CN111693357A - 基于3d打印技术的裂隙岩体试件的制样模具及制样方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于3D打印技术的裂隙岩体试件的制样模具及制样方法，所述制样模具包括底座、柱体和裂隙板，所述底座为上端开口下端封闭的中空结构，柱体与底座的中空部分配合连接，所述裂隙板位于柱体内，所述裂隙板用于在制作岩体试件时构建岩体的裂隙。所述制样方法包括如下步骤，根据被模拟的真实岩体的参数，运用Blender软件建立制样模具的三维数字模型，通过3D打印得到制样模具，根据真实裂隙岩体的力学性质配置水泥砂浆，将水泥砂浆倒入模具，将模具放置在常温空气中至少36小时，试件成型后拆模养护至少28天，把试件放入干燥箱内烘烤至少4小时，得到岩体试件。本方法制得的岩体试件能够较为完整的反映岩体内部的裂隙，便于后续研究裂隙岩体的物理力学性质。

Description

基于3D打印技术的裂隙岩体试件的制样模具及制样方法

技术领域

本发明涉及裂隙岩体试件制备的技术领域，尤其涉及基于3D打印技术的裂隙岩体试件的制样模具及制样方法。

背景技术

随着我国水电、交通、铁道、能源、矿山、军工等领域的基础设施建设进入高速发展期，出现一大批规模宏大地质条件极为复杂的重大工程，而非连续面的力学行为在一定程度上决定了这些工程岩体结构的安全性。因此，急需开展、加强有关裂隙岩体力学性质及其破坏机理的基础研究工作。在普遍定义中，岩石与岩体的重要区别就是岩体中含有裂隙面，裂隙面破坏了岩石自身的完整性和连续性，岩体的强度要远低于岩石强度。由于岩体是地质历史作用的产物，并遭受到后期地壳运动和地球外部应力的重新塑造，具有一定的岩石组成和裂隙网络。尽管目前实验室制备岩体裂隙试件主要通过野外取样加工合成后模具浇筑，但是在野外取样时试件由三维应力状态突然释放会产生新的裂缝，在实验室通过岩石试件加工机加工时，在试件周边又会产生新的裂隙，这些都会增大实验误差。天然状态下很难找到完成相同的岩石，即使在相同的场地取样其力学参数也会相差很大。

考虑到天然岩体试样结构的复杂性与取样难度，一般很难通过真实的岩体试样对其的力学变形特性与破坏规律进行研究，通常采用自制裂隙岩体模型来替代天然岩体试样，现有的制作模具在浇筑和振捣过程中容易冲击到裂隙成型板，因此难以稳定控制裂隙的倾斜角度等参数，而且现有的制样模具不能快捷、精确地调整裂隙成型板的倾斜角度。因此对于制备不同裂隙倾斜角度的模型而言，其操作非常不方便。同时由于裂隙倾斜角度的波动、以及角度的不精确，也无法确保后续试验和数值计算的准确性，因此需要一种即实用又能保证模拟岩体裂隙角度的模具来实现试件的制备。

现有含裂隙岩体模型试样在制作过程中存在不足之处，一是其一般考虑单裂隙或者简单空间形态的二维裂隙，针对三维空间裂隙的研究较少，通常不能充分考虑裂隙的空间形态，考虑裂隙的走向、倾向、倾角；二是模具形状单一，不易拆卸和拼装。西部地区各类工程的特点主要是深挖和深埋，所遇岩体一般结构复杂，地应力高、渗透压力高。为更好地揭示裂隙岩体的工作特性，测试其在不同状态下的破坏特征及相应的变形、强度参数、裂隙扩展，故需要制作标准的裂隙岩体试样。但上述方法极为浪费人物力、制样周期较为漫长。不同裂隙角度需求模具不同，并且其中的不可控因素较多。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明要解决的第一个技术问题是：设计一种能稳定控制裂隙的倾斜角度参数，并能快速拆卸的模具。

本发明要解决的第二个技术问题是：发明一种能尽可能模拟真实裂隙岩体物理力学性质的岩体试件的制作方法。

为解决上述第一个技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于3D打印技术的裂隙岩体试件的制样模具，包括底座、柱体和裂隙板；

