田 威 余 宸 張 麗

(長安大學(xué)建筑工程學(xué)院，西安710061)

3D 打印技術(shù)，又稱增材制造技術(shù)或快速成型技術(shù)，是近30 年快速發(fā)展的先進(jìn)制造技術(shù)，被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命”的核心技術(shù)之一[1]。不同于傳統(tǒng)成型技術(shù)所采用的壓制、鍛造、鑄造等方法，3D 打印技術(shù)的原理是通過計(jì)算機(jī)構(gòu)建三維數(shù)字模型后，用極薄的物理層將構(gòu)件疊加 “打印” 出來[2]，因此通過3D 打印技術(shù)獲得的構(gòu)件精度很高，非常適合用于制備高精度要求的機(jī)械零件。3D 打印技術(shù)操作步驟簡單，脫離了模具的限制，具有高度自由創(chuàng)造性，能很好地解決傳統(tǒng)成型技術(shù)難以完成復(fù)雜零件生產(chǎn)的缺陷，進(jìn)而降低了工業(yè)生產(chǎn)的時(shí)間和成本，提高了生產(chǎn)效率，有利于更大利潤的獲得，有效推動(dòng)了一些稀有構(gòu)件的工業(yè)化生產(chǎn)。3D 打印技術(shù)材料種類較為豐富，適用于多個(gè)領(lǐng)域，部分具有生物相容性的金屬、陶瓷材料可用來制作手術(shù)需要的植入物[3]，輕質(zhì)高強(qiáng)的金屬材料則可用于生產(chǎn)飛機(jī)零部件，如美國SpaceX公司就曾利用金屬材料制造出了一臺電動(dòng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)[4]。

巖石是地球表面的主要組成部分，不同地質(zhì)環(huán)境中的巖石形成過程大相徑庭，如火山巖由高溫熔融物凝結(jié)而成、風(fēng)化巖經(jīng)過常溫風(fēng)化而成、變質(zhì)巖經(jīng)過變質(zhì)作用而成等等，因此其結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，內(nèi)部往往存在大量孔隙和貫通、半貫通、非貫通節(jié)理等缺陷。巖石的研究對于資源開采利用、工程建設(shè)安全、災(zāi)害預(yù)防等都有著重要的意義，例如石油開采時(shí)，巖石研磨性和可鉆性的研究是鉆井過程的關(guān)鍵[5]。然而巖石多處于地下深處，開采難度大，且每塊開采的天然巖石樣品都是唯一的，而試驗(yàn)往往帶有破壞性，試驗(yàn)一次后樣品即報(bào)廢，這使得需要多個(gè)相同樣品來抵消偶然性的試驗(yàn)無法順利進(jìn)行，于是有研究人員開始嘗試用石膏等合成物質(zhì)模擬巖石進(jìn)行試驗(yàn)。馮光北等[6]將石膏矽藻土混合物與石膏進(jìn)行相似性比較，發(fā)現(xiàn)石膏矽藻土混合物可以通過規(guī)定配比范圍來控制力學(xué)性質(zhì)，并且在水膏比為 1.2～2.0之間，砂膏比在0.12～0.5 之間時(shí)可作為大理巖的模型材料，然而人工調(diào)配的石膏內(nèi)部不均一性高，無法保證相同試樣的完全一致性，從而導(dǎo)致每組數(shù)據(jù)仍然會(huì)有誤差。目前，研究人員采用的一種能夠真實(shí)模擬工程巖體穩(wěn)定性的方法是室內(nèi)物理模型試驗(yàn)，然而這種方法在巖石結(jié)構(gòu)復(fù)雜的情況下制樣難度大，且實(shí)驗(yàn)周期長、花費(fèi)大，而另一種成本低廉的數(shù)值模擬法因模擬過程中常對復(fù)雜巖體工程進(jìn)行簡化，與真實(shí)巖體存在偏差[7]。

3D 打印技術(shù)能快速打印大量結(jié)構(gòu)高度一致的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)體，解決了人工制作類巖石時(shí)遇到的試樣結(jié)構(gòu)不均一、制樣周期長及程序復(fù)雜等問題。3D 打印技術(shù)制備類巖體僅需對利用CT 掃描技術(shù)獲取的巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維重構(gòu)，再通過 3D 打印機(jī)將三維模型逐層打印，即能成功復(fù)刻與天然巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)高度一致的試樣模型。本文主要從3D 打印技術(shù)分類和3D 打印技術(shù)在巖石力學(xué)中的應(yīng)用兩方面展開論述。

