CN106738192A - 一种3d打印滑坡物理模型的方法及滑坡模型相似材料 - Google Patents

一种3d打印滑坡物理模型的方法及滑坡模型相似材料 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种3D打印滑坡物理模型的方法，包括下述步骤：研制滑坡模型相似材料，将其制成粉末状3D打印原料；根据实际滑坡的空间形态和结构，构建滑坡三维数字模型；3D打印滑坡物理模型，滑体、滑带和滑床分别通过不同喷头打印；模型后期处理。本发明同时提供了一种基于上述方法的滑坡模型相似材料，包括滑体相似材料、滑带相似材料和滑床相似材料。本发明采用3D打印技术进行滑坡物理模型的制备，可以精确控制滑坡的坡面形态、滑体、滑带和滑床的分布和形态，能够准确模拟实际滑坡的三维空间形态和结构，能够实现基本物理力学性质到达相似要求，能够模拟实际滑坡的相似现象，具有制备工艺简单、制作效率高、精度高的优点。

Description

一种3D打印滑坡物理模型的方法及滑坡模型相似材料
技术领域
本发明涉及一种3D打印滑坡物理模型的方法及滑坡模型相似材料，属于地质灾害模型试验领域。
背景技术
滑坡是自然界中一种十分严重的地质灾害，也是斜坡破坏型式中分布最广、危害最严重的一种地质灾害。随着国民经济的快速发展，人类大量工程活动破坏了自然坡体，使得斜坡条件恶化，与复杂环境和复杂地质条件相关的自然边坡、人为边坡以及古滑坡的复活所引起的危害变得尤为突出。滑坡灾害呈逐年加重趋势，滑坡灾害分布范围也逐渐扩大，给国民经济和人民生命财产带来巨大的损失。由此可见，我们迫切需要对滑坡现象、滑坡作用过程以及滑坡防治等进行全方面的认识和研究。
滑坡物理模型试验具有良好的直观性，能综合考虑多种因素，模拟复杂边界条件，能在室内中短期时间内重复模拟、再现野外难以观测的滑坡演化全过程，是揭示滑坡破坏机理和演化过程的重要研究方法。滑坡物理模型的制作是滑坡模型试验的关键，选择合理的滑坡模型相似材料和模型成型方法具有重要意义。现有的滑坡物理模型试验制作方法一般为人工分层压实或者堆填法，滑坡模型内部相似材料不均匀，基本物理力学性质差异较大，难以模拟实际滑坡的三维空间形态和结构。在滑坡模型试验制作过程中，选择合理的模型相似材料及配比具有重要意义，滑坡模型试验相似材料需满足高密度、低粘聚力、低弹性模量和低渗透等相似要求，只有当滑坡模型相似材料满足相似比要求时，模型试验才能模拟实际滑坡的相似现象。
21世纪以来，随着3D打印技术的发展，研究者们在3D技术应用于滑坡物理模型试验研究方面取得了一定的研究成果，2016年，出现了一种滑坡物理模型的制造方法及装置，其优点在于3D打印过程十分详细，包括温度控制、速度控制以及容器状态控制等，但该方法存在一定程度上的局限或缺陷：
(1)滑坡模型相似材料是滑坡物理模型制作的关键，相似材料的基本物理力学参数需与实际滑坡的基本物理力学参数满足1:n的相似比要求；n为几何相似比，一般滑坡模型试验几何相似比n为50～200。即滑坡模型材料需满足高密度、低粘聚力、低弹性模量和低渗透等相似要求，而不是与实际滑坡的物理力学参数相同或者接近；
(2)滑坡模型中滑床、滑带和滑体分为三个步骤打印，难以精确控制滑体、滑带和滑床的分布和形态，无法准确模拟实际滑坡复杂的三维空间形态和结构。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种3D打印滑坡物理模型的方法及滑坡模型相似材料，采用3D打印技术进行滑坡物理模型的制备，可以精确控制滑坡的坡面形态、滑体、滑带和滑床的分布和形态，能够准确模拟实际滑坡的三维空间形态和结构，同时能够实现基本物理力学性质到达相似要求，能够模拟实际滑坡的相似现象，具有制备工艺简单、制作效率高、精度高的优点。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种3D打印滑坡物理模型的方法，包括以下步骤：
(1)建立滑坡三维数字模型并制作滑坡模型相似材料；所述滑坡模型相似材料包括滑体相似材料、滑带相似材料和滑床相似材料，将三种滑坡模型相似材料分别研磨成粉末状；所述滑体相似材料由质量比为11～13:3～5:1～2:2的细砂、实际滑体土粉末、膨润土粉末和液蜡组成；所述滑带相似材料由质量比为6～7:2～3:1的玻璃微珠、实际滑带土粉末和液蜡组成；所述滑床相似材料由质量比为7～9:1的滑床基岩粉末和液蜡组成；
(2)3D打印：将步骤(1)的三种滑坡模型相似材料分别置于3D打印机的不同喷头内，根据三维数字模型，同时打印滑坡物理模型的滑体、滑带和滑床部分，得到初步滑坡物理模型；
(3)后期处理：对初步滑坡物理模型进行后期处理以满足试验要求，所述后期处理包括检查和校正打印尺寸误差以及模型养护，得到滑坡物理模型。
步骤(1)所述建立滑坡三维数字模型，具体通过ArcGIS系统和野外勘察资料得出滑坡的空间形态和结构以及基本力学性质，按照相似关系确定待制备的滑坡物理模型的几何尺寸、空间形态、结构以及力学参数数据，然后利用SolidWorks系统根据所述几何尺寸、空间形态、结构以及力学参数数据建立待制备的滑坡物理模型的三维数字模型。
步骤(1)所述玻璃微珠粒径小于50um。
步骤(3)所述模型养护包括在初步滑坡物理模型表面涂上一层防潮树脂。
