摘 要

岩体是在漫长的地质构造运动中形成的一种具有一定结构特征的地质体，其内部发育有形态各异的结构面，许多工程实例证明岩体的失稳的一个重要原因就是这些结构面（尤其是控制线结构面）的破坏。本文借助新发展的3D扫描和3D打印技术来研究硬岩结构面的3D形貌各向异性并验证3D打印制作的结构面在岩石结构面剪切试验上应用的可行性。主要研究内容如下：

（1）为了分析结构面表面形貌特征的各向异性，应用三维白光扫描技术对岩体自然结构面进行扫描，对所获得的点云数据进行处理分析。

（2）通过3D扫描获取3块不同的自然结构面的点云数据，通过编程计算40个方向上描述结构面形貌的参数SC^3D和JRCv，并制作雷达图来展现结构面形貌的各向异性。应用各向异性系数DAC和各向异性参数K_a来定量分析结构面的各向异性，研究发现3块结构面都具有很明显的各向异性特征。

（3）本文主要创新点在于应用新兴的3D打印技术，制作了共计18块结构面来验证3D打印获得的结构面。通过分析3D打印制作的相同的结构面开展直剪试验，获得的峰值剪切强度验证了3D打印结构面的稳定性。另外，通过已被广泛认可的巴顿强度公式进一步验证了3D打印在结构面复刻上应用的可行性。研究结果表明，3D打印制作的结构面具有很好的稳定性和高还原度。

关键词：结构面；3D扫描；3D打印；各向异性；直剪试验

Abstract

The rock mass is an address body with certain structural characteristics formed during the long geological tectonic movement. There are structural planes with different shapes in the interior. Many engineering examples prove that an important reason for the instability of the rock mass is the structural planes. (especially the control line structure) damage. This paper studies the 3D anisotropy of hard rock structural planes with the help of the newly developed 3D scanning and 3D printing technology and verifies the feasibility of the application of the 3D printed structural planes to shear tests on rock structural surfaces. The main research content is as follows:

(1) In order to analyze the anisotropy of the surface topography of the structural surface, the 3D white light scanning technique and the processing method of the point cloud data obtained by the scanning were studied.

(2) Obtain 3 point cloud data of different natural structural planes through 3D scanning, and calculate the anisotropy of the structural surface topography by programming and calculating the parameters SC3D and JRCv which describe the structure topography in 40 directions. The study found that all three structural planes have obvious anisotropic characteristics.

(3) The main innovation of this paper is to apply the emerging 3D printing technology and produce a total of 18 structural planes to verify the structural surface obtained by 3D printing. The direct shear test was performed by analyzing the same structural plane produced by 3D printing, and the peak shear strength obtained verified the stability of the 3D printed structural plane. In addition, the feasibility of 3D printing applied to the re-engraving of the structural surface is further verified by the widely recognized Barton strength formula. The research results show that the structural surface produced by 3D printing has good stability and high degree of reduction.

Key Words：structural plane；3D scanning；3D printing；anisotropy；

Direct shear test

目 录

摘 要 I

第1章 绪论 1

1.1选题背景 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1结构面制作研究现状 1

1.2.2结构面表面形貌及其各向异性研究现状 2

1.2.3结构面剪切强度研究现状 3

1.3 研究内容及研究方法 4

第2章 结构面扫描操作方法及点云数据的处理 5

2.1自然岩石结构面的扫描方法 5

2.2点云数据的处理 6

2.3 本章小结 8

第3章 结构面各向异性特征参数的稳定性分析 9

3.1 自然岩石结构面形貌的各向异性特征 9

3.2 结构面形貌各向异性的定量分析 10

3.3 本章小结 11

第4章 结构面的制作方法与剪切试验 13

4.1 结构面的制作方法 13

4.2 结构面剪切试验验证 14

4.2.1 剪切试验方法 14

4.2.2 试验结果分析 15

4.3 JRC-JCS强度公式的验证 17

4.4 本章小结 18

第5章 结论与展望 19

5.1 结论 19

5.2 展望 19

参考文献 21

第1章 绪论

1.1 选题背景

天然岩体是由包含软弱结构面的各类岩石组成的多裂隙体，是在漫长的地质运动历史中形成的，具有一定的结构和构造。这些结构面的存在严重影响了工程岩体的强度，许多工程岩体的失稳都与软弱结构面的破坏有关。然而结构面形态各异，结构复杂，且有很大的随机性，因此，结构面的剪切力学行为及其各向异性特性的分析一直是国内外岩土专家的研究热点问题。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 结构面制作研究现状

岩体内部的断裂和节理对岩体的强度和稳定性影响极大。正如已被充分证明的那样：剪切破坏是岩体的一种共有特征，因此，影响自然节理或不连续面变形的剪切强度对地下隧道、岩石边坡和露天矿场等岩土工程项目的稳定性至关重要^[1]。传统的岩石结构面原位取样测试和原位剪切试验都有成本高、周期长、上下盘吻合度差、制作过程中结构面表面形态容易破坏不能大量进行结构面直剪试验等缺点^[2]。此外，在天然岩石节理的实验研究期间，一套好的试验方案要求可以控制实验的变量，使得只有一个变量可以被分离和选择性的改变。

