基于DIC技术的3D打印节理试件破裂机制研究

为了准确表征不同角度预制节理岩石在单轴压缩下的变形破坏模式,基于3D打印技术制作了节理模型用于模拟岩体中的结构面,通过水泥砂浆的浇筑得到含不同角度预制节理的岩石试件并进行单轴压缩试验,同时采用数字图像相关技术（DIC）观测、分析试验过程中试件裂纹产生、扩展以及贯通过程。结果表明：随着预制节理从0°增加到90°,试件强度与峰值应变均呈现先降低后升高的变化趋势,0°和45°试件弹性模量相对于完整试件有所降低。基于DIC检测结果,0°、30°、45°及60°试件裂纹皆从预制节理尖端部位起裂,各角度试件的起裂应力与试件强度变化规律一致。各角度试样起裂时在剪应力控制下以剪切翼型裂纹形式起裂,0°与45°试件裂纹在扩展过程由剪切发展为张拉型裂纹,30°和60°试件以剪切裂纹形式贯穿始终,90°试件从底部起裂并最终表现为张拉破坏。研究还发现,下翼起裂角θ2和上翼起裂角θ1之间存在明显的线性正相关关系,关系式为θ2 =0.828 6θ1 +12.185,且起裂应力大小变化与峰值应力变化一致,皆随节理角度的增加先减小后增大。     

3D打印交叉节理试件力学破裂特性研究

交叉节理普遍存在于实际岩体中,但其对岩体力学破裂特性的影响至今未有全面深入的研究。制作了含3D打印交叉节理试样,采用声发射、CT扫描技术和数字图像相关技术(DIC)分析手段对单轴条件下含交叉节理试样的力学及破裂特性进行了研究。研究结果表明:(1)主节理倾角较小时裂隙的分形维数DB与单轴强度、弹性模量和泊松比之间的变化关系比主节理倾角较大时的一致性更好,前者破裂模式的规律性好于后者。(2)主节理倾角较大时压密和弹性阶段节理和块体之间在张拉作用下会产生聚集性微破裂声发射事件,主节理倾角较小时不会产生这种现象。DIC应变云图中裂隙扩展路径上的微应变先于宏观破裂,可通过计算压缩条件下微应变最大区域预测破裂模式。(3)主节理对起裂角和裂隙扩展模式起主要作用,且声发射和分形特性具有统一性。次节理平行最大主应力时,总损伤主要由主节理扩展造成,累积声发射事件数量AAEE和DB均最大。AAEE和DB越大,破裂模式越复杂。(4)三维破裂模式以节理端部扩展产生的2~3个张拉翼裂隙面为主,内部三维宏观裂隙面上存在由不完全张拉破裂引起的非连续结构。     

基于CT扫描的含非贯通节理3D打印试件破裂规律试验研究

传统岩石钻孔取芯制备的试件存在同批次内部结构不明确、力学性质差异大等缺点,而插缝法制备试件存在预制节理产状不易控制、精度低、周期长等缺点。3D打印技术克服了传统试件制备方法的不足,但试件存在强度低、塑性高的缺点。采用3D打印技术制作了无节理完整试件A-1-1和非贯通平行四节理试件B-1-1,并进行了真空干燥处理和单轴压缩试验,对试件B-1-1进行了CT扫描试验和内部裂隙三维重构。获得了单轴压缩后该试件的应力-应变曲线、表观破裂模式和试件B-1-1内部裂隙的分布情况。试验结果表明:试件A-1-1的应力-应变曲线与未干燥试件的对比说明真空干燥可提高试件强度减小塑性变形,为3D打印试件在岩石力学领域的适用性研究提供参考;试件A-1-1的应力-应变曲线与煤岩对比,表观破裂模式与中砂岩的对比均相似,说明3D打印试件可用于类似岩石的力学研究;单轴压缩条件下"翼形扁颈漏斗状"破裂模式是使非贯通平行四节理试件失去承载能力的主要破裂模式,其裂隙产生、扩展、贯通演化规律表现为复杂的拉剪组合演化,且内部破裂模式与表观破裂模式存在很大差异,表观破裂模式不能准确表征内部破裂模式。     