本发明同时提供了一种基于上述制作方法的滑坡模型相似材料，包括滑体相似材料、滑带相似材料和滑床相似材料，所述滑体相似材料由质量比为11～13:3～5:1～2:2的细砂、实际滑体土粉末、膨润土粉末和液蜡组成；所述滑带相似材料由质量比为6～7:2～3:1的玻璃微珠、实际滑带土粉末和液蜡组成；所述滑床相似材料由质量比为7～9:1的滑床基岩粉末和液蜡组成。
本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：
(1)本发明提供的3D打印滑坡物理模型的方法采用3D打印技术，与传统的人工分层压实或者堆填法相比，打印效果均匀，能够准确模拟实际滑坡结构和物理力学性质；
(2)本发明提供的3D打印滑坡物理模型的方法将三种滑坡模型相似材料分别装入3D打印机的不同喷头内，同时打印，得到完整的滑坡物理模型，与分别打印模型不同部位再结合拼装相比，能够更加合理地模拟实际滑坡复杂的三维空间形态和结构，大幅提升了滑坡模型与实际滑坡结构的相似性；
(3)本发明提供的3D打印滑坡物理模型的方法中滑体相似材料采用质量比为为11～13:3～5:1～2:2的细砂、实际滑体土粉末、膨润土粉末和液蜡，该配比方案通过3D打印出的滑体模型的基本物理力学性质基本满足高密度、低黏聚力、低弹性模量和低渗透系数的相似要求，细砂作为滑体相似材料的主体材料，具有调节重度、粘聚力、内摩擦角和渗透系数的作用；滑体土粉末作为滑体相似材料的主体材料，具有调节粘聚力和内摩擦角的作用；膨润土粉末作为滑体相似材料的添加剂，具有调节内摩擦角和弹性模量的作用；液蜡作为滑体相似材料的粘结剂，具有调节粘聚力和模型成型作用；
(4)本发明提供的3D打印滑坡物理模型的方法中滑带相似材料采用质量比为6～7:2～3:1的玻璃微珠(粒径小于50um)、实际滑带土粉末和液蜡，该配比方案通过3D打印出的滑带模型的基本物理力学性质基本满足低黏聚力、低内摩擦角和低渗透系数的相似要求，可模拟滑带软弱夹层的性质，形成滑坡模型潜在滑动面，玻璃微珠作为滑带相似材料的主体材料，具有调节重度、粘聚力、内摩擦角的作用；滑带土粉末作为滑带相似材料的主体材料，具有调节粘聚力和内摩擦角的作用；液蜡作为滑带相似材料的粘结剂，具有调节粘聚力和模型成型的作用；
(5)本发明提供的3D打印滑坡物理模型的方法中滑床相似材料采用质量比为7～9:1的滑床基岩粉末和液蜡，模型试验中滑床比较稳定，该配比方案通过3D打印出的滑床模型基本满足滑床坚固稳定及表面光滑的相似要求；
(6)本发明最后进行后期处理时，会在打印成型的滑坡物理模型涂上一层防潮树脂，避免滑坡物理模型吸收空气中的水分后其基本物理力学性质发生变化，进一步确保了模型的可靠性；
(7)本发明提供的滑坡模型相似材料尤其适合上述方法，采用3D打印技术进行滑坡物理模型的制备，可以精确控制滑坡的坡面形态、滑体、滑带和滑床的分布和形态，能够准确模拟实际滑坡的三维空间形态和结构，同时能够实现基本物理力学性质到达相似要求，能够模拟实际滑坡的相似现象，具有制备工艺简单、制作效率高、精度高的优点。
附图说明
图1是本发明的3D打印滑坡物理模型的方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明提供了一种3D打印滑坡物理模型的方法，参照图1，包括以下步骤：
(1)建立滑坡三维数字模型并制作滑坡模型相似材料；所述滑坡模型相似材料包括滑体相似材料、滑带相似材料和滑床相似材料，将三种滑坡模型相似材料分别研磨成粉末状；所述滑体相似材料由质量比为11～13:3～5:1～2:2的细砂、实际滑体土粉末、膨润土粉末和液蜡组成；所述滑带相似材料由质量比为6～7:2～3:1的玻璃微珠、实际滑带土粉末和液蜡组成；所述滑床相似材料由质量比为7～9:1的滑床基岩粉末和液蜡组成；
(2)3D打印：将步骤(1)的三种滑坡模型相似材料分别置于3D打印机的不同喷头内，根据三维数字模型，同时打印滑坡物理模型的滑体、滑带和滑床部分，得到初步滑坡物理模型；
(3)后期处理：对初步滑坡物理模型进行后期处理以满足试验要求，所述后期处理包括检查和校正打印尺寸误差以及模型养护，得到滑坡物理模型。
步骤(1)所述建立滑坡三维数字模型，具体通过ArcGIS系统和野外勘察资料得出滑坡的空间形态和结构以及基本力学性质，按照相似关系确定待制备的滑坡物理模型的几何尺寸、空间形态、结构以及力学参数数据，然后利用SolidWorks系统根据所述几何尺寸、空间形态、结构以及力学参数数据建立待制备的滑坡物理模型的三维数字模型。
步骤(1)所述玻璃微珠粒径小于50um。
步骤(3)所述模型养护包括在初步滑坡物理模型表面涂上一层防潮树脂。
本发明同时提供了一种基于上述制作方法的滑坡模型相似材料，包括滑体相似材料、滑带相似材料和滑床相似材料，所述滑体相似材料由质量比为11～13:3～5:1～2:2的细砂、实际滑体土粉末、膨润土粉末和液蜡组成；所述滑带相似材料由质量比为6～7:2～3:1的玻璃微珠、实际滑带土粉末和液蜡组成；所述滑床相似材料由质量比为7～9:1的滑床基岩粉末和液蜡组成，该相似材料能够满足高密度、低粘聚力、低弹性模量和低渗透的相似要求。
本发明提供的一种3D打印滑坡物理模型的方法及滑坡模型相似材料，采用3D打印技术进行滑坡物理模型的制备，可以精确控制滑坡的坡面形态、滑体、滑带和滑床的分布和形态，能够准确模拟实际滑坡的三维空间形态和结构，同时能够实现基本物理力学性质到达相似要求，能够模拟实际滑坡的相似现象，具有制备工艺简单、制作效率高、精度高的优点。

