一種含自然結(jié)構(gòu)面的耦合剪切試樣制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種含自然結(jié)構(gòu)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(gòu)面形態(tài)的相似材料耦合剪切試樣的制作方法，它可用來(lái)重復(fù)制作表面形態(tài)與巖體自然結(jié)構(gòu)面完全相同的剪切試樣，為巖石自然結(jié)構(gòu)面剪切試驗(yàn)研宄提供一種上盤與下盤完全吻合的剪切試樣。
【背景技術(shù)】
[0002]地球表面巖體經(jīng)歷了歷史上多次復(fù)制的拉伸、擠壓、旋轉(zhuǎn)等地質(zhì)構(gòu)造作用，其內(nèi)部存在大量相互交錯(cuò)的巖體結(jié)構(gòu)面。這些巖體中的自然結(jié)構(gòu)面明顯劣化了巖體的完整性，使得其力學(xué)強(qiáng)度和穩(wěn)定性降低，是導(dǎo)致工程建設(shè)中巖體穩(wěn)定與安險(xiǎn)的主要風(fēng)險(xiǎn)源之一。為深入認(rèn)識(shí)巖體自然結(jié)構(gòu)面力學(xué)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(gòu)面的剪切試樣，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)具有一定起伏度的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行多次重復(fù)剪切試驗(yàn)。
[0003]然而，構(gòu)成含自然結(jié)構(gòu)面的剪切試樣的上盤試塊和下盤試塊之間的陰陽(yáng)耦合是其制作時(shí)的關(guān)鍵難題。因?yàn)橹挥兄谱鞯募羟性囼?yàn)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(lái)的試樣的剪切試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際工程巖體結(jié)構(gòu)面力學(xué)特性一致。但是，現(xiàn)有涉及含自然結(jié)構(gòu)面剪切試樣的制作技術(shù)儲(chǔ)備明顯缺乏:
(I)通常一些含結(jié)構(gòu)面剪切試樣的制作技術(shù)與研宄側(cè)重于其結(jié)構(gòu)面形態(tài)的人工模具制造方法，而未能細(xì)致考慮如何實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)面上盤試塊和下盤試塊之間的緊密接觸?！稁r土力學(xué)》，2013年第4期，題名“系列尺度巖石結(jié)構(gòu)面相似表面模型制作的逆向控制技術(shù)研宄”，作者黃曼等，研制了結(jié)構(gòu)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(dú)立制作的，制作時(shí)相似材料凝固過程中溫度和人工誤差將無(wú)法確保由最終上下盤組合在一起的含結(jié)構(gòu)面試樣完全吻合；中國(guó)專利公開號(hào)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(gòu)面試樣制作模具”，該申請(qǐng)案本提出一種包括定位底座，模具外框和齒形活動(dòng)板，角度和尺寸可調(diào)的鋸齒狀結(jié)構(gòu)面試樣制作模具，并詳細(xì)闡明了模具的使用方法，但未提出可靠技術(shù)實(shí)現(xiàn)含巖體結(jié)構(gòu)面上盤試塊與下盤試塊之間的緊密吻合；中國(guó)專利公開號(hào)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(gòu)面試樣制作模具”，該申請(qǐng)案涉及一種起伏度可控的波狀起伏結(jié)構(gòu)面試樣制作模具方法，但未提出充分技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)含結(jié)構(gòu)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(gòu)面試樣的研宄多注重其相似材料研宄和剪切力學(xué)性質(zhì)分析，未專門考慮結(jié)構(gòu)面上盤與下盤的高度吻合技術(shù)，從而無(wú)法可靠地確保含巖體結(jié)構(gòu)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(xué)與工程學(xué)報(bào)》，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(jī)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(jìn)行了不同剪切變形速率、法向應(yīng)力和起伏角情況下的剪切試驗(yàn)，制作的試樣存在明顯的氣孔，顯然無(wú)法實(shí)現(xiàn)其上盤與下盤的完全耦合；中國(guó)專利公開號(hào)CN101718644A，公開日2009.12.07，發(fā)明名稱“一種直剪試驗(yàn)結(jié)構(gòu)面模型的制作方法”，該申請(qǐng)案采用原狀巖石結(jié)構(gòu)面做模具，并通過涂脫模劑和鋪隔離膜的技術(shù)進(jìn)行含結(jié)構(gòu)面剪切試樣制作，但由于隔離膜具有一定厚度從而無(wú)法確保上盤試塊與下盤試塊之間的上凸或下凹的結(jié)構(gòu)面尖點(diǎn)之間完全吻合；中國(guó)專利公開號(hào)CN101717224A，公開日2010.06.02，發(fā)明名稱“直剪試驗(yàn)結(jié)構(gòu)面模擬巖石及制作工藝”，該申請(qǐng)案提出一種包括砂、水泥、水、硅粉及減水劑的結(jié)構(gòu)面模擬巖石材料，但未闡明其含結(jié)構(gòu)面上盤與下盤耦合技術(shù)；《巖土力學(xué)》，2010年第11期，題名“巖石結(jié)構(gòu)面力學(xué)原型試驗(yàn)相似材料研宄”，作者杜時(shí)貴等，該研宄研制以高強(qiáng)水泥、硅粉、高效減水劑、標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)面模型進(jìn)行大量物理力學(xué)試驗(yàn)的對(duì)比分析，但為能說明如何實(shí)現(xiàn)含結(jié)構(gòu)面試樣的上盤與下盤吻合；《巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)》，2010年第4期，題名“規(guī)則齒型結(jié)構(gòu)面剪切特性的模型試驗(yàn)研宄”，作者沈明榮等，該論文通過規(guī)則齒型結(jié)構(gòu)面在不同法向應(yīng)力下的剪切試驗(yàn)，對(duì)其力學(xué)特性進(jìn)行基礎(chǔ)性研宄，提出試樣制作過程中采用分層加料和分層搗實(shí)的澆筑方法，同樣未能提出有效技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)其上盤與下盤的完全耦合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)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(gòu)面的耦合剪切試樣制作方法，為自然結(jié)構(gòu)面剪切試驗(yàn)研宄提供一種上盤與下盤完全吻合的剪切試樣。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種含自然結(jié)構(gòu)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(jìn)行:
A.獲取巖體的自然結(jié)構(gòu)面的點(diǎn)云數(shù)據(jù):
選取掃描用的裸露巖體的自然結(jié)構(gòu)面，清潔自然結(jié)構(gòu)面表面后噴灑反差增強(qiáng)劑，按5.0-8.0厘米間距在自然結(jié)構(gòu)面表面隨機(jī)貼上標(biāo)記點(diǎn)，利用高精度白光掃描儀采用分片掃描方式測(cè)量貼有標(biāo)記點(diǎn)的自然結(jié)構(gòu)面，然后基于共同的標(biāo)記點(diǎn)對(duì)分片掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，得到巖體的自然結(jié)構(gòu)面的完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；
B.打印含自然結(jié)構(gòu)面的模具試件:
通過逆向工程分析軟件，對(duì)經(jīng)步驟A得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行由點(diǎn)到面，由面到體的方式處理后生成含自然結(jié)構(gòu)面的虛擬三維立體模型，將三維立體模型的電子文件導(dǎo)入3D打印機(jī)中打印，通過3D打印得到與裸露巖體自然結(jié)構(gòu)面表面一致的含自然結(jié)構(gòu)面的模具試件；
C.利用相似材料制作含自然結(jié)構(gòu)面的上盤試塊和下盤試塊:
對(duì)鑄鐵試模內(nèi)壁涂上薄層油脂，采用霧化噴灑方式對(duì)模具試件的自然結(jié)構(gòu)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(gòu)面朝上，在鑄鐵試模底板與模具試件底部之間設(shè)置墊塊使得自然結(jié)構(gòu)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(xì)磨石英砂 2?4份，
水0.45?0.55份
減水劑0.005?0.015份
構(gòu)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(dòng)泵對(duì)相似材料搗實(shí)，搗實(shí)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(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范GB50204-2002》對(duì)鑄鐵試模內(nèi)上盤試塊進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，等上盤試塊凝固后取出并采用霧化噴灑方式對(duì)上盤試塊的自然結(jié)構(gòu)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(gòu)面朝上，同樣將質(zhì)量配比別為: 快硬水泥 I份細(xì)磨石英砂 2?4份，
