CN113074999A - 一种基于3d打印预制裂缝的岩板裂缝扩展试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于3D打印预制裂缝的岩板裂缝扩展试验方法。所述方法包括：含预制裂缝的岩板的设计和3D打印；对含预制裂缝的3D打印岩板进行喷斑处理，使岩板表面斑化；将岩板安装于加载装置上，调整高速摄影相机进行对焦，完成高速摄影相机的标定；开展岩板单轴压缩试验，用高速摄影相机监测岩石变形、裂缝扩展‑贯通直至破坏的动态全过程；基于对岩板标定点的应变监测，分析岩石变形破坏过程中的应力‑应变特征；更换不同规格岩板重复试验，得到含不同预制裂缝的3D打印岩板的细观裂缝扩展‑贯通及破坏机理。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程领域，特别涉及一种基于3D打印技术的岩石力学试验方法。
背景技术
裂隙岩体的变形-破坏规律是关系到岩土工程长期稳定性和相关矿业开采效率的关键科学问题，该过程主要受到岩石基质力学特性、裂缝状态和岩石受力状态的影响。现有的天然岩心板预制裂缝方法，难以克服天然岩石基质孔隙结构、力学性能的非均质性。针对这一不足，本发明公开一种基于3D打印预制裂缝的岩板裂缝扩展试验方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于3D打印预制裂缝的岩板裂缝扩展试验方法，通过综合运用3D打印岩板技术及散斑实验原理，解决了目前岩板裂缝扩展试验中岩心微观结构难以控制的缺陷，同时解决了目前岩板裂缝扩展试验所得实验图像不能满足细观分析需要的缺陷。
为了达到上述目的，本发明是这样实现的：
步骤S1:利用CAD软件设计出120mm×60mm×30mm的长方体岩板，并设计出不同裂缝倾角、开度、间距的单、双裂缝模型，导出含预制裂缝的几何文件并以STL文件格式保存；导入3D打印机制备岩板。
步骤S2：对3D打印岩板进行喷斑处理，在含预制裂缝的3D打印岩板表面上先涂上一层白漆，然后再喷溅细雾状的黑漆而形成散斑，形成高质量的散斑面；通过风干处理，使含预制裂缝的3D打印岩板表面斑化。
步骤S3：将含预制裂缝的3D打印岩板安放于加载装置上，调整相机位置、焦距、光圈，调节照明灯滤光器，使高速摄影相机对焦于被测物体表面，能捕捉到清晰的含预制裂缝的3D打印岩板表面图像；借助数字信息处理技术完成高速摄影相机的标定。
步骤S4：开展含预制裂缝的3D打印岩板的单轴压缩试验，预估3D打印岩板加载试验全程时长，结合高速摄影机的最大照片储存量、成像最大频率，合理设置高速摄影机照相频率和万能试验机加载速率；用高速摄影相机记录岩石变形、裂缝扩展-贯通直至破坏的动态全过程。
步骤S5：提取高速摄影相机记录的3D打印岩板力学加载试验过程图像，基于数字信息处理技术获取图像中各标定点的应变信息，分析岩石变形破坏过程中的应力-应变特征。
步骤S6：将加载试件更换为基质材料及微结构相同，但预制裂缝规格不同的3D打印岩板，在相同加载条件下再次试验，获取到不同预制裂缝规格的3D打印岩板的细观裂缝扩展-贯通及破坏机理。
与传统技术相比，本发明的有益效果在于：
提供了含预制裂缝的3D打印岩板制作与裂缝扩展试验方法，克服了微观结构及力学性能差异对试验结果的干扰。
附图说明
为了更清楚地说明本发明方法的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请实施例作进一步说明。
图1为本发明实施例所述一种基于3D打印预制裂缝的岩板裂缝扩展试验方法流程图。
图2为本发明实施例设计的含预制双裂缝的几何模型图。
图3为本发明实施例高速摄影相机和微机控制电液伺服万能试验机安装示意图。
图4为本发明实施例高速摄影相机所摄3D打印岩板裂缝效果图。
图5为本发明实施例所得细观级3D打印岩板裂缝扩展效果图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、达成目的和实验效果易于说明，下面结合附图及实施例，对本申请实施例中的技术方案进行详细描述。需要知悉的是，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请的实施例，本领域的其他技术人员在没有其他创新性劳动的前提下获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护范围。
图1是本申请一种基于3D打印预制裂缝的岩板裂缝扩展试验方法实施例的流程图，包括以下步骤：
S1：如图2所示，利用CAD软件设计出120mm×60mm×30mm的长方体岩板，并设计出不同裂缝倾角、开度、间距的单、双裂缝模型，导出含预制裂缝的几何文件并以STL文件格式保存；导入3D打印机制备岩板。
S2：对3D打印岩板进行喷斑处理，在含预制裂缝的3D打印岩板表面上先涂上一层白漆，然后再喷溅细雾状的黑漆而形成散斑，形成高质量的散斑图；通过风干处理，使含预制裂缝的3D打印岩板表面斑化。
