将所述复杂裂隙网络物理模型内置于制样模具，灌注砂浆并养护，制备获得含裂隙材料复杂裂隙岩体物理模型；S6，在玻璃器皿中装入化学溶剂，将含裂隙材料复杂裂隙岩体物理模型浸泡到化学溶剂中，将装有化学溶剂与含裂隙材料复杂裂隙岩体物理模型的玻璃器皿放置到振动筛上，持续小幅振动直至裂隙材料完全溶解，制备获得裂隙张开型复杂裂隙岩体物理模型；S7，将所述裂隙张开型复杂裂隙岩体物理模型内置于玻璃器皿，将装有裂隙张开型复杂裂隙岩体物理模型的玻璃器皿放置到振动筛上，加热石蜡熔融，将熔融的石蜡倒入玻璃器皿直至覆盖裂隙张开型复杂裂隙岩体物理模型，与此同时开启振动快速小幅振动，使熔融石蜡灌注进裂隙张开型复杂裂隙岩体物理模型，制备获得裂隙填充型复杂裂隙岩体物理模型。
本发明提出的裂隙张开型和填充型复杂裂隙岩体物理模型构建方法，构建的模型主体为强度可调的常规砂浆材料，裂隙既可以是张开的，也可以是填充的，极大地丰富了构建方法，适用范围广，成本低，广泛适用于裂隙岩体力学特征分析实验。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：
图1为本发明一实施例的裂隙张开型和填充型复杂裂隙岩体物理模型构建方法流程示意图。
图2为本发明一实施例步骤S2生成的复杂裂隙网络数值模型示意图。
图3为本发明一实施例的数据及模型关系示意图。
具体实施方式
以下配合图式及本发明的较佳实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段。
图1为本发明一实施例的裂隙张开型和填充型复杂裂隙岩体物理模型构建方法流程示意图。如图1所示，该方法包括：
S1，采集岩体裂隙的产状、迹长与间距参数，利用产状参数进行裂隙分组，针对各组裂隙分别统计产状、迹长、间距服从的概率分布，获取各组裂隙统计结果；参考表1为4m×4m×4m煤体裂隙参数统计结果。
表1
S2，根据所述各组裂隙统计结果，利用FracMan软件建模生成复杂裂隙网络数值模型，参考图2，为生成的复杂裂隙网络数值模型示意图，裂隙参数采集于煤体。
S3，利用Rhino软件设定所述复杂裂隙网络数值模型中各个裂隙的厚度，修剪模型并缩减比例，生成复杂裂隙网络实体模型，并导出为3D打印机可识别的格式。
S4，利用3D熔融沉积型打印机，选择具备一定强度且易溶解的物质为打印材料(该材料可以为PLA材料)，将所述复杂裂隙网络实体模型打印成复杂裂隙网络物理模型。
S5，通过砂浆配比试验确定砂浆配比，将所述复杂裂隙网络物理模型内置于制样模具，灌注砂浆并养护，制备获得含裂隙材料复杂裂隙岩体物理模型；参考表2为配比参数。
表2
S6，在玻璃器皿中装入化学溶剂，将含裂隙材料复杂裂隙岩体物理模型浸泡到化学溶剂中，将装有化学溶剂与含裂隙材料复杂裂隙岩体物理模型的玻璃器皿放置到振动筛上，持续小幅振动直至裂隙材料完全溶解，制备获得裂隙张开型复杂裂隙岩体物理模型。其中，化学溶剂可以是氯仿，用于溶解PLA材料。
S7，将所述裂隙张开型复杂裂隙岩体物理模型内置于玻璃器皿，将装有裂隙张开型复杂裂隙岩体物理模型的玻璃器皿放置到振动筛上，加热石蜡熔融，将熔融的石蜡倒入玻璃器皿直至覆盖裂隙张开型复杂裂隙岩体物理模型，与此同时开启振动快速小幅振动，使熔融石蜡灌注进裂隙张开型复杂裂隙岩体物理模型，制备获得裂隙填充型复杂裂隙岩体物理模型。
为了对上述制作方法进行更为清楚的解释，下面结合一个具体的实施例来进行说明，然而值得注意的是该实施例仅是为了更好地说明本发明，并不构成对本发明不当的限定。
结合图3所示，为各步骤之间的主要数据、模型关系示意图。