基于3D打印和DIC技术的裂隙网络模型变形破裂特征及填充物影响效应

由于工程岩体内部裂隙分布的复杂性,含裂隙网络的物理模型制作是困扰岩石力学试验研究的关键问题之一。提出了一种以水溶性材料为打印基材,以聚乳酸材料为支撑底座的裂隙网络模型3D打印方法。利用打印材料的水溶特性,提出了一种裂隙网络类岩石模型试件制备方法。利用数字图像相关方法,定量研究了裂隙网络类岩石模型试件加载过程中的变形破裂特征,并进一步分析了填充物的影响规律。试验结果表明:采用3D打印技术可以实现复杂裂隙网络模型的制备,模型试件力学特性具有很好的可重复性;裂隙网络类岩石模型试件应力-应变曲线在峰前出现多次明显的应力跌落,而峰后曲线呈现出塑性应变软化现象;DIC技术可以捕捉裂隙网络类岩石模型试件加载全过程的全局应变场,其变形破裂过程表现出应变局部化渐进演化特性,反映了裂纹萌生、扩展及贯通规律;不同的裂隙填充工况会影响模型试件的力学参数和应变场分布,这体现了所提出制备方法的优势,即能够填充符合工程实际情况的裂隙填充物。     

基于3D打印的含复杂节理岩石直剪特性及破坏机制研究

岩体中节理的几何形态及力学特性是影响其剪切力学特性及破坏模式的重要因素之一。基于3D打印技术,建立了不同节理粗糙系数(JRC)的节理模型、几何形态节理模型和复杂裂隙网络物理模型,通过开展室内直接剪切试验分析了各组试件的剪切强度及破坏模式。结果表明节理模型的抗剪强度随JRC波动性较大,波动幅值越高,峰值剪切位移越低;平面形节理模型的峰值抗剪强度最低,矩形节理模型的峰值抗剪强度最高,正弦形和三角形节理试件的抗剪能力相近;离散裂隙网络模型和粗糙裂隙网络模型的峰值抗剪强度显著低于实心试件,考虑了节理粗糙性的裂隙网络模型抗剪强度高于直线型节理模型;实心试件破坏模式为典型脆性剪切破坏,裂隙网络模型的破坏模式相对复杂,沿着剪切方向主剪切裂面波动萌生,破断面由多个节理面的交叉点破坏与沿节理面的滑移构成。研究成果可以为3D打印技术的推广和复杂节理岩体剪切力学特性的室内试验研究提供参考。     

基于3D打印技术的柱状节理岩体试样力学特性试验研究

为了研究柱状节理岩体各向异性力学特征,基于白鹤滩水电站坝基柱状节理岩体的几何形态,引入一种可溶于水的聚乙烯醇（polyvinyl alcohol,简称PVA）材料,通过3D打印技术建立具有不同倾角的柱状节理网络结构,采用水泥砂浆作为类岩石材料制备柱状节理岩体试样。通过开展室内单轴压缩试验,分析了柱状节理岩体试样在单轴压缩应力下的各向异性力学特征。结果表明：柱状节理岩体的各向异性特征依赖于节理的倾角。柱状节理岩体的峰值强度和模量随着节理倾角的增加均呈现出近似U型曲线;试样主要产生垂直于柱体轴向的张拉裂隙、沿节理面的剪切裂隙和平行于柱体轴向的拉伸裂隙。通过力学各向异性评估发现峰值强度和残余强度各向异性程度为0.68和0.52,弹性模量和变形模量的各向异性程度为0.61和0.63。研究成果为柱状节理岩体的各向异性力学特性研究提供参考。     

基于DIC的含不同角度3D打印粗糙交叉节理试样破裂机制研究

粗糙交叉节理广泛存在于实际岩体中,含不同角度粗糙交叉节理试样的力学破裂演化特性研究对岩体工程具有重要的指导意义。基于Barton节理轮廓曲线,通过3D打印技术制作不同角度粗糙交叉节理模型,浇筑成试样后进行单轴压缩试验,并采用DIC技术对试样表面的变形特征进行了处理与分析。结果表明:主节理倾角较大试样的单轴强度基本小于主节理倾角较小试样,主次节理夹角γ在45°～60°之间时对试样的单轴抗压强度和弹性模量影响最大;通过对DIC应变云图、节理尖端全程应变和应变率激增点分析可知,起裂主要发生在主节理上下端和次节理上端,起裂应力在峰值应力的90%至峰值阶段,屈服阶段裂隙扩展速度缓慢,快速扩展主要发生在峰后阶段;粗糙交叉节理试样的起裂方向与平直节理试样不同,节理尖端裂隙多以剪切形式存在,远端在最大主应力的作用下多演化为张拉裂隙;主节理下端的应力强度因子基本大于次节理上端,说明主节理对试样的破裂起主要作用,节理尖端的K_Ⅱ多大于K_Ⅰ,说明起裂扩展受剪切作用大于张拉作用。     

