3D激光内雕的内置平面裂隙的类岩石透明试件制作方法

本发明属于土木工程、水利水电工程、新能源工程技术领域，具体涉及3d激光内雕的内置平面裂隙的类岩石透明试件制作方法。

背景技术：

岩石的形成过程是一段漫长的地质过程，在其结晶、沉积、变质的过程中，由于地质构造运动的作用，将使得岩石内部形成大量、几乎无规则出现的裂隙，这些裂隙的存在，将降低岩石的变形模量、强度、承载力等力学指标，威胁工程安全，因此研究内含不同大小、尺寸的裂隙的岩石材料的力学性质具有重要的学术与工程意义。

在研究含裂隙岩石的力学性质时，试验室试验是一种常用的方法，因为试件尺寸较小、精度高、试验仪器较为精密。但由于采集含裂隙天然岩样的技术难度较高，因此室内试验多采用人工制备裂隙的相似材料进行。

目前，人工制作含裂隙岩石相似试件的主要方法有：(1)使用砂浆、树脂等作为岩石基质材料，采用切割方式形成裂隙空腔；(2)使用砂浆、树脂等材料作为岩石基质材料，通过插入插件模拟裂隙，待砂浆凝固后撤去插件以形成裂隙空腔，如申请号201810980736.8；(3)使用3d打印技术，利用脆性树脂作为岩石基质材料，在打印过程中，在裂隙部位留空不打印，形成裂隙空腔，如申请号201810055763.4、201910917145.0、201910416798.0。

其中，方法(1)(2)切割方法由于工艺限制，较难实现任意形状、产状的裂隙面生成，且难以加工内置平面裂隙；方法(3)可以打印任意形状、产状、位置的裂隙，是三种人工制作含裂隙岩石相似试件方法中应用前景较好的一种，缺点则是裂隙与岩石基质同时产生，不完全符合岩石生成过程中，先形成均质基质，后在外力作用下形成裂隙的假定。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供基于3d激光内雕的内置平面裂隙的类岩石透明试件制作方法，直接在透明的类岩石相似材料中，利用激光内雕刻技术，计算干涉空泡对裂隙空腔的充填方案，逐个确定干涉点的中心点位置及干涉空泡的半径，打印获得任意尺寸、产状、组合的内置平面裂隙，形成含裂隙试件。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

基于3d激光内雕的内置平面裂隙的类岩石透明试件制作方法，包括如下步骤：

步骤1：确定拟雕刻的内置平面裂隙的三维尺寸和产状，在计算机中建立拟雕刻的内置平面裂隙的三维数字空间模型；

步骤2：选择类岩石试件，确定基准点坐标，将拟雕刻的内置平面裂隙的三维数字空间模型的各点坐标换算成相对于基准点坐标的相对坐标；

步骤3：在计算机中，根据拟雕刻的内置平面裂隙的三维数字空间模型，确定激光干涉产生的干涉空泡对裂隙空腔的填充方案，填充方案包括填充裂隙空腔的各个干涉空泡的中心点位置和干涉空泡的半径；

步骤4：将类岩石试件放入激光内雕刻机，激光按照充填方案逐个在干涉空泡的中心点位置，产生相应半径的干涉空泡，所有干涉空泡均产生后，形成的空隙区域即为拟雕刻的内置平面裂隙；

步骤5：待类岩石试件冷却后，从激光内雕刻机中取出，即得到包含内置平面裂隙的类岩石试件。

如上所述的类岩石试件为不饱和树脂或有机玻璃。

如上所述的各个干涉空泡形成的空隙区域的外表面积与拟雕刻的内置平面裂隙的外表面积相同，或者各个干涉空泡形成的空隙区域的体积与拟雕刻的内置平面裂隙的体积相同。

如上所述的产状包括走向、倾角和倾向，各个干涉空泡形成的空隙区域的走向、倾角和倾向与拟雕刻的内置平面裂隙的走向、倾角和倾向相同。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)提供了一种新的可生成内置平面裂隙的透明类岩石相似试件；

