基于3d打印地质体的岩溶桩基破坏可视化试验装置与方法

本发明涉及一种基于3d打印地质体的岩溶桩基破坏可视化试验装置与方法。

背景技术：

1、我国岩溶分布面积高达346万平方千米，占整个国土面积的三分之一以上，其中被第四系堆积层覆盖的岩溶占比达70％，是铁路常见的不良地质现象。覆盖型岩溶强发育区铁路路基存在着承载力不足、地基稳定性差及塌陷易发生等工程问题。现阶段，桩基础是处理高铁岩溶路基的常用手段，但目前对于岩溶地区高铁路基桩基础的分析和设计，尚缺乏统一、有效、准确的计算方法。主要在于岩溶区域桩基与桩周地质体的相互作用存在极大的复杂性：1、地质结构的不规则性和不可预测性，使得对桩基的受力分析和设计变得十分困难，例如存在大量的溶洞、溶沟、溶槽等。2、复杂多变，难以用简单的数学模型进行描述。洞体稳定性、洞隙边界条件，岩石裂隙条件，岩石的物理力学特性：包括内凝聚力、残余凝聚力、内摩擦角等目前均基于经验性描述。3、无法开展重复性试验，因而无法总结相关规律，因为一旦进行特定尺寸的桩基施工，意味着其他方案无法开展验证。4、溶洞的安全厚度与防护措施主要依据工程师的个人判断。

2、目前，岩溶区域高铁路基处理尚未有相关规范条文进行明确规定。文献中所使用的方法也具有较大局限性。文献调研可知岩溶地区高速铁路路基桩基稳定性评价方法大致分为定量法、半定量法和定性法。定量法使用在地质资料较为翔实且获得了准确地质体力学参数的情况，但该方法通常建立于多种假设条件，计算结果往往与实际不一致。半定量法运用结构力学解析计算方法从实际与岩溶覆盖层安全厚度，以及极限承载力等角度给出对比分析；定性法适用于具有较多工程经验的稳定性评价。但上述这些方法或假设条件太多与实际偏离巨大，或凭工程建设者的主观评定、受人为经验影响，目前暂未有统一的、认可度高的岩溶地区路基稳定性评价方法。

3、现场试验由于岩溶地质的特殊性与不可重复性，无法很好地总结相关规律。常见的岩溶地区地质体既包含可溶岩、风化破碎带、溶蚀性水以及上覆不同类型的风化砂层与土层，还包含位置不同、大小不一的岩溶洞穴、地下暗河等。既有块体结构，又有散体颗粒结构，而且还要考虑水的渗流的影响。因此，在多种复杂因素的影响下，现场的试验都不具备重复性。室内试验是研究高铁路基破坏的重要方法之一，然而由于岩溶内部结构的不可透视，无法直接观察桩基础的破坏形式。更重要的是，室内试验所用土体也难以保证条件一致，导致无法发挥室内试验条件可控、结果可重复这一优势。目前针对桩基破坏的室内试验往往局限于单一均质土壤，缺乏能够针对岩溶区域铁路路基加载与破坏的相关试验设备与试验方法。

