一种基于分解-重构制作裂隙岩体模型的方法

摘要

一种基于分解‑重构制作裂隙岩体模型的方法，包括如下步骤：1)在裂隙岩体表面贴上参考点；2)利用三维扫描仪对岩体表面进行扫描，获得裂隙岩体的三维表面形态的测量数据，利用逆向工程软件完成对扫描数据的拼合，获得裂隙岩体的三维数值模型，记录参考点的坐标；3)沿着岩体内部的天然贯通裂隙将块体分解，分解后获得含有内部裂隙面的各块体，保留块体上的参考点；4)利用三维扫描仪对分解的块体进行逐个扫描，同步骤2)处理，利用分解之前参考点的坐标对获得的三维数值模型进行坐标转化拼接，即获得重构的三维数值模型；5)根据获得的三维数值模制作基于天然岩体的三维裂隙岩体模型。本发明能真实反映天然贯通裂隙岩体几何形态。

权利要求

1.一种基于分解-重构制作裂隙岩体模型的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

1)在裂隙岩体表面贴上参考点：对岩体试样的表面进行清理，贴上参考点；

2)岩体的三维数值模型：利用三维扫描仪对岩体表面进行扫描，获得裂隙岩体的三维表面形态的测量数据，利用逆向工程软件完成对扫描数据的拼合，获得裂隙岩体的三维数值模型，记录参考点的坐标；

3)岩体的分解：沿着岩体内部的天然贯通裂隙将岩体分解，分解后获得含有内部裂隙面的各块体，保留块体上的参考点；

4)岩体三维数值模型的重构：利用三维扫描仪对分解的块体进行逐个扫描，同步骤2)获得三维数值模型，记录此次扫描的参考点坐标，利用分解之前参考点的坐标对获得的三维数值模型进行坐标转化拼接，即获得重构的三维数值模型；

5)根据重构获得的三维数值模型制作基于天然岩体的三维裂隙岩体模型。

2.如权利要求1所述的一种基于分解-重构制作裂隙岩体模型的方法，其特征在于：所述步骤5)中，基于3D打印制作模型：将重构获得的三维数值模型导入3D打印机中，自选打印材料对数值模型进行打印，即得到基于天然岩体的三维裂隙岩体模型。

3.如权利要求1或2所述的一种基于分解-重构制作裂隙岩体模型的方法，其特征在于：所述步骤2)中，所述三维扫描仪在扫描过程中，收集的数据即为点云的三维坐标，因此，只要参考点可被三维扫描仪识别，即可记录参考点的坐标。

4.如权利要求1或2所述的一种基于分解-重构制作裂隙岩体模型的方法，其特征在于：所述步骤1)中，在岩体表面贴参考点，不得覆盖表面裂隙，且参考点为了便于块体的重构拼接，不能规则分布，在分解块体时，不得对参考点进行任何的移动和撕毁。

5.如权利要求1或2所述的一种基于分解-重构制作裂隙岩体模型的方法，其特征在于：所述逆向工程软件及参考点坐标转化拼接，需要用到数据采集软件、数据分析软件和点云处理软件。

6.如权利要求2所述的一种基于分解-重构制作裂隙岩体模型的方法，其特征在于：所述的打印材料采用ABS、PLA或PVA。

说明书

一种基于分解-重构制作裂隙岩体模型的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种在对裂隙岩体进行分解-重构后制作裂隙岩体模型的方法，适用于内部存在贯通裂隙的天然岩体。

背景技术

[0002] 天然岩体的形成需要经历一个复杂而又漫长的过程，由于不同的地质成因，岩体在经历多次构造运动的改造作用，发生了构造变形与破裂，破坏了岩体的连续性和完整性。以上作用会在其内部形成众多节理、裂隙等不连续构造，其裂隙岩体内部富含各种缺陷，包括微裂纹、孔隙以及节理裂隙等宏观非连续面，在地下内部复杂的水环境下，这些岩体裂隙严重影响着岩体的力学特性和渗透特性。

