基于DIC的3D打印交叉节理试件破裂机制研究

为研究交叉节理的存在对岩体破裂机制的影响,采用3D打印技术制备了可模拟岩体交叉结构面的节理模型,通过相似材料浇筑形成含预制交叉节理的试件,并基于数字图像相关技术(DIC)分析了单轴压缩下试件裂纹起裂、扩展及破坏模式。研究结果表明:采用3D打印技术制作的闭合节理模型,可以有效替代传统的切割、插缝等方法形成的张开型节理裂隙。基于此展开的试验结果表明,交叉节理存在会显著降低试件强度,且随着交叉角度的增大,试件强度先升高后降低,在45°和60°之间达到最大值,峰值应变与强度呈现相反的变化规律;裂纹扩展过程可分为微裂隙闭合阶段、微破裂发展阶段、主节理起裂扩展阶段和次节理迅速延伸阶段,这与应力-应变曲线各阶段一一对应。研究还发现,在交叉节理岩体中,次节理对破裂的影响主要体现在峰后阶段,结合最大畸变能理论表明,其对主节理尖端应力分布影响较小,主节理对岩体的破坏起绝对控制作用,这对岩体工程有一定的指导意义。     

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。     

基于不同后处理方法的砂型3D打印类岩石试样力学性能研究

3D打印技术作为一种快速成型技术在岩石室内试验中有着极大的应用潜力,但3D打印试样的低强度、低刚度一直是亟待解决的关键问题之一。为了能够找到提高3D打印类岩石试样强度、刚度的方法,选用GS19砂和呋喃树脂为打印材料,以砂型3D打印类岩石试样为研究对象,在此基础上采用3种后处理方法（真空渗入、低温处理以及渗入低温相结合）分别对试样进行后处理,对经后处理的砂型3D打印类岩石试样开展单轴压缩试验以研究其力学性能,并结合扫描电镜从微观层面分析了力学性能变化的原因。研究表明：不同后处理方法会改变试样的力学性能,其中渗入、低温相结合的方法对试样的强度和刚度提高最为显著,这与试样内部胶结状态发生变化相关。研究结果可为今后3D打印技术在岩石试验中的应用提供新的研究思路。     

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。     

含交叉裂隙节理岩体单轴压缩破坏机制研究

对含交叉裂隙相似材料试件进行单轴压缩试验,用Abaqus对含交叉裂隙节理岩体进行应力分析,研究了含交叉裂隙节理岩体单轴压缩下的破坏机制。结果表明：交叉裂隙的主裂隙与加载方向呈30°、45°时,主裂隙是裂隙扩展及破坏的控制裂隙,此时含交叉裂隙岩体强度高于含单向裂隙岩体,是由于主裂隙裂尖最大环向应力σθmax低于单向裂隙;主裂隙与加载方向呈0°或90°时,次裂隙是控制裂隙;主裂隙与加载方向呈0°时,大部分次裂隙裂尖σθmax及裂尖最大应力强度因子KⅡmax高于单向裂隙,因此,此时大部分含交叉裂隙岩体强度低于含单向裂隙岩体;在主裂隙与加载方向呈90°工况组中,主、次裂隙夹角为45°时,次裂隙裂尖KⅡmax最大,所以此工况组中此时强度最低。     

高温作用后3D打印岩体试样力学性能初探

实际岩土工程中经常遇到高温环境,研究3D打印岩体试样在高温作用后的力学性能对促进3D打印技术在工程领域的应用具有重要意义。以GS19砂和呋喃树脂作为打印基材,运用3D打印技术制备内部结构高度一致的岩体试样,研究不同温度作用后3D打印岩体试样的力学性能,结合电镜扫描试验从微观层面上分析不同温度作用后3D打印岩体试样力学性能产生变化的原因。提出了3D打印岩体试样的最优温度,并研究了含预制裂隙的3D打印岩体试样在最优温度作用后的破坏特征。研究表明：3D打印岩体试样的单轴抗压强度与劈裂抗拉强度随温度的不断升高均呈现先增大后降低的规律,最优温度为150℃;在最优温度作用后,含不同倾角预制裂隙的3D打印岩体试样的破坏过程包含压密、微裂纹萌生、裂纹稳定扩展、贯通破坏四个阶段,裂纹的初始萌生位置均出现在预制裂隙处但随着预制裂隙倾角的变化而有所不同,扩展路径总是趋向于荷载加载的方向并大致呈中心对称形式。     