1 3D 打印技術(shù)分類及研究現(xiàn)狀

1.1 3D 打印技術(shù)材料分類

根據(jù)成型工藝的不同，3D 打印材料可以分為多種類型。目前市場上存在的 3D 打印材料主要分為粉末型材料和液體材料。其中粉末型材料又包括塑料粉末、金屬粉末、石膏、砂子、陶瓷等等[8]；液體材料主要有光敏樹脂材料(見表1)。

1.2 典型 3D 打印技術(shù)工作原理

根據(jù)打印材料的不同，3D 打印機(jī)的打印原理也不同。以下分別為可用于打印塑料、金屬、陶瓷等材料的基于三維打印(three dimensional printing,3DP)技術(shù)的打印機(jī)；可用于打印ABS 和PC 等材料的基于熔融沉積成型 (fused deposition modeling, FDM)技術(shù)的打印機(jī)；可用于打印樹脂、低熔點(diǎn)金屬的金屬合金、陶瓷粉末、塑料、石蠟等材料的基于選擇性激光燒結(jié)(selective laser sintering, SLS) 技術(shù)的打印機(jī)(圖 1)。

表 1 代表性 3D 打印技術(shù)的材料分類

圖1 基于不同技術(shù)的3D 打印機(jī)

基于 3DP 技術(shù)的打印機(jī)工作原理 (見圖 2(a))是：鋪粉輥?zhàn)訉⒐┓鄄蹆Υ娴姆勰┩频匠尚筒凵希蛴婎^再根據(jù)計(jì)算機(jī)指令將粘結(jié)劑按照分層截面形狀噴灑在成型槽粉層之上，這樣第一層打印即完成，之后成型槽相應(yīng)地下降一層打印高度，供粉槽相應(yīng)地上升一層打印高度，鋪粉輥?zhàn)釉俅嗡头壑脸尚筒?，噴頭噴灑粘結(jié)劑，完成第二層打印，這樣由下至上，逐層打印，最終打印出三維模型實(shí)體[9]。

圖2 基于不同技術(shù)的3D 打印機(jī)工作原理

基于 FDM 技術(shù)的打印機(jī)工作原理 (見圖 2(b))是：送絲電機(jī)將塑料等絲材送至加熱模塊中，加熱模塊熔化絲材后，打印噴頭根據(jù)計(jì)算機(jī)指令將熔化的絲材在X ?Y方向上打印，一層打印結(jié)束后，工作臺在Z方向下降一層高度，再進(jìn)行下一層打印[10,12-13]。這樣由下至上逐層打印出最終需要的三維模型實(shí)體。

基于 SLS 技術(shù)的打印機(jī)工作原理 (見圖 2(c))是：送料輥將粉末從送料缸推至成型缸活塞上，激光器發(fā)射激光束，并在計(jì)算機(jī)的控制下對粉末層進(jìn)行選擇性燒結(jié)，一層打印結(jié)束后，成型缸下降一層高度，送料缸上升一層高度，繼續(xù)進(jìn)行下一層的打印。每次燒結(jié)過程都會(huì)使新的打印層與已打印完的成型層相粘結(jié)[11]。

1.3 3D 打印研究現(xiàn)狀

通過中國知網(wǎng)文獻(xiàn)檢索，可以發(fā)現(xiàn)截止到2019年12 月，以“3D 打印”為主題可檢索到的中英文文獻(xiàn)量持續(xù)增長，其中中文文獻(xiàn)從2008 年的年度總文獻(xiàn)數(shù) 2 篇增長到 2019 年的年度總文獻(xiàn)數(shù) 2311 篇，外文文獻(xiàn)從2008 年的年度總文獻(xiàn)數(shù)4179 篇增長到2019 年的年度總文獻(xiàn)數(shù)為13 184 篇。圖3 為可在中國知網(wǎng)檢索的以“3D 打印” 為主題的歷年中外文獻(xiàn)發(fā)文趨勢。圖 4 是以 “3D 打印” 為主題中外文相關(guān)文獻(xiàn)在不同行業(yè)的發(fā)文總數(shù)統(tǒng)計(jì)。

圖3 以“3D 打印” 為主題的各年文獻(xiàn)發(fā)文趨勢

圖4 “3D 打印” 相關(guān)文獻(xiàn)在不同行業(yè)中的發(fā)文總數(shù)統(tǒng)計(jì)

