一种裂隙结构岩体的3D打印重构方法及裂隙结构岩体技术

本发明专利技术涉及一种裂隙结构岩体的3D打印重构方法及裂隙结构岩体，主要包括：确定天然裂隙结构岩体中岩块的力学特性与破坏特性；确定天然裂隙结构岩体中结构面的剪切与拉伸力学特性及破坏特征；确定3D打印重构裂隙结构岩体岩块与结构面的力学特性相似比；岩块3D打印材料选择及相似性保证；结构面3D打印材料选择及结构设计；裂隙结构岩体3D建模与输出。该3D打印重构方法能够精确重构出结构复杂的裂隙结构岩体，在此基础上，可以开展结构完全一致的裂隙结构岩体在不同力学边界条件下的破坏性试验。

A 3D printing reconstruction method for fissured rock mass and fissured rock mass

【技术实现步骤摘要】
一种裂隙结构岩体的3D打印重构方法及裂隙结构岩体
本专利技术涉及岩土工程
，特别涉及裂隙结构岩体的3D打印重构方法及裂隙结构岩体。
技术介绍
对于岩体工程而言，需要根据裂隙结构岩体的力学特性进行工程设计以及制定相应的安全措施。裂隙结构岩体由岩块和结构面组成，较为复杂。因此，重构裂隙结构岩体对于工程设计及安全稳定性评价具有重要影响。然而，对于目前裂隙结构岩体的力学试验而言，由于裂隙结构岩体试样在试验中的破坏使得试验具有一次性特征，因此力学试验中无法获得不同力学边界条件下结构完全一致的裂隙结构岩体的力学特性，导致所获取的裂隙结构岩体力学特性及其相关变化规律的不准确性。
技术实现思路
本专利技术提供了一种裂隙结构岩体的3D打印重构方法及裂隙结构岩体，解决了现有力学试验中无法获得不同力学边界条件下结构完全一致的裂隙结构岩体力学特性的技术问题，实现了可开展结构完全一致裂隙结构岩体在不同应力水平下的力学试验，最终得到同一裂隙结构岩体的力学及破坏特征，为岩体工程相关设计提供指导的技术效果。本专利技术所提供的一种裂隙结构岩体的3D打印重构方法及裂隙结构岩体，包括以下步骤：对天然裂隙结构岩体中的岩块进行单轴压缩力学试验，获得岩块的应力-应变力学特性和破坏特性；对天然裂隙结构岩体中的结构面进行剪切和拉伸试验，获得所述裂隙结构岩体的结构面剪切与拉伸力学特性和破坏特征；确定3D打印重构裂隙结构岩体岩块与结构面的力学特性相似比；岩块3D打印材料选择及相似性保证；结构面3D打印材料选择及结构设计；裂隙结构岩体3D建模与输出。作为优选，所述对天然裂隙结构岩体中的岩块进行单轴压缩力学试验，包括：开展壁面岩块的单轴压缩试验，其中：试验岩块岩芯的形状可选为圆柱体，其直径为50mm，高度为100mm；对岩块力学试验的应力-应变曲线进行绘制，对岩块岩芯的破坏特征进行分析。作为优选，所述对天然裂隙结构岩体中的结构面进行剪切和拉伸试验，包括：对所述天然裂隙结构岩体的结构面进行剪切试验，确定裂隙结构岩体结构面的剪切力学特性及破坏特征；对所述天然裂隙结构岩体的结构面进行拉伸试验，确定裂隙结构岩体结构面的拉伸力学特性及破坏特征。作为优选，确定所述裂隙结构岩体中岩块与结构面的力学特性相似比，包括：对所述天然裂隙结构岩体进行现场承压板试验和真三轴试验，确定所述天然裂隙结构岩体的强度、弹性模量及变形；测量所述天然裂隙结构岩体的密度；根据相似比公式确定3D打印重构裂隙结构岩体与天然裂隙结构岩体的物理力学特性相似比，所述相似比公式为：式中，Ci为i对应的物理力学性质的相似比，所述i为物理力学特性的类别，所述i包括：应力(σ)，弹性模量(E)，密度(γ)，试样边长(L)，泊松比(υ)和应变(ε)，所述iRS为所述重构裂隙结构岩体的物理力学特性的类别，所述iCJBs为所述天然裂隙结构岩体的物理力学特性的类别，Cσ＝CE(2)，Cε＝Cυ＝1(3)，Cσ＝Cγ·CL(4)。