预制节理岩体试件强度及破坏模式的试验研究

采用相似材料模型试验对不同节理倾角、节理贯通度、节理组数、载荷应变率、试件长径比、节理充填物厚度及类型等7种工况下的预制节理岩体在单轴压缩下的峰值强度及破坏模式进行了研究。结果表明：节理岩体的破坏模式及峰值强度与节理构造形态密切相关。贯通节理岩体将产生沿节理面的剪切破坏或穿切节理面破坏,且与第1种破坏模式对应的岩体峰值强度更低。非贯通节理岩体的强度介于完整岩体和贯通节理岩体之间。随着平行节理组数的增加,岩体峰值强度逐渐下降。随着载荷应变率的增加,岩体峰值强度逐渐增大,相应地试件的破坏模式也变得更加复杂。试件长径比基本没有改变其破坏模式,完整试件仍主要是以张拉破坏为主,而节理试件仍以剪切破坏为主。随着长径比增加,试件峰值强度逐渐增大。随着节理充填物厚度增加,试件峰值强度降低。不同节理填充物对试件峰值强度也有一定影响。     

含折线型裂隙砂岩试件翼型裂纹起裂与扩展机制研究

岩体内部赋存的裂隙很多表现为折线型,为探究这类岩体的断裂机制,制备含折线型裂隙砂岩试件并对其进行单轴压缩试验。采用数字图像相关(DIC)方法计算加载过程中的变形场演化,根据新生裂纹两侧的位移差异识别裂纹类型;运用扩展有限元法(XFEM)模拟断裂过程,根据应力分布特征解释翼型裂纹起裂与扩展机制。DIC计算结果表明,新生裂纹处出现应变局部化带,裂纹两侧发生相对分离;含直线型和折线型裂隙砂岩试件的翼型裂纹分别萌生于预制裂隙端部以及折角处,这是因为裂隙几何形态会改变拉应力集中位置;含折线型裂隙砂岩试件的起裂应力小于含直线型裂隙砂岩试件,这是因为相同加载条件下前者的最大拉应力值更大;这2类试件的裂纹扩展均是由于裂纹尖端集中的拉应力引起的,裂纹依然呈张开状态;裂隙几何形态未改变试件的最终破坏模式,均表现为对角剪切破坏。     

3D打印技术在岩石物理力学试验中的应用

3D打印技术在岩土工程领域的应用还处于初步探索阶段,但其可重复制造含复杂内部结构的试样是常规室内试验无法实现的。现阶段制约3D打印技术在岩石物理力学试验中应用的主要因素在于3D打印试样强度偏低,延性较强。初步探讨了3D打印后干燥时间、打印胶水浓度对试样强度的影响,在此基础上提出了最优化打印方案,使打印试样在强度和脆性方面均有很大提升;通过改变打印方向模拟了天然层状节理岩石的各向异性特征。研究结果表明,随着打印倾斜角度的增加,3D打印试样的单轴抗压强度先减小后增大,呈"U"型变化趋势,抗拉强度也随打印方向的改变出现明显的各向异性特征,这与天然层状节理岩石相关研究成果相似。研究成果可为3D打印技术在岩土工程领域的推广和室内试验研究提供参考。     