3D 打印技術(shù)因?yàn)榫哂酗@著的優(yōu)勢早已受到各行各業(yè)專家和學(xué)者的追捧，成為當(dāng)下的發(fā)展熱點(diǎn)，并在眾多領(lǐng)域有所突破，甚至在醫(yī)療、航空航天、軍工、機(jī)械等多個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)被不同程度地應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)中。3D 打印技術(shù)能在某一行業(yè)得到迅猛的發(fā)展，除了因?yàn)樗哂酗@著的優(yōu)勢而被大家重視之外，有一個(gè)很大的原因是3D 打印技術(shù)在該領(lǐng)域的材料研究上能夠取得一定的突破，目前3D 打印技術(shù)在金屬材料、樹脂材料、塑料橡膠材料、陶瓷材料等方面的研究均取得了顯著的成果。

在巖石力學(xué)領(lǐng)域，對 3D 打印技術(shù)的應(yīng)用研究也逐漸受到了專家和學(xué)者的重視，但是尚處于探索階段。2015 年之前，對于3D 打印在巖石力學(xué)中的應(yīng)用研究還非常稀少，基本停留在概念階段。目前，中外研究人員已開始對3D 打印技術(shù)在巖石力學(xué)中的應(yīng)用研究進(jìn)行了探索性試驗(yàn)[14-15]，主要集中在中國、澳大利亞、韓國、瑞士這些國家，中國目前在這一方面研究占據(jù)優(yōu)勢地位[16]。

從中國知網(wǎng)以 “3D 打印、巖石” 作為關(guān)鍵詞檢索，可查閱到300 多篇中文文獻(xiàn)，但是其中僅有20余篇文章與3D 打印在巖石力學(xué)中的應(yīng)用研究高度相關(guān) (截止到 2019 年 12 月)。Jiang 等[13]應(yīng)用 3D打印技術(shù)中常見的熔融沉積成型工藝，以聚乳酸為原材料制作出模擬巖石材料的三維實(shí)體試樣并進(jìn)行了一系列力學(xué)試驗(yàn)，指出試樣制備時(shí)應(yīng)選用與天然巖石材料相接近的硬脆性材料。鞠楊等[17]借助3D打印技術(shù)選用多種光聚物材料制作出天然裂隙煤巖體三維物理模型，并展開了應(yīng)力凍結(jié)試驗(yàn)以研究煤巖體內(nèi)部的應(yīng)力分布情況。以上開展的研究能夠反映和還原巖石材料內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，但其打印材料選用塑性材料而使所得模型與天然巖石力學(xué)特性存在較大差異。Jiang 等[18]利用石膏材料制作出含有預(yù)制裂隙和孔洞的物理模型，并對模型進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)以研究其力學(xué)特性。Jiang 等[19]打印出含預(yù)制裂隙的石膏試樣，開展單軸壓縮試驗(yàn)、巴西劈裂試驗(yàn)、三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)和霍普金森壓桿試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果與天然巖樣作比較，得到石膏試樣與天然巖樣具有相一致的破裂形式的研究結(jié)果。華敏杰[20]以石膏粉末和光敏樹脂為原材料制備了3D 打印巖體試樣，發(fā)現(xiàn)這兩種材料并不能很好地模擬類巖石材料的抗壓特性，但是光敏樹脂制備的巖體試樣可較好地模擬類巖石材料的滲透特性。