水0.45?0.55份
減水劑0.005?0.015份
構(gòu)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(dòng)泵對(duì)相似材料搗實(shí)，搗實(shí)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(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范GB50204-2002》對(duì)鑄鐵試模的下盤試塊進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，將凝固的下盤試塊取出，采用可揮發(fā)除油膜液分別對(duì)上盤試塊和下盤試塊的自然結(jié)構(gòu)面表面上的油膜清洗干凈，依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范GB50204-2002》對(duì)上盤試塊和下盤試塊進(jìn)行齡期養(yǎng)護(hù)，等達(dá)到規(guī)定養(yǎng)護(hù)時(shí)間后即得到含自然結(jié)構(gòu)面的耦合剪切試樣。
[0007]由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明可以克服以往含自然結(jié)構(gòu)面的剪切試樣無(wú)法大量重復(fù)制作的困難，具有如下技術(shù)效果:
(1)由于采用了高精度白光掃描儀對(duì)巖體自然結(jié)構(gòu)面進(jìn)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(gòu)面的形態(tài)；
(2)由于采用了3D打印技術(shù)制作含自然結(jié)構(gòu)面的模具試樣，從而可以快速和方便地為大批量復(fù)制含巖體自然結(jié)構(gòu)面形貌的試樣提供了高精度母版，這為開展多次重復(fù)性的自然結(jié)構(gòu)面剪切試驗(yàn)奠定了前提條件；
(3)由于采用了制作的含自然結(jié)構(gòu)面的上盤試塊作為基礎(chǔ)制作下盤試塊，從而確保制作的由上下盤構(gòu)成的剪切試樣中的自然結(jié)構(gòu)面完全耦合，這對(duì)于精細(xì)研宄巖體自然結(jié)構(gòu)面的剪切破壞機(jī)理具有重要意義。
[0008]【附圖說明】:
附圖1為含自然結(jié)構(gòu)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(gòu)面耦合剪切試樣的下盤試塊制作過程。
[0010]【具體實(shí)施方式】:
下面結(jié)合附圖1和附圖2，對(duì)本發(fā)明一種含自然結(jié)構(gòu)面的耦合剪切試樣制作方法作進(jìn)一步詳細(xì)描述:
見附圖1和附圖2。
[0011 ] 一種含自然結(jié)構(gòu)面的耦合剪切試樣制作方法，
(1)掃描巖體的自然結(jié)構(gòu)面形態(tài):選取裸露巖體自然結(jié)構(gòu)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(qiáng)劑，用來(lái)增強(qiáng)巖體自然結(jié)構(gòu)面的反差效果，待反差增強(qiáng)劑干燥后，按5-8厘米間距在在巖體自然結(jié)構(gòu)面表面隨機(jī)貼上掃描標(biāo)記點(diǎn)，打開標(biāo)定好的白光掃描儀器，把處理好的巖體自然結(jié)構(gòu)面樣品放在掃描儀下進(jìn)行掃描，采用不斷移動(dòng)巖體自然結(jié)構(gòu)面樣品的分片掃描方式測(cè)量貼有標(biāo)記點(diǎn)的巖體自然結(jié)構(gòu)面，然后基于共同的標(biāo)記點(diǎn)對(duì)分片掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，得到巖體自然結(jié)構(gòu)面的完整的點(diǎn)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(gòu)面2的虛擬立體模型:通過逆向工程的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件Geomagic Stud1，將對(duì)掃描獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行由點(diǎn)到面處理得到虛擬的自然結(jié)構(gòu)面2，調(diào)整自然結(jié)構(gòu)面2的數(shù)字化曲面的傾斜度，再將自然結(jié)構(gòu)面2的曲面邊界剪切成規(guī)則形狀，再通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)進(jìn)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(gòu)面2的模具試樣3:將制作好的虛擬三維自然結(jié)構(gòu)面模型文件轉(zhuǎn)換成3D打印機(jī)可識(shí)別的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)格式，通過3D打印得到與裸露巖體自然結(jié)構(gòu)面表面一致的含自然結(jié)構(gòu)面2的模具試件3;
(4)模具試樣3的固定:對(duì)鑄鐵試模4的內(nèi)壁