CN113218781A - 结合3d打印技术的土岩接触面力学桶状剪切试验仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种结合3D打印技术的土岩接触面力学桶状剪切试验仪，用于利用桶状岩样和形成于桶状岩样周围并与桶状岩样外侧岩质界面接触的环状土样进行土岩接触面力学剪切试验，包括：框架；岩样固定机构，用于固定所述桶状岩样；剪切盒，具有对应所述环状土样底面的剪切盒底板和对应环状土样外侧面的剪切盒外罩，剪切盒底板和剪切盒外罩连成一体，剪切盒底板底面可绕该剪切盒轴线转动的安装于所述框架上；轴向加压机构，位于所述环状土样上方，用于对环状土样施加轴向压力；旋转驱动机构，接于所述岩样固定机构上，用于经岩样固定机构带动桶状岩样绕其轴线转动；剪切监测机构，用于采集桶状岩样外侧岩质界面和环状土样之间的剪切参数。

Description

结合3D打印技术的土岩接触面力学桶状剪切试验仪

技术领域

本发明涉及一种结合3D打印技术的土岩接触面力学桶状剪切试验仪。适用于岩土接触面力学试验技术领域。

背景技术

直剪仪既是土体抗剪特性研究的常用试验仪器，亦常被用于土岩接触面的力学特性研究。该仪器的优点为：(1)剪切错动面形态条件明晰；(2)力学加载条件简单明快；(3)试验步骤及过程较为简捷。但亦存在如下缺陷：(1)仅能进行单向短位移的剪切，常用于峰值强度的获取，却较难获得残余强度；(2)试验过程中剪切面积持续减小，试验数据需要修正。

例如近些年来，山区大型水电站周期性的蓄排水条件诱发了大量新老堆积层滑坡。一旦发生失稳滑动，则该类滑坡通常的特征为，上部滑体土沿着下卧的岩质界面发生长距离失稳巨滑运动，构成了典型的土岩接触面错动滑移模式。该过程中，显然接触界面的强度特性决定着滑坡的动力演化过程，以及失稳破坏后灾害的波及范围。

再如一些滑坡抗滑桩工程中，滑坡土体与粗糙桩体表面之间的摩擦成拱效应是提供抗滑力的关键，一旦土体与桩体粗糙表面(混凝土界面，可视为岩质界面)之间的摩阻力不够大，则很可能出现滑坡桩后及桩间土体沿桩间发生滑脱的现象，从而起不到预期的阻滑效果。

因此，桩土接触面(土与混凝土接触界面)的剪切强度特性在抗滑桩设计中尤为关键，如能获取该种接触面在长距离剪切条件下的强度演化特征，则能更好地指导抗滑桩工程的柔性设计。综合来看，开展土岩接触面的长距离剪切强度特征研究非常具备科学意义和实际工程意义。

然而目前为止，尚未出现合适的试验仪器来研究岩体结构面在长距离单方向剪切过程中的强度力学特性。尽管环剪仪能够实现单方向上的长距离剪切，且已经在土力学中得到广泛的应用。但对于坚硬的岩质界面而言，一旦上方土体沿其发生单向错动，则剪切方向(包括该方向上的岩质界面形态特征)已是既定，不可能发生环绕式剪切，显然，普通环剪仪的平面环形构制约了岩质界面在既定方向上的准确制样(或称为平面环状塑形)，因此不能像纯土质一样地采用环剪仪对土岩接触面进行长距离、全过程的剪切力学研究。此外，由于常规环剪仪的结构特征，其剪切面沿径向分布的剪应力随径长的增大而增大，因此设计者通常将环形剪切面尺寸进行限制，以取得剪切面上剪应力近似相等的效果，但其结果是该类环剪仪难以开展大尺寸的剪切试验。

得益于现代科学技术的发展，高新技术不断涌现。诸如在几何形态数据获取和形态重现方面，三维激光扫描技术和3D打印技术等已经日趋成熟，并在多个领域得到了应用。在岩体力学研究领域，已有学者将三维激光扫描技术应用于岩体结构面形态点云数据的获取，并将其导入计算机软件进行精准建模。但尚不多见采用三维激光扫描技术和3D打印技术联合的方法，对岩体结构面进行实体塑形，以及应用与实体试验研究。且当前尚未出现基于平面态结构面的点云数据进行等比例桶状结构面的3D塑形理念。

因此，基于当前的实际述求，结合现有高新技术，联合开发出相应的研究试验仪器对土岩接触面的长距离剪切力学特性开展研究是有益的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种结合3D打印技术的土岩接触面力学桶状剪切试验仪。