2 3D 打印技術(shù)在巖石力學(xué)中的應(yīng)用

2.1 基于3D 打印技術(shù)的巖體物理模型研究

物理模型試驗(yàn)是一種常見的力學(xué)試驗(yàn)方法，但傳統(tǒng)的物理模型制作方法對復(fù)雜結(jié)構(gòu)制作具有局限性，例如結(jié)構(gòu)復(fù)雜的隧道支護(hù)系統(tǒng)往往因?yàn)閭鹘y(tǒng)工藝制作模型難度大、成本高等因素對模型進(jìn)行了簡化，而 3D 打印技術(shù)在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模后即能一次性成型物理模型，解決了制作困難問題。在巖石工程中，由于天然巖體內(nèi)部含有復(fù)雜的節(jié)理層、孔隙等結(jié)構(gòu)，使得傳統(tǒng)工藝在巖體的物理模型制作上受到制約，而 3D 打印技術(shù)可結(jié)合 CT 掃描結(jié)果對巖體進(jìn)行預(yù)留孔隙打印，并且 3D 打印技術(shù)可實(shí)現(xiàn)材料交替打印，這使得不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)需用不同材料的巖體模型可以一次性成型，巖體模型制作難度明顯下降，在巖體物理模型試驗(yàn)中占有很大優(yōu)勢，如江權(quán)等[7]以石膏粉末為打印材料，制作了含內(nèi)部孔洞和預(yù)制裂縫的巖體模型，并對其進(jìn)行了力學(xué)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明在單軸壓縮試驗(yàn)下，3D 打印巖體試樣力學(xué)特性與巖石類材料力學(xué)特性較為一致，同時(shí)也以石膏粉末和聚乳酸材料作為打印材料，制作了含單斷層和含錨桿襯砌支護(hù)工程的隧道物理模型，并對模型進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明3D 打印隧道物理模型破壞過程與實(shí)際工程現(xiàn)場觀察較為一致。王本鑫等[21]利用CT 掃描技術(shù)獲取天然巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)后重構(gòu)三維圖像，再以石膏粉末為材料，利用3D 打印技術(shù)制作出含非貫通節(jié)理的巖體試件和無節(jié)理的完整3D 打印巖體試件。

3D 打印技術(shù)不僅可用于解決巖石復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)難以制作的問題，在巖石不規(guī)則結(jié)構(gòu)面的制作方面，3D 打印技術(shù)也可以打印制作巖石結(jié)構(gòu)面的模具，例如熊祖強(qiáng)等[22]用三維白光掃描儀獲取自然結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)后，在不損壞自然結(jié)構(gòu)表面條件下重構(gòu)了三維結(jié)構(gòu)，再通過逆向工程用 3D 打印技術(shù)打印出結(jié)構(gòu)面模具模型，下一步將模具放入混凝土鑄鐵試模內(nèi)，逐層加入配置好的試樣材料，經(jīng)過振搗、抹平后得到結(jié)構(gòu)面上盤，再用制作好的結(jié)構(gòu)面上盤作為模型，用同樣的方法得到結(jié)構(gòu)面下盤，上下盤達(dá)到養(yǎng)護(hù)條件后，兩者重合即能得到含結(jié)構(gòu)面的耦合試樣(見圖 5)。

圖5 含自然結(jié)構(gòu)面混凝土剪切試樣制作[22]

2.2 3D 打印巖體各向異性特征研究

巖體結(jié)構(gòu)面及內(nèi)部節(jié)理層等存在明顯的各向異性特征，而巖體結(jié)構(gòu)面和內(nèi)部薄弱部位影響著巖體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，巖體結(jié)構(gòu)的各向異性研究對巖土工程的穩(wěn)定性有著重要意義。胥勛輝等[23]結(jié)合三維掃描技術(shù)獲取天然巖體結(jié)構(gòu)面三維形貌數(shù)據(jù)后，利用3D打印技術(shù)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)面模型打印，并對澆筑后試樣進(jìn)行了不同方向的直剪試驗(yàn)，結(jié)果表明試驗(yàn)所得的剪應(yīng)力?剪位移關(guān)系在各個(gè)方向分布情況皆不相同，巖體模型在不同方向具有非常明顯的各向異性。然而，這種利用3D 打印技術(shù)先打印出模具再進(jìn)行人工澆筑的方法存在一個(gè)缺陷：人工調(diào)配的澆筑材料不均一性高，無法保證試樣的完全一致性，且模具澆筑一般用于復(fù)刻表層結(jié)構(gòu)，對內(nèi)部結(jié)構(gòu)的制作無法很好達(dá)成。事實(shí)上，3D 打印技術(shù)能實(shí)現(xiàn)直接打印出設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)面及含內(nèi)部薄弱位置的巖體模型，打印出來的巖體模型均一性高，可避免這種 “先打印模具再澆筑” 的制作方法由于不均一性而產(chǎn)生的試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差，能有針對性地研究結(jié)構(gòu)面或內(nèi)部薄弱位置對巖體各向異性特征的影響，但是目前國內(nèi)對基于3D 打印技術(shù)直接打印出巖體模型進(jìn)行各向異性的研究仍較少，今后將作為筆者課題組研究的重點(diǎn)。

