[發(fā)明專利]一種基于3D打印的含各向異性節(jié)理類巖石試樣制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011371873.5
• 申請日: 2020-11-30
• 公開（公告）號: CN112345334B
• 公開（公告）日: 2022-06-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄭艷妮;張升;賈朝軍
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號: G01N1/28
• 分類號: G01N1/28
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發(fā)明公開了一種基于3D打印的含各向異性節(jié)理類巖石試樣制備方法，包括如下步驟：建立不同傾角節(jié)理巖體的節(jié)理三維模型；將節(jié)理三維模型導(dǎo)入3D打印機(jī)，以石膏為原料打印得到節(jié)理實(shí)體；制作試樣外部模具；將試樣外部模具套在節(jié)理實(shí)體外部，放置于水泥漿槽中，采用水泥砂漿澆筑；養(yǎng)護(hù)、試樣脫模，并進(jìn)行后期處理，得到含各向異性節(jié)理類巖石試樣。本發(fā)明先以石膏為材料模擬節(jié)理，后以水泥砂漿模擬巖石基體，利用模具澆筑成含各向異性節(jié)理的類巖石試樣，能極高程度地還原天然節(jié)理巖體特征，真實(shí)地反映天然巖體的節(jié)理尺寸及巖體的各向異性產(chǎn)狀特征。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種類巖石試樣制備方法，特別涉及一種基于3D打印的含各向異性節(jié)理類巖石試樣制備方法，屬于巖石力學(xué)與工程技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

自然界的巖石在形成過程中，由于受到構(gòu)造運(yùn)動的影響，大多會產(chǎn)生各種形狀的節(jié)理或裂隙。因而自然界中的巖石(巖體)大多表現(xiàn)出不連續(xù)性、非均質(zhì)性、各向異性及非線彈性特征。其中，比較有代表性的就是柱狀節(jié)理玄武巖。柱狀節(jié)理玄武巖是火山巖冷卻時(shí)形成的柱狀體節(jié)理，柱狀節(jié)理巖體通常呈四方、五方、六方等棱柱體形態(tài)，大多數(shù)節(jié)理面平直且相互平行，節(jié)理柱的直徑從幾厘米到數(shù)米不等。我國柱狀節(jié)理玄武巖多集中于西南地區(qū)，以白鶴灘水電站壩基柱狀節(jié)理玄武巖最為經(jīng)典。巖體由于各向異性節(jié)理的存在，弱化了巖體的完整性和力學(xué)性能。巖體的不連續(xù)性和各向異性更加突出，其對壩體變形、壩肩及邊坡穩(wěn)定、地下洞室圍巖穩(wěn)定等均有一定影響。

節(jié)理巖體的真實(shí)力學(xué)特性是各類大型巖體工程論證和設(shè)計(jì)的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題，節(jié)理巖體試樣現(xiàn)場取樣難度大、易擾動破碎、取不到具有代表性的天然巖樣，無法反映初始巖樣的力學(xué)特性，開展室內(nèi)模型試驗(yàn)對節(jié)理巖體的力學(xué)特性進(jìn)行研究是最直接有效的方法。目前國內(nèi)外學(xué)者采用的室內(nèi)試驗(yàn)試樣制作方法普遍為用相似材料澆筑棱柱體，后用膠水、水泥等將棱柱體粘在一起，養(yǎng)護(hù)后用切割機(jī)打磨成需要的試樣，制樣過程復(fù)雜、費(fèi)時(shí)，在打磨過程中容易開裂，制樣成功率低。牛子豪和朱珍德等申請人在申請?zhí)枮?01811219682.X、名稱為“基于3D打印技術(shù)的透明類柱狀節(jié)理巖體試樣制備方法”的專利申請中提出了一種采用水溶性材料摻雜發(fā)泡劑打印柱狀節(jié)理柵格，并在柵格上添加原生節(jié)理面薄片，后以樹脂為材料澆筑成透明類柱狀節(jié)理試樣，然而原生節(jié)理面薄片制作過程復(fù)雜且困難，不易固定于打印的柱狀節(jié)理柵格內(nèi)，同時(shí)樹脂材料不能很好地類比巖石多孔介質(zhì)的特性。另外，國內(nèi)外學(xué)者還采用混凝土、粉末狀砂巖、粉末狀石膏等為材料，利用3D打印機(jī)一體打印成含內(nèi)部缺陷的巖體模型試樣，但是3D打印試樣存在均一化問題，不能真實(shí)地反映節(jié)理對巖石的弱化效應(yīng)及節(jié)理巖體顯著的各向異性，制樣成本極高。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：針對現(xiàn)有節(jié)理巖體試樣制備過程中存在的問題，本發(fā)明提供一種基于3D打印的柱狀節(jié)理類巖石試樣制備方法。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的一種基于3D打印的柱狀節(jié)理類巖石試樣制備方法，包括如下步驟：

(1)建立不同傾角節(jié)理巖體的節(jié)理三維模型；

(2)將節(jié)理三維模型導(dǎo)入3D打印機(jī)，以石膏為原料打印得到節(jié)理實(shí)體；

(3)制作試樣外部模具；

(4)將試樣外部模具套在節(jié)理實(shí)體外部，放置于水泥漿槽中，采用水泥砂漿澆筑；

(5)養(yǎng)護(hù)、試樣脫模，并進(jìn)行后期處理，得到含各向異性節(jié)理類巖石試樣。

步驟(1)中，可先采用地質(zhì)調(diào)查方法，獲取工程現(xiàn)場節(jié)理角度、形狀及尺寸等信息，然后通過Rhino5.0三維建模軟件進(jìn)行建模，得到節(jié)理三維模型。其中，節(jié)理傾角可包括0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°。

步驟(2)中，優(yōu)選的，節(jié)理實(shí)體的打印原料由石膏與水按照質(zhì)量比1.5:1配制得到。

步驟(3)中，試樣外部模具包括模具外壁，優(yōu)選的，該模具外壁可拆卸，由至少兩片模具片拼接而成。試樣外部模具可為標(biāo)準(zhǔn)圓柱樣模具或標(biāo)準(zhǔn)立方體樣模具。