3D打印技術(shù)在節(jié)理巖體試樣制備中的應(yīng)用與研究

徐竟航 張志奇 彭 亮

(石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北石家莊 050043)

1 概述

工程實(shí)際中，結(jié)構(gòu)面的力學(xué)強(qiáng)度對(duì)于保證工程安全、優(yōu)化工程設(shè)計(jì)有著非常重要的意義[1-2]，查明其強(qiáng)度是巖石力學(xué)和工程地質(zhì)勘察的一項(xiàng)重要工作，也是工作的難點(diǎn)。其中，測(cè)量、計(jì)算結(jié)構(gòu)面中的受力及抗剪強(qiáng)度尤為重要[3]。目前，常用的節(jié)理面粗糙度測(cè)量方法有：粗糙度測(cè)量?jī)x直接測(cè)量、巴頓曲線估算、多重分形理論計(jì)算等。但上述方法均存在一定的缺陷，使用3D打印技術(shù)可完善其解決方案。

3D打印技術(shù)在巖石物理學(xué)中已有大量應(yīng)用，前人通過立體光固化(SLA) 、熔融沉積成形(FDM)和粉層與噴墨頭技術(shù)(3DP)，可以打印出巖石試樣并進(jìn)行劈裂試驗(yàn)：立體光固化技術(shù)(SLA)打印的樹脂材料試樣具有良好的脆性，適合模擬硬巖的物理試驗(yàn)，但其強(qiáng)度和脆性較天然巖石仍有欠缺[4]。因此，3D打印材料無法較好地模擬巖石，但可利用3D打印技術(shù)制作模具，然后采用接近巖石的相似材料來制造人工試樣以模擬巖石。

研究巖體抗剪強(qiáng)度一般是在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行直剪試驗(yàn)，這也是測(cè)定巖體抗剪強(qiáng)度最常用的方法。使用白光掃描儀精確掃描得到結(jié)構(gòu)面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，配合3D打印技術(shù)制作模具，解決不能重復(fù)制備剪切試樣的難點(diǎn)[5]。針對(duì)以上結(jié)構(gòu)面剪切機(jī)理研究過程中出現(xiàn)的不足之處進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)3D打印技術(shù)在節(jié)理巖體試樣制備中的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。

2 試驗(yàn)儀器及過程

2.1 試驗(yàn)儀器介紹

(1)3D建模軟件

Pro/Engineer軟件在國(guó)內(nèi)也被稱為“野火”，是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司的一款三維軟件，也是如今機(jī)械建模領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的三維立體模型軟件。在個(gè)體的特征描述中，野火軟件可以詳細(xì)地刻畫出每個(gè)個(gè)體的基本特征，使用此軟件可方便建出所需的模型。

此軟件可采用基于個(gè)體的功能生成對(duì)應(yīng)模型，例如倒角、圓角、外殼、曲面等。與我們熟悉的CAD不同，這款軟件可以先勾畫出草圖，再通過標(biāo)注數(shù)據(jù)改變模型特征。這一功能特性可使設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單和靈活，并方便后期對(duì)模型進(jìn)行修改。

(2)切片軟件

將模型導(dǎo)入打印機(jī)前，需要對(duì)模型進(jìn)行一定的前處理，這需要利用Cura軟件。Cura 是目前功能較強(qiáng)大的一款3D打印切片軟件，包括了3D打印所需的功能，如模型切片和打印機(jī)控制等，具有速度快、切片穩(wěn)定、對(duì)3D模型結(jié)構(gòu)包容性強(qiáng)、設(shè)置參數(shù)少等諸多優(yōu)點(diǎn)。

選用的打印機(jī)主要基于FDM熔融沉積成形工藝，在切片軟件中可以根據(jù)精度的需求選擇切片層厚度、打印速度、噴嘴和底板溫度來控制打印機(jī)的工作，也可調(diào)整模型在打印機(jī)中的打印位置等。

(3)3D打印機(jī)

3D打印是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)的技術(shù)[6]，利用粉末狀油脂或塑料等特殊材料，經(jīng)過提前設(shè)定、分層加工、疊加制造(逐層打印)，并以此制造三維物體。

