一种仿制天然裂缝岩样的人造实验样品制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及岩土力学实验技术，尤其涉及一种仿制天然裂缝岩样的人造实验样品制作方法。
【背景技术】
[0002]天然岩体通常会经受复杂的地质运动而在其内部产生许多形貌各异的裂缝。岩体大多沿着裂缝面发生破坏，而裂缝面内的流体流动能力也远大于岩石基质，因此裂缝对岩体的变形性质和水力学特性有着重要的影响。在地面和地表开展的各类岩体工程，如隧道、边坡、洞室中，裂缝影响着各类工程的稳定性和安全性。在开发深部地层的油气资源时，岩体中的裂缝又影响着钻井效率和油气藏开发效果。同时众多学者的研究均表明，裂缝的具体形貌进一步决定了其对岩体性质的影响，因此研究裂缝形貌对岩体性质的影响意义重大。
[0003]目前针对裂缝形貌对岩体性质的研究，主要是天然裂缝岩样在不同的应力、温度、流体条件下的裂缝法向闭合实验研究和裂缝切向剪切实验研究两种。由于工程需要预测不同条件下同样一个裂缝对岩体性质的影响，通常需要针对同一天然裂缝岩样进行多次不同实验条件下的实验。
[0004]由于自然界中不可能有表现形貌完全相同的裂缝面，因此工程中常常直接使用同一裂缝岩样进行多次不同实验条件下的实验。但大多数裂缝岩样在经历了第一次、第二次实验后，其裂缝表面会被磨损，形貌发生改变，所得到的实验数据并不能真实反映原始裂缝对岩体性质的影响。此外，地面和地表岩体工程可采取原位实验和室内实验，取样较为方便。而深部岩体则仅能通过成本高昂的钻井取芯来获取进行室内实验的实验样品。因此许多学者和工程师都采用力学性质和岩石相似的混凝土、水泥砂浆等材料浇筑成许多具有相同裂缝形貌的边长在50毫米到300毫米之间的长方体形人造实验样品来进行实验。这样可以保证每次实验中的人造实验样品的材料性能基本相同、裂缝的形貌基本一致，实验结果也更加真实可靠。这种浇筑人造实验样品的方法被广泛采用，促进了裂缝岩体性质的室内实验研究的发展，得出了许多宝贵的结论，但也存在一定的不足之处。
[0005]目前浇筑制备人造实验样品的方法可细分为以下三种。
[0006](I)直接浇筑方法。在现场获得含一对裂缝面的岩体样品后，对其进行切割加工，获得两块仅一个面为裂缝面，其他五个面为平面的长方体岩样。将这两块岩样都按照带有裂缝面的一面朝上放置，并在四周用特定尺寸的平板围起来组成浇筑盒，以提供浇筑的空间。在配置好水泥砂浆等浇筑材料后，直接在天然裂缝岩样的裂缝表面上进行浇筑。如果天然裂缝岩样的两个裂缝面耦合度较好，浇筑所得到两块浇筑体即可作为人造实验样品进行实验。而如果天然裂缝岩样的两个裂缝面耦合度较差，则需要将浇筑所得到的两块浇筑体作为中间件，以中间件为模具再进行一次类似浇筑才能得到实验所需的人造实验样品。
[0007](2)间接浇筑方法。间接浇筑方法是对直接浇筑方法的改进。不同于直接浇筑方法需要先制作中间件，间接浇筑方法先使用硅胶或者树脂等材料对裂缝面进行翻模。在翻模前无需对天然裂缝岩样进行切割，而是将翻模得到的硅胶树脂等材料切割成规则外形后进行浇筑来得到人造实验样品。
[0008](3)基于裂缝表面轮廓线测量的制作方法(发明专利申请号20141083577.0)。该方法首先利用三维(3D)激光扫描方法对5到10米的大尺寸裂缝面的表面轮廓线和倾向、倾角、走向进行测量。在对测量数据进行诸如去噪，缩放等处理后，得到了小尺寸的裂缝面模型。将其导入电火花切割控制机加工出带有相应轮廓线形状和倾向、倾角、走向的钢块便可浇筑出人造实验样品。该方法被用于研究裂缝充填物物理性质对裂缝岩体的强度和变形特性的影响。
