[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

说明书

本发明公开一种基于3D打印技术研究软硬互层岩体力学行为的方法，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；相比于以往的试样制备方法，本发明具有以下优点：3D打印模型内部材料近似均质，因此在进行试验时其损伤的演化规律更容易观察到；3D过程中通过控制胶水浓度和胶水的饱和度以实现不同强度的软硬互层岩体模型；通过天然岩石结构面的扫描和提取，采用3D打印对天然结构面进行重构，更能真实反映软硬互层岩体的界面条件。

技术领域

本发明属于岩体力学领域，具体涉及一种基于3D打印技术研究软硬互层岩体力学行为的方法。

背景技术

软硬互层岩体常见于沉积地层，在我国具有着极其广泛的分布。软硬互层岩体由于其及其特殊的地质环境以及自身的力学性质而普遍发育着大量的张性结构面，这一类结构面的存在，使岩体完整性降低，弱化了岩体力学性质。而节理的张性特征，则打破了岩体结构的紧密状态，引发岩体承载力不足、稳定性丧失、渗透性增强等问题。因此，开展对软硬互层岩体的力学性质、破坏形式的研究，为揭示软硬互层岩体内部结构面的发育机制打下了良好基础，为软硬互层地区的广大岩石工程的防灾减灾研究提供了有力支撑。

但现场软硬互层岩体经过长时间的演化内部的完整性较差，无法观察试样的裂缝填充过程；另外，受尺寸的限制，试样制作工艺和试验过程极其不方便。因此，急需一种物理模型既满足天然状态下的岩石结构面的形貌状态，又能直观观察互层岩体在受力条件下的损伤的演化过程。

随着3D打印技术的进步以及打印材料的发展，一些学者开始探索性地将这项技术引入到岩体力学的研究工作中。然而，由于3D打印材料和工艺的局限性，对于复杂的互层岩体基质力学性质的模拟尚不完善。主要问题有：(1) 缺少基于3D打印的层状岩体类材料制备方法，尤其是针对界面异质性剪切力学行为的软硬互层岩体。(2)缺少研究所选材料对成品物理力学行为的影响，无法评价模型力学演化过程对3D打印技术的响应。(3)较少的研究涉及软硬互层岩体的3D精细打印以及力学行为监测的整套流程方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于3D打印技术研究软硬互层岩体力学行为的方法，以更方便直观地观察软硬互层岩体的破坏过程，进而为软硬互层地区的广大岩石工程的防灾减灾研究提供了有力支撑。

本发明的目的是提供一种基于3D打印技术研究软硬互层岩体力学行为的方法，主要包括以下几个步骤：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，如图1所示。

其中，步骤1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，作为岩石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。

其中，步骤2具体为：

如图2所示，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。

其中，步骤3具体为：

(1)物理模型材料的选取

如图3所示，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。