一種含復(fù)雜結(jié)構(gòu)面巖體模型三維應(yīng)力場的獲取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于工程技術(shù)領(lǐng)域，具體是涉及一種含復(fù)雜結(jié)構(gòu)面巖體模型三維應(yīng)力場的獲取方法，用于巖石力學(xué)模型試驗(yàn)、巖石強(qiáng)度分析、巖石斷裂擴(kuò)展分析等方面。
【背景技術(shù)】
[0002]巖體的斷裂破壞與其內(nèi)部的應(yīng)力場密切相關(guān)。從斷裂力學(xué)和巖石破裂的微觀角度來看，巖體的破壞往往都是由內(nèi)部節(jié)理、裂隙等埋藏型結(jié)構(gòu)面在應(yīng)力場的作用下擴(kuò)展、延伸、連通造成的。因此，含復(fù)雜結(jié)構(gòu)面的巖體應(yīng)力場的獲取，以及結(jié)構(gòu)面之間的聯(lián)合作用規(guī)律和應(yīng)力集中現(xiàn)象對于科學(xué)研究和工程應(yīng)用都具有重要的意義。盡管許多學(xué)者已經(jīng)利用數(shù)值模擬的手段，對巖體應(yīng)力場特征和結(jié)構(gòu)面之間的聯(lián)合作用規(guī)律進(jìn)行研究，并取得了很多有益的成果，但是與之相應(yīng)的模型試驗(yàn)卻進(jìn)步緩慢。主要原因在于以下兩點(diǎn):(I)難以制作含復(fù)雜結(jié)構(gòu)面的巖體模型，(2)巖體內(nèi)部應(yīng)力分布屬于“黑箱”問題，難以通過普通的試驗(yàn)手段進(jìn)行觀測和測量。
[0003]本發(fā)明以3D打印機(jī)的復(fù)雜建造技術(shù)和光彈測試技術(shù)為基礎(chǔ)，重點(diǎn)解決了以上兩個(gè)限制因素。本發(fā)明的提出不僅能夠促進(jìn)模型試驗(yàn)的發(fā)展，對于巖體力學(xué)行為的研究也具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決含復(fù)雜結(jié)構(gòu)面的巖體應(yīng)力場的獲取，研究結(jié)構(gòu)面之間的聯(lián)合作用規(guī)律和應(yīng)力集中現(xiàn)象的問題，本發(fā)明結(jié)合3D打印機(jī)的復(fù)雜建造技術(shù)和光彈測試技術(shù)，提供了一種有效、可行的試驗(yàn)方法。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種含復(fù)雜結(jié)構(gòu)面巖體模型三維應(yīng)力場的獲取方法，包括如下步驟:
(1)通過光彈測試原理，利用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測定成型材料的應(yīng)力“凍結(jié)”條紋值，確定快速成型材料最佳“凍結(jié)”溫度；
(2)生成巖體結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和巖體CAD模型:利用計(jì)算機(jī)程序生成巖體結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并根據(jù)該虛擬網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，生成巖體CAD模型；
(3)巖體模型檢查與打印:將巖體CAD模型導(dǎo)入到虛擬打印軟件中進(jìn)行檢查，排除結(jié)構(gòu)面精度、結(jié)構(gòu)方面的錯(cuò)誤，并選擇合適的打印方向，檢查完畢后將巖體CAD模型輸入到3D打印機(jī)中，并利用快速成型材料進(jìn)行打印；
(4)應(yīng)力“凍結(jié)”:將打印好的巖體模型放入程控變溫箱中，并對巖體模型施加單軸或三軸荷載，通過升溫和/或降溫對巖體內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行“凍結(jié)”；
(5)模型切片，測定應(yīng)力條紋值:將應(yīng)力“凍結(jié)”后的巖體模型進(jìn)行激光切片，并將每一切片放在光彈測試儀中進(jìn)行應(yīng)力條紋值測量；
(6)重建巖體模型應(yīng)力場:根據(jù)步驟(I)中測定的應(yīng)力“凍結(jié)”條紋值，將每一切片的應(yīng)力條紋值轉(zhuǎn)化為真實(shí)條件下的應(yīng)力值數(shù)據(jù)，把獲取的應(yīng)力值數(shù)據(jù)順序?qū)肜L圖軟件中，利用內(nèi)插法重建巖體模型應(yīng)力場。