所述底座为圆形柱体结构，且底座为上端开口下端封闭的中空结构；

所述柱体为圆柱管结构，所述柱体的下端与底座中空部分间隙配合；

所述裂隙板位于柱体内，所述裂隙板的轴线与柱体的下表面有夹角；

所述裂隙板的两端沿裂隙板的轴线设有两个固定杆，所述每个固定杆的一端与裂隙板固定连接，每个固定杆的另一端与柱体的内圆柱面固定连接。

作为优选，所述模具采用常温下质感较硬，100～150℃下易气化的材料制成。通过使用该材料，可以通过高温去除成型岩体试件中的固定杆和用于产生裂隙的裂隙板，固定杆和裂隙板在高温下气化，使去除裂隙板的方式更为简单实用，避免在去除裂隙板的过程中破坏岩体试件的结构和力学性能。

作为优选，所述裂隙板与柱体的下表面的夹角可以根据被模拟的真实岩体的裂隙角度进行调整。通过被模拟的真实岩体的裂隙角度来调整裂隙板与柱体的下表面的角度，可以更好的模拟真实岩体的状态，使得到的岩体试件能最大限度的还原真实裂隙的情况，大大提高岩体实验的准确性。

作为优选，所述固定杆为圆柱体结构，固定杆用于固定裂隙板。通过设置固定杆对裂隙板起固定作用，同时固定杆的直径较小，减少固定杆气化后对岩体试件结构的影响，提高岩体试件还原真实岩体的能力，从而提高岩体实验的准确性。

作为优选，所述柱体的外圆柱面上沿柱体的轴向设有一个开口，所述开口沿柱体轴向贯穿柱体，且开口沿柱体的径向由柱体外侧延伸至柱体内侧。通过设置开口，便于试件成型后拆卸模具，岩体试件成型后，借助工具对开口施加力，柱体变形使开口扩大，此时沿开口探入刀片就可以轻松将固定杆切断，使岩体试件与柱体脱离，从而轻松取出岩体试件。

为解决上述第二个技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于3D打印技术的裂隙岩体试件的制样方法，所述基于3D打印技术的裂隙岩体试件的制作方法使用上述方案中的制样模具，所述一种基于3D打印技术的裂隙岩体试件的制样方法包括如下步骤；

S100：根据被模拟的真实岩体的参数，使用Blender软件建立制样模具的三维数字模型；

S200：将制样模具的三维数字模型导入3D打印机中，3D打印机打印得到制样模具；

S300：根据真实裂隙岩体的力学性质配置水泥砂浆，将水泥砂浆缓慢倒入制样模具内，再将模具放置常温空气中至少36小时使试件成型；

S400：将模具拆除，然后将试件放置在恒温恒湿箱内养护至少28天；

S500：将试件放入干燥箱内烘烤至少4小时，所述干燥箱的温度保持在100-150℃，使裂隙板和固定杆完全气化，最终得到岩体试件。

作为优选，所述S300步骤中，在将水泥砂浆倒入制样模具内之前，还对模具内表面涂有脱模剂。通过在模具内表面涂脱模剂，使模具内表面更加光滑洁净、岩体试件外观表面光滑美观，同时使脱模更加顺利，在脱模时不容易损伤模具和岩体试件。

作为优选，所述S300步骤中，将倒入水泥砂浆的模具放置常温空气中后，1-4小时后将水泥砂浆振捣密实，并对水泥砂浆表面进行整平。通过等待1-4小时，待水泥砂浆中气泡基本冒出后，将水泥砂浆振捣密实，并对水泥砂浆表面进行整平，使成型后的岩体试件内部更加均匀紧密，使其力学性质更加切合实际，外观更加平滑美观，使试件的使用方便安全。

作为优选，所述S400步骤中恒温恒湿箱内的温度保持在20±1℃，相对湿度保持在95％。根据水泥砂浆养护标准，将温度保持在20±1℃，相对湿度保持在95％，可以更好的保证试件强度的产生。

作为优选，所述S500步骤中干燥箱的温度保持在100℃。通过将干燥箱的温度保持在100℃，既能保证裂隙板和固定杆能快速气化，又不会影响混凝土试件的强度。

相对于现有技术，本发明至少具有如下优点：

1.本发明使用Blender软件建立三维数字模型，通过打印技术制作裂隙岩体试样的模具，使三维数字模型完整表现所制备裂隙岩体试样中裂隙的几何形态和分布，避免了野外取样回来做实验的误差，同时经济实惠、快捷，制备出来的试样方便拆卸，模具也容易拼装。根据特殊材料的特性，不影响岩石的完整性，以及裂隙的完整性，能保证后续的试验和数值计算的准确性，能较为完整的模拟实际裂隙岩体的物理力学性质。

