一种岩石三维自然结构面的制作方法技术

本发明专利技术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。一方面本发明专利技术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，本发明专利技术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。

A method for making 3D natural structural plane of rock

The invention discloses a method for fabricating three-dimensional natural structural plane of rock, which comprises the following steps: (1) acquiring natural structural plane of original rock of field target; (2) transforming morphology data of three-dimensional natural structural plane; (3) projection deepening roughing and surface fine carving process; (4) testing the quality of natural structural plane of rock. On the one hand, the method of the invention directly carves the structural plane morphology data on the rock and carries out the test using the rock containing the three-dimensional natural structural plane, overcomes the drawback that the similar material can not fully simulate and reflect the mechanical characteristics of the natural rock mass structural plane in the sample preparation process of the existing structural plane preparation technology, so that the indoor test results can be achieved. On the other hand, the method of the invention can guarantee the accuracy of carving the structural plane, and the manufacturing process is simple, and does not need to consume a lot of manpower and time.

【技术实现步骤摘要】
一种岩石三维自然结构面的制作方法
本专利技术涉及岩石力学与工程
，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。
技术介绍
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CN101768644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CN104807685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，本专利技术提出了一种岩石三维自然结构面制作方法。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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Artec3DSPIDER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)提本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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Artec3DSPIDER，点云处理软件为Cyclone...

【专利技术属性】
技术研发人员：江权，杨冰，王斌，李立夫，史应恩，刘晓裴，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：湖北,42