4、综上所述，由于缺乏各种地基处理方法的适用条件、适用范围的系统研究，面对岩溶问题个体差异大、情况复杂时，难以正确设计桩基类型，桩间距以及桩长，针对岩溶高铁路基的桩基稳定性分析也主要取决于工程师的经验。而造成相关研究不足的瓶颈是缺乏相关实验设备、实验手段与方法。故针对此技术瓶颈，本发明拟基于3d打印技术，通过开发能够充分反应岩溶地区块体结构以及散粒材料工程性质的透明材料代替传统的土体材料，构造透明地质体。进一步本发明设计反应岩溶地质体桩基破坏可视化试验装置与试验方法，从而能通过室内试验充分探明多地层岩溶等复杂地层环境下，高速铁路动、静荷载作用的影响。本发明所提试验装置与试验方法，使得岩溶区域高铁路基的研究具备了可能，因而具有重要的现实意义与工程价值。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种基于3d打印地质体的岩溶桩基破坏可视化试验装置与方法。自始至终保证模型的透明性以及通过3d打印技术实现模拟不同复杂岩溶裂隙走向、倾向、倾角，模拟不同风化程度破碎带以及模拟不同类型岩溶上覆土层。并能考虑地下水变化的影响。从而能够开展重复性试验，进而通过充分考虑地质条件(溶洞的分布、大小、形态、高度和跨度等以及溶洞顶板的厚度和稳定性、结构面之间的粗糙度、顶板的裂隙发育程度)、水文条件(地下水位的变化、水的渗透)、气候条件(温度降雨等)、人为因素(施工质量)、桩基设计参数(桩基的桩径、桩长、桩身材料、桩侧摩阻力)等方面开展系统性可视化研究。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于透明材料打印透明块体模拟岩石及其裂隙，基于透明材料打印颗粒材料模拟土体，基于透明孔隙流体(需要与透明地质体的折射率匹配)模拟水力渗透。因此，本发明所提试验装置包括3d打印透明岩石与透明土的岩溶地质体模型本体，模型本体预留桩基础钻孔(预制桩基础)，可选地，也可模拟钻孔灌注桩基础。所述模型本体还包括模拟高铁动、静荷载加载装置、试验箱装置、可视化监测装置，以及应力应变分析系统。

3、所述模型试验箱为透明钢化玻璃箱，并使用镀锌耐候钢加劲，而且具备镀锌耐候钢底座，耐候箱底座通过紧固螺栓可与模拟高铁动、静荷载加载装置固定实现加载。

4、所述3d打印透明块体(岩溶岩石与裂隙)需要配合折射率相同的透明液体，使得3d打印岩石块体多种材料具有一致的折射率，从而保证其透明性。

5、所述可视化通过激光发射器或3d打印相关位置散斑，基于piv技术(粒子图像测速技术)获得实时的模型内部变形。

6、所述透明岩体打印通过水溶性透明pva树脂与一种透明脆性树脂材料(例如：聚碳酸酯pc)进行双喷头3d打印。

7、可选地，也可用无定型硅粉(骨料)、正十二烷和十五号白油配置打印透明岩体。

8、所述透明岩体内模拟水溶液通过两种不同高低折射率的透明液体制作而成，可选地，可采用“十五号白油混合正十二烷”或者“液体石蜡+正十二烷配置”。配置前测试透明岩体的折射率，并保证溶液的折射率与岩体的折射率保持一致。

9、所述透明土体由熔融石英砂(骨料)、正十二烷和十五号白油配置而成。

10、所述透明地质体其3d打印的依据来源于地质勘查资料，即通过钻孔数据获取真实地质信息，按照缩尺原则进行模型打印，由于打印的可重复性，因此，对于同一数据，可多次重复进行，以总结相关规律，验证室内试验的结果以及验证通过室内试验所提出的计算方法。

11、所述透明地质体缩尺模型可由rhino、3ds max、blender、sketchup、freecad、openscad等软件还原岩体中的裂隙、溶洞、溶沟、溶槽等要素。

12、所述透明地质体缩尺模型其范围应满足桩基受力分析的边界条件。

13、所述模拟高铁动、静荷载加载装置需与模型试验箱分体设计，而非自锚于试验箱。

14、所述模拟高铁动、静荷载加载装置需与反力架与加载于模型，而试验箱则通过螺栓与反力架紧固连接。

15、所述模拟高铁动、静荷载加载装置包括plc伺服控制加载系统，刚性框架与plc伺服控制加载系统采用分体设计，可灵活调整其在框架中的位置，以试验不同的加载方式，刚性框架与反力架连接。