2.该模具通过被模拟的真实岩体的裂隙角度来调整裂隙板与柱体的下表面的夹角，可以更好的模拟真实岩体的状态，使得到的岩体试件能最大限度的还原真实裂隙的情况，大大提高岩体实验的准确性。

3.通过使用在常温条件下质感较硬，可做固体使用，在100～150℃条件下易气化的材料，可以通过高温去除成型岩体试件中的固定杆和用于产生裂隙的裂隙板，固定杆和裂隙板在高温下气化，使去除裂隙板的方式更为简单实用，避免在去除裂隙板的过程中破坏岩体试件的结构和力学性能，得到的岩体试件能最大限度的还原真实裂隙的情况。

4.通过设置开口，便于试件成型后拆卸模具，岩体试件成型后，借助工具对开口施加力，柱体变形使开口扩大，此时沿开口探入刀片就可以轻松将固定杆切断，使岩体试件与柱体脱离，从而轻松取出岩体试件。

5.通过本发明中的制样方法得到的岩体试件能够较为准确的还原真实岩体的物理性能，使模拟实验得到结果真实性大大提高，有利于施工时对真实岩体情况的掌握，确保施工安全可靠。

6.通过等待1-4小时，待水泥砂浆中气泡基本冒出后，将水泥砂浆振捣密实，并对水泥砂浆表面进行整平，使成型后的岩体试件内部更加均匀紧密，使其力学性质更加切合实际，外观更加平滑美观，使试件的使用方便安全。

附图说明

图1为本发明中制样模具整体结构的立体图。

图2为本发明中制样模具的俯视图。

图3为本发明中底座的立体图。

图4为本发明中柱体的立体图。

图5为本发明中裂隙板的位置示意图。

图6为本发明中岩体试件的制作方法的流程图。

图中，1-底座，11-底座中空部分，12-圆形通孔，2-柱体，21-连接柱，22-开口，3-裂隙板，31-固定杆，4-间隙，5-裂隙板轴线，6-柱体下表面的平行面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1：参见图1-6，一种基于3D打印技术的裂隙岩体试件的制样模具，包括底座1、柱体2和裂隙板3。

所述底座1为圆形柱体结构，且底座1为上端开口下端封闭的中空结构。

所述柱体2为圆柱管结构，所述柱体2的下端可与底座中空部分11间隙配合。

所述裂隙板3位于柱体2内，所述裂隙板3的轴线与柱体2的下表面有夹角。

所述裂隙板3的两端沿裂隙板3的轴线设有两个固定杆31，所述每个固定杆31的一端与裂隙板3固定连接，每个固定杆31的另一端与柱体2的内圆柱面固定连接。

所述模具采用常温下质感较硬，100～150℃下易气化的材料制成。可以采用 PVC工业合成材料、PA塑料合成材料和酐酸工业合成材料等。

所述裂隙板3与柱体2的下表面的夹角可以根据被模拟的真实岩体的裂隙角度进行调整。具体实施时，还可以根据被模拟的真实岩体来调整裂隙板的尺寸和形状。

所述固定杆31为圆柱体结构，固定杆31用于固定裂隙板3。具体实施时，可以采用如下的一组数据：

底座：直径53cm、厚度1cm。

柱体：高度100cm、壁厚1cm、内圈直径50cm、外圈直径52cm。

裂隙板：长度10cm、宽度5cm、厚度2cm、裂隙板与柱体的下表面的角度为45°。

固定杆：直径0.4cm。根据柱体内圈直径和柱体高度以及裂隙板尺寸来确定固定杆的直径，确保在制样时，固定杆对裂隙板起固定作用，同时确保制样完成后，固定杆消除后留下的间隙对岩体试件结构的影响较小。