作为优选，所述岩块3D打印材料包括：光敏树脂、石膏、陶瓷、环氧树脂等。作为优选，所述岩块3D打印材料确定后，通过单轴压缩试验对所述岩块3D打印材料的力学及破坏特征进行相似性验证，使所述3D打印重构裂隙结构岩体与所述天然裂隙结构岩体的脆性破坏特征及力学特性相似。作为优选，所述结构面3D打印材料选择及结构设计，包括：所述3D打印重构裂隙结构岩体的结构面采用网状结构设计；通过三维扫描所述天然裂隙结构岩体的壁面起伏程度，获得三维点云数据；根据所述网状结构设计及三维点云数据完成所述3D打印重构裂隙结构岩体的结构面壁面结构打印；对所述3D打印重构裂隙结构岩体的结构面进行剪切及拉伸试验，通过对试验结果的相似性对比，验证所述3D打印重构裂隙结构岩体网状结构设计的有效性。作为优选，所述3D打印裂隙结构岩体的结构面采用网状结构设计，具体方法为：若重构尺寸为的标准尺寸结构面试样，则该圆柱体的横截面面积为：式中：Stotal为横截面面积，单位mm2；Dtotal为横截面直径，单位mm；若在3D打印重构过程中，采用Fullcure720(光敏树脂)作为重构结构面的材料(抗拉强度为40MPa)，则网状结构和整个截面Fullcure720的抗拉强度比Rnet为：则岩体结构面网状结构的总面积Snet为：Snet＝Rnet·Stotal＝0.002×1962.5＝3.93mm2(7)如果设置网状结构连接点的直径Dpoint为0.2mm，则每个连接点的面积Spoint为:则横截面内所需要的网状结构连接点的个数Npoint为:如果网状结构连接点以正方形排列，则连接点之间的间距Lpoint可计算为：在3D打印重构裂隙结构岩体结构面剪切力学及破坏特征方面，需要对天然岩体结构面进行3D扫描，获取重构裂隙结构岩体结构面壁面起伏程度的3D点云数据；采用3D打印技术，在结构面壁面岩块材料选择及3D扫描点云数据的基础上重构岩体结构面。基于同样的专利技术构思，本申请还提供了一种裂隙结构岩体，通过所述裂隙结构岩体的3D打印重构方法制得。本申请中提供的一种裂隙结构岩体的3D打印重构方法及裂隙结构岩体，至少具有如下技术效果或优点：本申请提供的一种裂隙结构岩体的3D打印重构方法及裂隙结构岩体，能够精确重构复杂裂隙结构岩体，通过物理试验精确测量组成复杂裂隙结构岩体的岩块强度、结构面的剪切及拉伸力学特性后，采用3D打印方法，实现对复杂裂隙结构岩体的几何及力学精确重构。在重构过程中，通过力学试验测试，选择可重构复杂裂隙结构岩体的3D打印相关材料，最终生成的裂隙结构岩体与天然裂隙结构岩体一致。因此，在此基础上，可以开展结构完全一致的裂隙结构岩体在不同力学边界条件下的破坏性试验，解决了天然裂隙结构岩体破坏试验的一次性问题，可提高对复杂裂隙结构岩体力学及破坏特性的认知，为裂隙结构岩体的相关工程设计及稳定性评价提供参考。这样，有效解决了现有技术中力学试验无法获得不同力学边界条件下结构完全一致的裂隙结构岩体力学特性的技术问题，实现了可开展结构完全一致的裂隙结构岩体在不同应力水平下的力学试验，最终得到同一裂隙结构岩体的力学及破坏特性，为岩体工程相关设计提供指导的技术效果。附图说明图1为本专利技术实施例提供的裂隙结构岩体3D打印重构方法的流程示意图；图2为本专利技术实施例提供的天然裂隙结构岩体结构面的剪切应力-剪切位移曲线图；图3为本专利技术实施例提供的天然裂隙结构岩体结构面的拉伸应力-应变曲线图；图4为本专利技术实施例提供的天然裂隙结构岩体结构面的岩块内部结构缺陷图；图5为本专利技术实施例提供的重构岩块结构的3D打印材料应力-应变关系曲线图；图6为本专利技术实施例提供的重构裂隙结构岩体结构面的网状结构示意图。