2.3 常溫下3D 打印巖體的力學(xué)性能研究

3D 打印巖體一個(gè)明顯的局限性是：3D 打印巖體強(qiáng)度較低而延展性較強(qiáng)，其強(qiáng)度距離強(qiáng)度較大的天然巖體還有一定差距，而 3D 打印巖體的力學(xué)性能是衡量其是否能代替天然巖體的重要指標(biāo)之一。田威等[10]對 3D 打印巖體試樣進(jìn)行了單軸壓縮及巴西劈裂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)基于 3DP 打印技術(shù)的3D 打印巖體和天然巖體試樣在單軸壓縮試驗(yàn)下應(yīng)力?應(yīng)變曲線具有一定相似性 (圖 6)；在巴西劈裂試驗(yàn)下，基于 3DP、SLS 打印技術(shù)的 3D打印巖體和天然巖體皆具有較為接近的破壞形式(圖 7)，但基于 3DP 打印技術(shù)的 3D 打印巖體與天然巖體具有更為相似的拉壓強(qiáng)度以及壓縮變形量。劉泉聲等[24]通過改變打印方向模擬天然層狀節(jié)理巖體，發(fā)現(xiàn) 3D 打印巖體的單軸抗壓強(qiáng)度會(huì)先隨著打印方向傾斜角度的增加先減小后增大，在傾角為0?時(shí) (即試樣水平放置的方向) 具有最大單軸抗壓強(qiáng)度。Tian 等[25]結(jié)合 CT 掃描技術(shù)制作了含不同預(yù)制裂隙傾角的 3D 打印試樣，并對其進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明不同傾角的預(yù)制裂隙對破壞形式有著顯著影響，且傾角為30?的預(yù)制裂隙試樣單軸抗壓強(qiáng)度最小，傾角為0?和90?的預(yù)制裂隙試樣單軸抗壓強(qiáng)度最大，不同傾角的預(yù)制裂隙試樣單軸壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力?應(yīng)變曲線如圖8 所示，預(yù)制裂隙試樣強(qiáng)度普遍低于完整試樣。Vogler 等[26]比較了天然巖體與3D 打印巖體的抗拉強(qiáng)度以及破壞特征，試驗(yàn)結(jié)果表明3D 打印巖體與強(qiáng)度較弱的Buchs巖具有相似的抗拉強(qiáng)度和粗糙度特征，可作為用3D打印巖體復(fù)刻天然巖體可行性的依據(jù)。

圖6 單軸壓縮試驗(yàn)下的應(yīng)力應(yīng)變曲線[10]

圖7 巴西劈裂試驗(yàn)破壞形式[10]

圖8 不同傾角的預(yù)制裂縫試樣單軸壓縮試驗(yàn)[25]

2.4 高溫下3D 打印巖體的力學(xué)性能研究

以上試驗(yàn)皆為常溫環(huán)境下進(jìn)行，然而天然巖體大多處于溫度較高的地方，對高溫下的巖體進(jìn)行研究在資源開發(fā)、熱害防治等工程中有著重要的意義。3D打印巖體所使用的粘結(jié)劑是決定其強(qiáng)度的重要因素之一，呋喃樹脂是3D 打印巖體常用的一種粘結(jié)劑，溫度在呋喃樹脂的硬化過程中有著重要影響，適宜溫度范圍為15?C～25?C，溫度過低會(huì)導(dǎo)致硬化過程緩慢，影響強(qiáng)度；溫度過高會(huì)導(dǎo)致硬化過程過快，加大砂的脆性[27]。部分學(xué)者在進(jìn)行3D 打印巖體試樣制備時(shí)發(fā)現(xiàn)固化溫度對3D 打印巖體試樣的力學(xué)性能存在顯著的影響，Primkulov 等[28]通過改變制備糠醇樹脂基3D 打印類巖體時(shí)的固化溫度和固化時(shí)間發(fā)現(xiàn)：不同的處理方式對 3D 打印類巖體存在明顯的影響；Fereshtenejad 等[29]也采用水泥基材料研究發(fā)現(xiàn)：在多種不同前處理方式下制備出的基于同種材料的3D 打印巖體試樣表現(xiàn)出不同的力學(xué)性能，其中溫度是一個(gè)重要的考慮因素；田威等[30]對3D打印巖體在高溫作用后的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，3D 打印巖體的單軸抗壓強(qiáng)度以及劈裂抗拉強(qiáng)度隨著溫度的增高呈現(xiàn)出先增大后降低的現(xiàn)象，其強(qiáng)度峰值對應(yīng)的溫度值為150?C (不同溫度作用后試樣峰值強(qiáng)度如圖9)，究其原因主要是：用于3D 打印巖體中的粘結(jié)劑——呋喃樹脂在加熱溫度不高于100?C 時(shí)，隨著溫度的增高，水分逐漸氣化，粘結(jié)劑濃度增大，即粘結(jié)劑的粘結(jié)強(qiáng)度得到了增加；當(dāng)加熱溫度高于100?C 而小于150?C 時(shí)，粘結(jié)劑逐漸融化，粘結(jié)劑的流動(dòng)性隨之加大，使得粘結(jié)劑充分包裹砂顆粒，粘結(jié)效果進(jìn)一步提升，試樣強(qiáng)度進(jìn)一步增大，并且當(dāng)加熱溫度為150?C 時(shí)達(dá)到最大強(qiáng)度，而當(dāng)加熱溫度高于 150?C 之后，粘結(jié)劑逐漸揮發(fā)，試樣的強(qiáng)度隨之降低。