本发明所采用的技术方案是：一种结合3D打印技术的土岩接触面力学桶状剪切试验仪，其特征在于：用于利用桶状岩样和形成于桶状岩样周围并与桶状岩样外侧岩质界面接触的环状土样进行土岩接触面力学剪切试验，包括：

框架；

岩样固定机构，用于固定所述桶状岩样；

剪切盒，具有对应所述环状土样底面的剪切盒底板和对应环状土样外侧面的剪切盒外罩，剪切盒底板和剪切盒外罩连成一体，剪切盒底板底面可绕该剪切盒轴线转动的安装于所述框架上；

轴向加压机构，位于所述环状土样上方，用于对环状土样施加轴向压力；

旋转驱动机构，接于所述岩样固定机构上，用于经岩样固定机构带动桶状岩样绕其轴线转动；

剪切监测机构，用于采集桶状岩样外侧岩质界面和环状土样之间的剪切参数。

所述岩样固定机构具有沿所述桶状岩样轴向贯穿岩样的螺栓，螺栓下端固定有能与桶状岩样底面上的凹槽配合防止桶状岩样相对螺栓转动的条形扣板，螺栓上端接有能与条形扣板配合锁定桶状岩样的螺帽。

所述条形扣板布置成以所述螺栓为中心的放射状。

所述剪切盒的内侧面上制有若干外罩耳板；所述剪切盒的剪切盒底板上制有若干外底板凸条。

所述轴向加压机构具有置于所述环状土样顶面上的环状加压板，环状加压板经加压力臂连接位于所述桶状岩样上方中心位置的力臂受压结构，力臂受压结构上方设有加压机构；

所述加压机构具有安装于所述框架上的液压升降机，液压升降机的升降台上装有竖直布置且与下方力臂受压结构位置对应的加压轴。

所述加压轴下端制有锥形尖端，所述力臂受压结构为能与所述锥形尖端配合实现点状接触的力臂受压槽。

所述旋转驱动机构具有接于所述岩样固定机构并与所述桶状岩样同轴布置的扣板底盘，扣板底盘侧壁上制有一圈底盘齿轮，底盘齿轮周围设有若干电机，电机转动轴上设有与底盘齿轮啮合的电机齿轮。

所述剪切监测机构包括量力环和位移传感器，其中量力环经量力杆抵住固定于所述剪切盒上的阻力杆；所述位移传感器用于采集所述桶状岩样外侧岩质界面和环状土样之间的剪切位移。

所述剪切盒底板与所述通状岩样之间设有橡胶垫圈。

所述的三维激光扫描是指采用该技术扫描原始岩质界面，获取真实的岩质界面点云数据，以供计算机进行桶状岩质界面等比例构形建模。

所述的桶状岩质界面等比例构形，是指在岩质界面原始点云数据基础上，采用计算机技术进行坐标变换，将平面态岩质界面的点云数据等比例变换成桶状岩质界面的点云数据，实现等比例构形，同时需保证岩质界面的凹凸特征、粗糙程度等指标不变。

所述的3D打印桶状岩质界面，是指采用3D打印技术对计算机所构造出的桶状岩质界面模型进行实体打印，实现桶状剪切试验实体研究。

本发明的有益效果是：本发明通过三维激光扫描天然岩体结构面获取天然岩质界面的的点云数据，并基于天然岩质界面的点云数据结合3D打印技术构建桶状岩质界面的实体模型，解决了现有技术中桶状岩质界面的准确制样问题，为实现土岩接触面长距离剪切提供模型基础。

本发明提供了一种桶形剪切面模式，其剪切面的法向垂直于剪切角速度矢量方向。本发明实现了土岩接触面大位移剪切的同时，可确保剪切面积不变，且剪切面上剪位移和剪应力处处相等。本发明提供的桶状剪切仪不受剪切面宽度限制，因此土岩接触面尺寸在理论上可无限大，避免尺寸效应。

本发明配套计算机伺服控制系统，可以对液压升降系统进行控制，可根据试验需求对试样进行实时加卸载，并可通过计算机实时接收并储存监测数据；可通过接收量力环反馈的监测数据，及时对电机做出指令，实现力矩控制；可通过接收位移传感器反馈的监测数据，可对电机做出指令，实现位移控制；可通过接收土压力计和孔隙水压力计反馈的监测数据，对液压升降台进行伺服控制以实时调节土样的加卸载，保证剪切过程中土岩接触面上的有效正向压力保持不变。

