一種用人工巖石材料複製節理起伏度及實驗方法
2023-12-10 21:46:32
一種用人工巖石材料複製節理起伏度及實驗方法
【專利摘要】本發明公開了一種用人工巖石材料複製節理起伏度及實驗方法，先運用三維雷射掃描方法對節理表面輪廓線起伏度進行測量；通過輪廓跟蹤對圖形實施細化和去除噪點,對節理輪廓線進行圖像縮放變換和坐標變換，運用插值法得到輪廓線上各點的坐標值；讀取節理表面輪廓線數據，對節理表面輪廓線起伏度數位化後導入電火花切割控制機，用2Cr13合金鋼材加工鋼塊並製作砂漿節理；將不同厚度和含水率的節理夾泥或礦物粘土鋪設於砂漿節理的中間，進行節理力學實驗。本發明能真實地反映實際含節理充填物巖體物理狀態，通過後期實驗能研究節理充填物對節理巖體強度和變形特性的影響,適用於質量良好到破碎的各類巖體。
【專利說明】一種用人工巖石材料複製節理起伏度及實驗方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及巖土力學實驗技術，尤其涉及一種用人工巖石材料複製節理起伏度及實驗方法。
【背景技術】
[0002]天然巖體受地殼運動等影響，會產生大量節理、層理、斷層等不連續面，在漫長的地質年代中，在水巖相互作用下，節理之間巖石往往被風化並形成具有一定厚度的節理充填物，這些節理充填物的物理性質和力學特性，往往是影響隧道、邊坡等各類巖體工程穩定性的重要因素。
[0003]傳統的獲取巖石節理起伏度的方法是進行實地人工測量，通常使用的儀器有輪廓曲線儀、皮尺、地質羅盤等，這種測量方法不僅精度不高且需要測量人員攀爬危巖，而多數工程巖體表面人們無法到達，人工實地測量即耗時而又危險，測量範圍和精度都受到地質條件好壞的限制，因此通過採用三維雷射掃描方法，不僅能對各種地質條件下節理巖體的三維參數進行精確測量，而且安全可靠。
[0004]在工程應用方面，工程人員對測得的節理巖體三維參數只是進行定性的地質分析，並採取工程措施加以防治，並未針對特定的地質模型開展力學實驗，這使得地質調查過程投入精力與產出結果不相符合。
[0005]傳統室內製作節理的方法有以下三種:(I)澆模法:該法系在現場用矽膠將節理表面形態注模，然後在實驗室用石膏、水泥或硫化物澆築上下節理面的複製品。該法實驗過程中需要通過取芯來獲得上下節理面，過程較複雜。(2)巴西劈裂法和壓模剪切法。現有室內實驗常通過巴西劈裂法和壓模剪切法改變節理表面形態的實驗方法形成巖石節理，再通過力學實驗等分析節理對巖體工程影響，然而對於同一巖性的巖石而言，上述方法不僅難以得到不同節理面起伏度係數的節理，而且製作的節理與實際工程中的節理存在較大差別，不能模擬真實環境下節理受力和變形情況，加上製作後不能保證巖石節理完全一致，故不能成批量製作節理。(3)鋸開和噴砂處理。該法系用金剛砂鋸片切開巖石試樣，並磨光或經不同粒度的噴砂處理，形成不同起伏度的節理面。該法過程複雜，而且重複率也差。
[0006]而採用數控電火花線切割方法加工鋼模節理剖面，不僅能真實還原特定巖土工程節理的表面起伏度，成批量地製作節理的複製品，而且還可以將現場收集的節理夾泥或礦物粘土充填物鋪設在砂漿節理的表面，從而更準確地模擬節理真實條件，達到掌握節理充填物物理性質對節理巖體的強度和變形特性影響的目的。
【發明內容】