为了克服这些缺点以满足试验和工程需要，采用相似配比材料的模型试验是室内岩石结构面力学性质研究的一种重要的方法^[3-4]；左保成等^[5]对灰岩的相似材料进行了试验，提出了岩性相似材料的选择原则；杜时贵等^[6]基于岩体节理抗剪强度机制和相似材料的原则，试验证实，用这种方法制作的结构面可以较好的取代自然岩石节理进行直剪试验；王汉鹏等^[7]用石膏作为调节剂利用铁精粉等作为骨料，用松香、酒精溶液作为胶结剂研制了可以囊括中低强度的模拟材料。为了深入研究结构面力学性质，沈明荣等^[8]通过规则锯齿状岩石结构面在不同法应力下的直剪试验，分析了规则锯齿状岩石结构面的剪切强度、剪切变形等性质；李海波等^[9]利用人工浇筑规则节理试样对比了不同法向应力、 剪切速率、起伏度情况下节理试样的破坏模式和影响因素；朱小明等^[10]利用高强石膏材料浇筑含一阶和二阶起伏度的岩体节理模拟试件，研究了在不同 法向应力下，起伏度和剪切强度的关系，等等。以上对规则结构面的研究虽然在一定程度上反映了岩石结构面的力学性质，但与实际岩石结构面的不规则起伏表面形态相差较大，因而在分析岩体结构面破坏机制时受到诸多的限制。为了制作含自然结构面的剪切试样并进行同一 结构面的重复性试验，一些学者^[2，6，11]利用岩石自然结构面进行了逆向制作，尽管他们也得到了还原度较高的结构面，但是他们的制作工艺却有诸多的欠妥之处：①铺设隔离膜掩盖了自然岩石结构面表面的细小起伏，得到的试验模型与自然岩石结构面有较大的误差；②对于起伏度较大的结构面，得到的试验模型、隔离膜和自然岩石结构面三者之间的贴合度较低；③对于强度较低的自然岩石结构面表面，混凝土振捣以提高强度时容易破坏岩石的原始结构面。

1.2.2 结构面表面形貌及其各向异性研究现状

自然界的岩体是由蕴含了大量软弱结构面的各类岩石组成的多裂隙体，这些结构面是在漫长的地质运动中形成的，具有节理、断层、裂隙、层面等结构和构造。这些结构面的存在严重影响了工程岩体的强度，许多工厂岩体的失稳都与软弱结构面的破坏有关，可以说岩体的稳定性在一定程度上是由结构面决定的。然而结构面形态各异，结构复杂，且有很大的随机性和各向异性特征，因此，结构面的各项异性特性的分析一直是国内外岩土专家的研究热点问题。

Barton^[12]最早用节理粗糙度系数JRC(Joint roughness coefficient)来描述不同结构面的表面形态，并在1977年提出了10条结构面标准JRC轮廓曲线，得到国内外岩土学界的认可和推广，但根据Alameda^[13]和Hsiung^[14]的研究发现这种方法过于片面，主观因素很强。因此，学者们开始寻找可以客服主观因素来定量描述节理粗糙度系数JRC的方法。统计参数法定量描述JRC指标的先行者是Tse和Cruden等^[15]，他们提出了RMS、Z₂、Z₃、Z₄、SF等参数来估算JRC值，其中结构面表面轮廓均方根和结构函数SF与JRC的相关度最高。随后Maerz和Franklin等^[16]提出了结构面粗糙度指数，用以表征结构面的形态特征，并给出了和JRC值的拟合关系式。Lee S D和Lee C I^[17]充分考虑取样长度对各统计参数的影响，通过分析3D打印制作的结构面，给出了粗糙度指数，平均微角的均方根,的标准方差与JRC值的回归关系。近年来，Tatone和Grasselli以及夏初才等^[18,19,20]学者提出了统计函数，并建立了其峰值剪切强度公式。这些统计学方法得出的结论往往受仪器精准度和采样间隔的影响，也就是统计参数的间隔效应的影响。研究表明，在不同采样间隔下，即使用同一类型的函数进行拟合，其拟合公式也有差异。