S3：将含预制裂缝的3D打印岩板竖直安放在微机控制电液伺服万能试验机的加载台上；选用相机的分辨率为2448×2050pixels，采集速度可达15Hz；将相机放置在3D打印岩板前810mm的位置,双摄像头之间的距离为664mm,调整双摄像头，使两摄像头所在直线的夹角为50°左右。调整仪器的高度，使摄像头和所测3D打印岩板中心点在同一水平面内，如图3所示。
本实施例使用德国GOM公司的ARAMIS系统进行3D应变测量，需要先根据测量体积选用适当的标定板，进而完成高速摄影相机的标定。3D打印岩板面规格为120×60mm，根据要求选用90×72mm的标定板。开启LED照明灯和激光器，将标定板放到加载台上，松开控制轴的径向控制螺旋，调节镜头使左右激光束位于十字丝中央，以保证左右相机准确测量同一散斑的位移和应变。同时调节摄像机的焦距和LED照明灯的进光量，使高速摄影相机能捕捉到清晰的含预制裂缝的3D打印岩板表面图像，如图4所示。
S4：使用美特斯SHT4106微机控制电液伺服万能试验机对含预制裂缝的3D打印岩板开展单轴压缩试验。预估3D打印岩板加载试验全程时长，结合高速摄影机的最大照片储存量、成像最大频率，合理设置高速摄影机照相频率和万能试验机加载速率；用高速摄影相机记录岩石变形、裂缝扩展-贯通直至破坏的动态全过程。
本实施例的单轴压缩试验采用位移控制进行加载，3D打印岩板加载试验全程时长、高速摄影相机照相频率和万能试验机的位移加载速率应满足以下公式：
上式中t为3D打印岩板加载试验全程时长，x为3D打印岩板加载达到极限强度时的最大位移，vx为万能试验机的位移加载速率，A为高速摄影机所得照片张数，va为设置的相机拍摄速度，Am为高速摄影相机最大照片储存量。
本实施例3D打印岩板达到极限强度时的最大位移约为1.5mm，相机最大允许拍摄照片容量为600张，综合考虑后本次实验过程中设置的拍摄速度为6张/s，万能试验机以1mm/min的速度进行加载。
S5：提取高速摄影相机记录的3D打印岩板力学加载试验过程图像，基于数字信息处理技术获取图像中各斑点的运动信息，即可得到含预制裂缝的3D打印岩板表面的变形信息，相邻散斑间的小区域位移计算表达式如下：
上式中u、v、w分别为在像平面上的散斑沿x、y、z轴三方向的三个位移分量，M为记录时的放大率，cosα、cosβ、cosγ为像平面法线向量的方向余弦。
基于3D打印岩板表面的变形信息，分析岩石变形破坏过程中的应力-应变特征。本实施例所得到的3D打印岩板细观裂缝扩展信息如图5所示。
S6：将加载试件更换为规格尺寸、微观结构、3D打印原材料及加工工艺相同，但预制裂缝规格不同的3D打印岩板，使用微机控制电液伺服万能试验机以1mm/min的速度再次进行单轴压缩试验，获取含不同预制裂缝的3D打印岩板的变形-破坏过程的应力应变特征，进而得到含不同预制裂缝的3D打印岩板的细观裂缝扩展-贯通及破坏机理。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，用于描述本发明的基本原理、特征和主要优点，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于3D打印预制裂缝的岩板裂缝扩展试验方法，其特征在于，该方法包括：
含预制裂缝的岩板的设计和3D打印；对含预制裂缝的3D打印岩板进行喷斑处理，使岩板表面斑化；将岩板安装于加载装置上，调整高速摄影相机进行对焦，完成高速摄影相机的标定；开展岩板单轴压缩试验，用高速摄影相机监测岩石变形、裂缝扩展-贯通直至破坏的动态全过程；基于对岩板标定点的应变监测，分析岩石变形破坏过程中的应力-应变特征；更换不同规格岩板重复试验，得到含不同预制裂缝的3D打印岩板的细观裂缝扩展-贯通及破坏机理。
2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印预制裂缝的岩板裂缝扩展试验方法，其特征在于，利用CAD软件设计出120mm×60mm×30mm的长方体岩板，并设计出不同裂缝倾角、开度、间距的单、双裂缝模型，导出含预制裂缝的几何文件并以STL文件格式保存；导入3D打印机制备岩板。
3.根据权利要求1所述的一种基于3D打印预制裂缝的岩板裂缝扩展试验方法，其特征在于，高速摄影相机对焦于被测3D打印岩板表面，能清晰捕捉到3D打印岩板表面的预制裂缝。
4.根据权利要求1所述的一种基于3D打印预制裂缝的岩板裂缝扩展试验方法，其特征在于，在含预制裂缝的3D打印岩板进行力学加载试验过程中，通过3D打印岩板表面标定点的运动过程计算出预制裂缝的扩展过程。
5.根据权利要求1所述的一种基于3D打印预制裂缝的岩板裂缝扩展试验方法，其特征在于，更换3D打印岩板重复试验时，3D打印岩板基质的材料及微结构相同。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210706 |