岩土力学 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (S1): 107-116.doi: 10.16285/j.rsm.2022.0757

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

基于3D打印的裂隙岩体力学特性尺寸效应及各向异性初探

罗国立1,张科1,齐飞飞2,朱辉3,张凯1, 4,刘享华4   

  1. 1. 昆明理工大学 电力工程学院,云南 昆明 650500;2. 楚雄彝族自治州水务局,云南 楚雄 675000; 3. 中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司,云南 昆明 650051;4. 昆明理工大学 建筑工程学院,云南 昆明 650500
  • 收稿日期:2022-05-20 接受日期:2022-06-30 出版日期:2023-11-16 发布日期:2023-11-16
  • 通讯作者: 张科,男,1986年生,博士,教授,博士生导师,主要从事岩石力学与工程方面的教学与研究工作。E-mail: zhangke_csu@163.com E-mail:luoguoli_kust@163.com
  • 作者简介:罗国立,男,1998年生,硕士研究生,主要从事岩土力学与工程方面的研究。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(No. 41762021,No. 11902128);云南省应用基础研究计划项目(No. 2019FI012)

Size effect and anisotropy of mechanical properties of fractured rock masses based on 3D printing

LUO Guo-li1, ZHANG Ke1, QI Fei-fei2, ZHU Hui3, ZHANG Kai1, 4, LIU Xiang-hua4   

  1. 1. Faculty of Electric Power Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming, Yunnan 650500, China; 2. Water Resources Bureau of Chuxiong Yi Autonomous Prefecture, Chuxiong, Yunnan 675000, China; 3. Kunming Prospecting Design Institute of China Nonferrous Metals Industry Co., Ltd., Kunming, Yunnan 650051, China; 4. Faculty of Civil and Architectural Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming, Yunnan 650500, China
  • Received:2022-05-20 Accepted:2022-06-30 Online:2023-11-16 Published:2023-11-16
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (41762021, 11902128) and the Applied Basic Research Foundation of Yunnan Province (2019FI012).

摘要: 裂隙岩体力学参数的尺寸效应和各向异性是岩石力学与工程领域亟待解决的难点问题。充分利用3D砂型打印技术快速成型、可批量制备复杂内部结构岩体模型的优势,以石英砂和呋喃树脂为打印基材,制备不同尺寸和旋转角的裂隙网络类岩石试件。通过单轴压缩试验研究裂隙网络岩体力学特性的尺寸效应,揭示裂隙密度与强度之间的相关性,分析表征单元体尺度岩体力学特性的各向异性。结果表明:3D砂型打印试件的力学性能与真实岩体相似,应力-应变曲线可划分为初始压密、弹性变形、裂纹萌生与扩展和峰后破坏4个阶段。试件抗压强度与试件边长之间呈指数衰减关系,存在显著尺寸效应性质。裂隙密度与抗压强度之间呈显著的负指数关系,基于裂隙密度与抗压强度确定的岩体表征单元体尺度具有良好的一致性。裂隙岩体的破坏模式和抗压强度具有显著的各向异性特征。研究方法从3D打印角度为复杂裂隙岩体尺寸效应及各向异性的室内试验研究提供了可靠途径。

关键词: 岩石力学, 力学参数, 裂隙网络, 3D打印, 尺寸效应, 各向异性

Abstract: The size effect and anisotropy of the mechanical parameters of fractured rocks are difficult tasks that need to be solved in the field of rock mechanics and engineering. Making full use of the advantages of rapid prototyping and batch preparation of complex internal structure rock models with 3D sand printing technology, the rock-like specimens with different sizes and different rotation angles of the fracture network model are produced by using 3D sand printing, the quartz sand and furan resin are employed as the printing materials. The uniaxial compression test is performed on the 3D sand printed specimens to study the size effect of the mechanical properties of the fracture network rock mass, the correlation between fracture density and strength is revealed and the anisotropy of the mechanical properties of rock masses at the representative elementary volume (REV) scale is analyzed. The test results show that the mechanical properties of 3D sand-printed specimens are similar to those of natural rocks, the stress-strain curves of the fractured network model-like rocks can be divided into four stages: original crack closure stage, linear elastic deformation stage, crack initiation and extension stage, and post-peak stage. There is an exponential decay relationship between uniaxial compressive strength and size of the specimens, and there is an obvious characteristic of size effect. There is a significant negative exponential relationship between fracture density and compressive strength, and the size of the REV determined based on the fracture density and compressive strength is well consistent. The failure patterns and compressive strength of the fractured rocks have obvious anisotropic characteristics. The research approach provides a reliable method for the laboratory experiments to study the size effect and anisotropy of complex fractured rock masses.

Key words: rock mechanics, mechanics parameters, fracture network, 3D printing, size effect, anisotropy

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