本發(fā)明屬于巖土工程測試技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于3D打印制作的復雜裂隙巖體物理模型及建模方法。

背景技術(shù)：

在巖石力學特性室內(nèi)研究方面，受限于復雜模型建模方法，目前的研究多針對巖石或類巖石(石膏、混凝土)材料進行研究，針對含復雜裂隙分布的相似巖體材料的力學行為研究較少。隨著3D打印技術(shù)的興起和進步，實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)的實體建模逐漸成為可能。目前，3D打印技術(shù)在醫(yī)學、機械制造、汽車等領(lǐng)域應(yīng)用較廣，在巖石力學方面的應(yīng)用還較少，尤其在復雜結(jié)構(gòu)面幾何建模方面的應(yīng)用成果鮮見于報道。由于實際巖體中富含大量隨機分布的復雜幾何形態(tài)的節(jié)理結(jié)構(gòu)面，且這種巖體的力學特性研究對于巖體工程穩(wěn)定性分析及力學參數(shù)獲取具有重要價值，由于巖體內(nèi)部節(jié)理結(jié)構(gòu)面空間幾何分布的復雜性、隨機性，針對這種含復雜節(jié)理的巖體物理試驗模型尚未見于報道。目前采用3D打印技術(shù)進行巖體節(jié)理結(jié)構(gòu)面力學分析方面，主要有以下兩類相似的方案：第一類方法是采用3D打印技術(shù)，研究單一節(jié)理面的表面粗糙形態(tài)，進而進行建模和開展相關(guān)的力學試驗，比如直剪試驗等。第二類方法是采用3D打印技術(shù)，進行含單條平滑節(jié)理的類巖石材料建模，研究平滑節(jié)理的傾角對試件的力學影響?，F(xiàn)有技術(shù)主要針對單結(jié)構(gòu)面進行建模，主要方法是采用激光掃描的方式進行單結(jié)構(gòu)面復雜幾何形態(tài)的掃描、計算機建模，進一步開展3D打印生成物理模型。而如圖1所示，節(jié)理巖體中結(jié)構(gòu)面往往是復雜分布的，目前的研究報道存在以下不足：(1)天然巖體中的結(jié)構(gòu)面具有空間分布復雜性和隨機性，目前研究尚未針對復雜裂隙幾何網(wǎng)絡(luò)進行物理建模。(2)進行復雜裂隙巖體物理模型及節(jié)理建模，需要從現(xiàn)場勘測入手，經(jīng)過系列結(jié)構(gòu)面信息統(tǒng)計整理—計算機建模與優(yōu)化—3D打印模型建立及實現(xiàn)—物理模型建立等系列過程，目前尚未有相關(guān)系統(tǒng)方法的提出。

綜上所述，當前復雜裂隙巖體物理模型室內(nèi)試驗建模難、成本高，嚴重制約了行業(yè)的發(fā)展。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于3D打印制作的復雜裂隙巖體物理模型及建模方法，旨在解決當前復雜裂隙巖體物理模型室內(nèi)試驗建模難、成本高的問題。

本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種基于3D打印制作的復雜裂隙巖體物理模型的建模方法，所述建模方法首先通過現(xiàn)場結(jié)構(gòu)面測試，得到節(jié)理裂隙的空間分布；采用Monte Carlo方法實現(xiàn)計算機模型三維建模；最后，采用3D打印，將復雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)模型實體重構(gòu)；建立可適用于室內(nèi)相似模擬實驗的模型。

進一步，所述基于3D打印制作的復雜裂隙巖體物理模型的建模方法包括以下步驟：

步驟一，采用3GSM巖體結(jié)構(gòu)面數(shù)字圖像識別技術(shù)，通過現(xiàn)場結(jié)構(gòu)面數(shù)字圖像攝影、三維巖體表面空間方位、尺寸的標定，進而對空間分布不同級別結(jié)構(gòu)面進行準確識別，采用Monte Carlo建模方法，建立離散裂隙網(wǎng)絡(luò)3DDFN模型；

步驟二，將3DDFN數(shù)字模型導出.STL格式文件，輸出3D打印機可識別的模型格式；采用3D打印機，建立3D打印技術(shù)的節(jié)理分布模型，并生成不同尺度、不同分布的準二維、三維離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型。

