桶状结构面试样制作方法及外切内阻式桶状剪切仪技术

本发明专利技术涉及一种桶状结构面试样制作方法及外切内阻式桶状剪切仪。本发明专利技术的目的是提供一种桶状结构面试样制作方法及外切内阻式桶状剪切仪。本发明专利技术的技术方案是：一种桶状结构面试样制作方法，包括制作桶状内试样外侧结构面和与之相适配的环状外试样内侧结构面，其特征在于：获取天然岩体结构面上、下盘的的点云数据；基于天然岩体结构面上、下盘的的点云数据构建桶状内试样和环状外试样的三维模型，其中桶状内试样外侧结构面由上盘点云数据等比例构型而成，环状外试样内侧结构面由下盘点云数据等比例构型而成；结合3D打印技术将桶状内试样和环状外试样的三维模型打印形成桶状内试样和环状外试样的实体模型。本发明专利技术适用于岩体结构面力学行为试验仪。

【技术实现步骤摘要】
桶状结构面试样制作方法及外切内阻式桶状剪切仪
本专利技术涉及一种桶状结构面试样制作方法及外切内阻式桶状剪切仪。适用于岩体结构面力学行为试验仪。
技术介绍
直剪仪是岩土体抗剪特性研究的常用试验仪器，既适用于土体剪切，亦常被用于岩体结构面剪切和土岩接触面剪切。直剪仪的优点：(1)剪切面形态条件明晰；(2)加载条件直接明快；(3)试验步骤较为简捷。但其亦存在如下缺点：(1)只能实现单向短距离剪切，用于获取峰值强度，却较难获得残余强度；(2)试验过程中有效剪切面积持续减小，试验数据需修正。近年来，山区地质灾害频发，出现了较多大型顺层岩质滑坡。该类滑坡通常沿着既有岩层面(或大型岩体结构面)发生大位移剪切破坏，并最终发展为特大型岩体高速远程滑坡或高速远距离运移的碎屑流，严重威胁了山区人民的生命财产安全。显然，该动力学过程与结构面(层面)的强度特性息息相关，而该过程中结构面的剪切破坏亦会直接影响其力学强度，力学强度的改变又能反向影响岩体滑坡的动力特征，因此结构面(层面)在长距离剪切过程中的强度变化特性(尤其是残余强度)研究具有现实意义。然而目前为止，尚无合适的试验仪器来研究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长距离剪切，且已在土力学中得到广泛应用。但对于坚硬的岩体结构面而言，其特点是：(1)表面粗糙形态为既定，难以像土体一样配置重塑样；(2)一旦沿单向发生错动，则剪切方向(该方向上的形貌特征)已既定，不可能发生环绕式剪切。显然，普通环剪仪的平面环形构造制约了结构面在既定方向上的准确制样，因而不能如土体一样采用环剪仪对结构面进行长距离、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，但其导致了该类环剪仪难以开展大尺寸的剪切试验。得益于现代科技发展，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，三维激光扫描和3D打印等技术已成熟，在多个领域得到了应用。岩体力学研究领域，已有学者采用三维激光扫描技术获取岩体结构面的形态数据，并将其导入计算机软件进行精准建模。但是，目前仍较少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，以及应用于实体试验。且当前尚未出现基于平面态结构面的点云数据，对天然结构面进行等比例桶状3D塑形的理念。因此，基于当前的实际研究述求，结合现有的高新技术，联合开发出相应的研究试验仪器对岩体结构面的长距离剪切力学特性开展研究是有意义的、具有创新性的项目。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种桶状结构面试样制作方法及外切内阻式桶状剪切仪。本专利技术所采用的技术方案是：一种桶状结构面试样制作方法，包括制作桶状内试样外侧结构面和与之相适配的环状外试样内侧结构面，其特征在于：获取天然岩体结构面上、下盘的的点云数据；基于天然岩体结构面上、下盘的的点云数据构建桶状内试样和环状外试样的三维模型，其中桶状内试样外侧结构面由上盘点云数据等比例构型而成，环状外试样内侧结构面由下盘点云数据等比例构型而成；结合3D打印技术将桶状内试样和环状外试样的三维模型打印形成桶状内试样和环状外试样的实体模型。首先采用不同的材料或不同的材料配比进行圆柱试样打印，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，通过对比可选取出与原岩力学特性最为相近的试样所对应的原材料，再将与原岩样最为相近的材料进行3D打印构建出的桶状结构面试样，可保证与天然岩体具有相同的力学指标。所述环状外试样由多段弧状外试样模块拼合形成。一种外切内阻式桶状剪切仪，其特征在于：用于对利用所述桶状结构面试样制作方法所制作的桶状内试样和环状外试样进行剪切力学测试，包括：框架；剪切盒，具有对应所述桶状内试样底面设置的内桶底板，以及对应所述环状外试样底面和外侧面分别设置的外罩底板和剪切盒外侧壁，剪切盒外侧壁与外罩底板连成一体形成剪切盒外罩；所述内桶底板和外罩底板均可绕其轴线转动的安装于所述框架上；轴向加压机构Ⅰ，位于所述桶状内试样上方，用于对桶状内试样施加轴向压力；轴向加压机构Ⅱ，位于所述环状外试样上方，用于对环状外试样施加轴向压力；旋转驱动机构，接于所述剪切盒外罩上，用于经剪切盒外罩带动环状外试样绕其轴线转动；剪切监测机构，用于采集桶状内试样外侧结构面和环状外试样内侧结构面之间的剪切参数。所述轴向加压机构Ⅰ具有置于所述桶状内试样顶面的内桶压板，内桶压板上方设有加压机构；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内桶压板位置对应的内桶加压轴。所述内桶加压轴下端制有锥形尖端，所述内桶压板上表面制有能与所述锥形尖端配合实现点状接触的压板受力槽。所述轴向加压机构Ⅱ具有可绕所述内桶加压轴轴线转动的套装与内桶加压轴上的空心竖轴，空心竖轴经外桶施压力臂连接置于所述环状外试样顶面的外桶压板。所述内桶加压轴上制有位于所述空心竖轴上方的施压板，以及位于空心竖轴下方的抬升板。所述剪切盒外罩由多个与所述弧状外试样模块一一对应的弧状外罩拼合而成。所述弧状外罩一端制有公耳板，另一端制有能与另一弧状外罩上的公耳板配合实现连接的母耳板。所述公耳板具有正极磁性，所述母耳板具有负极磁性。所述旋转驱动机构包括制于所述剪切盒外罩外侧面上的一圈外罩齿轮和若干分布于外罩齿轮周围的电机，电机转动轴经电机齿轮与所述外罩齿轮啮合。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内桶底板上的阻力杆；所述位移传感器用于采集所述桶状内试样和环状外试样之间的剪切错动位移。所述内桶底板和外罩底板之间形成有一圈排水槽，对应排水槽设有排水管。所述轴向加压机构Ⅰ、Ⅱ上设有轴向压力传感器。本专利技术的有益效果是：本专利技术通过三维激光扫描天然岩体结构面获取天然岩体结构面上、下盘的的点云数据，并基于天然岩体结构面上、下盘的的点云数据构建桶状内试样外侧结构面和环状外试样内侧结构面的三维地质模型，解决了现有技术中桶状岩体结构面的准确制样问题，从而能如土体一样采用环剪仪对结构面进行长距离、全过程的剪切力学研究。本专利技术提供了一种圆桶形剪切面模式，其剪切面的法向垂直于剪切角速度矢量方向。采用的桶状圆柱形剪切形式，不仅可实现大位移剪切，还可保持剪切面积不变，可确保剪切面上剪位移和剪应力处处相等。本专利技术提供的桶状剪切仪与以往的环剪仪不同，不受剪切面宽度限制，因此结构面的尺寸在理论上可无限大，从而避免尺寸效应。本专利技术中计算机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。本专利技术中计算机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。本专利技术中计算机可通过接收轴向压力传感器反馈的监测数据，结合结构面受压公式对结构面正向压力进行实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种桶状结构面试样制作方法，包括制作桶状内试样外侧结构面和与之相适配的环状外试样内侧结构面，其特征在于：/n获取天然岩体结构面上、下盘的的点云数据；/n基于天然岩体结构面上、下盘的的点云数据构建桶状内试样外侧结构面和环状外试样内侧结构面的三维地质模型，其中桶状内试样外侧结构面由上盘点云数据等比例构型而成，环状外试样内侧结构面由下盘点云数据等比例构型而成；/n结合3D打印技术将桶状内试样外侧结构面和环状外试样内侧结构面的三维地质模型打印形成桶状内试样和环状外试样的实体模型。/n