所述底座中空部分11的底部竖直设有至少5个圆形通孔12，所述圆形通孔12以底座的轴线按圆周均匀分布。

所述柱体2下表面上竖直设有至少5个连接柱21，所述连接柱21以柱体2的轴线按圆周均匀分布。

所述连接柱21为圆柱体结构，所述连接柱21与圆形通孔12一一对应，且连接柱21与圆形通孔12间隙配合。通过设置连接柱和圆形通孔，使底座与柱体配合连接时更加稳定可靠，使该模具在使用时，底座与柱体不容易发生脱落。具体实施时，连接柱21的数量可以是5个、6个、7个或更多，具体根据模具的尺寸大小而定。

所述底座1和柱体2配合连接时，柱体2的外圆柱面与底座中空部分11的内圆柱面之间留有间隙4。通过在柱体的外圆柱面与底座中空部分的内圆柱面之间留有间隙，防止柱体与底座连接过于紧密不方便拆拆模。具体实施时，0.1cm≤间隙4的宽度≤0.2cm，可以是0.1cm、0.12cm、0.15cm、0.2cm。间隙小于0.1cm可能导致柱体2的外圆柱面与底座中空部分11的内圆柱面配合过于紧密，不方便拆模。间隙大于0.2cm可能导致柱体2在底座1上发生晃动，影响岩体试件的制作。

所述柱体2的外圆柱面上沿柱体2的轴向设有一个开口22，所述开口22沿柱体2轴向贯穿柱体2，且开口22沿柱体2的径向由柱体2外侧延伸至柱体2内侧。具体实施时，0.1cm≤开口22的宽度≤0.3cm，可以是0.1cm、0.18cm、0.2cm、0.3cm，开口22的宽度小于0.1cm，不利于拆模。开口22的宽度大于0.3cm，向柱体2内加入制作岩体试件的半液态混合物时，该混合物会从开口22溢出。

所述一种基于3D打印技术的裂隙岩体试件的制样模具还包括一个环形抱箍，所述环形抱箍套设在靠近柱体2顶部的位置。所述环形抱箍为现有技术，具体实施时，所述环形抱箍为现有技术，可以根据柱体外圈直径选择抱箍的规格。

所述制样模具的三维建模使用Blender软件，将三维模型数据输入3D打印机，完成模具制作。Blender 是一款开源的跨平台全能三维动画制作软件，提供从建模、动画、材质、渲染、到音频处理、视频剪辑等一系列动画短片制作解决方案，通过使用Blender软件对模具进行三维数字建模，使模具建模和对数字模型的应用都极为便捷高效。

实施例2：参见图1-6，一种基于3D打印技术的裂隙岩体试件的制样方法，所述一种基于3D打印技术的裂隙岩体试件的制样方法使用实施例1中的制样模具，所述一种基于3D打印技术的裂隙岩体试件的制样方法包括如下步骤；

S100：根据被模拟的真实岩体的参数，使用Blender软件建立制样模具的三维数字模型；

S200：将制样模具的三维数字模型导入3D打印机中，3D打印机打印得到制样模具；

S300：根据真实裂隙岩体的力学性质配置水泥砂浆，将水泥砂浆缓慢倒入制样模具内，再将模具放置常温空气中至少36小时使试件成型；

S400：将模具拆除，然后将试件放置在恒温恒湿箱内养护至少28天；

S500：将试件放入干燥箱内烘烤至少4小时，所述干燥箱的温度保持在100-150℃，使裂隙板和固定杆完全气化，最终得到岩体试件。

所述S300步骤中，在将水泥砂浆倒入制样模具内之前，还对模具内表面涂有脱模剂。

所述S300步骤中，将倒入水泥砂浆的模具放置常温空气中后，1-4小时后将水泥砂浆振捣密实，并对水泥砂浆表面进行整平。具体实施时，等待时间一般为1-4小时，根据制作试件的大小和水泥砂浆的比例来进行调整，待水泥砂浆中气泡基本冒出后，将水泥砂浆振捣密实，并对水泥砂浆表面进行整平，使成型后的岩体试件内部更加均匀紧密，使其力学性质更加切合实际，外观更加平滑美观，使试件的使用方便安全。

所述S400步骤中恒温恒湿箱内的温度保持在20±1℃，相对湿度保持在95％。

所述S500步骤中干燥箱的温度保持在100℃。

本发明 限定的一种基于3D打印技术的裂隙岩体试件的制样模具的工作原理如下：

模具的准备：试验人员将需要检测的真实岩体的裂隙参数测出；根据这些参数设计模具，特别是对裂隙板参数的设计，再利用Blender软件进行模具的三维建模，再将模具模型数据导入到3D打印机，3D打印机打印出试件模具。

