CN111611632A - 基于光固化3d打印的离散裂隙网络岩体模型的建模方法 - Google Patents

基于光固化3d打印的离散裂隙网络岩体模型的建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于光固化3D打印的离散裂隙网络岩体模型的建模方法，包括：基于节理裂隙的空间分布样本，对岩体模型进行离散裂隙网络模型的三维数字化建模；对建立的三维离散裂隙网络模型进行空间剖切和三维拉伸，获得适用于光固化3D打印的节理模型样本；根据所述节理模型样本，采用光固化3D打印技术生成不同尺度、不同分布的离散裂隙网络实体模型，进而开展预置复杂离散裂隙网络的岩体室内模拟试验。本发明基于光固化3D打印技术，将复杂的离散裂隙网络模型进行实体重构，建立可适用于室内相似模拟实验的模型，有效解决了当前复杂裂隙岩体物理模型室内试验建模难、成本高、可重复性难的问题。

Description

基于光固化3D打印的离散裂隙网络岩体模型的建模方法
技术领域
本发明涉及岩土工程测试技术领域，特别涉及一种基于光固化3D打印的离散裂隙网络岩体模型的建模方法。
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。目前学者开展了含裂隙的岩石力学试验研究，但是岩石试件主要是通过高速水刀进行若干条裂隙切缝的手段，建立的节理模型往往不能够反映天然岩体内部结构面分布形态。
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，同时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，比如岩体剪切试验等。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单个结构面建模，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。
节理岩体中结构面往往是复杂分布的，目前的研究报道存在以下不足：(1)天然岩体中的结构面具有空间分布复杂性和随机性，目前研究尚未针对复杂裂隙几何网络进行物理建模。(2)进行复杂裂隙岩体物理模型及节理建模，需要从现场勘测入手，经过系列结构面信息统计整理、计算机建模与优化、3D打印模型建立及实现、物理模型建立等系列过程，目前尚未有相关系统方法的提出。(3)已有研究采用熔融堆积型3D打印开展了节理网络模型建模，但是这种打印方法制备的节理表面存在堆积层理结构，这种结构严重影响了节理的力学性质。
综上所述，当前复杂的裂隙岩体物理模型室内试验建模依靠传统水刀切割，预置裂隙单一，复杂模型建模困难且成本高，严重制约了岩石力学测试的发展，亟需借助新的技术开展预置复杂裂隙的节理岩体室内试验研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光固化3D打印的离散裂隙网络岩体模型的建模方法，旨在解决当前复杂裂隙岩体物理模型室内试验建模难、成本高、可重复性难的问题。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下方案：
一种基于光固化3D打印的离散裂隙网络岩体模型的建模方法，包括以下步骤：
S1、基于节理裂隙的空间分布样本，对岩体模型进行离散裂隙网络模型的三维数字化建模；
S2、对建立的三维离散裂隙网络模型进行空间剖切和三维拉伸，获得适用于光固化3D打印的节理模型样本；
S3、根据所述节理模型样本，采用光固化3D打印技术生成不同尺度、不同分布的离散裂隙网络实体模型，进而开展预置复杂离散裂隙网络的岩体室内模拟试验。
优选地，所述节理裂隙的空间分布样本包括：小规模的次级断层、原生的具有预定分布规律和统计意义的节理面、风化裂隙结构面、弱连接的微小节理面或隐微裂结构面。
优选地，所述步骤S1包括：
S101、开展岩体结构面测量及统计分析，对空间分布不同的结构面进行分组，建立空间几何分布模型；
S102、利用3DMine数字化三维建模系统，采用Monte Carlo建模方法，实现结构面空间展布可视化三维数字化建模。
优选地，所述步骤S101包括：
基于对岩体结构面的测量和统计分析，对空间分布不同的结构面进行识别，通过空间定位、结构面分组，对结构面空间几何信息、起伏情况进行分析，得到各组样本中各随机变量的样本统计值，最终得到统计分布形式；
或者，根据产状聚类对结构面进行分组，计算每组结构面的平均产状、迹长，间距和断距，按照统计分布方法并假设结构面为圆盘型生成同组结构面的空间分布。
优选地，所述步骤S2包括：
对建立的三维离散裂隙网络模型进行空间剖切；
对剖切样本进行三维拉伸，建立适用于光固化3D打印的节理模型样本；
将节理模型样本导出为光固化3D打印软件能够识别的*.STL格式。
优选地，所述步骤S3包括：
采用光固化3D打印机制备不同尺度、不同分布的二维、三维离散裂隙网络实体模型，用于岩体室内模拟试验。
优选地，所述建模方法能够构建的模型包括：离散裂隙网络模型和实体离散节理网络模型。