附图说明

图1为实施例的结构示意图。

图2为实施例中桶状岩质界面试样塑形制样示意图。

图3为图1的AA向剖面图。

图4为图1的BB向剖面图。

图5为图1的CC向剖面图。

图6为图1的DD向剖面图。

图7为实施例中加压轴的结构示意图。

1、液压升降机；2、变频器；3、升降台；4、加压轴；4b、锥形尖端；5、加压力臂；5b、位移传感器；6、螺栓；7、螺帽；8、量力环；8b、量力杆；9、阻力杆；10、环状土样；11、条形扣板；12、框架基座；12b、框架柱；13、剪切盒；14、剪切盒底盘滚珠；15、橡胶垫圈Ⅰ；16、扣板底盘；16b、底盘齿轮；17、力臂受压槽；18、桶状岩样；19、橡胶垫圈Ⅱ；20、渗流孔；21、环状加压板；22、计算机；23、土压力计；23b、孔隙水压力计；24、岩质界面；25、电机；25b、电机齿轮；26、扣板底盘滚珠；27、外罩耳板；28、剪切盒底板；28b、外底板凸条。

具体实施方式

本实施例为一种结合3D打印技术的土岩接触面力学桶状剪切试验仪，主要包括框架、岩样固定机构、剪切盒13、轴向加压机构、旋转驱动机构、剪切监测机构和计算机22，用于利用桶状岩样18和形成于桶状岩样18周围并与桶状岩样18外侧界面接触的环状土样10进行剪切力学测试，其中桶状岩样18外侧岩质界面24由三维激光扫描天然岩质界面所获的点云数据经坐标变换、等比例构型而成，继而结合3D打印技术，将桶状岩样18和其外侧岩质界面24一并打印。

本例中岩样固定机构具有螺栓6、条形扣板11和螺帽7，其中螺栓6沿桶状岩样18轴线贯穿桶状岩样18，螺栓6下端固定有多块能与桶状岩样18底面上的凹槽配合防止桶状岩样18相对螺栓6转动的条形扣板11，条形扣板11以螺栓6为中心放射状布置；螺栓6上端螺纹连接螺帽7，通过螺帽7与条形扣板11配合锁定桶状岩样18，防止桶状岩样18沿轴向移动。

本实施例中剪切盒13具有对应环状土样10底面设置的剪切盒底板28和对应环状土样10外侧面设置的剪切盒外罩，剪切盒底板28和剪切盒外罩连成一体，剪切盒底板28底面经剪切盒底盘滚珠14可绕该剪切盒轴线转动的安装于框架的框架基座12上。

为防止试验时环状土样10与剪切盒13内壁之间打滑，本实施例中在剪切盒13的内侧面上均匀制有若干外罩耳板27，以使土样与剪切盒13之间更紧密地接触。为使土样与剪切盒底板28更好地嵌合，本例在剪切盒底板28上均匀设有若干外底板凸条28b。

本实施例中轴向加压机构用于对环状土样10施加轴向压力，具有置于环状土样10顶面上的环状加压板21，环状加压板21经加压力臂5连接位于桶状岩样18上方中心位置的力臂受压结构，力臂受压结构上方设有加压机构。本例中环状加压板21上均匀设有若干渗流孔20，便于开展浸水条件下的剪切试验。

本例中加压机构具有安装于框架的框架柱12b上的液压升降机1，液压升降机1的升降台3上装有竖直布置且与下方力臂受压结构位置对应的加压轴4。

本实施例中加压轴4的下端为锥形尖端4b，力臂受压结构为锥形的力臂受压槽17，加压轴4的锥形尖端4b可插装于力臂受压槽17内且与力臂受压槽17通过尖端点状接触，以尽可能避免加压轴4与力臂受压槽17绕轴向相对转动时两者之间产生机械摩阻力，消除因机械摩阻力造成的量测误差。

本例中旋转驱动机构用于经岩样固定机构带动桶状岩样18绕其轴线转动，包括接于岩样固定机构中条形扣板11下方且与桶状岩样18同轴的扣板底盘16，扣板底盘16下方经扣板底盘滚珠26可绕桶状岩样18轴线转动的安装于框架基座12上，扣板底盘16侧壁上制有一圈底盘齿轮16b，底盘齿轮16b周围均匀设有4台固定于框架基座12上的电机25，电机25的转动轴经电机25上设有与外罩齿轮啮合的电机齿轮25b。

本实施例中剪切监测机构包括位移传感器5b和量力环8，其中位移传感器5b安装于加压力臂5上，用于监测桶状岩样18在旋转剪切中的角位移，并通过信号回馈给计算机22进行剪切位移换算；量力环8具有两个，关于剪切盒13轴线中心对称布置，量力环8固定于框架的框架柱12b上，量力环8经量力杆8b与剪切盒13侧壁上相应的阻力杆9抵接。阻力杆9呈对称状态连于剪切盒13上，量力杆8b可抵于阻力杆9上，阻止剪切盒13及环状土样10转动，并量测土岩接触面抗剪强度。