在该裂隙张开型和填充型复杂裂隙岩体物理模型的构建过程中，步骤S4可以选择具备一定强度且易溶解的物质为打印材料，3D打印复杂裂隙网络物理模型；复杂裂隙网络物理模型3D打印材料，适用任何具备一定强度且易溶解的物质。另外，步骤S6利用化学试剂浸泡含裂隙材料复杂裂隙岩体物理模型，并溶解其中的裂隙材料，制备裂隙张开型复杂裂隙岩体物理模型，利用化学溶解原理溶解裂隙材料这一方法，适用于任何化学溶剂。在最后一步中，加热石蜡使其熔融，将熔融的石蜡灌注进裂隙张开型复杂裂隙岩体物理模型，制备裂隙填充型复杂裂隙岩体物理模型；灌注熔融石蜡至裂隙张开型复杂裂隙岩体物理模型，制备裂隙填充型复杂裂隙岩体物理模型这一方法，适用灌注其他可快速凝固且强度较低的物质。
本发明提出的裂隙张开型和填充型复杂裂隙岩体物理模型构建方法，构建的模型主体为强度可调的常规砂浆材料，裂隙既可以是张开的，也可以是填充的，极大地丰富了构建方法，适用范围广，成本低，广泛适用于裂隙岩体力学特征分析实验。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种裂隙张开型和填充型复杂裂隙岩体物理模型构建方法，其特征在于，包括：
S1，采集岩体裂隙的产状、迹长与间距参数，利用产状参数进行裂隙分组，针对各组裂隙分别统计产状、迹长、间距服从的概率分布，获取各组裂隙统计结果；
S2，根据所述各组裂隙统计结果，通过建模生成复杂裂隙网络数值模型；
S3，设定所述复杂裂隙网络数值模型中各个裂隙的厚度，修剪模型并缩减比例，生成复杂裂隙网络实体模型；
S4，利用3D打印机，选择具备一定强度且易溶解的物质为打印材料，将所述复杂裂隙网络实体模型打印成复杂裂隙网络物理模型；
S5，通过砂浆配比试验确定砂浆配比，将所述复杂裂隙网络物理模型内置于制样模具，灌注砂浆并养护，制备获得含裂隙材料复杂裂隙岩体物理模型；
S6，在玻璃器皿中装入化学溶剂，将含裂隙材料复杂裂隙岩体物理模型浸泡到化学溶剂中，将装有化学溶剂与含裂隙材料复杂裂隙岩体物理模型的玻璃器皿放置到振动筛上，持续小幅振动直至裂隙材料完全溶解，制备获得裂隙张开型复杂裂隙岩体物理模型。
2.根据权利要求1所述的裂隙张开型和填充型复杂裂隙岩体物理模型构建方法，其特征在于，该方法还包括：
S7，将所述裂隙张开型复杂裂隙岩体物理模型内置于玻璃器皿，将装有裂隙张开型复杂裂隙岩体物理模型的玻璃器皿放置到振动筛上，加热石蜡熔融，将熔融的石蜡倒入玻璃器皿直至覆盖裂隙张开型复杂裂隙岩体物理模型，与此同时开启振动快速小幅振动，使熔融石蜡灌注进裂隙张开型复杂裂隙岩体物理模型，制备获得裂隙填充型复杂裂隙岩体物理模型。
3.根据权利要求1所述的裂隙张开型和填充型复杂裂隙岩体物理模型构建方法，其特征在于，在步骤S2中，还包括：
根据所述各组裂隙统计结果，利用FracMan软件建模生成复杂裂隙网络数值模型。
4.根据权利要求1所述的裂隙张开型和填充型复杂裂隙岩体物理模型构建方法，其特征在于，在步骤S3中，还包括：
利用Rhino软件设定所述复杂裂隙网络数值模型中各个裂隙的厚度，修剪模型并缩减比例，生成复杂裂隙网络实体模型。
5.根据权利要求4所述的裂隙张开型和填充型复杂裂隙岩体物理模型构建方法，其特征在于，生成的复杂裂隙网络实体模型的格式为3D打印机可识别的格式。
6.根据权利要求1所述的裂隙张开型和填充型复杂裂隙岩体物理模型构建方法，其特征在于，在步骤S4中，利用的3D打印机为熔融沉积型3D打印机。
7.根据权利要求1所述的裂隙张开型和填充型复杂裂隙岩体物理模型构建方法，其特征在于，在步骤S4中，打印材料为PLA材料。
8.根据权利要求7所述的裂隙张开型和填充型复杂裂隙岩体物理模型构建方法，其特征在于，在步骤S6中，化学溶剂为氯仿，用于溶解PLA材料。
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