激光燒結(jié)法、激光切割疊層制造法使用的材料成本昂貴且加工困難[7]，光固化成形法所需材料性能與試驗(yàn)所需材料特性不符，故本試驗(yàn)使用熔融沉積快速成形法，使用材料為ABS 、PLA。其優(yōu)點(diǎn)為易得、便宜、輕便、高強(qiáng)度和高穩(wěn)定性等，能進(jìn)行攻絲、鉆孔、上色等操作[8]。缺點(diǎn)是容易發(fā)生脆性斷裂(斷裂后導(dǎo)致模具無法重復(fù)使用)。

熔融沉積成形是將絲狀的熱熔性材料(塑料等)加熱融化，通過計(jì)算機(jī)控制的噴頭，根據(jù)截面數(shù)據(jù)信息控制噴嘴進(jìn)行X/Y方向的程控運(yùn)動(dòng)。噴頭按照模型的斷層切面進(jìn)行填充，直至完成一個(gè)層面的圖形繪制，冷卻后形成一層截面，然后平臺(tái)下降一個(gè)厚度的單位(通常為0.1～0.3 mm)，重復(fù)以上過程，繼續(xù)熔融沉積，直至得到完整的實(shí)物模型。

(4)巖石直剪儀

巖石直剪儀是測(cè)定巖石抗剪強(qiáng)度的儀器(見圖1)，簡(jiǎn)稱直剪儀。測(cè)定時(shí)，將巖石試樣置于直剪儀上、下金屬盒之間，通過上盒的液壓軸對(duì)石塊施以一定的垂直壓力，然后對(duì)上盒施加水平推力，使試樣沿上、下盒水平接觸面發(fā)生剪切位移直至破壞。通常釆用等速剪應(yīng)變的方法，稱為應(yīng)變控制剪切。

圖1 巖石直剪儀工作示意

2.2 試驗(yàn)過程

(1)模具及節(jié)理面模型的制作

通過Pro/E建模軟件完成建模后，導(dǎo)出STL格式并將模型導(dǎo)入Cura切片軟件。調(diào)整打印精度、打印速度、噴頭溫度、底板溫度后，連接3D打印機(jī)開始打印。

根據(jù)直剪儀金屬盒大小，使用Pro/E軟件建立外形尺寸為140 mm×140 mm×120 mm，厚5 mm的模具外框(見圖2)。在模具的兩邊對(duì)稱設(shè)計(jì)了5個(gè)孔洞，以方便使用塑料綁扎帶穿孔連接。

圖2 外框模型

制作可承托外框的模具底座，可輔助固定模具并防止水泥在振搗過程中溢出(見圖3)。

圖3 底座模型

根據(jù)巴頓典型JRC曲線[9](見圖4)，制作120 mm×198 mm，厚2 mm，不同粗糙度的10個(gè)節(jié)理面模型(見圖5)。

圖4 巴頓典型曲線

圖5 節(jié)理面模型

制作測(cè)試水泥抗壓強(qiáng)度的試塊模具，設(shè)計(jì)模具內(nèi)徑為50 mm，高100 mm(見圖6)。

圖6 水泥試塊模型

(2)試塊制作

此次試驗(yàn)石塊尺寸為140 mm×140 mm×120 mm，材料使用清水，標(biāo)準(zhǔn)砂，425普通硅酸鹽水泥，三種材料的質(zhì)量配合比為水∶砂∶水泥=1∶6∶2，每組節(jié)理制作3個(gè)試樣。拌和前用水潤(rùn)濕砂，并在拌和過程中添加少量消泡劑，試樣澆筑前，在模具內(nèi)節(jié)理面上涂油(方便脫模)，在模具底部放上專用底座(防止水泥砂漿在振搗時(shí)流出)。在(20±2) ℃、相對(duì)濕度為90%以上的條件下養(yǎng)護(hù)試樣，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于28 d[10]。

將模具，底座與節(jié)理面模型連接、組裝并固定，再將水泥砂漿澆筑其中(見圖7)。

圖7 試塊制作

(3)水泥試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

將養(yǎng)護(hù)好的圓柱體試塊放在壓機(jī)上，取壓碎時(shí)的受力值作為抗壓強(qiáng)度值。

此步驟目的是將水泥試塊與真實(shí)巖石抗壓強(qiáng)度做比對(duì)。若試塊與真實(shí)巖石抗壓強(qiáng)度不符，可通過調(diào)節(jié)水灰比來改變?cè)噳K抗壓強(qiáng)度。

(4)直剪實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)參考楊潔的節(jié)理峰值抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)[11]研究進(jìn)行。