为防止剪切试验时土样颗粒外溢，本实施例中在剪切盒13底板与桶状岩样18之间设有橡胶垫圈Ⅰ15，在环状加压板21与桶状岩样18之间设有橡胶垫圈Ⅱ19。

本实施例中在环状土样10内部由上至下成排安装有土压力计23和孔隙水压力计23b，可实时监测土岩接触面正向土压力值和孔隙水压力，由此准确获取接触面正向上的有效应力值，并反馈给计算机22。

本实施例中进行土岩接触面旋转剪切试验包括以下步骤如下：

一、3D制样及装样

结合附图2所示，桶状岩质界面的3D制样分三步进行：

(1)三维激光扫描技术获取天然岩质界面的点云数据；

(2)在原始点云数据基础上，采用计算机22技术进行坐标变换，将平面态岩质界面的点云数据等比例变换成桶状岩样18外侧界面24的点云数据，实现等比例构形。该步中，需保证桶状岩质界面24的凹凸特性、粗糙程度等指标与天然岩质界面一致；

(3)结合3D打印技术将计算机22建立的桶状岩质界面24模型进行实体打印，且打印出的实体岩样18中部需开设与螺栓6适配的通孔，底面需打印出与条形扣板11相对应的凹槽。

桶状岩样18制备选材时，首先采用不同的材料或不同的材料配比进行桶状试样打印，继而通过三轴压缩试验，获取打印试样和原岩样的三轴力学特征曲线，通过对比可选出与原岩力学特性最为相近的试样及其所对应的原材料。如此，使选取该原材料可保证3D打印出的桶状试样与天然岩体具有相同的力学指标。

桶状岩质界面制样完成后，开始装样。首先启动液压升降机1，将加压轴4升起，以腾出足够的装样空间；后将加压力臂5连带环状压板撤离，将打印好的桶状岩样18套于螺栓6上，使岩样底面与条形扣板11嵌合后，采用螺帽7拴紧螺栓6，将岩样固定。之后，将备好的土样分层铺入岩样周围的剪切盒13内，分层压实，当靠近岩样顶部时，在岩样岩质界面24与土样之间套放橡胶垫圈Ⅱ19，而后将加压力臂5连带环状压板以外罩耳板27为导引放置于环状土样10之上。附图2展示了几种理想的土岩接触面模型，可见对应于常规平面态结构面的上下盘，采用3D打印获得的桶状岩质界面可展现平面态岩质界面的基本形貌，外围环状土样可对应于平面态岩质界面上方的土体，说明采用该项技术理念进行平面态岩质界面的桶状塑形，及在此基础上开展土岩接触面长距离旋转剪切是可行的。

最后，启动液压升降机1，将加压轴4缓慢下降，当其与力臂受压槽17将接触时，停止下降加压轴4，为后续的试样加载做准备。

二、试样加载

制样及装样完成后，可对试样进行加载。首先对试样方案进行设计，预先设定土岩接触面法向需施加的目标压力值。而后通过计算机22调节变频器2，将液压升降机1下降，使升降台3带动压力轴继续下降。此时，土压力计23和孔隙水压力计23b可测得接触面法向上的压力数值及孔隙水压力值，并实时反馈给计算机22。计算机22可根据压力数值及孔隙水压力值计算出接触面法向上的有效压力值。当该有效法向压力未达到预设目标值时，则计算机22继续调控变频器2，使液压升降机1继续下降对试样进行加载，直至接触面法向有效压力达到目标值为止。

实际试验过程中，接触面法向压力会因剪切扰动受到影响，围绕目标值发生浮动，此时，计算机22可根据实时监测及计算获得的有效压力数据对液压升降系统进行伺服控制，调节升降系统的实时升降，以确保接触面法向压应力在试验过程中保持在预设的目标值。

三、剪切试验

实施加载后，即可开展土岩状接触面剪切试验。电机25的转动速率可由计算机22进行调节。当速率设定后，即可开动电机25带动桶状岩样18进行旋转，使岩质界面24剪切与其直接接触的土样。该过程中，剪切盒13及环状土样10因量力杆8b抵住剪切盒13上的阻力杆9而保持不转动，因此实现了内试验转动而外试样阻转的剪切模式。岩质界面24剪切外围土样的剪切力(或称为剪切强度)可由量力杆8b、量力环8测得，并实时传输给计算机22进行数据保存。剪切试验可一直进行，直至获得土岩接触面残余强度为止。

