一種含自然結(jié)構面的耦合剪切試樣制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種含自然結(jié)構面的耦合剪切試樣制作方法，更具體涉及一種含巖體結(jié)構面形態(tài)的相似材料耦合剪切試樣的制作方法，它可用來重復制作表面形態(tài)與巖體自然結(jié)構面完全相同的剪切試樣，為巖石自然結(jié)構面剪切試驗研宄提供一種上盤與下盤完全吻合的剪切試樣。
【背景技術】
[0002]地球表面巖體經(jīng)歷了歷史上多次復制的拉伸、擠壓、旋轉(zhuǎn)等地質(zhì)構造作用，其內(nèi)部存在大量相互交錯的巖體結(jié)構面。這些巖體中的自然結(jié)構面明顯劣化了巖體的完整性，使得其力學強度和穩(wěn)定性降低，是導致工程建設中巖體穩(wěn)定與安險的主要風險源之一。為深入認識巖體自然結(jié)構面力學特性，目前通常都采用類似巖石的相似材料制作含人工結(jié)構面的剪切試樣，從而實現(xiàn)實驗室條件下對具有一定起伏度的結(jié)構面進行多次重復剪切試驗。
[0003]然而，構成含自然結(jié)構面的剪切試樣的上盤試塊和下盤試塊之間的陰陽耦合是其制作時的關鍵難題。因為只有制作的剪切試驗上盤巖塊與下盤巖塊緊密接觸，才能確保采用相似材料制作出來的試樣的剪切試驗結(jié)果與實際工程巖體結(jié)構面力學特性一致。但是，現(xiàn)有涉及含自然結(jié)構面剪切試樣的制作技術儲備明顯缺乏:
(I)通常一些含結(jié)構面剪切試樣的制作技術與研宄側(cè)重于其結(jié)構面形態(tài)的人工模具制造方法，而未能細致考慮如何實現(xiàn)結(jié)構面上盤試塊和下盤試塊之間的緊密接觸?！稁r土力學》，2013年第4期，題名“系列尺度巖石結(jié)構面相似表面模型制作的逆向控制技術研宄”，作者黃曼等，研制了結(jié)構面上、下盤的系列尺度試樣模具，但由于上盤與下盤是分別獨立制作的，制作時相似材料凝固過程中溫度和人工誤差將無法確保由最終上下盤組合在一起的含結(jié)構面試樣完全吻合；中國專利公開號CN103645081A，公開日2014.03.19，發(fā)明名稱“一種角度和尺寸可調(diào)的鋸齒狀結(jié)構面試樣制作模具”，該申請案本提出一種包括定位底座，模具外框和齒形活動板，角度和尺寸可調(diào)的鋸齒狀結(jié)構面試樣制作模具，并詳細闡明了模具的使用方法，但未提出可靠技術實現(xiàn)含巖體結(jié)構面上盤試塊與下盤試塊之間的緊密吻合；中國專利公開號CN103674646A，公開日2014.03.26，發(fā)明名稱“一種起伏度可控的波狀起伏結(jié)構面試樣制作模具”，該申請案涉及一種起伏度可控的波狀起伏結(jié)構面試樣制作模具方法，但未提出充分技術手段實現(xiàn)含結(jié)構面上盤試塊與下盤試塊之間的完全耦合。
[0004](2)其它一些涉及巖體結(jié)構面試樣的研宄多注重其相似材料研宄和剪切力學性質(zhì)分析，未專門考慮結(jié)構面上盤與下盤的高度吻合技術，從而無法可靠地確保含巖體結(jié)構面剪切試樣的上盤試塊與下盤試塊之間的完全耦合?！稁r石力學與工程學報》，2008年第7期，題名“模擬巖石節(jié)理試樣剪切變形特征和破壞機制研宄”，作者李海波等，該研宄基于鋼板模具，通過人工澆注素混凝土節(jié)理試樣進行了不同剪切變形速率、法向應力和起伏角情況下的剪切試驗，制作的試樣存在明顯的氣孔，顯然無法實現(xiàn)其上盤與下盤的完全耦合；中國專利公開號CN101718644A，公開日2009.12.07，發(fā)明名稱“一種直剪試驗結(jié)構面模型的制作方法”，該申請案采用原狀巖石結(jié)構面做模具，并通過涂脫模劑和鋪隔離膜的技術進行含結(jié)構面剪切試樣制作，但由于隔離膜