[0009]对于直接浇筑方法，其缺点是制作过程中需对天然裂缝岩样进行切割和翻动，有可能会对裂缝面造成破坏。同时需要额外的一次翻模，这使得浇筑材料消耗较多，制作成本较高。而每次翻模倒模的候凝成型时间都在I天左右，制作周期也较长。而间接浇筑方法无需切割天然裂缝岩样也较省浇筑材料，但受硅胶和树脂等材料自身流动能力的影响，可能在翻模时由于天然裂缝岩样裂缝表面上的气泡难以排除而不能完整地拓印裂缝形貌。同时由于硅胶材质较软易破损，在浇筑时不能使用钢丝等硬物进行振捣来排除气泡。这都将造成人造实验样品的裂缝形貌与天然裂缝岩样存在差异。另外需要特别指出的是，由于对深部地层的钻井取芯成本很高，通常需要充分利用每一块岩心来进行各种实验，如渗透率、孔隙度的测量，岩心的计算机断层扫面重建等。而直接使用水泥砂浆进行翻模的过程中的液相可能会渗入天然裂缝岩样内部而造成污染，硅胶和树脂翻模也可能会污染天然裂缝岩样表面。这将导致天然裂缝岩样不能再进行其他实验，无疑进一步提高了人造实验样品的制作成本。而基于裂缝面测量的制作方法则很好的避免了这些问题，在整个制作过程中由于采用了激光进行非接触式的原位测量，并不会对天然裂缝岩样产生污染。但其针对5到10米的大尺寸裂缝面，仅测量裂缝面的表面轮廓线和倾向、倾角、走向，而忽略了裂缝面的具体形貌。因而由此获得的人造实验样品也仅包含了裂缝面的表面轮廓线和倾向、倾角、走向信息，忽略了裂缝面的具体形貌细节。如果直接使用由其制作的人造实验样品来进行研究将不能很好地反映裂缝表面的具体形貌对岩体性质的影响。同时基于裂缝面测量的制作方法采用电火花切割加工钢块的方式制作浇筑模具，其加工时间和加工成本也较高。
[0010]而采用目前较为成熟的3D扫描技术和3D打印技术，可以非接触式地、快速、精确而又完整地获取整个裂缝面形貌的几何数据。在对扫描数据进行处理后便可采用3D打印技术快速、成批量地制作出浇筑用的模具来浇筑人造实验样品。这样便能达到高品质、低成本、快速地制作人造实验样品的目的。
【发明内容】
[0011]本发明的目的是克服现有的裂缝岩体研究中人造实验样品的制备方法会对作为仿制对象的天然裂缝岩样造成破坏和污染，且制作成本较高，制作周期较长的不足，提出的一种仿制天然裂缝岩样的人造实验样品制作方法。该方法采用3D扫描技术对天然裂缝岩样的完整裂缝形貌几何参数进行精确测量，扫描数据经过软件处理后采用3D打印技术快速批量制造浇筑模具以缩短人造实验样品的制作周期。
[0012]为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的:
[0013]—种仿制天然裂缝岩样的人造实验样品制作方法，包括如下步骤:
[0014](I)测量天然裂缝岩样的裂缝面的大致尺寸，并根据实验要求和3D打印机的最大打印尺寸共同确定用于制作浇筑模具和人造实验样品的裂缝面的长度和宽度。
[0015](2)按照上一步确定的裂缝面的长度和宽度，选定3D扫描仪的单次扫描区域大小并对3D扫描仪进行校准。然后使用3D扫描仪对天然裂缝岩样的裂缝面形貌几何参数进行精确测量，通过一次扫描或多次扫描后拼接获取完整裂缝形貌的点云数据。
[0016](3)在与3D扫描仪配套的操作软件中进行“点云数据全局优化”和“去除重叠点云”操作并保存。
[0017](4)将经过上一步处理的点云导出保存，然后导入Geomatic Stud1逆向工程软件中。由于实验通常使用一个面为裂缝面的长方体人造实验样品，因此在Geomatic Stud1中按照实验所需的裂缝面尺寸裁剪掉多余的点云，然后将点云封装成三角形面片以STL文件格式保存。此时便得到一个边界为长方形的裂缝面。
[0018](5)将上一步获得的STL模型文件导入Pro/Engineer建模软件中，在裂缝面的四周补充平面，在裂缝面的底部也补充一个平面。这使得