[0007]本發明提供了一種用人工巖石材料複製節理起伏度及實驗方法。該方法能準確地對巖體工程節理表面輪廓線起伏度和三維參數進行精確測量，採用電火花線切割方法加工的鋼塊，能真實還原特定巖土工程節理的表面起伏度和三維參數，實現了對節理巖體三維參數的充分利用，同時能批量製作節理複製品，將不同厚度和含水率的節理夾泥或礦物粘土鋪設於砂漿節理中間，能真實地反映實際節理巖體物理狀態，並通過後期實驗研究節理充填物物理性質對節理巖體強度和變形特性的影響。
[0008]為了解決上述技術問題，本發明採用了如下技術方案:
一種用人工巖石材料複製節理起伏度的方法，包括如下步驟:
1)運用三維雷射掃描方法對巖體工程節理表面輪廓線起伏度和三維參數進行精確測量，得到節理輪廓線圖形，具體操作過程如下:首先選擇所需要觀測的節理表面並進行初始位置標記，選定觀測巖面的三維雷射掃描儀位置，並通過儀器上的光柵發射器在測量位置產生5m?IOm的光柵框架，開機進行掃描，獲取節理輪廓線圖形；
2)獲取節理輪廓線圖形後，通過幾何糾正來減少掃描過程中產生的隨機誤差，在糾正後的節理輪廓線圖形中人工採集或自動識別出控制點，並採用輪廓跟蹤對節理輪廓線圖形中心線進行抽取，得到其骨架和中軸；再對節理輪廓線圖形進行多次迭代，每一次迭代過程中刪除噪點，然後應用多項式方法和雙線性插值方法，得到校正後的節理輪廓線，並由軟體自動讀取相應節理面產狀參數傾向、傾角和走向；
3)對節理輪廓線進行圖像縮放變換和坐標變換，首先統計節理表面平均高度和節理表面高度均方根，分析節理表面高度分布的離散性，接著將在節理平均高度下的垂直起伏度縮放為輪廓線上一點，高於節理平均高度的垂直起伏度按照相應線性比例進行縮放變換；水平方向上按節理輪廓線和製作的節理模型尺寸比例進行縮放標定；
4)運用插值法得到輪廓線上各點的坐標值，由於進行步驟3)後輪廓線上點都為離散點，為得到所有輪廓線上點的坐標值，對輸入輪廓線上的點坐標做插值處理，得到輪廓線上點的採樣函數，從而得到所有輪廓線上點的坐標值；接著以三維雷射掃描儀測量機位點作為坐標轉換的標誌點，進行坐標轉換，得到點雲數據圖，使得掃描數據坐標系統與實際情況相一致；用數位化儀將節理輪廓線數據讀入，依據Barton的粗糙度係數劃分規則取值為O?20，以便於對巖體節理分類；
5)用數控電火花線切割方法加工鋼塊上半部分和鋼塊下半部分:將節理輪廓線數據輸入電火花線切割機，將節理輪廓線設定為鋼塊的剖切線，在150mmX 150mmX 150mm或200mmX200mmX200mm的鋼塊上切得鋼塊上半部分和鋼塊下半部分；為防止線切割出現空刀或者斷絲現象，先使用角磨機切去表面凹凸的氧化層，並選擇下列電參數:脈衝間隔為3μ s?5μ s，倍率為3?4，電流為0.9Α?1.1A ;同時控制電極絲中心軌跡的補償量為
0.05 μ m?0.07 μ m，採用少量、多次切割，降低切割速度為15mm2/min?18mm2/min ;切割時選用濃度為12%?15%的合成線切割液，加工完後再進行淬火處理；
6)澆築砂漿節理試樣上半部分和砂漿節理試樣下半部分:先將鋼塊上半部分放入150mmX 150mmX 150mm或200mmX 200mmX 200mm的鋼模中，在鋼模四周及鋼塊上半部分均勻塗上脫模劑，設計類巖體砂漿材料灰砂比0.4?0.5、水灰比0.35?0.5，同時加入1%?