高温作用后3D打印岩体试样力学性能初探

实际岩土工程中经常遇到高温环境,研究3D打印岩体试样在高温作用后的力学性能对促进3D打印技术在工程领域的应用具有重要意义。以GS19砂和呋喃树脂作为打印基材,运用3D打印技术制备内部结构高度一致的岩体试样,研究不同温度作用后3D打印岩体试样的力学性能,结合电镜扫描试验从微观层面上分析不同温度作用后3D打印岩体试样力学性能产生变化的原因。提出了3D打印岩体试样的最优力学温度,并研究了含预制裂隙的3D打印岩体试样在最优力学温度作用后的破坏特征。研究表明:3D打印岩体试样的单轴抗压强度与劈裂抗拉强度随温度的不断升高均呈现先增大后降低的规律,最优力学温度为150℃;在最优力学温度作用后,含不同倾角预制裂隙的3D打印岩体试样的破坏过程包含压密、微裂纹萌生、裂纹稳定扩展、贯通破坏4个阶段,裂纹的初始萌生位置均出现在预制裂隙处但随着预制裂隙倾角的变化而有所不同,扩展路径总是趋向于荷载加载的方向并大致呈中心对称形式。     

含二阶起伏体的模拟岩体节理试样剪切特性试验研究

利用规则的小尺寸锯齿构造二阶起伏体,对不同二阶起伏体高度的人工节理进行常法向应力下的直剪试验,研究了节理剪切力学特性。对节理的剪切强度、变形特征进行了分析,并对破坏特征做出解释。试验结果表明：二阶起伏体对节理剪切力学特性有重要影响,含二阶起伏体节理的剪切力学特性与只含有一阶起伏体节理的剪切力学特性不同,只含一阶起伏体的节理剪应力只有一个峰值,含二阶起伏体的节理会出现波浪状的剪胀曲线和多峰值剪应力,且峰值剪应力随剪切位移增大依次出现并逐个减小;随着二阶起伏体高度增大,节理峰值剪切强度增大,节理依次出现磨损破坏、多次性剪断破坏、一次性剪断破坏。     

模拟岩石节理试样剪切变形特征和破坏机制研究

通过RMT－150C电伺服试验机,利用人工浇注素混凝土节理试样进行了不同剪切变形速率、法向应力和起伏角情况下的剪切试验,研究了节理破坏模式和刚度特征及其与起伏角、剪切变形速率和法向应力之间的关系。研究结果表明,试样破坏模式主要受起伏角控制,小起伏角情况下节理呈现磨损破坏模式,大起伏角情况下节理呈现剪断破坏模式,法向应力和剪切变形速率对节理破坏模式有一定的影响;节理的剪切刚度随剪切变形速率和起伏角的增大而增大,增大幅度随变形速率的增大有减小趋势;节理的剪切刚度随法向应力的增大而增大,基本呈线性关系。提出了考虑剪切速率和起伏角度影响的节理剪切刚度公式,并根据试验结果对剪切刚度公式进行了拟合。     

基于SHPB试验的粗糙节理面动态损伤特征研究

分析节理岩体在动态加载下的节理面损伤有助于把握节理岩体的动态破坏本质特征。针对节理形貌对节理岩体动态压缩破坏影响研究较少的现状,利用改进后的分离式霍普金森压杆装置(SHPB)对含粗糙节理的试样进行冲击试验,结合3D扫描仪等设备对多次低幅值冲击荷载下的节理面损伤特征进行定量研究。研究结果表明:粗糙节理试样在多次加载情况下,典型波形图表现出透射波幅值降低的现象,认为应力波在节理处的透射能力削弱与节理面出现的损伤现象有关;利用波速探伤技术验证了多次冲击荷载下岩块部分损伤较弱,而节理面的损伤现象更加显著,具体特征为粗糙节理面的整体起伏度减小,粗糙度增加;引入体积损失率以定量评价节理面损伤程度,发现节理吻合度系数(JMC)、节理凸起分布情况及节理起伏角对节理面的损伤具有不同程度的影响;最后,利用试验数据计算了耗散能以定义损伤变量,发现具有较小节理吻合度系数(JMC)的节理面表现出更剧烈的节理损伤程度;然而在比较节理试样的前后损伤变量发现,利用新定义的损伤变量反映节理岩体的损伤存在一定局限。     