試驗(yàn)前，將粗糙度為0～2，2～4，…，18～20節(jié)理面的試樣分別編號(hào)1，2，…，10。為了對(duì)照，增加粗糙度為0的試樣(節(jié)理面無起伏)。確保直剪儀金屬盒內(nèi)無雜物，將試樣放入盒內(nèi)，使上下兩塊試樣節(jié)理面緊密貼合。在試樣節(jié)理面法向加壓20 kPa，并通過液壓泵對(duì)上半部試樣緩慢勻速施加水平推力。通過百分表記錄剪力與位移的關(guān)系，并記錄數(shù)據(jù)。每組節(jié)理面試樣重復(fù)三次試驗(yàn)。

試驗(yàn)開始時(shí)，作用于上金屬盒的水平推力逐漸增加，上、下盒之間發(fā)生輕微位移，推測(cè)為石塊節(jié)理面間相互擠壓變形。當(dāng)推力表讀數(shù)接近峰值，上、下盒已有明顯位移錯(cuò)動(dòng)。當(dāng)荷載達(dá)到峰值時(shí)，推力表讀數(shù)驟降，此時(shí)試塊發(fā)生卸荷變形，試塊節(jié)理面部分被剪切破壞。繼續(xù)加荷，推力表讀數(shù)下降至趨于平穩(wěn)。

試驗(yàn)結(jié)束后，打開金屬盒，取出石塊，可觀察到節(jié)理面有明顯錯(cuò)動(dòng)破壞(見圖8、圖9)。

圖8 節(jié)理面破壞縱面(一)

圖9 節(jié)理面破壞縱面(二)

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

表1為試驗(yàn)室剪切試驗(yàn)得到的部分?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，根據(jù)數(shù)據(jù)擬合圖像，可進(jìn)一步得出剪切應(yīng)力和位移與JRC之間存在的直觀聯(lián)系(見圖10)。

表1 剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖10 位移與應(yīng)力關(guān)系

由圖10可知，在一定的法向力作用下，對(duì)于相同的一組試件，剪切破壞所需的剪力大致相同；隨著節(jié)理面粗糙度(JRC)的增加，所需剪力峰值也隨之增大。這一現(xiàn)象與巴頓典型JRC曲線相符合。

4 3D打印技術(shù)可行性的討論

隨著3D打印的日漸普及，此項(xiàng)技術(shù)越來越多地被應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域[12]。3D打印技術(shù)可制作出多個(gè)完全相同的節(jié)理面進(jìn)行多次試驗(yàn)，這是傳統(tǒng)試驗(yàn)方法所不具備的最大優(yōu)點(diǎn)。且3D打印機(jī)制作模具時(shí)無需守候，打印所需時(shí)間低于手工制作模具時(shí)間且精度比手工制作高。

在實(shí)踐過程中，也發(fā)現(xiàn)了3D打印方法存在一些缺點(diǎn)，如3D打印機(jī)為精密機(jī)器，購(gòu)置成本高，維護(hù)要求高；若設(shè)計(jì)不合理，打印模型容易發(fā)生斷裂等。

5 工程應(yīng)用與前景

JRC裂隙粗糙度系數(shù)是解釋巖石裂隙力學(xué)及滲流特性的重要參數(shù)。實(shí)際工程中，粗糙度系數(shù)的測(cè)定及試驗(yàn)對(duì)邊坡支護(hù)的作用及重要性，以及3D打印技術(shù)的可復(fù)制性在該領(lǐng)域會(huì)有突出優(yōu)勢(shì)。

式(1)為粗略計(jì)算巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的公式[14]

(1)

對(duì)于邊坡整體而言，該非線性公式可以很好地反映邊坡澆筑后節(jié)理面粗糙度和強(qiáng)度之間的聯(lián)系。但是仍存在工程現(xiàn)場(chǎng)局部邊坡JRC難以測(cè)定計(jì)算的問題[15]，若通過白光掃描技術(shù)及3D打印技術(shù)，制造出與實(shí)際邊坡紋理形狀相同的試件，通過剪切試驗(yàn)來獲取真實(shí)數(shù)據(jù)，并運(yùn)用“借小議大”技術(shù)合理應(yīng)用到整個(gè)邊坡斷面[16]，即可回避JRC系數(shù)測(cè)定這一復(fù)雜且多變的問題。