[0006]所述步驟(I)中快速成型材料采用透明的樹脂類光敏材料，所述四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)試樣尺寸大小為20cm X 4cm X 0.7cm的扁平六面體，所述溫度應(yīng)為從室溫穩(wěn)定上升到快速成型材料的軟化溫度。
[0007]所述步驟(3)中3D打印機(jī)的成型技術(shù)為“Polyjet-液體噴印成型技術(shù)”。
[0008]所述的打印機(jī)支撐材料性質(zhì)設(shè)置為“最疏松”級別。
[0009]所述步驟(4)中升溫的最高溫度為步驟(I)確定的快速成型材料的最佳“凍結(jié)”溫度。
[0010]所述步驟(4)中的升溫階段溫度梯度不超過15°C/小時(shí)，降溫階段溫度梯度控制在5 °C/小時(shí)以下。
[0011]所述步驟(5)在水浴環(huán)境中用高能激光對巖體模型進(jìn)行切片，并對切割的表面進(jìn)行打磨處理，切片厚度不大于3mm。
[0012]所述步驟(5)測定應(yīng)力條紋值時(shí)對每一個(gè)切片依次進(jìn)行一次正射、二次斜射。
[0013]所述的正射時(shí)透射偏振光場中光線角度與切片垂直，所述斜射時(shí)的斜射角度為15。-20。ο
[0014]為提高試驗(yàn)精度，需要打印兩個(gè)含完全相同結(jié)構(gòu)的巖體模型進(jìn)行平行試驗(yàn)，所述步驟(5)中的切片采用“十字形”切片方式。
[0015]本發(fā)明的有益效果如下:
本發(fā)明含復(fù)雜結(jié)構(gòu)面巖體模型三維應(yīng)力場的獲取方法，以3D打印機(jī)的復(fù)雜建造技術(shù)和光彈測試技術(shù)為基礎(chǔ)，重點(diǎn)解決了現(xiàn)有技術(shù)中“難以制作含復(fù)雜結(jié)構(gòu)面的巖體模型”和“巖體內(nèi)部應(yīng)力分布屬于黑箱”的兩個(gè)限制因素，從而通過普通的試驗(yàn)手段進(jìn)行觀測和測量，不僅能夠促進(jìn)模型試驗(yàn)的發(fā)展，對于巖體力學(xué)行為的研究也具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明中的快速成型材料四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)示意圖；
圖2為本發(fā)明中的巖體模型的“十字形”切片方式示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。
[0018]本發(fā)明一種含復(fù)雜結(jié)構(gòu)面巖體模型三維應(yīng)力場的獲取方法，包括如下步驟:
(1)將3D打印機(jī)打印的四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)試樣置于控溫箱中，施加4點(diǎn)彎曲荷載，并照射偏振光，將控溫箱中溫度從室溫不斷上升到快速成型材料的軟化溫度，測定快速成型材料的應(yīng)力“凍結(jié)”條紋值，確定快速成型材料最佳“凍結(jié)”溫度；
(2)生成巖體結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和巖體CAD模型:利用成熟的三維結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)生成技術(shù)生成巖體結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并根據(jù)該虛擬網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，生成巖體CAD模型；
(3)巖體模型檢查與打印:將巖體CAD模型導(dǎo)入到虛擬打印軟件中進(jìn)行檢查，排除結(jié)構(gòu)面精度、結(jié)構(gòu)方面的錯(cuò)誤，并選擇合適的打印方向，檢查完畢后將巖體CAD模型輸入到3D打印機(jī)中，并利用快速成型材料進(jìn)行打??； (4)應(yīng)力“凍結(jié)”:將打印好的巖體模型放入程控變溫箱中，并對巖體模型施加荷載(單軸或三軸荷載)，先使溫度逐步升至快速成型材料的最佳“凍結(jié)”溫度，并且升溫階段溫度梯度不超過15°C/小時(shí)，然后降低控溫箱溫度，要求降溫過程溫度梯度嚴(yán)格控制在5°C/小時(shí)以下，整個(gè)升溫、降溫過程都要求精確控溫；
(5)模型切片，測定應(yīng)力條紋值:將應(yīng)力“凍結(jié)”后的巖體模型在水浴環(huán)境中進(jìn)行激光切片，要求切片厚度不大