具有一定厚度從而無法確保上盤試塊與下盤試塊之間的上凸或下凹的結(jié)構面尖點之間完全吻合；中國專利公開號CN101717224A，公開日2010.06.02，發(fā)明名稱“直剪試驗結(jié)構面模擬巖石及制作工藝”，該申請案提出一種包括砂、水泥、水、硅粉及減水劑的結(jié)構面模擬巖石材料，但未闡明其含結(jié)構面上盤與下盤耦合技術；《巖土力學》，2010年第11期，題名“巖石結(jié)構面力學原型試驗相似材料研宄”，作者杜時貴等，該研宄研制以高強水泥、硅粉、高效減水劑、標準砂、水等原料混合而成的模擬材料，并利用其制得的試樣及結(jié)構面模型進行大量物理力學試驗的對比分析，但為能說明如何實現(xiàn)含結(jié)構面試樣的上盤與下盤吻合；《巖石力學與工程學報》，2010年第4期，題名“規(guī)則齒型結(jié)構面剪切特性的模型試驗研宄”，作者沈明榮等，該論文通過規(guī)則齒型結(jié)構面在不同法向應力下的剪切試驗，對其力學特性進行基礎性研宄，提出試樣制作過程中采用分層加料和分層搗實的澆筑方法，同樣未能提出有效技術手段實現(xiàn)其上盤與下盤的完全耦合。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]針對上述存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種含自然結(jié)構面的耦合剪切試樣制作方法，為自然結(jié)構面剪切試驗研宄提供一種上盤與下盤完全吻合的剪切試樣。
[0006]為了達到上述目的，本發(fā)明的技術解決方案是:一種含自然結(jié)構面的耦合剪切試樣制作方法，所述的制作方法按以下步驟進行:
A.獲取巖體的自然結(jié)構面的點云數(shù)據(jù):
選取掃描用的裸露巖體的自然結(jié)構面，清潔自然結(jié)構面表面后噴灑反差增強劑，按5.0-8.0厘米間距在自然結(jié)構面表面隨機貼上標記點，利用高精度白光掃描儀采用分片掃描方式測量貼有標記點的自然結(jié)構面，然后基于共同的標記點對分片掃描的數(shù)據(jù)進行拼接，得到巖體的自然結(jié)構面的完整的點云數(shù)據(jù)；
B.打印含自然結(jié)構面的模具試件:
通過逆向工程分析軟件，對經(jīng)步驟A得到的點云數(shù)據(jù)進行由點到面，由面到體的方式處理后生成含自然結(jié)構面的虛擬三維立體模型，將三維立體模型的電子文件導入3D打印機中打印，通過3D打印得到與裸露巖體自然結(jié)構面表面一致的含自然結(jié)構面的模具試件；
C.利用相似材料制作含自然結(jié)構面的上盤試塊和下盤試塊:
對鑄鐵試模內(nèi)壁涂上薄層油脂，采用霧化噴灑方式對模具試件的自然結(jié)構面表面噴灑油膜，然后將模具試件放置于鑄鐵試模內(nèi)，模具試件外輪廓線與鑄鐵試模內(nèi)輪廓線吻合，模具試件的含自然結(jié)構面朝上，在鑄鐵試模底板與模具試件底部之間設置墊塊使得自然結(jié)構面正好位于鑄鐵試模高度方向的中部，將質(zhì)量配分別為:
快硬水泥 I份細磨石英砂 2?4份，
水0.45?0.55份
減水劑0.005?0.015份
構成的相似材料混合并攪拌均勻后，一次性倒入鑄鐵試模內(nèi)，采用震動泵對相似材料搗實，搗實后抹平鑄鐵試模的頂斷面，使得相似材料正好填滿鑄鐵試模，依據(jù)《混凝土結(jié)構工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范GB50204-2002》對鑄鐵試模內(nèi)上盤試塊進行養(yǎng)護，等上盤試塊凝固后取出并采用霧化噴灑方式對上盤試塊的自然結(jié)構面的表面噴灑油膜，取出模具試件和墊塊，將噴灑了油膜的上盤試塊放置于鑄鐵試模內(nèi)，自然結(jié)構面朝上，同樣將質(zhì)量配比別為: 快硬水泥 I份細磨石英砂 2?4份，