优选地，所述建模方法还包括：
利用生成的不同尺度、不同分布的离散裂隙网络实体模型进行岩体节理结构面力学分析研究。
优选地，所述建模方法还包括：
利用生成的不同尺度、不同分布的离散裂隙网络实体模型进行岩土工程测试研究。
本发明的上述方案至少包括以下有益效果：
本发明方法基于光固化3D打印技术，将复杂的离散裂隙网络模型进行实体重构，进一步建立可适用于室内相似模拟实验的模型，有效地解决打印模型呈现分层结构的问题，为复杂裂隙岩体力学尺寸效应行为的室内实验研究提供了有效的方法。本发明通过裂隙岩体模型重构、光固化3D打印构建的裂隙网络实体模型，为岩体力学变形、破坏、强度等力学特性的室内试验研究方面提供了模型基础，并且能够为复杂的数值模拟试验提供室内验证的结果依据。此外，由于岩体节理空间分布复杂性，直接开展节理岩体室内相似试验成本高，且难以真实反映结构面空间形态，目前进行岩体力学特性室内相似试验往往尺度较大，耗材如水泥砂浆等消耗大，还需借助大型压力机进行试验，而本发明借助光固化3D打印技术可以有效地解决当前复杂裂隙岩体物理模型室内试验建模难、成本高的问题，同时解决了熔融堆积3D打印机建模存在层理结构的问题，且打印的模型尺度相对较小，可以满足当前室内常规压力机进行力学特性研究的要求。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于光固化3D打印的离散裂隙网络岩体模型的建模方法的流程图；
图2是本发明实施例中具体建模过程的示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明的实施例提供了一种基于光固化3D打印的离散裂隙网络岩体模型的建模方法，如图1所示，所述建模方法包括以下步骤：
S1、基于节理裂隙的空间分布样本，对岩体模型进行离散裂隙网络(DiscreteFractures Network，DFN)模型的三维数字化建模；
S2、对建立的三维离散裂隙网络模型进行空间剖切和三维拉伸，获得适用于光固化3D打印的节理模型样本；
S3、根据所述节理模型样本，采用光固化3D打印技术生成不同尺度、不同分布的离散裂隙网络实体模型，进而开展预置复杂离散裂隙网络的岩体室内模拟试验。
本发明方法基于光固化3D打印技术，将复杂的离散裂隙网络模型进行实体重构，进一步建立可适用于室内相似模拟实验的模型，有效地解决打印模型呈现分层结构的问题，为复杂裂隙岩体力学尺寸效应行为的室内实验研究提供了有效的方法。本发明通过裂隙岩体模型重构、光固化3D打印构建的裂隙网络实体模型，为岩体力学变形、破坏、强度等力学特性的室内试验研究方面提供了模型基础，并且能够为复杂的数值模拟试验提供室内验证的结果依据。此外，由于岩体节理空间分布复杂性，直接开展节理岩体室内相似试验成本高，且难以真实反映结构面空间形态，目前进行岩体力学特性室内相似试验往往尺度较大，耗材如水泥砂浆等消耗大，还需借助大型压力机进行试验，而本发明借助光固化3D打印技术可以有效地解决当前复杂裂隙岩体物理模型室内试验建模难、成本高的问题，同时解决了熔融堆积3D打印机建模存在层理结构的问题，且打印的模型尺度相对较小，可以满足当前室内常规压力机进行力学特性研究的要求。
进一步地，所述节理裂隙的空间分布样本包括以下典型节理裂隙样本：小规模的次级断层、原生的具有预定分布规律和统计意义的节理面、风化裂隙结构面、弱连接的微小节理面或隐微裂结构面。
进一步地，步骤S1包括：
S101、开展岩体结构面测量及统计分析，对空间分布不同的结构面进行分组，建立空间几何分布模型；
S102、利用3DMine数字化三维建模系统，采用Monte Carlo建模方法，实现结构面空间展布可视化三维数字化建模。
其中，通过采用Monte Carlo建模方法二次开发裂隙网络模型生成程序，实现离散裂隙网络DFN3D模型的数字化建模。
进一步地，步骤S101包括：
基于对岩体结构面的测量和统计分析，对空间分布不同的结构面进行识别，通过空间定位、结构面分组，对结构面空间几何信息、起伏情况进行分析，得到各组样本中各随机变量的样本统计值，最终得到统计分布形式；
或者，根据产状聚类对结构面进行分组，计算每组结构面的平均产状、迹长，间距和断距，按照统计分布方法并假设结构面为圆盘型生成同组结构面的空间分布。
通过以上分组方式，能够确定节理面、风化裂隙结构面等的节理空间分布。
进一步地，步骤S2包括：
对建立的三维离散裂隙网络模型进行空间剖切；
对剖切样本进行三维拉伸，建立适用于光固化3D打印的节理模型样本；
将节理模型样本导出为光固化3D打印软件能够识别的*.STL格式。
进一步地，步骤S3包括：
采用光固化3D打印机制备不同尺度、不同分布的二维、三维离散裂隙网络实体模型，用于岩体室内模拟试验。
这里的光固化3D打印机可以采用XYZ Printing Nobel光固化3D打印机。
步骤S3可以建立基于同一个节理模型样本、不同尺寸的复杂裂隙网络实体模型，能够为开展复杂节理岩体的力学尺寸效应试验研究提供可靠的模型。
在本发明的实施例中，所述建模方法能够构建的模型包括：离散裂隙网络模型和实体离散节理网络模型。
