基于3D打印技术的岩体复杂结构与应力场的可视化方法

发布时间：2018-08-03 16:12

【摘要】：准确表征与直观显示岩体复杂的内部结构与应力场是解决诸多地下工程问题的基础和关键.本文运用CT成像、三维重构和3D打印技术制备了包含复杂裂隙的天然煤岩模型,借助三维应力冻结和光弹技术,直观定量地显示了单轴压缩载荷作用下复杂裂隙煤岩内部的应力场分布特征.研究表明:通过3D打印技术制备的煤岩模型具有与天然煤岩一致的裂隙结构特征;3D模型的单轴抗压强度、弹性模量和泊松比等力学性能指标接近于天然裂隙煤岩;在不连续裂隙周边的高应力分布区域以及应力级差等方面,3D模型的实验结果与数值模拟结果具有较好的一致性;该方法能够直观定量地显示不连续不规则裂隙对煤岩的强度、变形以及应力集中区的影响.3D模型打印与应力冻结技术相结合为实现地下岩体内部复杂结构与三维应力场分布的定量表征与可视化,以及印证数值模拟结果提供了新途径.
[Abstract]:Accurate representation and visualization of complex internal structure and stress field of rock mass is the foundation and key to solve many underground engineering problems. In this paper, using CT imaging, 3D reconstruction and 3D printing techniques, a natural coal rock model containing complex fractures has been prepared, with the help of 3D stress freezing and photoelastic techniques. The distribution characteristics of stress field in coal and rock under uniaxial compression loading are shown visually and quantitatively. The results show that the coal and rock model prepared by 3D printing technology has the same fracture structure characteristics as natural coal and rock. The uniaxial compressive strength, elastic modulus and Poisson's ratio of 3D model are close to those of natural fractured coal and rock. The experimental results of 3D model are in good agreement with those of numerical simulation in the area of high stress distribution and stress level difference around discontinuous fractures, and this method can directly and quantitatively show the strength of discontinuous irregular fractures to coal and rock. The combination of deformation and stress concentration zone. 3D model printing and stress freezing technology provide a new way to realize the quantitative characterization and visualization of complex structure and three-dimensional stress field distribution in underground rock mass and to verify the numerical simulation results.
【作者单位】： 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室;中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室;四川大学水力水电学院;中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院;
【基金】：国家杰出青年科学基金(51125017) 国家自然科学基金(51374213) 国家重点基础研究发展计划(2010CB226804,2011CB201201)资助
【分类号】：TP334.8

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