水0.45?0.55份
減水劑0.005?0.015份
構成的相似材料混合并攪拌均勻后，一次性倒入鑄鐵試模內(nèi)，采用震動泵對相似材料搗實，搗實后抹平鑄鐵試模頂斷面，使得相似材料正好填滿鑄鐵試模，依據(jù)《混凝土結(jié)構工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范GB50204-2002》對鑄鐵試模的下盤試塊進行養(yǎng)護，將凝固的下盤試塊取出，采用可揮發(fā)除油膜液分別對上盤試塊和下盤試塊的自然結(jié)構面表面上的油膜清洗干凈，依據(jù)《混凝土結(jié)構工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范GB50204-2002》對上盤試塊和下盤試塊進行齡期養(yǎng)護，等達到規(guī)定養(yǎng)護時間后即得到含自然結(jié)構面的耦合剪切試樣。
[0007]由于采用了上述技術方案，本發(fā)明可以克服以往含自然結(jié)構面的剪切試樣無法大量重復制作的困難，具有如下技術效果:
(1)由于采用了高精度白光掃描儀對巖體自然結(jié)構面進行表面特征掃描，從而可以精確數(shù)字化地獲得巖體自然結(jié)構面的形態(tài)；
(2)由于采用了3D打印技術制作含自然結(jié)構面的模具試樣，從而可以快速和方便地為大批量復制含巖體自然結(jié)構面形貌的試樣提供了高精度母版，這為開展多次重復性的自然結(jié)構面剪切試驗奠定了前提條件；
(3)由于采用了制作的含自然結(jié)構面的上盤試塊作為基礎制作下盤試塊，從而確保制作的由上下盤構成的剪切試樣中的自然結(jié)構面完全耦合，這對于精細研宄巖體自然結(jié)構面的剪切破壞機理具有重要意義。
[0008]【附圖說明】:
附圖1為含自然結(jié)構面耦合剪切試樣的上盤試塊制作過程。
[0009]附圖2為含自然結(jié)構面耦合剪切試樣的下盤試塊制作過程。
[0010]【具體實施方式】:
下面結(jié)合附圖1和附圖2，對本發(fā)明一種含自然結(jié)構面的耦合剪切試樣制作方法作進一步詳細描述:
見附圖1和附圖2。
[0011 ] 一種含自然結(jié)構面的耦合剪切試樣制作方法，
(1)掃描巖體的自然結(jié)構面形態(tài):選取裸露巖體自然結(jié)構面，將其表面清掃干凈去除雜物后，噴上一層薄薄的表面反差增強劑，用來增強巖體自然結(jié)構面的反差效果，待反差增強劑干燥后，按5-8厘米間距在在巖體自然結(jié)構面表面隨機貼上掃描標記點，打開標定好的白光掃描儀器，把處理好的巖體自然結(jié)構面樣品放在掃描儀下進行掃描，采用不斷移動巖體自然結(jié)構面樣品的分片掃描方式測量貼有標記點的巖體自然結(jié)構面，然后基于共同的標記點對分片掃描的數(shù)據(jù)進行拼接，得到巖體自然結(jié)構面的完整的點云數(shù)據(jù)，最后保存成指定的文件格式；
(2)制作含自然結(jié)構面2的虛擬立體模型:通過逆向工程的計算機輔助設計軟件Geomagic Stud1，將對掃描獲得的點云數(shù)據(jù)進行由點到面處理得到虛擬的自然結(jié)構面2，調(diào)整自然結(jié)構面2的數(shù)字化曲面的傾斜度，再將自然結(jié)構面2的曲面邊界剪切成規(guī)則形狀，再通過計算機輔助設計進行封裝生成虛擬的三維立體模型并保存；
(3)打印自然結(jié)構面2的模具試樣3:將制作好的虛擬三維自然結(jié)構面模型文件轉(zhuǎn)換成3D打印機可識別的工業(yè)標準格式，通過3D打印得到與裸露巖體自然結(jié)構面表面一致的含自然結(jié)構面2的模具試件3;
(4)模具試樣3的固定:對鑄鐵試模4的內(nèi)壁