(2)内置裂隙的生成不受制作工艺的影响，可以根据程序，按照充填方案，制作任意形状、尺寸、产状的内置裂隙，特别适用于人工生成的平面裂隙。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为单个干涉空泡的结构示意图；

图3为拟在透明的类岩石试件中制作的内置平面裂隙的侧视图；

图4为采用多个干涉空泡对内置平面裂隙进行填充的侧视图；

图5为采用多个干涉空泡对内置平面裂隙进行填充的俯视图；

图6为生成的含内置平面裂隙的透明的类岩石试件的轴测图；

图7为生成的含内置平面裂隙的透明的类岩石试件的侧视图；

图8为生成的含内置平面裂隙的透明的类岩石试件的俯视图；

图9为生成的含内置平面裂隙的透明的类岩石试件的正视图；

其中，1-干涉空泡的中心点；2-由激光干涉作用所形成的干涉空泡边界；3-干涉空泡的半径；11-拟生成的内置平面裂隙；12-拟生成的内置平面裂隙的长；13-拟生成的内置平面裂隙的高；14-拟生成的内置平面裂隙的宽；100-类岩石试件。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1-5，基于3d激光内雕的内置平面裂隙的类岩石透明试件制作方法，包括如下步骤：

步骤1：确定拟雕刻的内置平面裂隙的三维尺寸和产状，产状包括走向、倾角和倾向，在计算机中建立拟雕刻的内置平面裂隙的三维数字空间模型，各个干涉空泡形成的空隙区域的走向、倾向和倾角与拟雕刻的内置平面裂隙的走向、倾向和倾角相同；

拟雕刻如图3所示矩形的内置平面裂隙，内置平面裂隙的长约为0.6mm，内置平面裂隙的高约为0.1mm，内置平面裂隙的宽约为0.25mm，内置平面裂隙的倾角为0°。

步骤2：选择类岩石试件，类岩石试件为不饱和树脂或有机玻璃，确定基准点坐标，将拟雕刻的内置平面裂隙的三维数字空间模型的各点坐标换算成相对于基准点坐标的相对坐标，

本实施例中，类岩石试件为不饱和树脂，类岩石试件的尺寸为φ5mm×10mm，内置平面裂隙位于类岩石试件的中心位置。

步骤3：在计算机中，根据拟雕刻的内置平面裂隙的三维数字空间模型，确定激光干涉产生的干涉空泡对裂隙空腔的填充方案，填充方案包括填充裂隙空腔的各个干涉空泡的中心点位置和干涉空泡的半径；各个干涉空泡形成的空隙区域的外表面积与拟雕刻的内置平面裂隙的外表面积相同，或者各个干涉空泡形成的空隙区域的体积与拟雕刻的内置平面裂隙的体积相同；

在本实施例中，为了形成拟雕刻的内置平面裂隙，经过计算机程序优化计算后，按照各个干涉空泡形成的空隙区域的外表面积与拟雕刻的内置平面裂隙的外表面积相同的等效原则，采用4*11个半径为约0.0567mm的干涉空泡来填充这个内置平面裂隙，各个干涉空泡形成的空隙区域的面积的外表面积与拟雕刻的内置平面裂隙的外表面积相同，如图4和图5所示。

步骤4：将类岩石试件放入激光内雕刻机，激光按照充填方案逐个在干涉空泡的中心点位置，产生相应半径的干涉空泡，所有干涉空泡均产生后，形成的空隙区域即为拟雕刻的内置平面裂隙；

步骤5：待类岩石试件冷却后，从激光内雕刻机中取出，即得到包含内置平面裂隙的类岩石试件。

实施例2：

如图6～图9,类岩石试件的尺寸为φ5mm×8mm的圆柱形透明试样，内置平面裂隙为4mm×4mm×0.1mm，倾角为30°的矩形内置平面裂隙，干涉空泡为行*列*层为41×41×1，干涉空泡的个数为41×41×1＝1681个，每个干涉空泡的半径为0.0567mm。其他与实施例1相同。最终形成的包含内置平面裂隙的待类岩石试件100的轴测图如图6，侧视图如图7，俯视图如图8，正视图如图9。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。