基于3D打印技术的岩体结构面各向异性剪切力学行为

结构面形貌特征是影响结构面剪切行为的重要因素,而且结构面形貌特征的各向异性与其剪切力学行为的各向异性之间存在一定的联系。利用三维激光扫描和3D打印技术模拟了天然结构面,并以水泥砂浆为材料浇筑了尺寸为100 mm×100 mm×150 mm的含结构面试样,开展了不同法向应力下沿不同方向的剪切试验。结果表明,结构面的剪切行为具有明显的各向异性,这种特性可以体现在峰值剪切强度及相应的剪切位移和抗剪强度参数上;在低法向应力条件下,峰值剪切强度各向异性的强弱程度与法向应力之间并非呈现简单的单调变化关系;抗剪强度参数c（黏聚力）、f（内摩擦角）值沿不同剪切方向的变化趋势总体上较相似;通过分析不同剪切方向上c、f值相对于0°方向的差异程度,可以发现剪切方向对c值的影响更为强烈。移动阅读     

Digital spatial cracking behaviors of fine-grained sandstone with precracks under uniaxial compression

X-ray computed tomography (CT) imaging and digital image correlation techniques are applied to study spatial cracking behaviors of sandstone under uniaxial compression, in which the angle between precracks is 45°, 90°, and 135° and the crack depth is 7.5 mm and 10 mm, respectively. Layered anisotropy damages and spatial cracking evolution are quantitatively analyzed by the defined digital layered anisotropy index and digital damage ratio, respectively. Three cases with different array of precracks evidence the depth effects of precracks on spatial crack propagation. Results show that the failure process of samples is first controlled by the coalescence of surface cracks in 2D space and then the samples are failed by the propagation of coalesced cracks (shear cracks with different shapes). The crack types for samples with precrack depth of 7.5 mm are all shear cracks for Cases 1‑3. Nevertheless, the crack types for samples with precrack depth of 10 mm are, respectively, the half X-shape crack for Case 1, X-shape crack for Case 2, and double shell crack for Case 3. The precrack has a significant promotion effect on the failure process when the angle between the two precracks is β = 90°, and the precrack has little to no effect on the failure process when the angle between the two precracks is β = 135°. As the depth of precrack increases to 10 mm, the crack types are changed in this study. The peak strength of sample subjected to uniaxial compression decreases with increasing depth of precracks, implying the decrease of the rock strength by the discontinuity.     

单轴压缩条件下锚杆对含三维表面裂隙试样的锚固效应试验研究

在岩石相似材料试件中设置三维表面裂隙,制作不同锚固方式的试件,对其进行单轴压缩试验,研究锚杆对试件强度以及预置裂隙扩展模式的影响。试验结果表明,与无锚试件相比,4种加锚试件的抗压强度和压缩弹性模量均有不同程度的提高,而且锚杆对压缩弹性模量的增强效果比对抗压强度的增强效果更显著。4种加锚试件的残余强度大体相等,比无锚试件的残余强度提高了2.0～2.5倍。加锚试件的破坏过程大致分4个阶段:孔隙裂隙压密阶段、弹性变形至微弹性裂隙发展阶段、非稳定破坏阶段和破裂后阶段,试件表面宏观裂纹均出现在破裂后阶段。由于锚杆的加固止裂作用,预置裂隙的扩展模式发生变化,加锚试件内部出现了弧形破裂面和剪切薄弱面。试验中共出现3种裂纹:张拉裂纹、剪切裂纹和拉剪复合裂纹。     

基于三维扫描与打印的岩体自然结构面试样制作方法与剪切试验验证

无法大量制作表面形态完全一致的含自然结构面的剪切试样一直是困扰岩石结构面力学试验深入研究的难题之一。借助最新发展的3D打印和表面快速扫描技术,提出了岩石自然结构面试样制作新方法。该方法采用三维扫描仪获得岩石自然结构面表面形态的高精度点云数据,然后通过逆向工程软件重构自然结构面的表面形态和含自然结构面的虚拟剪切模型,进而通过3D打印技术制作含自然结构面的PLA（绿色环保材料聚乳酸）塑材模具,最后借助PLA结构面模具在制样盒内通过相似材料浇筑成型出剪切试样,从而实现批量制作结构面形貌完全一致的相似材料结构面剪切试样,满足多种组合试样方案下岩石自然结构面的深入分析。采用这一方法针对3种岩石自然结构面进行了批量制作和剪切试验测试表明：（1）浇筑制作成试样的结构面表面高程与原始结构面高程之间的误差分析显示,岩石自然结构面可以高精度地复制到剪切试样中;（2）相同剪切试验条件下多个剪切试样的剪切位移-剪切力曲线的重合度非常高,表明制作的结构面剪切样的一致性好且试验结果离散性小;（3）通过剪切结构面试样在剪切前后的表面形态扫描分析发现,相同试验条件下自然结构面的剪切破坏形态具有非均匀性。     