1.5%的速凝劑縮短拆模時間，所選砂粒經篩選後的粒徑小於5mm。為了避免由於試件材料強度和變形特性的差異而造成實驗結果的差異，每一批的試件都採用相同的材料、配合比、養護時間、模具。將水泥、沙子、速凝劑、水放入攪拌器中均勻攪拌3min?5min，迅速將其倒入組裝好的模具中，用鋼絲振搗至表面不再有氣泡溢出。將翻轉180度的鋼塊剖切線5數據輸入電火花線切割機，用同樣的方法和步驟製得砂漿節理試樣上半部分，用刮刀刮平試樣表面後放入養護箱內養護24小時,養護好後脫模，檢查試件端部平整度，剔除不符合實驗條件的試樣。
[0009]一種用含夾泥充填物的砂漿節理試樣獲取節理力學參數的實驗方法，包括如下過程:收集現場節理礦物粘土或夾泥充填物鋪設在步驟6)製得的砂漿節理試樣表面，配置含水率為10%?20%的夾泥充填物，再鋪設保鮮膜墊層，防止夯實過程中夾泥充填物的水分流失，採用自動土壤夯實機按設定次數50?70次夯實夾泥充填物，用切土刀切割夾泥充填物得到30mm?50mm厚度的夾泥充填物,再用鋼絲鋸將夾泥充填物削薄至設計厚度< 20mm,然後將夾泥充填物平鋪於砂漿節理中間，進行4組以上不同正應力下的壓剪實驗，通過改變夾泥充填物厚度與步驟3)統計得到的節理表面平均高度之比、夾泥充填物含水率和節理粗糙度這三項因素進行力學實驗，研究壓剪實驗條件下夾泥充填物的物理性質對砂漿節理的強度和變形特性的影響，獲得含夾泥充填物砂漿節理內聚力、內摩擦角、楊氏模量和泊松比等力學參數。
[0010]由於不含充填物節理時要求節理上下面閉合度高，要求在使用電火花切割方法製造上下節理面時應控制切割精度誤差應在0.01mm，而上下節理面的切割過程不僅需要保證輪廓線跟原節理面一致，還需要切割形成特定的傾角、走向，加工鋼塊上半部分和鋼塊下半部分時，採用熱處理淬透性好、變形小的2Crl3合金鋼材,加工厚度為150mm或200mm。
[0011]與現有技術相比，本發明的一種用人工巖石材料複製節理起伏度及實驗方法，具有如下優點:
I)通過採用三維雷射掃描方法，能對各種地質條件下節理巖體的三維參數進行精確測量，在提高測量精度的同時，避免了測量人員攀爬危巖帶來的危險。
[0012]2)通過對節理輪廓線進行圖像縮放變換和坐標變換，準確地對巖體工程節理表面輪廓線起伏度和三維參數進行測量，採用電火花線切割方法加工得到的鋼塊，能真實還原特定巖土工程節理的表面起伏度和三維參數傾向、傾角和走向，實現了對節理巖體三維參數的充分利用，同時解決了現有技術中不能批量製作節理複製品的問題。
[0013]3)通過將不同厚度和含水率的節理夾泥或礦物粘土鋪設於砂漿節理的中間，設計厚度為O?20mm的夾泥充填物，進行4組以上不同正應力下的壓剪實驗，獲得含充填物節理人工巖石材料內聚力、內摩擦角和泊松比等力學參數。試件能真實地反映實際節理巖體物理狀態，能研究節理充填物物理性質對節理巖體強度和變形特性的影響。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1是本發明砂漿節理試樣上半部分6製作示意圖；
圖2是本發明和砂漿節理試樣下半部分2製作示意圖；
圖3是本發明含一定厚度充填物的砂漿節理示意圖。
[0015]圖中:1 一鋼模；2—砂漿節理試樣下半部分；3—鋼塊的剖切線；4一鋼塊上半部分；5—翻轉180度的鋼塊剖切線；6—砂漿節理試樣上半部分；7—一定厚度夾泥充填物；8—鋼塊下半部分。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細地描述。
[0017]一種用人工巖石材料複製節理起伏度及實驗方法，該實驗方法包括如下步驟: 1)運用三維雷射掃描方法對巖體工程節理表面輪廓線起伏度和三維參數進行精確測量，得到節理輪廓線圖形，具體操作過程如下:首先選定所需要觀測的節理表面並進行初始位置標記，選定觀測巖面的三維雷射掃描儀位置，並通過儀器上的光柵發射器在測量位置產生5?IOm的光柵框架，開機進行掃描，獲取節理輪廓線圖形；
2)獲取節理輪廓線圖形後，通過幾何糾正來減少掃描過程中產生的隨機誤差，在糾正後的圖形中人工採集或自動識別出控制點，並採用輪廓跟蹤對圖形中心線進行抽取，得到其骨架和中軸；再對圖像進行多次迭代，每一次迭代過程中刪除噪點，然後應用多項式方法和雙線性插值方法，得到校正後的節理輪廓線，並由軟體自動讀取相應節理面產狀參數傾向、傾角和走向；