16、所述刚性框架的刚度应足够大，不影响岩体破坏方式以及桩基破坏方式。

17、所述可视化监测系统包括：1.激光发射器：用于产生激光束。2.光学系统。3.高速摄像机：用于捕捉激光照射后示踪粒子的运动情况。4.图像分析系统：用于分析从摄像机获取的图像数据，通过对比不同时间点的图像来确定示踪粒子的运动，从而计算出速度场。5.图像处理软件。6.计算机：用于存储、处理和显示图像数据以及计算结果。示踪粒子：示踪粒子是piv测量中的一个关键元素，它们需要具有良好的跟随性。7.同步系统：同步控制器，用于产生周期脉冲触发信号，并通过多个延时通道产生多个延时触发信号，用来控制激光器、摄像机或数字相机和图像采集板，保证各部分协调工作。

18、所述应力应变分析系统主要为桩基础外部所设计传感光纤，可选地，也可以通过应变花实现。所述传感光纤使用光纤光栅传感器。该传感器利用光栅结构在光纤中形成周期性的折射率变化。当光纤受到外力作用时，光栅周期会发生变化，进而引起光的频率或波长的变化。通过测量光栅周期的变化，就可以获取应变信息。所述应力-应变分析系统主要测试桩基相关位置，用以评价桩基与地质体之间的相关关系。

19、一种基于3d打印地质体的岩溶桩基破坏可视化试验装置与方法，包括以下步骤：

20、步骤1：进行桩基础-岩溶地质体-上覆土体的缩尺相似化设计：根据3d打印机适合的打印尺寸确定与原型的几何相似比为1：l，l为缩尺比例，根据该缩尺比例，确定桩基直径、配筋以及桩基埋深，按照原型尺寸的1/l进行设计。

21、步骤2：配置与真实岩体物理力学性能匹配的透明岩体配方，将stl格式的3d设计资料导入到3d打印机，测试该打印岩体的折射率，从而通过上述不同折射率的相容性液体调节配置裂隙液体。打印完成透明岩体后，通过抽真空的方式使之进入裂隙。

22、步骤3：多层岩体通过多次3d打印完成，且3d打印能够完好保留地层之间的不规则平面。重复步骤3，直至打印完成所有岩体地层。

23、步骤4：打印完成岩体后，进一步进行透明土颗粒的打印，所述土颗粒与土颗粒之间的溶液调节至与岩体一致，通过不同配方实现与透明岩体不同的力学性能。

24、步骤5：优选地，也可在适当位置设置一定数量的土压力盒，例如，桩基桩底，溶洞顶与溶洞底。布置位置，应位于散斑点系统原理ccd相机一侧，保证应变与应力测试的同步性。

25、步骤6：所述传感光纤通过环氧树脂粘贴在桩基外壁，传感光纤串联设置。

26、步骤7：桩基与地质体实时可视化装置设置：完成3d打印以及土压力盒布置的模型实验箱，进一步进行桩基的安装。将模型试验箱安装到模拟高铁动、静荷载加载装置，紧固螺栓。

27、步骤8：调节光学平台位置，模型试验箱侧面通过布置激光源，制作所关注位置散斑面，调节ccd相机，对焦到所制作的散斑面，进一步手动微调，直至满足清晰度要求。

28、步骤9：检查所有设备工作正常，通过高铁动、静荷载加载装置完成不同工况的加载，实时可视化地质体的变形破坏以及桩基础的变形破坏，同时，3d打印相同工况的地质体，开展重复性试验，提出并验证计算理论。

29、与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

30、1.基于3d打印的透明地质体解决了岩溶地区无法在室内开展重复性试验的问题，可以满足实验开展的随机、对照、可重复三大原则，而传统上岩溶地区的高铁路基处理则主要依据经验值确定。基于3d打印能够精确制作相同地质条件，为开展重复性试验提供可能。

31、2.基于缩尺模型以及3d打印技术可以还原现场岩溶情况，可以为难以处理岩溶地质区域的高铁路基处理选型提供技术支撑。

32、3.可视化技术可以直接观察桩基破坏以及岩溶地质破坏，并可以直接观察桩-土相互作用，有望依据此实验装置提炼岩溶区域高铁路基设计理论与设计方法。