[發明專利]含隨機結構面網絡的巖體模型3D打印及力學參數獲取方法

在審

• 申請號: 202110324485.X
• 申請日: 2021-03-26
• 公開（公告）號: CN113146797A
• 公開（公告）日: 2021-07-23
• 發明（設計）人: 黃磊;曹桂乾;唐輝明;譚欽文
• 申請（專利權）人: 中國地質大學（武漢）
• 主分類號: B28B1/00
• 分類號: B28B1/00;B33Y10/00;G01N1/28;G01N3/08;G01N29/04
• 代理公司: 武漢誠儒知識產權代理事務所(普通合伙) 42265
• 代理人: 邱琳

本發明提供了一種含隨機結構面網絡的巖體模型3D打印及力學參數獲取方法，采樣含有隨機結構面網絡的天然巖體，獲取結構面網絡三維空間掃描圖像或三維空間分布特征，并獲取其力學參數值，取天然巖體同一地點采樣的巖石進行3D打印獲得復制模型，對比其與天然巖體試樣的力學參數值，調整打印方案直至二者具有相似的力學性質，利用調整后的打印方案打印多個復制模型，開展各項物理力學試驗，獲得力學參數。本發明能夠準確模擬天然巖體結構，有效研究含有隨機結構面網絡巖體的力學性質，同時重復再現巖體隨機結構面網絡，便于開展多組試驗從而獲取此模型的不同力學參數，對含有隨機結構面網絡巖體的力學性質的研究具有重要意義。

技術領域

本發明涉及一種含隨機結構面網絡的巖體模型3D打印及力學參數獲取方法，屬于巖石力學領域。

背景技術

巖體中發育的隨機結構面網絡顯著影響巖體力學行為，如變形和破壞，從而危害巖體工程安全和使用壽命。開展含有結構面網絡的巖體力學參數值的獲取工作成為實際需求，為此，需要多個相同的能夠進行重復試驗的巖體隨機結構面網絡樣本。實際中不同地點即使是相鄰地點的結構面網絡幾何特征和力學性質也不盡相同，因此，需要一種能夠實現重復再現巖體隨機結構面網絡的技術和基于此技術生成的模型的力學參數獲取方法。

3D打印技術的興起為實現重復再現巖體隨機結構面網絡提供了一個可能途徑。前人多采用如聚乳酸PLA、光敏樹脂等材料進行3D打印巖石樣本，但因其強度不足或脆性較低等缺點無法模擬真實巖體；另有一部分人以水泥、石膏等為原材料進行3D打印，也無法精準模擬巖體礦物成分，讓獲得可靠的巖體力學參數成為困難。

發明內容

為了解決現有技術的不足，本發明提供了一種含隨機結構面網絡的巖體模型3D打印及力學參數獲取方法，解決了現有打印材料無法精準模擬天然巖體結構的問題，能夠實現重復再現巖體隨機結構面網絡，進而獲得可靠的含有隨機結構面網絡的巖體力學參數。

本發明為解決其技術問題所采用的技術方案是：提供了一種含隨機結構面網絡的巖體模型3D打印及力學參數獲取方法，包括以下步驟：

S1、采樣含有隨機結構面網絡的天然巖體試樣，獲取天然巖體試樣的結構面網絡三維空間掃描圖像或三維空間分布特征，對天然巖體試樣開展物理力學試驗，獲取含有隨機結構面網絡的天然巖體試樣的力學參數值；

S2、根據天然巖體試樣的結構面網絡三維空間掃描圖像或三維空間分布特征，建立隨機結構面網絡三維數字模型；

S3、取與天然巖體試樣同一采集地點的巖石，對巖石進行粉末化處理，選取膠粘劑，按照隨機結構面網絡三維數字模型進行3D打印，獲得含有結構面網絡的天然巖體試樣的復制模型；

S4、對復制模型開展與步驟S1中天然巖體試樣相同的物理力學試驗，獲取復制模型的力學參數值，與天然巖體試樣的力學參數值進行對比，若不相似，則調整打印方案重新進行3D打印，直至復制模型與天然巖體試樣具有相似的力學性質為止；

S5、采用調整好的打印方案，打印一組復制模型，分別開展物理力學試驗以獲取含隨機結構面網絡的巖體模型的力學參數。

步驟S1中，天然巖體試樣的結構面網絡三維空間掃描圖像通過CT掃描和圖像處理獲得；結構面網絡三維空間分布特征通過激光掃描識別結構面在二維平面上的分布特征并進行換算估計獲得。

步驟S1中，結構面網絡三維空間分布特征包括結構面產狀概率分布、結構面隙寬概率分布、結構面尺寸概率分布、結構面密度、結構面粗糙度，物理力學試驗包括單軸壓縮試驗和/或聲波測試，或者包括三軸壓縮試驗和/或聲波測試。

步驟S2具體包括以下過程：

S201、根據步驟S1獲得的天然巖體試樣的結構面網絡三維空間掃描圖像或三維空間分布特征，建立用于3D打印的隨機結構面網絡三維數字模型；

S202、根據試驗需求，選取3D打印工藝和3D打印設備；