3)對節理輪廓線進行圖像縮放變換和坐標變換，首先統計節理表面平均高度和節理表面高度均方根，分析節理表面高度分布的離散性，接著將在節理平均高度下的垂直起伏度縮放為輪廓線上一點，高於節理平均高度的垂直起伏度按照相應線性比例進行縮放變換；水平方向上按節理輪廓線和製作的節理模型尺寸比例進行縮放標定；
4)運用插值法得到輪廓線上各點的坐標值，由於進行步驟3)後輪廓線上點都為離散點，為得到所有輪廓線上點的坐標值，對輸入輪廓線上的點坐標做插值處理，得到輪廓線上點的採樣函數，從而得到所有輪廓線上點的坐標值；接著以三維雷射掃描儀測量機位點作為坐標轉換的標誌點，進行坐標轉換，得到點雲數據圖，使得掃描數據坐標系統與實際情況相一致；用數位化儀將節理輪廓線數據讀入，依據Barton粗糙度係數JRC劃分規則取值為O?20，以便於對巖體節理分類；
5)用數控電火花線切割方法加工鋼塊上半部分4和鋼塊下半部分8:將節理輪廓線數據輸入電火花線切割機，將節理輪廓線設定為鋼塊的剖切線3，在150mmX150mmX150mm或200mmX200mmX200mm的鋼塊上切出鋼塊上半部分4和鋼塊下半部分8 ;為防止線切割出現空刀或者斷絲現象，應先使用角磨機切去表面凹凸的氧化層，並選擇下列電參數:脈衝間隔為3 μ s?5 μ s，倍率為3?4，電流為0.9Α?1.2Α ;同時控制電極絲中心軌跡的補償量為0.05 μ m?0.07 μ m，採用少量、多次切割，降低切割速度為15mm2/min?18mm2/min ;切割時選用濃度為14%的合成線切割液，加工完後再進行淬火處理；
6)澆築砂漿節理試樣上半部分6和砂漿節理試樣下半部分2:先將鋼塊上半部分4放入150mmX150mmX 150mm的鋼模I中，在鋼模I四周及鋼塊上半部分4均勻塗上脫模劑，根據前期節理巖石力學實驗，設計類巖體砂眾節理材料灰砂比0.4?0.5、水灰比0.35?
0.5，同時加入1%?1.5%的速凝劑縮短拆模時間，所選砂粒經篩選後的粒徑小於5_。為了避免由於試件材料強度和變形特性的差異而造成實驗結果的離散，每一批的試件都採用相同的材料、配合比、養護時間、模具。將水泥、沙子、速凝劑、水放入攪拌器中均勻攪拌3min?5min，迅速將其倒入組裝好的模具中，用鋼絲振搗至表面不再有氣泡溢出。將翻轉180度的鋼塊剖切線5數據輸入電火花線切割機，用同樣的方法和步驟製得砂漿節理試樣上半部分2,用刮刀刮平試樣表面後放入養護箱內養護24小時,養護好後脫模，檢查試件端部平整度，剔除不符合實驗條件的試樣。
[0018]一種用含夾泥充填物的砂漿節理試樣獲取節理力學參數的實驗方法，包括如下過程:收集現場節理礦物粘土或夾泥充填物鋪設在步驟6)製得的砂漿節理試樣2、6表面，配置4組含水率為12%、16%、18%,20%的夾泥充填物，再鋪設保鮮膜墊層，防止夯實過程中夾泥充填物的水分流失，採用自動土壤夯實機按設定次數50?70次夯實夾泥充填物，用切土刀切割夾泥充填物得到30mm?50mm厚度的夾泥充填物,再用鋼絲鋸將夾泥充填物削薄至設計厚度為2mm、5mm、10mm、15mm或20mm,然後將夾泥充填物7平鋪於砂眾節理中間，或者不鋪設夾泥充填物7，再進行6組不同正應力下的壓剪實驗，通過改變夾泥充填物7厚度與步驟
3)統計得到的節理表面平均高度之比、夾泥充填物7含水率和節理粗糙度這三項因素進行力學實驗，研究壓剪實驗條件下夾泥充填物7物理性質對砂漿節理的強度和變形特性的影響，獲得含夾泥充填物砂漿節理內聚力、內摩擦角、楊氏模量和泊松比等力學參數。
【權利要求】