具体实施方式本申请实施例提供了一种裂隙结构岩体的3D打印重构方法及裂隙结构岩体，解决了或部分解决了现有力学试验中无法获得不同力学边界条件下结构完全一致的裂隙结构岩体力学特性的技术问题，实现了可开展结构完全一致裂隙结构岩体在不同应力水平下的力学试验，最终得到同一裂隙结构岩体的力学及破坏特性，为岩体工程相关设计提供指导的技术效果。为实现上述目的，本申请采用的技术方案如下：1、确定天然裂隙结构岩体中岩块的力学及破坏特性，包括：获得天然裂隙结构岩体中标准尺寸岩块试样的单轴压缩应力-应变曲线，获取其单轴抗本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种裂隙结构岩体的3D打印重构方法及裂隙结构岩体，其特征在于，包括以下步骤：对天然裂隙结构岩体中的岩块进行单轴压缩力学试验，获得岩块的应力‑应变力学特性和破坏特性；对天然裂隙结构岩体中的结构面进行剪切和拉伸试验，获得所述裂隙结构岩体的结构面剪切与拉伸力学特性和破坏特征；确定3D打印重构裂隙结构岩体岩块与结构面的力学特性相似比；岩块3D打印材料选择及相似性保证；结构面3D打印材料选择及结构设计；裂隙结构岩体3D建模与输出。

【技术特征摘要】
1.一种裂隙结构岩体的3D打印重构方法及裂隙结构岩体，其特征在于，包括以下步骤：对天然裂隙结构岩体中的岩块进行单轴压缩力学试验，获得岩块的应力-应变力学特性和破坏特性；对天然裂隙结构岩体中的结构面进行剪切和拉伸试验，获得所述裂隙结构岩体的结构面剪切与拉伸力学特性和破坏特征；确定3D打印重构裂隙结构岩体岩块与结构面的力学特性相似比；岩块3D打印材料选择及相似性保证；结构面3D打印材料选择及结构设计；裂隙结构岩体3D建模与输出。2.如权利要求1所述的裂隙结构岩体的3D打印重构方法，其特征在于，所述对天然裂隙结构岩体中的岩块进行单轴压缩力学试验，包括：开展壁面岩块的单轴压缩试验，其中：试验岩块岩芯的形状可选为圆柱体，其直径为50mm，高度为100mm；对岩块力学试验的应力-应变曲线进行绘制，对岩块岩芯的破坏特征进行分析。3.如权利要求1所述的裂隙结构岩体的3D打印重构方法，其特征在于，所述对天然裂隙结构岩体中的结构面进行剪切和拉伸试验，包括：对所述天然裂隙结构岩体的结构面进行剪切试验，确定裂隙结构岩体结构面的剪切力学特性及破坏特征；对所述天然裂隙结构岩体的结构面进行拉伸试验，确定裂隙结构岩体结构面的拉伸力学特性及破坏特征。4.如权利要求1所述的裂隙结构岩体的3D打印重构方法，其特征在于，确定所述裂隙结构岩体中岩块与结构面的力学特性相似比，包括：对所述天然裂隙结构岩体进行现场承压板试验和真三轴试验，确定所述天然裂隙结构岩体的强度、弹性模量及变形；测量所述天然裂隙结构岩体的密度；根据相似比公式确定3D打印重构裂隙结构岩体与天然裂隙结构岩体的物理力学特性相似比，所述相似比公式为：式中，Ci为i对应的物理力学性质的相似比，所述i为物理力学特性的类别，所述i包括：应力(σ)，弹性模量(E)，密度(γ)，试样边长(L)，泊松比(υ)和应变(ε)，所述iRS为所述重构裂隙结构岩体的物理力学特性的类别，所述iCJBs为所述天然裂隙结构岩体的物理力学特性的类别，Cσ＝CE(2)，Cε＝Cυ＝1(3)，Cσ＝Cγ·CL(4)。5.如权利要求1所述的裂隙结构岩体的3D打印重构方法，其特征在于，所述岩块3D打印材料包括：光敏树...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏英杰，张传庆，单治钢，周辉，高阳，刘宁，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42