一种可指定表面粗糙形貌特征的岩块试件制作方法

本发明属于岩土工程领域领域，尤其涉及一种可指定表面粗糙形貌特征的岩块试件制作方法。

背景技术：

1、随着我国综合实力的不断提高以及国民经济的快速发展，城镇化的脚步加快，工程建设仍在持续不断开展，加速了基础设施的建设速度。隧道工程、公路工程、铁路工程、水利工程以及矿产开采等领域都会涉及岩石界面接触及力学问题。

2、岩石是一种自然界中复杂多变的地质体，由于其生成条件、过程及形成后各个时期内会受到不同程度的地质作用、风化作用，不仅导致岩石内部形成节理、裂纹等缺陷，同时也影响岩石表面的粗糙形貌特征。岩石的粗糙形貌特征直接影响岩体强度、变形及渗流特征等力学特性。准确合理地描述岩石表面的粗糙形貌特征，是制备粗糙结构面岩石试件的基础。目前岩石界面接触力学研究相对较少，同时大多数基于3d扫描点云数据重构岩石粗糙面，不能够完全表征粗糙表面形貌问题，同时不能精准控制。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种可指定表面粗糙形貌特征的岩块试件制作方法，包括：

2、基于分形理论的粗糙表面形貌表征方法模拟和表征三维粗糙表面，并构建不同粗糙形貌特征网络的3d打印数字模型；

3、基于所述3d打印数字模型输出stl格式的不同粗糙形貌特征的3d打印数据文件；

4、根据所述3d打印数据文件设置打印参数，基于树脂材料构建获得指定粗糙形貌特征的试件模具，通过所述试件模具进行分次浇筑、拆模，获得指定表面粗糙形貌特征的岩块试件。

5、优选地，基于分形理论的粗糙表面形貌表征方法模拟和表征三维粗糙表面的过程包括：

6、通过不考虑随机变量的wm函数模拟和表征三维粗糙表面，获得能重复性产生且粗糙表面相同的模具；

7、基于所述wm函数，指定特征尺度参数g、表示微凸体的频率指数n、以及分形维数d，获得对应的粗糙面。

8、优选地，所述wm函数的函数表达式为：

9、

10、其中，为三维粗糙表面各个点处的轮廓高度；

11、m表示三维粗糙表面上凸起部的个数；

12、d表示三维粗糙表面轮廓的分形维数；

13、k0表示三维粗糙表面上的波数，k0＝2π/l，l为取样长度；

14、am表示三维粗糙表面上最高点的高度，其中am与分形维数d和特征尺度参数g满足关系式am＝2π(2π/g)2-d；

15、am表示三维粗糙表面对应于m的波的方向，am＝πm/m；

16、γn表示三维粗糙表面上的空间频率，γ＞1，n表示微凸体的频率指数；

17、φm,n随机相位，0＜φm,n＜2π。

18、优选地，构建不同粗糙形貌特征网络的3d打印数字模型的过程包括：

19、将wm函数输入matlab软件，设置分形维度数d后通过wm函数描绘获得微粗糙表面及对应的三维点云数据；

20、将生成的三维点云数据保存为stl格式文件，通过3d打印技术获得3d打印数字模型。

21、优选地，所述打印参数包括但不限于打印材料的强度、固化成型速度、材料表面质量。

22、优选地，所述树脂材料基于材料的物理力学参数优选乳白色光敏树脂作为基质材料；

23、所述材料的物理力学参数包括但不限于洛氏硬度、抗拉强度、延伸率、弹性模量、弯曲强度、弯曲模量以及吸水率。

24、优选地，基于树脂材料构建获得指定粗糙形貌特征的试件模具的过程包括：

25、将stl模型导入3d打印机，选取打印喷嘴的形状及内径，设置打印速度、打印层高、搅拌叶片的搅拌转速后，将乳白色光敏树脂材料通过进料挡板填充到料筒中进行打印，获得不同粗糙形貌特征表面的光敏树脂试件模具。

26、优选地，选取打印喷嘴的形状及内径，设置打印速度、打印层高、搅拌叶片的搅拌转速的过程包括：

27、基于内径为20mm的圆形打印喷嘴，设置打印速度为50mm/s，打印层高为14mm，搅拌叶片的搅拌转速为30rpm。

28、优选地，通过所述试件模具进行分次浇筑、拆模，获得指定表面粗糙形貌特征的岩块试件的过程包括：对所述试件模具进行第一次浇筑和拆模；

29、对所述试件模具进行第一次浇筑和拆模的过程包括：

30、采用水灰比为0.4的净白水泥浆作为第一次浇筑的模型材料，将等尺度四周密实的框架套在光敏树脂试件模具上，框架和模具润滑剂涂抹表面涂一层矿物油或不与填充材料发生反应的脱模剂；