[0003] 随着经济的发展，边坡加固、地铁、隧道、水利水电等岩土工程正在快速的建设中，而岩体内部的裂隙对工程岩体的稳定性有着十分重要的影响，国内外很多岩土工程的事故都是由于贯通裂隙造成的。针对此问题，国内外众多学者对岩体的力学与渗流问题进行了广泛的讨论和理论研究。由于天然岩体在试验时局限性较大，且无法进行重复试验，因此，国内外众多学者制作含裂隙岩石模型来代替天然岩石试样，进行相关研究。如何制作含裂隙岩石试样已发展成为岩体力学试验领域的重点和难点。如下为目前制作裂隙岩体试样通常采用的几种方法。

[0004] 申请号为201511018137.0的中国专利申请《一种基于3D打印技术的贯通裂隙岩体试样的制备方法》公开了一种模拟实际岩体，通过三维数值建模，基于3D打印得到模具，在模具中制作裂隙岩体试样的方法。该方法的裂隙岩体模型模拟实际情况，并非基于天然岩体，在实际使用过程中与实际会有误差。

[0005] 申请号为201510568441.6的中国专利申请《一种用于裂隙岩体渗流试验仿真裂隙制作方法》公开了一种基于CAD软件绘制数字化的粗糙度轮廓曲线的数值模型，采用3D打印技术制作出裂隙板，进而通过裂隙板制作模具获得裂隙试样的方法。该方法只能模拟单裂隙面的渗流情况，对于复杂裂隙岩体的情况没有考虑。

[0006] 申请号为201410052815.4的中国专利申请《一种随机裂隙岩石试样的制作方法》公开了一种用锡条模拟裂隙的方法，将锡条和砂浆材料混合搅拌，形成含大量随机裂隙的岩石试样。该方法采用锡条模拟的裂隙，与实际岩体裂隙结构面有较大出入，且锡条脆性较低，容易发生断裂，进而影响裂隙的分布。

[0007] 申请号为201310721631.8的中国专利申请《一种随机裂隙试验模型的制备方法》公开了一种将不同厚度、不同大小以及不同数量的裂隙碎片随机掺入到介质模型材料中，以制备能够模拟岩体裂隙的方法。该方法对于各裂隙空间形态和具体形状不可控。

[0008] 申请号20130592035.4的中国专利申请《用于岩土工程三维随机裂隙的均匀施作装置及操作方法》公开了一种用于岩土工程三维随机裂隙的均匀施作装置及操作方法，该装置中，裂隙可通过插入试验试件内部的刀盘深度进行控制。该方法无法制作岩石内部存在交叉裂隙结构面的模型，局限性较大。

发明内容

[0009] 为了克服现有制作裂隙岩体模型的无法真实反映天然贯通裂隙岩体几何形态的不足，本发明提供了一种原理简单、操作方便、成型效果好，能真实反映天然贯通裂隙岩体几何形态的基于分解-重构制作裂隙岩体模型的方法。

[0010] 本发明所采用的技术方案是：

[0011] 一种基于分解-重构制作裂隙岩体模型的方法，包括如下步骤：

[0012] 1)在裂隙岩体表面贴上参考点：对岩体试样的表面进行清理，贴上参考点；

[0013] 2)岩体的三维数值模型：利用三维扫描仪对岩体表面进行扫描，获得裂隙岩体的三维表面形态的测量数据，利用逆向工程软件完成对扫描数据的拼合，获得裂隙岩体的三维数值模型，记录参考点的坐标；

[0014] 3)岩体的分解：沿着岩体内部的天然贯通裂隙将岩体分解，分解后获得含有内部裂隙面的各块体，保留块体上的参考点；

[0015] 4)岩体三维数值模型的重构：利用三维扫描仪对分解的块体进行逐个扫描，同步骤2)获得三维数值模型，记录此次扫描的参考点坐标，利用分解之前参考点的坐标对获得的三维数值模型进行坐标转化拼接，即获得重构的三维数值模型；

[0016] 5)根据重构获得的三维数值模型制作基于天然岩体的三维裂隙岩体模型。

[0017] 进一步，所述步骤5)中，基于3D打印制作模型：将重构获得的三维数值模型导入3D打印机中，自选打印材料对数值模型进行打印，即得到基于天然岩体的三维裂隙岩体模型。

[0018] 所述的参考点为特制可用于坐标识别的参考点，三维扫描仪扫描之后建立三维数值模型，参考点可被识别和标记出。

[0019] 更进一步，所述三维扫描仪在扫描过程中，收集的数据即为点云的三维坐标，因此，只要参考点可被三维扫描仪识别，即可记录参考点的坐标。

[0020] 再进一步，所述的贴参考点需要注意的是，在岩体表面贴参考点，不得覆盖表面裂隙，且参考点为了便于块体的重构拼接，不能规则分布，在分解块体时，不得对参考点进行任何的移动和撕毁。