Claims (5)

1.一种3D打印滑坡物理模型的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)建立滑坡三维数字模型并制作滑坡模型相似材料；所述滑坡模型相似材料包括滑体相似材料、滑带相似材料和滑床相似材料，将三种滑坡模型相似材料分别研磨成粉末状；所述滑体相似材料由质量比为11～13:3～5:1～2:2的细砂、实际滑体土粉末、膨润土粉末和液蜡组成；所述滑带相似材料由质量比为6～7:2～3:1的玻璃微珠、实际滑带土粉末和液蜡组成；所述滑床相似材料由质量比为7～9:1的滑床基岩粉末和液蜡组成；
(2)3D打印：将步骤(1)的三种滑坡模型相似材料分别置于3D打印机的不同喷头内，根据三维数字模型，同时打印滑坡物理模型的滑体、滑带和滑床部分，得到初步滑坡物理模型；
(3)后期处理：对初步滑坡物理模型进行后期处理以满足试验要求，所述后期处理包括检查和校正打印尺寸误差以及模型养护，得到滑坡物理模型。
2.根据权利要求1所述的3D打印滑坡物理模型的方法，其特征在于：步骤(1)所述建立滑坡三维数字模型，具体通过ArcGIS系统和野外勘察资料得出滑坡的空间形态和结构以及基本力学性质，按照相似关系确定待制备的滑坡物理模型的几何尺寸、空间形态、结构以及力学参数数据，然后利用SolidWorks系统根据所述几何尺寸、空间形态、结构以及力学参数数据建立待制备的滑坡物理模型的三维数字模型。
3.根据权利要求1所述的3D打印滑坡物理模型的方法，其特征在于：步骤(1)所述玻璃微珠粒径小于50um。
4.根据权利要求1所述的3D打印滑坡物理模型的方法，其特征在于：步骤(3)所述模型养护包括在初步滑坡物理模型表面涂上一层防潮树脂。
5.一种基于权利要求1所述制作方法的滑坡模型相似材料，其特征在于：包括滑体相似材料、滑带相似材料和滑床相似材料，所述滑体相似材料由质量比为11～13:3～5:1～2:2的细砂、实际滑体土粉末、膨润土粉末和液蜡组成；所述滑带相似材料由质量比为6～7:2～3:1的玻璃微珠、实际滑带土粉末和液蜡组成；所述滑床相似材料由质量比为7～9:1的滑床基岩粉末和液蜡组成。
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