[发明专利]一种基于3D打印技术研究软硬互层岩体力学行为的方法

权利要求书

1.一种基于3D打印技术研究软硬互层岩体力学行为的方法，其特征在于：包括：①岩石与结构面的样品采集、②天然软硬互层岩体层面三维激光扫描、③类岩石材料3D打印与物理模型制作、④开展相应的岩石力学试验四个过程。

2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术研究软硬互层岩体力学行为的方法，所述步骤一具体为：

(1)选取软硬互层岩体地区进行广泛的调查，调查真实条件下软硬互层岩体软层厚度、硬层厚度、现场节理产状等地质要素信息，作为岩体力学试验的现场数据支撑。

(2)选取软硬互层岩体界面具有显著差异的几处调查点，采集含有软硬互层岩体交界面的层面样品。

3.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术研究软硬互层岩体力学行为的方法，所述步骤二具体为：

利用三维激光扫描仪(Handyscan 3D，精度0.05mm)扫描采集的软硬互层岩体层面形态，生成三维数字化网格，选择具有显著起伏形貌差异的2条作为代表性层面，分别截取20cm×20cm的网格面积，生成STL文件，作为输入3D打印机的指令文件。

4.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术研究软硬互层岩体力学行为的方法，所述步骤三具体为：

(1)物理模型材料的选取

开展软硬互层岩体物理模型试验必须选用合适的打印基材，根据文献报道和调研，选择两种具有不同力学性质的材料分别模拟软、硬岩石：①针对硬脆岩选用VisiJet PXL类石膏粉末材料为打印基材，渗透剂选用Saltwater cure，采用三维印刷(3DP)工艺进行试样制备，打印层厚精度0.1mm。②针对软弱岩选用基体材料为Flexible resin(高柔性弹性光敏树脂)来进行模拟，选择立体光刻(SLA)工艺进行试样制备。两种试样均可使用Objet 500connex3多功能3D打印机打印。根据以往研究表明，两种岩石物理模型的基本物理力学参数可达到表1所示水平，其中，Flexible resin作为一种典型的树脂材料，与其他脂类材料相似，具有显著的流变特征，这为后期物理模型恒压试验的开展创造了流变变形条件。

对模拟材料通过3D打印制作出的标准试件开展力学测试，系统自带的3D打印软件可通过改变试样内部饱和度参数来调节试样内部胶水用量，因此设置4种不同的胶水饱和度，分别为100％、125％、150％、175％，在每种情况下开展硬脆岩试样的单、三轴压缩试验、巴西劈裂试验，获取不同饱和度下硬脆岩的抗压强度、抗拉强度、模量、泊松比等参数。

对于柔性光敏树脂打印材料，稀释剂的加入量的多少会影响光敏树脂的凝胶率，进而影响光敏树脂的力学性能。因此开展泥岩打印试件在加入稀释剂浓度为5％、15％、20％、25％下的三轴压缩试验，获取不同饱和度下泥岩的抗压强度、抗剪强度参数、模量和泊松比等参数。

(2)物理模型的3D打印制作

从所采集的砂岩结构面样品中选出具有代表性的两条作为样本，根据砂岩样品上、下两个结构面的形貌数字信息，通过三维重建得到结构面及三维几何模型的STL文件，采用3D打印技术进行软硬互层岩体物理模型试样的制作。分别制作软硬双层组合模型可用于剪切试验，制作软-硬-软互层组合模型可用于压缩试验。3D打印软硬互层岩体模型试样尺寸为如下表(表2表3) 。

5.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术研究软硬互层岩体力学行为的方法，所述步骤四具体为：

(1)压缩试验：

①当需要考虑因素众多时，采用正交实验设计。实验所用试样为3D打印制作的类砂岩泥岩互层模型，依据如表3所示不同层厚的组合，利用岩石刚性压力机开展不同压力下的恒压实验。

②岩石力学试验过程监测

在对物理模型试样加载过程中，实时获取试验的变形和破裂信息。使用声发射系统监测岩体内部的损伤破裂，对损伤破裂区进行三维定位，获得节理的破裂演化过程。为准确获取软、硬岩层的三维应变，通过光纤测量试样的侧向膨胀变形，尤其是测量软硬岩接触面上、下的变形；同时采用MTI非接触式应变测量系统观察试样的整体应变，获得应变场，并通过系统自带程序反演应力场。

通过综合监测获得加载过程中垂直节理的破裂行为特征，包括破裂位置、破裂方向、破裂顺序。

(2)剪切试验

界面的剪切行为是二维中心发散型各向异性剪切，因此针对同一组3D打印的软、硬组合样品，分别以1MPa、2MPa、3MPa、5MPa、10MPa 5种法向应力条件，按照8个不同方向开展结构面各向异性剪切试验。在软硬岩接触剪切试验过程中，通过MTI非接触式应变测量系统观察剪切面上、下岩体的应变，并获取微剪切位移与剪应力之间的关系。