1.一種用人工巖石材料複製節理起伏度的方法，其特徵在於，該方法包括如下步驟: 1)運用三維雷射掃描方法對巖體工程節理表面輪廓線起伏度和三維參數進行精確測量，得到節理輪廓線圖形，具體操作過程如下:首先選擇所需要觀測的節理表面並進行初始位置標記，選定觀測巖面的三維雷射掃描儀位置，並通過儀器上的光柵發射器在測量位置產生5m~IOm的光柵框架，開機進行掃描，獲取節理輪廓線圖形； 2)獲取節理輪廓線圖形後，通過幾何糾正來減少掃描過程中產生的隨機誤差，在糾正後的圖形中人工採集或自動識別出控制點，並採用輪廓跟蹤對節理輪廓線圖形中心線進行抽取，得到其骨架和中軸；再對節理輪廓線圖形進行多次迭代，每一次迭代過程中刪除噪點，然後應用多項式方法和雙線性插值方法，得到校正後的節理輪廓線，並由軟體自動讀取相應節理面產狀參數傾向、傾角和走向； 3)對節理輪廓線進行圖形縮放變換和坐標變換，首先統計節理表面平均高度和節理表面高度均方根，分析節理表面高度分布的離散性，接著將低於節理平均高度的垂直起伏度縮放為輪廓線上一點，高於節理平均高度的垂直起伏度按照相應線性比例進行縮放變換；水平方向上按節理輪廓線和製作的節理模型尺寸比例進行縮放標定； 4)運用插值法得到輪廓線上各點的坐標值，由於進行步驟3)後輪廓線上點都為離散點，為得到所有輪廓線上點的坐標值，對輸入輪廓線上的點坐標做插值處理，得到輪廓線上點的採樣函數，從而得到所有輪廓線上點的坐標值；接著以三維雷射掃描儀測量機位點作為坐標轉換的標誌點，進行坐標轉換，得到點雲數據圖，使得掃描數據坐標系統與實際情況相一致；用數位化儀將節理輪廓線數據讀入，依據Barton的粗糙度係數劃分規則取值為O~20，以便於對巖體節理分類； 5)用數控電火花線切割方法加工鋼塊上半部分和鋼塊下半部分:將節理輪廓線數據輸入電火花線切割機，將節理輪廓線設定為鋼塊的剖切線，在150mmX150mmX150mm或200mmX200mmX200mm的鋼塊上切得鋼塊上半部分和鋼塊下半部分；為防止線切割出現空刀或者斷絲現象，先使用角磨機切去表面凹凸的氧化層，並選擇下列電參數:脈衝間隔為3μ s~5μ s，倍率為3~4，電流為0.9Α~1.1A ;同時控制電極絲中心軌跡的補償量為0.05 μ m~0.07 μ m，採用少量、多次切割，降低切割速度為15mm2/min~18mm2/min ;切割時選用濃度為12%~15%的合成線切割液，加工完後再進行淬火處理； 6)澆築砂漿節理試樣上半部分和砂漿節理試樣下半部分:先將鋼塊上半部分放入150mmX 150mmX 150mm或200mmX 200mmX 200mm的鋼模中，在鋼模四周及鋼塊上半部分均勻塗上脫模劑，設計砂漿節理灰砂比0.4~0.5、水灰比0.35~0.5，同時加入1%~1.5%的速凝劑縮短拆模時間，所選砂粒經篩選後的粒徑小於5mm ;為了避免由於試件材料強度和變形特性的差異而造成實驗結果的差異，每一批的試件都採用相同的材料、配合比、養護時間和模具；將水泥、沙子、速凝劑和水放入攪拌器中均勻攪拌3min~5min，迅速將其倒入組裝好的模具中，用鋼絲振搗至表面不再有氣泡溢出；用同樣的方法和步驟製得砂漿節理試樣上半部分，用刮刀刮平試樣表面後放入養護箱內養護24小時,養護好後脫模，得到砂漿節理試樣。
2.根據權利要求1所述的用人工巖石材料複製節理起伏度的方法，其特徵在於:鋼塊上半部分和鋼塊下半部分選用2Crl3合金鋼材,加工厚度為150mm或200mm。
3.一種用含夾泥充填物的砂漿節理試樣獲取節理力學參數的實驗方法，其特徵在於包括如下過程:收集現場節理礦物粘土或夾泥充填物鋪設在步驟6)製得的砂漿節理試樣表面，配置含水率為10%~20%的夾泥充填物，再鋪設保鮮膜墊層，防止夯實過程中夾泥充填物的水分流失，採用自動土壤夯實機按設定次數50~70次夯實夾泥充填物，用切土刀切割夾泥充填物得到30mm~50mm厚度的夾泥充填物，再用鋼絲鋸將夾泥充填物削薄至設計厚度< 20mm，然後將夾泥充填物平鋪於砂漿節理中間，進行4組以上不同正應力下的壓剪實驗，通過改變夾泥充填物厚度與步驟3)統計得到的節理表面平均高度之比、夾泥充填物含水率和節理粗糙度這三項因素進行力學實驗，研究壓剪實驗條件下夾泥充填物的物理性質對砂漿節理的強度和變形特性的影響，獲得含夾泥充填物砂漿節理內聚力、內摩擦角、楊氏模量和泊松比力學參數。
【文檔編號】G01N3/00GK103926129SQ201410183577
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年5月4日 優先權日:2014年5月4日
【發明者】曹平, 歐可, 曹日紅, 鍾湧芳, 董力瑋, 陳衝, 王軍 申請人:中南大學