進一步，所述步驟一得到不同規(guī)模級別的結(jié)構(gòu)面分組：小規(guī)模的次級斷層、原生的具有一定分布規(guī)律和統(tǒng)計意義的節(jié)理面、風化裂隙和連接性極差的微小節(jié)理或隱微裂面結(jié)構(gòu)面；對于節(jié)理面、風化裂隙級結(jié)構(gòu)面，分兩種方式確定節(jié)理空間分布。

進一步包括：

(1)在3GSM三維巖體不接觸測量數(shù)字圖像系統(tǒng)基礎(chǔ)上，對空間分布不同級別結(jié)構(gòu)面的進行準確識別，通過空間定位、結(jié)構(gòu)面分組，對結(jié)構(gòu)面空間幾何信息、起伏情況進行分析，得到各組樣本中諸隨機變量的樣本統(tǒng)計值，最終得到統(tǒng)計分布形式；

(2)根據(jù)產(chǎn)狀聚類進行分組，計算每組結(jié)構(gòu)面的平均產(chǎn)狀、跡長，間距和斷距，按照統(tǒng)計分布方法并假設(shè)結(jié)構(gòu)面為圓盤型生成同組結(jié)構(gòu)面的空間分布；

(3)最后利用可視化編程平臺Visual Basic和3DMine礦山數(shù)字化三維建模系統(tǒng)開發(fā)結(jié)構(gòu)面空間展布可視化三維模型。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種所述基于3D打印制作的復雜裂隙巖體物理模型的建模方法的復雜裂隙巖體物理模型，所述復雜裂隙巖體物理模型包括：離散裂隙網(wǎng)絡(luò)DFN數(shù)字模型和實體離散節(jié)理網(wǎng)絡(luò)DFN物理模型。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種應(yīng)用所述基于3D打印制作的復雜裂隙巖體物理模型的建模方法的巖體節(jié)理結(jié)構(gòu)面力學分析方法。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種應(yīng)用所述基于3D打印制作的復雜裂隙巖體物理模型的建模方法的巖土工程測試方法。

本發(fā)明提供的基于3D打印制作的復雜裂隙巖體物理模型及建模方法，基于3D打印，可將復雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)模型進行實體重構(gòu)，進一步建立可適用于室內(nèi)相似模擬實驗的模型，可以為復雜裂隙巖體力學行為的室內(nèi)實驗研究提供有效的方法。本發(fā)明采用裂隙巖體模型重構(gòu)、3D打印構(gòu)建裂隙網(wǎng)絡(luò)實體模型是本發(fā)明的一個技術(shù)亮點，將在巖石力學試驗領(lǐng)域提供一種可靠、有效的方法，為巖體力學變形、破壞、強度等力學特性的室內(nèi)試驗研究方面提供模型基礎(chǔ)，并且可以為復雜的數(shù)值模擬試驗提供室內(nèi)驗證的結(jié)果依據(jù)；由于巖體節(jié)理空間分布復雜性，直接開展節(jié)理巖體室內(nèi)相似試驗成本高，且難以真實反映結(jié)構(gòu)面空間形態(tài)；目前進行巖體力學特性室內(nèi)相似試驗往往尺度較大，耗材如水泥砂漿等消耗大，還需借助大型壓力機進行試驗，借助3D打印技術(shù)將可以有效地解決當前復雜裂隙巖體物理模型室內(nèi)試驗建模難、成本高的問題，且模型尺度小，可以適用于常規(guī)壓力機進行力學特性分析；將適用于小規(guī)模的模擬巖體室內(nèi)試驗，大大較低試驗耗材(水泥砂漿、石英砂等)，且常規(guī)壓力機即可實現(xiàn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的基于3D打印制作的復雜裂隙巖體物理模型的建模方法流程圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明建立了多組復雜幾何分布結(jié)構(gòu)面分布模型，基于3D打印技術(shù)制作出適用于室內(nèi)實驗的離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型DFN及相關(guān)模具，提出從現(xiàn)場測試—計算機建?！?D模型打印制作—相似物理實驗的方法。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的應(yīng)用原理作詳細的描述。

本發(fā)明實施例提供的基于3D打印制作的復雜裂隙巖體物理模型為：離散裂隙網(wǎng)絡(luò)DFN模型和實體離散節(jié)理網(wǎng)絡(luò)DFN模型。

