大家好！今天给大家分享来自TOP期刊《 Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》的文章，大家快来学习一下吧。
3D打印岩石类试样在层状岩石隧道中的物理模型试验及应用
Physical model test and application of 3D printing rock-like specimens to laminated rock tunnels
1. 主要摘要
本研究利用3D打印技术制作了不同倾角的层状岩体试样，并进行隧道开挖的物理模型试验。采用数字图像相关（DIC）技术对层状岩体隧道周围岩石的微观位移和应变场进行分析，揭示了非均匀变形的时空演化特征。实验结果表明，周围岩石的位移和应变场在水平层理面达到最大，并随着倾角的增加线性减小。数值模拟进一步验证了实验结果，表明该方法在分析、预测和控制隧道围岩的非均匀变形方面具有重要的理论意义。
2. 引言
层状岩体的各向异性是隧道开挖过程中产生非均匀大变形的重要原因。然而，由于制作和实验过程中的难度，关于层状岩体隧道变形及破坏机制的研究仍然有限。本文综述了3D打印技术在地质工程中的应用进展，并指出其在岩体力学实验中的巨大潜力。现有研究大多采用传统的局部应变测量方式，难以观察整个感兴趣区域的变形。数字图像相关技术（DIC）则为全面分析岩体破坏和裂隙演化提供了新手段。本研究通过3D打印层状岩体试样，在不同倾角下进行隧道开挖物理模拟，以揭示层状岩体的非均匀变形机制。
3. 主要内容
1. 实验方法与试样制备：本研究使用3D打印技术制备了不同倾角（0°，30°，45°，60°和90°）的层状岩体试样，并设计了隧道开挖实验装置。在隧道方向上试样厚度分别为150 mm、200 mm和250 mm，侧压力系数设置为1.8。实验加载系统模拟了隧道的初始应力场，隧道开挖后继续加载以观测蠕变变形。
2. 隧道模型试验结果分析：DIC技术用于捕捉隧道开挖期间围岩的位移和应变分布。水平位移集中在水平层理面处，随层理倾角增加而减小；垂直位移则呈斜对称分布。拉应变主要分布在隧道顶部和底部，压应变集中于拱顶和拱底。
3. 变形破坏模式分析：不同倾角下的围岩破坏模式有所不同。倾角为45°、30°和60°的试样表现出剪切滑移破坏，而0°和90°的试样则分别以拱底和拱顶的垂直滑移破坏为主。数值模拟结果显示最大塑性应变在层理面与隧道截面相切处并随倾角增加而减少。
4. 开挖破坏区（EDZ）分析：EDZ中的拉应变和压应变区域随时间变化。60°试样的拉应变区在20小时内扩展了6倍，压应变集中在隧道拱顶和拱底。d/r比值在水平层理面（0°）时最大，而在垂直层理面（90°）时最小，表明水平层理面对隧道扰动影响较大。
4. 主要结论
1. 隧道的水平和垂直位移呈对称分布，水平位移的最大值随层理倾角变化，而垂直位移斜对称分布。
2. 层状围岩的最大变形发生在垂直于层理面的方向，且围岩的变形受层理倾角影响显著。
3. 最大拉应变区和最大塑性应变出现在水平层理面，而压应变区在30°时达到峰值，EDZ区域和应变随倾角增加非线性减小。
4. 围岩在开挖后易于发生拉应变破坏，且蠕变速率在开挖后迅速增加，表明支护的及时性至关重要。
5. 层状岩体在高水平应力下发生压缩破坏，应设计合理的支护结构以应对不同倾角的层状隧道围岩变形。
5. 主要结果图
6. 参考文献
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM模拟分析水力压裂工程中的两相流动问题
一区TOP期刊《Separation and Purification Tech》—新型非对称双室电化学反应器的设计与性能评估
一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal 》—COMSOL模拟冲击波电渗析过程中的关键参数
一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal 》—PBI膜的形态调控及其在锂金属电池中的性能提升
一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal 》—COMSOL模拟煤泥微波加热过程
一区TOP期刊《Energy》—CFD-DEM耦合模拟颗粒高速自旋和热传递的规律
一区TOP期刊《Energy》—ANSYS与COMSOL电磁-热耦合模型对比分析
一区TOP期刊《Computers and Geotechnics》— 三维耦合MPM模拟隧道面在水力-机械作用下的坍塌机制
一区TOP期刊《Energy》— COMSOL模拟考虑沉积压缩效应的天然气水合物降压开采储层物理和力学特性的演变
一区TOP期刊《Energy》— VOF-DEM耦合模拟气-液-固多相流混合过程中的传质
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM模拟颗粒在页岩孔隙中堵塞问题
一区TOP期刊《Energy》— 高剪切流动的 CFD-DEM 数值模拟方法
一区TOP期刊《Energy》— 超临界 CO2热泵系统扁管气体冷却器结构分析与优化
