岩石结构面剪切全过程的可视化试验方法及试验验证

论文摘要

无法在直剪试验过程中获取结构面表面形貌渐变过程是岩石结构面力学试验深入研究的难题之一。为了解决难以高精度制作具有相同表面形貌特征的岩石结构面试样及在试验过程中无法获取结构面形貌剪切渐变过程等问题,本文利用三维激光扫描仪和3D打印技术,制作了与原岩形貌高度相似的透明结构面试样,并据此提出了结构面剪切全过程的可视化试验方法。本文的主要研究成果如下:(1)利用三维激光扫描仪在不接触岩石表面的情况下获取结构面表面点云数据,然后使用软件生成虚拟三维模型并进行3D打印,用于3D打印的材料为透明光敏树脂材料(veroclear),通过分析已有研究,对打印材料进行常温和低温下单轴压缩试验,并结合本次试验目的,说明了经过低温冷冻脆性改性之后的透明光敏树脂(veroclear)试样基本满足试验要求,最后通过最佳拟合的方式进行原岩结构面与打印结构面的3D比较试验,证明了制作方法的精确度和可靠度。(2)由于实验装置布置等原因,相机必须与结构面方位形成一定的角度,拍摄时不可避免会产生折射现象。为了尽量减少折射产生的影响,本文对不同角度正常倾斜拍摄图像以及穿透倾斜拍摄图像的结构面边长进行测量分析,并根据双介质摄影以及水中成像原理建立了透明试样折射模型,得到了对应角度下正常倾斜拍摄图像以及穿透倾斜拍摄图像的结构面对应边长之间的关系。最终综合考虑各种影响因素,选择了最优拍摄角度。(3)自行设计可视化监测方法对剪切全过程结构面形貌变化进行研究。根据微分以及图像比例转换的思想,提出了结构面变化区域的追踪及还原方法;根据追踪还原方法在原始结构面图像上定位出某时刻结构面具体剪损区域,通过对岩石结构面不规则区域面积的统计测量以及对图像的定量处理,提出了试验全过程结构面变化精确描述方法。(4)利用全过程可视化方法进行了剪切试验并做了简单分析,验证了可视化试验方法的可行性。通过不同时刻结构面追踪还原图像,发现结构面上的点并不是越高越容易被破坏,而是那些与剪切方向正向相对且处于相对较高位置的点更易破坏;根据不同位移下结构面累计剪损区域面积变化,发现了结构面剪损区域扩展主要集中在峰后剪应力逐渐下降阶段,并且可以清楚的知道不同位移下结构面破坏的位置和不同区域破坏的具体程度。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 1 绪论
•   1.1 选题背景及研究意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 结构面制作研究现状
•     1.2.2 结构面模型试验研究现状
•     1.2.3 试验监测方法研究现状
•   1.3 研究内容
•   1.4 技术路线
•   1.5 创新点
• 2 岩石结构面相似模型制作
•   2.1 3D打印技术
•   2.2 模型材料的选择
•     2.2.1 模型材料的选择原则
•     2.2.2 脆性岩石在单轴压缩下的一般破坏规律
•     2.2.3 模型材料的力学性能测试
•   2.3 结构面相似模型制作
•     2.3.1 岩石结构面三维表面形貌扫描及数据重构
•     2.3.2 三维模型打印
•   2.4 结构面三维形态相似性评价
•     2.4.1 准备工作
•     2.4.2 比较结果分析
•   2.5 本章小结
• 3 剪切全过程可视化试验方法确定
•   3.1 设备安置
•   3.2 相机拍摄角度选择
•     3.2.1 不同角度倾斜拍摄图像测量
•     3.2.2 透明结构面折射模型
•     3.2.3 数据分析
•     3.2.4 影响因素
•   3.3 结构面变化区域追踪还原方法
•     3.3.1 结构面区域划分
•     3.3.2 结构面剪损区域图像还原
•   3.4 试验全过程结构面变化精确描述方法
•   3.5 本章小结
• 4 剪切全过程可视化试验验证
•   4.1 试验步骤
•   4.2 结构面变化区域追踪还原
•   4.3 结构面剪损变化精确描述
•     4.3.1 结构面剪损变化整体描述
•     4.3.2 结构面剪损变化局部描述
•   4.4 试验结果分析
•   4.5 本章小结
• 5 结论与展望
•   5.1 结论
•   5.2 展望
• 参考文献
• 在校研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘燕强

导师: 黄曼,朱智勇

关键词: 岩石结构面,三维扫描,三维打印,可视化,试验方法

来源: 绍兴文理学院

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 绍兴文理学院

分类号: TU45

总页数: 64

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