基于CT扫描及3D打印技术裂隙岩体试样力学特性研究

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1、分类号:TU-45810710-2015128004硕士学位论文基于CT扫描及3D打印技术裂隙岩体试样力学特性研究裴志茹导师姓名职称田威教授申请学位类别工学硕士学科专业名称岩土工程论文提交日期2018年4月20日论文答辩日期2018年6月4日学位授予单位长安大学AStudyonMechanicalCharacteristicsofFlawedRockMassSpecimensBasedonCTScanningand3DPrintingTechnologyAThesisSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：PeiZhiruSu

2、pervisor：Prof.TianWeiChang’anUniversity,Xi’an,China摘要岩体是一种内部结构复杂、包含多种结构面的重要工程介质，其强度及力学特性受到内部存在的多种结构面的共同影响。大量研究表明，岩体的失稳破坏是在外力的作用下萌生的裂纹与原始结构面相互作用，使裂纹进一步扩展贯通导致的。而以往对岩体力学特性及贯通机制的研究中，未能还原岩石的内部复杂结构，且无法大量快速制作内部结构完全一致的试样，从而导致了一定的试验误差。本文结合CT扫描、三维图像处理技术建立了与砂岩试样内部结构相一致的三维数字模型，进而选择合适的打印材料，借助新兴的3D

3、打印技术制备出相应三维实体模型，探究了含裂隙试样在单轴压缩条件下的力学特性及裂纹扩展特征。同时运用有限元分析软件ABAQUS对模型开展单轴压缩条件下的数值模拟计算，将所得结果与室内试验结果进行比对和验证。本文的主要工作和研究成果如下：（1）介绍了3D打印技术的打印流程、打印材料及成型工艺，同时分析了3D打印技术较传统制作方法的优势及局限性，并介绍了此项技术在岩土工程及岩石力学室内试验中的应用现状。（2）借助CT扫描和三维重构技术得到的数字模型还原了砂岩试样内部的薄弱区域等真实结构信息，进而借助3D打印技术的不同打印工艺制备了与天然砂岩试样内部结构特征相一致的3D打

4、印试样。（3）通过试验对比可得，选用呋喃树脂和GS19砂粉末进行合理配比作为打印材料制备的3D打印试样，其密度、单轴抗压强度、单轴抗拉强度和弹性模量等物理力学性质指标与天然砂岩试样较为接近，可以用于砂岩室内试验的研究当中。（4）在单轴压缩条件下，含不同倾角预制裂隙3D打印试样的破坏形式主要包括张拉破坏、剪切破坏、拉-剪混合破坏。其峰值抗压强度表现为先减小后增大的“V”型变化趋势。（5）借助ABAQUS数值模拟软件对三维重构后的模型进行有限元计算，分析了试样在单轴压缩条件下的强度和裂纹扩展规律，并将其与室内试验所得结果进行对比，二者较为接近。关键词：岩石力学，三维重

5、构，3D打印，预制裂隙，力学性能，数值模拟IAbstractRockmassisanimportantengineeringmediumwithcomplexinnerstructureandcontainingavarietyofstructuralsurfaces,anditsstrengthandmechanicalcharacteristicsisaffectedbythecommoneffectofstructuralsurfacesexistingintherockmass.Manystudieshaveshownthatthefailureofroc

6、kmassiscausedbycracksfurtherpropagationandcoalescence,whichduestotheinteractionsbetweenoriginalstructuresurfacesandcracksproducedunderexternalforce.Whileinthepreviousstudiesonmechanicalcharacteristicsandcoalescenceprocessesofrockmass,thecomplexinternalstructureofrockcannotberestoredan

7、dspecimenswithabsolutelyidenticalinternalstructurecannotbeobtainedmassivelyandquickly,andthusleadtosometesterror.ThispapercombinedtheCTscanningtechnologyand3Dimageprocessingtechnologytobuildthethree-dimensionaldigitalmodelswhichhavethesameinternalstructurewithnaturalsandstonespecimens

8、,base