地矿行业3D打印技术的应用现状

随着地矿行业大转型的发展趋势,三维业务的需求日益增长。3D打印技术近年来蓬勃发展,作为新的应用切入点,相较于传统的制造工艺,更适用于制造精细、复杂、异形、多彩以及一定强度的地矿行业三维模型。通过国内外多项打印技术的对比,认为SLA、FDM、3DP、PolyJet等4类技术最适宜地矿行业模型定制化的打印需求。目前3D打印在地矿行业的测绘、城市地质、设计、矿山、科研、教学、地质环境等各方面均有应用,有较好的应用前景。受3D打印技术的制约,现阶段以打印单色或双色模型为主,且模型表面"台阶效应"难以避免。如何打印出色彩逼真且没有任何毛刺的物品,是3D打印技术在地矿行业应用的一大发展目标。     

基于3D雕刻技术的岩体结构面剪切各向异性研究

相同形貌结构面重复性剪切试验和各向异性剪切试验一直是岩体结构面剪切力学特性试验研究中的难点,而该问题对于工程岩体的开挖力学响应和稳定性分析、评价与控制至关重要,问题的关键在于同一种岩石的结构面形貌的再现。为此,基于3D扫描和3D雕刻技术,重复制备了3种不同粗糙度的大理岩结构面试样,开展了不同法向应力下相同形貌结构面的各向异性剪切试验。试验结果发现：（1）同一法向应力、不同剪切方向下,相同形貌结构面的剪切强度、剪胀和剪切破坏特征均呈现明显各向异性;（2）结构面粗糙度各向异性很大程度上决定了剪切强度的各向异性,两者具有较好的正相关性;（3）随着法向应力的升高,结构面剪切特征的各向异性有逐渐弱化的趋势。同时,研究还充分表明,3D雕刻技术是系统开展结构面剪切力学特征各向异性研究的可靠手段,可在将来研究中发挥更为重要的作用。     

岩石I型裂纹定向扩展规律试验研究

为精准获得岩石I型裂纹扩展演化全过程,采用一种简易裂纹定向扩展装置开展了不同岩性试样裂纹扩展试验研究,借助声发射及数字散斑技术对裂纹扩展全过程进行了监测,建立了裂纹定向扩展力学模型,分析了裂纹扩展过程中声发射及变形场的演化规律,提出了评价岩石I型裂纹扩展难易程度的能量指标CE,探讨了I型裂纹定向起裂扩展机制。结果表明：该简易裂纹定向扩展装置能够有效实现I型裂纹沿预定方向稳定扩展,其起裂角均小于10º,同时通过简化力学模型计算得到白砂岩、灰砂岩的裂纹扩展峰值强度与巴西劈裂抗拉强度相比偏差分别为22.76%、7.53%;根据变形场演化规律,可将裂纹扩展分为微裂隙发育（散斑变形场分区不明显）、主控裂纹孕育（散斑变形场出现分区现象）和主控裂纹扩展3个阶段;声发射演化过程可分为平静期、缓增期、急增期和降低期4个阶段,由于灰砂岩相较于白砂岩质地更致密、更坚硬,导致其声发射平静期长,而后3个阶段持续时间短;将载荷−位移曲线峰前与峰后的面积之比定义为评价岩石I型裂纹扩展难易程度的能量指标CE,计算得到灰砂岩、白砂岩的CE分别为13～16、1～2,表明CE可有效评价岩石I型裂纹扩展难易程度;岩石I型裂纹起裂扩展机制可概况为：在加载峰值前裂隙尖端受最大拉应力作用,存储的弹性能快速增加、耗散能缓慢增加,但在加载峰值后裂隙尖端存储弹性能超过其储能极限迅速释放,此时输入能大部分转化为耗散能促进主控裂纹快速扩展。后续将对裂纹定向扩展试验装置进一步优化改进,以期为裂纹扩展机制、岩石破坏前兆信息、裂纹止裂原理等研究提供一种新方法,同时为工程现场煤岩层定向爆破、压裂、止裂等相关技术优化提供理论指导。