3 結(jié)論

隨著3D 打印巖體試樣制作成本的逐漸下降，相比于天然巖體開采的復(fù)雜性和難度，3D 打印技術(shù)用于巖石力學(xué)的研究成為未來趨勢。3D 打印巖體主要優(yōu)勢包括：

圖9 不同溫度作用后試樣峰值強(qiáng)度[30]

(1) 3D 打印巖體相較于傳統(tǒng)物理模型而言制作簡單，短時(shí)間內(nèi)可制作大量相同試樣，且試樣均一性高，解決了天然巖體存在的試樣唯一性問題，避免了傳統(tǒng)物理模型制作方法存在的制作難度大、試樣模型內(nèi)部不均一性較高的問題。

(2)3D 打印巖體可塑性強(qiáng)，不受形狀限制，結(jié)合CT 掃描技術(shù)可輕松制作出含節(jié)理、孔隙等內(nèi)部結(jié)構(gòu)的天然巖體模型，解決了傳統(tǒng)物理模型制作方法在復(fù)雜模型制作上的局限性問題。

(3) 使用 3D 打印巖體進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)直觀性強(qiáng)，避免了數(shù)值模擬法抽象、直觀性弱的缺點(diǎn)。再者，利用樹脂等透明材料代替砂巖打印，可展示出巖體模型內(nèi)部節(jié)理、孔隙等結(jié)構(gòu)，解決了實(shí)體模型抽象、研究不便的問題。

4 展望

目前3D 打印巖體技術(shù)研究還存在一些缺陷，筆者認(rèn)為今后3D 打印技術(shù)在巖石力學(xué)中研究的重點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：

(1) 3D 打印巖體材料革新

目前3D 打印巖體的強(qiáng)度雖能趕上一些強(qiáng)度較弱的天然巖體，但距強(qiáng)度較高的天然巖體還有一定距離，為使得 3D 打印巖體能更大范圍類比各種類型的天然巖體，提高3D 打印巖體的強(qiáng)度是關(guān)鍵，影響3D 打印巖體強(qiáng)度的因素有多種，除了打印方法和打印后試樣的養(yǎng)護(hù)等因素，材料革新是目前解決3D打印巖體強(qiáng)度的關(guān)鍵，隨著3D 打印技術(shù)的發(fā)展以及研究人員對3D 打印材料的不斷發(fā)掘，相信未來3D打印巖體強(qiáng)度能有進(jìn)一步的提升。

(2) 高溫下3D 打印巖體的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

隨著人類經(jīng)濟(jì)的大力發(fā)展及日益增長的工程建設(shè)需求，地球淺部資源日益枯竭，資源開采逐漸向更深的地下發(fā)展，此外，許多大型的巖土工程，諸如地鐵、超高建筑、核廢料深埋處理等重大工程也逐漸向更深的地下發(fā)展。賦存于深部地質(zhì)環(huán)境中的巖體，不可避免地受到高溫的作用，而地下資源開采和地下工程的施工往往伴隨著沖擊、爆破等措施，因此高溫條件下巖體的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及破壞特征的研究對于礦業(yè)、地質(zhì)、能源等眾多領(lǐng)域都是具有深遠(yuǎn)意義的重要課題，目前 3D 打印巖體在高溫環(huán)境下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能是否能與天然巖體保持一定的相似性還有待研究。