非均质共面断续节理岩体拉伸剪切破裂机制研究

工程开挖面附近卸荷扰动区的岩体,受结构面和拉应力共同影响作用,其变形和破坏具有拉剪复合特征。为研究节理岩体的拉剪力学特性,基于颗粒离散元法针对共面断续节理岩体开展了系列数值模拟研究。通过假设粒间接触的力学参数服从Weibull分布表征岩体的非均质性,探讨了非均质性、均质度、法向拉应力和节理连通率对节理岩体拉剪强度和破坏模式的影响。研究表明:拉剪应力条件下非均质性节理岩体主要沿阶梯型破裂面破坏,剪应力-水平位移曲线可以分为线性变形阶段、非线性变形阶段、峰值及峰后阶段;随均质度提高,节理岩体的剪切强度逐渐增加且提升幅度逐渐减弱,趋于均质岩体,岩体中微裂纹由弥散型分布向破裂面集中;节理岩体峰值剪切强度和法向拉应力的大小呈非线性负相关关系;岩体剪切强度随节理连通率增加而显著降低。     

含预制裂纹巴西盘试样破裂模式的数值模拟

利用岩石破裂过程分析系统（RFPA）软件, 进行了岩石含中心裂纹的巴西盘在单轴压缩荷载作用下破裂过程的数值模拟。数值模拟再现了含不同预制裂纹角度时巴西盘试样所表现出不同的破裂模式以及主裂纹的产生、扩展、贯通、次生裂纹的产生等过程,得到的破裂模式结果与有关文献中的实验结果十分吻合。除此以外,数值试验还能够给出在物理实验中不能观察到的应力场信息及岩石的破裂机制。     

含两组交叉贯通节理岩体的强度及破坏特征分析

天然岩体中常含有多组相互交叉的贯通节理,它们的存在极大地削弱了岩体的力学性质。为了研究含两组交叉贯通节理岩体的强度及破坏特征,基于弹塑性数值流形方法,对不同应力状态下,节理倾角和节理间距不同的岩体压缩试验进行数值模拟。结果表明：岩体强度随节理倾角的变化曲线呈现出多波峰、多波谷特点,岩体强度随节理间距变化曲线符合负指数函数形式。根据节理状态,两组节理岩体的破坏模式可以分为3种：岩块破坏、沿一组节理滑移和沿两组节理滑移。两组节理均会影响岩体强度,一组起主要作用,另一组起次要作用,并且节理组之间存在相互影响。通过对数值计算结果进行回归分析,基于一组节理岩体强度预测模型,量化节理组之间的相互影响,提出适用于含两组交叉贯通节理岩体的强度预测模型。模型形式简单,使用方便,可为实际工程中正确评估岩体强度提供指导性意见。     

含横向节理的柱状节理岩体力学特性试验研究

针对柱状节理岩体的构造特性,采用水泥砂浆等材料制作出具有不同柱体倾角且含有横向节理分布的柱状节理岩体模型,并通过单轴压缩试验,研究柱体倾角和横向节理对岩体各向异性力学特性及破坏机制的影响。结果表明：试样峰值强度和变形模量随柱体倾角变化曲线均近似为U形,并体现出典型的各向异性特征;随着柱体倾角的变化,试样单轴压缩破坏模式可分为垂直于柱体轴向的劈裂破坏、沿纵向节理面的剪切滑移破坏、滑移破坏与劈裂破坏同时发生的复合破坏和平行于柱体轴向的劈裂破坏4类;横向节理的存在降低了柱状节理岩体沿柱轴方向的完整性,并影响了劈裂破坏裂纹的分布与扩展,因此,横向节理切割柱体是影响柱状节理岩体承载能力的重要因素。     

3D打印弯曲根系拉拔力学特性试验研究

天然根系具有不同弯曲形态,对根土相互作用特性影响极大。以往研究多将根系视为顺直,未充分考虑弯曲根系拉拔受力变形特征、破坏模式。利用3D打印技术制作弯曲根系,开展3种根径（2.0,3.5,5.0 mm）、5种弯曲度（1.00,1.05,1.10,1.15,1.20）的根系拉伸、拉拔试验,探索弯曲根系的拉拔力学特性。结果表明：根系拉伸特性受到弯曲结构和自身材料性质共同影响,根系最大拉伸力、拉伸变形刚度随弯曲度增加而减小,随直径增加而增大;根系峰值拉拔力随弯曲度增加呈先增大后减小,弯曲度1.15时最大,峰值拉拔位移呈类似变化趋势;弯曲根系齿肋挤压土体形成啮合作用,有助于增强根土相互作用;弯曲细根系的拉伸力和拉伸刚度低,更容易与土体协同变形承担拉拔荷载。弯曲根系受力变形与直根系差异极大,研究结果可为弯曲形态根系固土评价提供理论参考。     

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。