岩石结构面的各向异性一直是国内外学者研究的一个重点方向，英文“anisotropy”（各向异性）这个单词来源于两个希腊词汇：anisos（意为不相等）和tropos（意为转向或方向）^[21]。各向异性岩体在不同的方向上具有不同的性质，这些性质可能是岩石的任意一种性质，如变形模量、强度渗透性、裂隙频度、粗糙度等等。本文主要针对结构面的粗糙度和剪切强度各项异性进行研究。近些年，国内外不少岩石力学专家都对这些性质进行了探究。杜时贵和唐辉明等^[22]利用了统计学的原理，对不同方向2180条结构面的粗糙度系数的测量值进行了统计分析，阐述了断层与节理的JRC值各向异性规律；王金安和谢和平运用投影覆盖法测量了结构面0°、45°、90°、135°四个方向的剖面形貌特征，并运用尺码法计算了剖面线的分形维数，并以此来研究岩石断裂面粗糙度的各向异性^[23]；运用分行维数来描述结构面的各向异性特征得还有Yang Z Y和Lo S C等^[24]；Roko R O 和Daemen J J K等人运用最新的变差函数对结构面粗糙度的各向异性进行研究^[25]； Zhou H W等将累计功率谱密度指数引入结构面表面形貌研究中，并阐述了岩石结构面表面形貌大小尺度的起伏，并进一步定量的描述了结构面表面各向异性规律^[26]。以上学者的研究主要基于结构面的2D剖面，这是具有局限性的，因为对某一个或少数几个剖面的2D剖面线的描述，不能反映整个结构面的形貌特征。

为了更好的表现岩石结构面的形貌特征，许多学者开始从三维的角度来描述结构面。Belem T等从几何角度出发，通过节理表面平均梯度、三维平均倾角、等参数来描述三维裂隙面的各向异性特征，并提出了用表观各项异性度来代表结构面不同角度的几何特性差异程度，是所有方向表面参数最大最小值之比，具有一定局限性^[27]；张鹏等基于Belem的理论，引入了裂隙表面局部坡向的概念，并提出了一种新的裂隙三维表面粗糙度表征方法^[28]。陈世江等提出了用变异函数参数来描述三维表面粗糙度的方法^[29]；孙辅庭等^[30]提出了一个新参数三维指标SRI来描述结构面形貌特征。Nasseri利用三维结构面参数来描述三维表面粗糙度及其各向异性特征，并发现三维粗糙度与断裂韧度之间的正比关系^[31]。有学者指出，只用单一参数或少量参数描述节理粗糙度是不合理的，容易产生误差，生成错误的结论，故Bahat曾用多达14个参数来描述结构面形态，这些参数几乎包含了结构面形貌特征的各方各面，但其研究成果依然没有得到国际广泛认可^[32]。由此可见一种好的描述结构面各向异性的方法亟待岩土学界的发现。

上述学者的研究包含了二维和三维层次层面上对岩体结构面形貌特征及其各项异性特征的分析，其中二维的研究用来表征三维结构面存在局限性，有很大的缺陷，而三维结构面形貌特征的描述大多集中在定性分析，表明粗糙度和一些参数之间的比例关系，很少有对岩石结构面定量分析的研究，所以对岩石结构面形貌的各项异性特性定量分析的研究很有必要。。

1.2.3 结构面剪切强度研究现状

工程岩体中一般含有大量纵横交错、产状各异、规模不同的节理面，他们的存在往往对岩体的变形和破坏起控制作用，工程实践证明，关于工程岩体的失稳问题大部分与节理的破坏有直接关系。因此，岩石节理的峰值剪切强度的研究一直是国内外岩土专家和学者研究的热点。。

研究结构面峰值剪切强度的方法主要有两种：（1）通过大量剪切试验得出结构面峰值剪切强度的经验公式，从而揭示峰值剪切强度的力学机理，例如巴顿等人，提出了JRC来表征结构面表面的形态特征对剪切行为的影响^[12]。(2)通过理论分析提出结构面峰值剪切强度公式，例如Ladanyi在充分考虑了锯齿状节理的互锁作用的假定下，提出的非线性节理峰值剪切强度^[33]。。

和结构面形貌分析参数一样，很多学者研究的强度准则都是基于二维剖面线，而真实的自然界结构面是三维的，用二维参数描述三维结构面会漏掉很多结构面特征，因此会对峰值剪切强度的计算产生误差。因此，近年来也有许多学者展开了基于三维结构面峰值强度的研究。Grasselli等借助节理微元有效剪切倾角与其对应接触面积的数学统计模型，利用最大接触面积比、最大视倾角和视倾角分布参数来作为描述形貌特征的参数^[34]。唐志成等^[35,36,37]用水泥砂浆材料制作结构面进行剪切试验，根据试验结果选用有效三维平均倾角和最大可能接触面积比作为描述岩石结构面3D形貌特征的新参数，并提出了一个新的节理峰值剪切强度公式，并对Grasselli剪切强度公式进行改进。夏才初^[38]在Grasselli剪切强度公式的基础上通过选取节理有效三维平均倾角、粗糙度参数和粗糙度参数和节理峰值膨胀角拟合出了新的峰值剪切强度公式。孙辅庭^[30]选取了分型粗糙度、分型粗糙度维数和分布参数和测量尺度的3D形貌参数来描述岩石结构面形貌特征，并建立了相应的峰值剪切强度准则。以上文献中的研究大都是针对结构面三维参数和剪切强度的关系，限于相同的岩石结构面制作技术，少有研究对不同轴向压力作用下剪切强度公式中的三维参数。

1.3 研究内容及研究方法

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

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