[发明专利]一种含复杂结构面岩体模型三维应力场的获取方法

说明书

技术领域

本发明属于工程技术领域，具体是涉及一种含复杂结构面岩体模型三维应力场的获取方法，用于岩石力学模型试验、岩石强度分析、岩石断裂扩展分析等方面。

背景技术

岩体的断裂破坏与其内部的应力场密切相关。从断裂力学和岩石破裂的微观角度来看，岩体的破坏往往都是由内部节理、裂隙等埋藏型结构面在应力场的作用下扩展、延伸、连通造成的。因此，含复杂结构面的岩体应力场的获取，以及结构面之间的联合作用规律和应力集中现象对于科学研究和工程应用都具有重要的意义。尽管许多学者已经利用数值模拟的手段，对岩体应力场特征和结构面之间的联合作用规律进行研究，并取得了很多有益的成果，但是与之相应的模型试验却进步缓慢。主要原因在于以下两点：（1）难以制作含复杂结构面的岩体模型，（2）岩体内部应力分布属于“黑箱”问题，难以通过普通的试验手段进行观测和测量。

本发明以3D打印机的复杂建造技术和光弹测试技术为基础，重点解决了以上两个限制因素。本发明的提出不仅能够促进模型试验的发展，对于岩体力学行为的研究也具有重要的应用价值。

发明内容

为解决含复杂结构面的岩体应力场的获取，研究结构面之间的联合作用规律和应力集中现象的问题，本发明结合3D打印机的复杂建造技术和光弹测试技术，提供了一种有效、可行的试验方法。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种含复杂结构面岩体模型三维应力场的获取方法，包括如下步骤：

（1）通过光弹测试原理，利用四点弯曲试验测定成型材料的应力“冻结”条纹值，确定快速成型材料最佳“冻结”温度；

（2）生成岩体结构面网络系统和岩体CAD模型：利用计算机程序生成岩体结构面网络系统，并根据该虚拟网络系统，生成岩体CAD模型；

（3）岩体模型检查与打印：将岩体CAD模型导入到虚拟打印软件中进行检查，排除结构面精度、结构方面的错误，并选择合适的打印方向，检查完毕后将岩体CAD模型输入到3D打印机中，并利用快速成型材料进行打印；

（4）应力“冻结”：将打印好的岩体模型放入程控变温箱中，并对岩体模型施加单轴或三轴荷载，通过升温和/或降温对岩体内部应力进行“冻结”；

（5）模型切片，测定应力条纹值：将应力“冻结”后的岩体模型进行激光切片，并将每一切片放在光弹测试仪中进行应力条纹值测量；

（6）重建岩体模型应力场：根据步骤（1）中测定的应力“冻结”条纹值，将每一切片的应力条纹值转化为真实条件下的应力值数据，把获取的应力值数据顺序导入绘图软件中，利用内插法重建岩体模型应力场。

所述步骤（1）中快速成型材料采用透明的树脂类光敏材料，所述四点弯曲试验试样尺寸大小为20cm×4cm×0.7cm的扁平六面体，所述温度应为从室温稳定上升到快速成型材料的软化温度。

所述步骤（3）中3D打印机的成型技术为“PolyJet-液体喷印成型技术”。

所述的打印机支撑材料性质设置为“最疏松”级别。

所述步骤（4）中升温的最高温度为步骤（1）确定的快速成型材料的最佳“冻结”温度。

所述步骤（4）中的升温阶段温度梯度不超过15℃/小时，降温阶段温度梯度控制在5℃/小时以下。

所述步骤（5）在水浴环境中用高能激光对岩体模型进行切片，并对切割的表面进行打磨处理，切片厚度不大于3mm。

所述步骤（5）测定应力条纹值时对每一个切片依次进行一次正射、二次斜射。

所述的正射时透射偏振光场中光线角度与切片垂直，所述斜射时的斜射角度为15°-20°。

为提高试验精度，需要打印两个含完全相同结构的岩体模型进行平行试验，所述步骤（5）中的切片采用“十字形”切片方式。

本发明的有益效果如下：

本发明含复杂结构面岩体模型三维应力场的获取方法，以3D打印机的复杂建造技术和光弹测试技术为基础，重点解决了现有技术中“难以制作含复杂结构面的岩体模型”和“岩体内部应力分布属于黑箱”的两个限制因素，从而通过普通的试验手段进行观测和测量，不仅能够促进模型试验的发展，对于岩体力学行为的研究也具有重要的应用价值。

附图说明

图1为本发明中的快速成型材料四点弯曲试验示意图；

图2为本发明中的岩体模型的“十字形”切片方式示意图。

具体实施方式