31、将水泥浆液均匀流入框架中，利用振动棒进行充分振捣；对水泥浆液表面覆盖薄膜硬化24小时后进行脱模，然后移入温度为20℃、湿度为95％的养护室养护28天，获得指定粗糙表面且具备强度的岩块。

32、优选地，通过所述试件模具进行分次浇筑、拆模，获得指定表面粗糙形貌特征的岩块试件的过程还包括：对所述试件模具进行第二次浇筑和拆模；

33、对所述试件模具进行第二次浇筑和拆模的过程包括：

34、将所述岩块粗糙面向上，并把等尺度四周密实的框架套在所述岩块上，在框架内润滑剂涂抹表面涂一层矿物油或不与填充材料发生反应的脱模剂；

35、利用水胶比为0.35的混凝土作为二次浇筑材料，向框架内进行浇筑，均匀的将混凝土流入框架内，同时利用振动棒进行充分振捣后与所述岩块紧密接触；

36、对混凝土表面覆盖薄膜硬化24小时，脱模后移入温度为20℃、湿度为95％的养护室养护28天，获得具有指定粗糙形貌特征且具备强度的岩块试件。

37、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

38、本发明实现了可开展粗糙表面完全一直的岩石在不同应力水平下的力学实验，对于粗糙表面接触力学特性研究以及隧道衬砌等实际问题的减缓具有重要的意义。

39、本发明提出的指定表面粗糙形貌特征岩块试件制作方法易于实现，能重复性产生相同粗糙表面的模具。

40、本发明对于粗糙表面接触力学特性和机理的研究具有重要意义，可以解决实际工程中类似工况，对工程安全具有现实意义。

技术特征：

1.一种可指定表面粗糙形貌特征的岩块试件制作方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的可指定表面粗糙形貌特征的岩块试件制作方法，其特征在于，基于分形理论的粗糙表面形貌表征方法模拟和表征三维粗糙表面的过程包括：

3.根据权利要求2所述的可指定表面粗糙形貌特征的岩块试件制作方法，其特征在于，所述wm函数的函数表达式为：

4.根据权利要求1所述的可指定表面粗糙形貌特征的岩块试件制作方法，其特征在于，构建不同粗糙形貌特征网络的3d打印数字模型的过程包括：

5.根据权利要求1所述的可指定表面粗糙形貌特征的岩块试件制作方法，其特征在于，所述打印参数包括但不限于打印材料的强度、固化成型速度、材料表面质量。

6.根据权利要求1所述的可指定表面粗糙形貌特征的岩块试件制作方法，其特征在于，所述树脂材料基于材料的物理力学参数优选乳白色光敏树脂作为基质材料；

7.根据权利要求1所述的可指定表面粗糙形貌特征的岩块试件制作方法，其特征在于，基于树脂材料构建获得指定粗糙形貌特征的试件模具的过程包括：

8.根据权利要求1所述的可指定表面粗糙形貌特征的岩块试件制作方法，其特征在于，选取打印喷嘴的形状及内径，设置打印速度、打印层高、搅拌叶片的搅拌转速的过程包括：

9.根据权利要求1所述的可指定表面粗糙形貌特征的岩块试件制作方法，其特征在于，通过所述试件模具进行分次浇筑、拆模，获得指定表面粗糙形貌特征的岩块试件的过程包括：对所述试件模具进行第一次浇筑和拆模；

10.根据权利要求1所述的可指定表面粗糙形貌特征的岩块试件制作方法，其特征在于，通过所述试件模具进行分次浇筑、拆模，获得指定表面粗糙形貌特征的岩块试件的过程还包括：对所述试件模具进行第二次浇筑和拆模；

技术总结本发明公开了一种可指定表面粗糙形貌特征的岩块试件制作方法，包括：基于分形理论的粗糙表面形貌表征方法模拟和表征三维粗糙表面，并构建不同粗糙形貌特征网络的3D打印数字模型；基于3D打印数字模型输出STL格式的不同粗糙形貌特征的3D打印数据文件；根据3D打印数据文件设置打印参数，基于树脂材料构建获得指定粗糙形貌特征的试件模具，通过试件模具进行分次浇筑、拆模，获得指定表面粗糙形貌特征的岩块试件。本发明对于研究不同粗糙表面特征的岩体强度、变形及渗流等特征具有重要意义。技术研发人员：杨心蕊,苗生龙,赵世森受保护的技术使用者：中国矿业大学徐海学院技术研发日：技术公布日：2024/9/2