[0021] 优选的，所述三维扫描仪为高精度结构光三维扫描仪，亦可是其他高精度三维扫描仪。

[0022] 所述逆向工程软件及参考点坐标转化拼接，需要用到数据采集软件、数据分析软件和点云处理软件。

[0023] 所述的打印材料通常以ABS(Acrylonitrile-butadine-styrene，即丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、PLA(Polylactic acid，即生物降解塑料聚乳酸)和PVA(Polyvinyl alcohol,vinylalcohol polymer，即聚乙烯醇)为原材料，可以较好的进行力学和渗流试验。

[0024] 由于采用了上述技术方案，本发明所取得有益效果为：

[0025] 1)对于存在贯通裂隙的岩体，通过分解重构可以还原原岩内部的真实情况。无需制作复杂的制样模具，不会将模具所带来的误差传递给模型。

[0026] 2)利用高精度三维扫描仪，可精确的还原裂隙结构面的粗糙度情况，且无需考虑岩石试样的形状。

[0027] 3)利用高精度3D打印技术可将三维数值模型完好的打印出来，制样过程简单快捷，所选材料为通用材料，模型无需考虑模具的限制。

附图说明

[0028] 图1为贴了参考点的裂隙岩体以及沿裂隙分解块体的式样。

[0029] 图2为扫描前裂隙岩体的三维数值模型。

[0030] 图3为3D打印的裂隙岩体三维模型。

[0031] 其中，1、参考点，2、分解的块体。

具体实施方式

[0032] 下面结合附图对本发明作进一步描述。

[0033] 参照图1～图3，一种基于分解-重构制作裂隙岩体模型的方法，包括如下步骤：

[0034] 1)现场采集天然裂隙岩体试样，对岩体试样的表面进行清理，贴上参考点(如附图1)。参考点如附图1上所示，不能规则分布，不得覆盖裂隙。

[0035] 2)利用三维扫描仪对岩体表面进行扫描，获得裂隙岩体各个表面的测量数据，利用逆向工程软件完成对扫描数据的拼合，获得裂隙岩体的三维表面数值模型，记录参考点的坐标。即附图2所示的三维模型，对岩体表面的扫描只能显示表面裂缝的情况，不能反映内部裂隙的发育。

[0036] 3)沿着岩体内部的天然裂隙将岩体分解，分解后获得含有内部裂隙面的各块体，保留块体上的参考点。

[0037] 4)利用三维扫描仪对分解的块体进行逐个扫描，同步骤2)获得三维数值模型，记录扫描的参考点坐标，利用分解之前参考点的坐标对获得的三维数值模型进行坐标转化拼接，即获得重构的三维数值模型。

[0038] 5)将重构获得的三维数值模型导入3D打印机中，可自选打印材料对数值模型进行打印，即可得到基于天然岩体的裂隙岩体模型。附图3为3D打印的裂隙岩体三维模型，可以精确反映内部裂隙的表面形态和空间分布情况。在进行力学试验时可根据岩石的力学性能选取强度相似的打印材料，在进行渗流试验时可选用刚性透明树脂材料，实现流体的可视化。

[0039] 所述的参考点为特制可用于坐标识别的参考点，三维扫描仪扫描之后建立三维数值模型，参考点可被识别和标记出。

[0040] 更进一步，所述三维扫描仪在扫描过程中，收集的数据即为点云的三维坐标，因此，只要参考点可被三维扫描仪识别，即可记录参考点的坐标。

[0041] 再进一步，所述的贴参考点需要注意的是，在岩体表面贴参考点，不得覆盖表面裂隙，且参考点为了便于块体的重构拼接，不能规则分布，在分解块体时，不得对参考点进行任何的移动、撕毁。

[0042] 优选的，所述三维扫描仪为高精度结构光三维扫描仪，亦可是其他高精度三维扫描仪。

[0043] 所述逆向工程软件及参考点坐标转化拼接，需要用到数据采集软件、数据分析软件和点云处理软件。

[0044] 所述的打印材料通常以ABS、PLA和PVA为原材料，可以较好的进行力学和渗流试验。