如圖1所示，本發(fā)明實施例提供的基于3D打印制作的復雜裂隙巖體物理模型的建模方法包括以下步驟：

S101：采用3GSM巖體結(jié)構(gòu)面數(shù)字圖像識別技術(shù)，對空間分布不同級別結(jié)構(gòu)面進行準確識別，建立離散裂隙網(wǎng)絡(luò)DFN模型；

S102：采用XYZ Printing PRO 3D打印機，建立適用于3D打印技術(shù)的節(jié)理分布模型，并生成不同尺度、不同分布的二維、三維離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型。

本發(fā)明實施例的基于3D打印制作的復雜裂隙巖體物理模型的建模方法具體包括以下步驟：

步驟1：基于3GSM巖體結(jié)構(gòu)面數(shù)字圖像識別技術(shù)，對空間分布不同級別結(jié)構(gòu)面進行準確識別，并建立離散裂隙網(wǎng)絡(luò)DFN模型

得到不同規(guī)模級別的結(jié)構(gòu)面分組：Ⅲ(小規(guī)模的次級斷層)、Ⅳ(原生的具有一定分布規(guī)律和統(tǒng)計意義的節(jié)理面、風化裂隙等)和Ⅴ(連接性極差的微小節(jié)理或隱微裂面)級結(jié)構(gòu)面。對于具有統(tǒng)計意義的Ⅳ級結(jié)構(gòu)面，分兩種方式確定節(jié)理空間分布：

(i)在3GSM三維巖體不接觸測量數(shù)字圖像系統(tǒng)基礎(chǔ)上，對空間分布不同級別結(jié)構(gòu)面的進行準確識別，通過空間定位、結(jié)構(gòu)面分組，對結(jié)構(gòu)面空間幾何信息、起伏情況進行分析，得到各組樣本中諸隨機變量的樣本統(tǒng)計值，最終得到統(tǒng)計分布形式。

(ii)根據(jù)產(chǎn)狀聚類進行分組，計算每組結(jié)構(gòu)面的平均產(chǎn)狀、跡長，間距和斷距，按照統(tǒng)計分布方法并假設(shè)結(jié)構(gòu)面為圓盤型生成同組結(jié)構(gòu)面的空間分布。

(iii)最后利用可視化編程平臺Visual Basic和3DMine礦山數(shù)字化三維建模系統(tǒng)開發(fā)結(jié)構(gòu)面空間展布可視化三維模型。

步驟2：基于3D打印技術(shù)建立實體離散節(jié)理網(wǎng)絡(luò)DFN模型：

采用XYZ Printing PRO 3D打印機，建立可以適用于3D打印技術(shù)的節(jié)理分布模型，并生成不同尺度、不同分布的二維、三維離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型。

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的應(yīng)用效果作詳細的描述。

(1)現(xiàn)場選取結(jié)構(gòu)面工程位置，采用奧地利3GSM數(shù)字攝影測量系統(tǒng)或者其他結(jié)構(gòu)面調(diào)查手段，進行現(xiàn)場結(jié)構(gòu)面信息調(diào)查、統(tǒng)計，得到結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分布信息。

軟件系統(tǒng)對不同角度的圖像進行一系列的技術(shù)處理如基準標定、像素點匹配、圖像變形偏差糾正等，實現(xiàn)物體表面真三維模型重構(gòu)，在計算機可視化屏幕上從任何方位觀察三維實體圖像。對每個結(jié)構(gòu)面?zhèn)€體的識別、定位、擬合、追蹤以及幾何形態(tài)信息參數(shù)(產(chǎn)狀、跡長、間距、斷距等)的獲取，并進行紛繁復雜結(jié)構(gòu)面的分級、分組、幾何參數(shù)統(tǒng)計。

(2)采用Monte Carlo方法，假設(shè)結(jié)構(gòu)面為圓盤型，生成同組結(jié)構(gòu)面的空間分布，利用可視化編程平臺Visual Basic建立結(jié)構(gòu)面空間展布可視化三維DFN模型。

(3)將DFN數(shù)字模型導出.STL格式，建立3D打印軟件可識別格式；采用XYZ Printing PRO 3D打印機，建立可以適用于3D打印技術(shù)的節(jié)理分布模型，并生成不同尺度、不同分布的二維、三維離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型，所打印的模型可以用于室內(nèi)力學試驗。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。