进一步地，所述建模方法还包括：
利用生成的不同尺度、不同分布的离散裂隙网络实体模型进行岩体节理结构面力学分析研究。
以及，利用生成的不同尺度、不同分布的离散裂隙网络实体模型进行岩土工程测试研究。
下面结合具体实施例对本发明的应用效果作详细的描述。图2给出了本发明具体建模过程的示意图，步骤如下：
现场选取结构面工程位置，进行现场结构面信息调查、统计，得到结构面产状分布信息；分析结构面几何形态信息参数(产状、迹长、间距、断距等)的获取，并进行纷繁复杂结构面的分级、分组、几何参数统计。
采用Monte Carlo建模方法，假设结构面为圆盘型，生成同组结构面的空间分布，利用3DMine三维建模程序建立结构面空间展布可视化三维DFN模型，对建立的三维DFN模型进行空间剖切和三维拉伸，并导出*.STL格式，建立光固化3D打印软件可识别格式(参考图2中①、②)。
采用XYZ Printing Nobel光固化3D打印机制备复杂节理分布的实体试验模型，并生成不同尺度、不同分布的二维、三维离散裂隙网络实体模型，所打印的模型可以用于室内力学试验(参考图2中③-⑤)。
本发明建立了多组复杂几何分布结构面分布模型，基于光固化3D打印技术制作出适用于室内实验的离散裂隙网络实体模型及相关模具，提出从现场测试—计算机建模—3D模型打印制作—相似物理实验的方法，可以有效地解决当前复杂裂隙岩体物理模型室内试验建模难、成本高和可重复性难的问题。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于光固化3D打印的离散裂隙网络岩体模型的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、基于节理裂隙的空间分布样本，对岩体模型进行离散裂隙网络模型的三维数字化建模；
S2、对建立的三维离散裂隙网络模型进行空间剖切和三维拉伸，获得适用于光固化3D打印的节理模型样本；
S3、根据所述节理模型样本，采用光固化3D打印技术生成不同尺度、不同分布的离散裂隙网络实体模型，进而开展预置复杂离散裂隙网络的岩体室内模拟试验。
2.根据权利要求1所述的基于光固化3D打印的离散裂隙网络岩体模型的建模方法，其特征在于，所述节理裂隙的空间分布样本包括：小规模的次级断层、原生的具有预定分布规律和统计意义的节理面、风化裂隙结构面、弱连接的微小节理面或隐微裂结构面。
3.根据权利要求1所述的基于光固化3D打印的离散裂隙网络岩体模型的建模方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
S101、开展岩体结构面测量及统计分析，对空间分布不同的结构面进行分组，建立空间几何分布模型；
S102、利用3DMine数字化三维建模系统，采用Monte Carlo建模方法，实现结构面空间展布可视化三维数字化建模。
4.根据权利要求3所述的基于光固化3D打印的离散裂隙网络岩体模型的建模方法，其特征在于，所述步骤S101包括：
基于对岩体结构面的测量和统计分析，对空间分布不同的结构面进行识别，通过空间定位、结构面分组，对结构面空间几何信息、起伏情况进行分析，得到各组样本中各随机变量的样本统计值，最终得到统计分布形式；
或者，根据产状聚类对结构面进行分组，计算每组结构面的平均产状、迹长，间距和断距，按照统计分布方法并假设结构面为圆盘型生成同组结构面的空间分布。
5.根据权利要求1所述的基于光固化3D打印的离散裂隙网络岩体模型的建模方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
对建立的三维离散裂隙网络模型进行空间剖切；
对剖切样本进行三维拉伸，建立适用于光固化3D打印的节理模型样本；
将节理模型样本导出为光固化3D打印软件能够识别的*.STL格式。
6.根据权利要求1所述的基于光固化3D打印的离散裂隙网络岩体模型的建模方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
采用光固化3D打印机制备不同尺度、不同分布的二维、三维离散裂隙网络实体模型，用于岩体室内模拟试验。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的基于光固化3D打印的离散裂隙网络岩体模型的建模方法，其特征在于，所述建模方法能够构建的模型包括：离散裂隙网络模型和实体离散节理网络模型。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的基于光固化3D打印的离散裂隙网络岩体模型的建模方法，其特征在于，所述建模方法还包括：
利用生成的不同尺度、不同分布的离散裂隙网络实体模型进行岩体节理结构面力学分析研究。
9.根据权利要求1-6中任一项所述的基于光固化3D打印的离散裂隙网络岩体模型的建模方法，其特征在于，所述建模方法还包括：
利用生成的不同尺度、不同分布的离散裂隙网络实体模型进行岩土工程测试研究。
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