如需进行剪切过程中不同阶段的土岩接触面剪切破碎情况研究，可在任意剪切阶段停止试验，而后将试样取出，搜集接触面附近的破碎颗粒，进行颗粒筛分级配分析。如此可对接触面全剪切过程中的颗粒破碎规律进行揭示，并建立颗粒破碎和剪切强度演化之间的内在联系。

Claims (12)

1.一种结合3D打印技术的土岩接触面力学桶状剪切试验仪，其特征在于：用于利用桶状岩样和形成于桶状岩样周围并与桶状岩样外侧岩质界面接触的环状土样进行土岩接触面力学剪切试验，包括：

框架；

岩样固定机构，用于固定所述桶状岩样；

剪切盒，具有对应所述环状土样底面的剪切盒底板和对应环状土样外侧面的剪切盒外罩，剪切盒底板和剪切盒外罩连成一体，剪切盒底板底面可绕该剪切盒轴线转动的安装于所述框架上；

轴向加压机构，位于所述环状土样上方，用于对环状土样施加轴向压力；

旋转驱动机构，接于所述岩样固定机构上，用于经岩样固定机构带动桶状岩样绕其轴线转动；

剪切监测机构，用于采集桶状岩样外侧岩质界面和环状土样之间的剪切参数。

2.根据权利要求1所述的结合3D打印技术的土岩接触面力学桶状剪切试验仪，其特征在于：所述岩样固定机构具有沿所述桶状岩样轴向贯穿岩样的螺栓，螺栓下端固定有能与桶状岩样底面上的凹槽配合防止桶状岩样相对螺栓转动的条形扣板，螺栓上端接有能与条形扣板配合锁定桶状岩样的螺帽。

3.根据权利要求2所述的结合3D打印技术的土岩接触面力学桶状剪切试验仪，其特征在于：所述条形扣板布置成以所述螺栓为中心的放射状。

4.根据权利要求1所述的结合3D打印技术的土岩接触面力学桶状剪切试验仪，其特征在于：所述剪切盒的内侧面上制有若干外罩耳板；所述剪切盒的剪切盒底板上制有若干外底板凸条。

5.根据权利要求1所述的结合3D打印技术的土岩接触面力学桶状剪切试验仪，其特征在于：所述轴向加压机构具有置于所述环状土样顶面上的环状加压板，环状加压板经加压力臂连接位于所述桶状岩样上方中心位置的力臂受压结构，力臂受压结构上方设有加压机构；

所述加压机构具有安装于所述框架上的液压升降机，液压升降机的升降台上装有竖直布置且与下方力臂受压结构位置对应的加压轴。

6.根据权利要求5所述的结合3D打印技术的土岩接触面力学桶状剪切试验仪，其特征在于：所述加压轴下端制有锥形尖端，所述力臂受压结构为能与所述锥形尖端配合实现点状接触的力臂受压槽。

7.根据权利要求1所述的结合3D打印技术的土岩接触面力学桶状剪切试验仪，其特征在于：所述旋转驱动机构具有接于所述岩样固定机构并与所述桶状岩样同轴布置的扣板底盘，扣板底盘侧壁上制有一圈底盘齿轮，底盘齿轮周围设有若干电机，电机转动轴上设有与底盘齿轮啮合的电机齿轮。

8.根据权利要求1所述的结合3D打印技术的土岩接触面力学桶状剪切试验仪，其特征在于：所述剪切监测机构包括量力环和位移传感器，其中量力环经量力杆抵住固定于所述剪切盒上的阻力杆；所述位移传感器用于采集所述桶状岩样外侧岩质界面和环状土样之间的剪切位移。

9.根据权利要求1所述的结合3D打印技术的土岩接触面力学桶状剪切试验仪，其特征在于：所述剪切盒底板与所述桶状岩样之间设有橡胶垫圈Ⅰ。

10.根据权利要求5所述的结合3D打印技术的土岩接触面力学桶状剪切试验仪，其特征在于：所述环状加压板与所述桶状岩样之间设有橡胶垫圈Ⅱ。

11.根据权利要求1所述的结合3D打印技术的土岩接触面力学桶状剪切试验仪，其特征在于：所述桶状岩样采用3D打印技术打印而成，桶状岩样外侧岩质界面基于天然岩质界面的三维激光扫描点云数据经坐标变换和等比例构型而成。

12.根据权利要求1或5所述的结合3D打印技术的土岩接触面力学桶状剪切试验仪，其特征在于：所述环状土样内设有土压力计和孔隙水压力计。

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