【技术特征摘要】
1.一种桶状结构面试样制作方法，包括制作桶状内试样外侧结构面和与之相适配的环状外试样内侧结构面，其特征在于：
获取天然岩体结构面上、下盘的的点云数据；
基于天然岩体结构面上、下盘的的点云数据构建桶状内试样外侧结构面和环状外试样内侧结构面的三维地质模型，其中桶状内试样外侧结构面由上盘点云数据等比例构型而成，环状外试样内侧结构面由下盘点云数据等比例构型而成；
结合3D打印技术将桶状内试样外侧结构面和环状外试样内侧结构面的三维地质模型打印形成桶状内试样和环状外试样的实体模型。


2.根据权利要求1所述的桶状结构面试样制作方法，其特征在于：首先采用不同的材料或不同的材料配比进行圆柱试样打印，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，通过对比可选取出与原岩力学特性最为相近的试样所对应的原材料，再将与原岩样最为相近的材料进行3D打印构建出的桶状结构面试样，可保证与天然岩体具有相同的力学指标。


3.根据权利要求1所述的桶状结构面试样制作方法，其特征在于：所述环状外试样由多段弧状外试样模块拼合形成。


4.一种外切内阻式桶状剪切仪，其特征在于：用于对利用权利要求1～3任意一项所述桶状结构面试样制作方法所制作的桶状内试样外侧结构面和环状外试样内侧结构面进行剪切力学测试，包括：
框架；
剪切盒，具有对应所述桶状内试样底面设置的内桶底板，以及对应所述环状外试样底面和外侧面分别设置的外罩底板和剪切盒外侧壁，剪切盒外侧壁与外罩底板连成一体形成剪切盒外罩；所述内桶底板和外罩底板均可绕其轴线转动的安装于所述框架上；
轴向加压机构Ⅰ，位于所述桶状内试样上方，用于对柱状内试样施加轴向压力；
轴向加压机构Ⅱ，位于所述环状外试样上方，用于对环状外试样施加轴向压力；
旋转驱动机构，接于所述剪切盒外罩上，用于经剪切盒外罩带动环状外试样绕其轴线转动；
剪切监测机构，用于采集桶状内试样外侧结构面和环状外试样内侧结构面之间的剪切参数。


5.根据权利要求4所述的外切内阻式桶状剪切仪，其特征在于：所述轴向加压机构Ⅰ具有置于所述桶状内试样顶面的内桶压板，内桶压板上方设有...

【专利技术属性】
技术研发人员：范志强，汪明元，周奇辉，刘尊景，张琼方，朱永强，楼永良，
申请(专利权)人：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：浙江;33