模具的使用：将模具的底座1和柱体2配合连接，向柱体2内加入制作岩体试件的原料，岩体试件成型后，将柱体2与底座1分离，用工具松开环形抱箍，将环形抱箍从柱体2上取下，然后借助工具对开口22施加力，柱体2变形使开口22扩大，此时沿开口22探入刀片就可以轻松将固定杆31切断，使岩体试件与柱体2脱离，此时上下推动岩体试件，从而轻松将岩体试件从柱体2内取出，再利用高温处理消除岩体试件内的裂隙板3和固定杆31，从而得到能够准确模拟真实岩体的岩体试件

本发明限定的一种基于3D打印技术的裂隙岩体试件的制样方法的工作原理如下：

1、试验人员将需要检测的真实岩体的裂隙参数测出；根据这些参数设计模具，特别是对裂隙板参数的设计，再利用Blender软件进行模具的三维建模。

2、将模具模型数据导入到3D打印机，3D打印机打印出制样模具。

3、将模具的底座1和柱体2配合连接，根据实际裂隙岩体的力学性质配置水泥砂浆，将水泥砂浆缓慢倒入柱体2内，将模具放置在常温空气中至少36小时使岩体试件成型。

4、岩体试件成型后，将柱体2与底座1分离，借助工具对开口22施加力，柱体2变形使开口22扩大，此时沿开口22探入刀片就可以轻松将固定杆31切断，使岩体试件与柱体2脱离，此时上下推动岩体试件，从而轻松将岩体试件从柱体2内取出，然后将岩体试件放置在恒温箱中养护至少28天。

5、将岩体试件放入干燥箱内烘烤，干燥箱的温度保持在100℃，利用高温处理消除岩体试件内的裂隙板3和固定杆31，最终得到能够准确模拟真实岩体的岩体试件。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于3D打印技术的裂隙岩体试件的制样模具，其特征在于：包括底座（1）、柱体（2）和裂隙板（3）；

所述底座（1）为圆形柱体结构，且底座（1）为上端开口下端封闭的中空结构；

所述柱体（2）为圆柱管结构，所述柱体（2）的下端与底座中空部分（11）间隙配合；

所述裂隙板（3）位于柱体（2）内，所述裂隙板（3）的轴线与柱体（2）的下表面有夹角；

所述裂隙板（3）的两端沿裂隙板（3）的轴线设有两个固定杆（31），所述每个固定杆（31）的一端与裂隙板（3）固定连接，每个固定杆（31）的另一端与柱体（2）的内圆柱面固定连接。

2.如权利要求1所述的一种基于3D打印技术的裂隙岩体试件的制样模具，其特征在于：所述模具采用常温下质感较硬，100～150℃下易气化的材料制成。

3.如权利要求2所述的一种基于3D打印技术的裂隙岩体试件的制样模具，其特征在于：所述裂隙板（3）与柱体（2）的下表面的角度可以根据被模拟的真实岩体的裂隙角度进行调整。

4.如权利要求3所述的一种基于3D打印技术的裂隙岩体试件的制样模具，其特征在于：所述固定杆（31）为圆柱体结构，固定杆（31）用于固定裂隙板（3）。

5.如权利要求4所述的一种基于3D打印技术的裂隙岩体试件的制样模具，其特征在于：所述柱体（2）的外圆柱面上沿柱体（2）的轴向设有一个开口（22），所述开口（22）沿柱体（2）轴向贯穿柱体（2），且开口（22）沿柱体（2）的径向由柱体（2）外侧延伸至柱体（2）内侧。

6.一种基于3D打印技术的裂隙岩体试件的制样方法，其特征在于：所述一种基于3D打印技术的裂隙岩体试件的制样方法使用权利要求5中的制样模具，所述一种基于3D打印技术的裂隙岩体试件的制样方法包括如下步骤；

S100：根据被模拟的真实岩体的参数，使用Blender软件建立制样模具的三维数字模型；

S200：将制样模具的三维数字模型导入3D打印机中，3D打印机打印得到制样模具；

S300：根据真实裂隙岩体的力学性质配置水泥砂浆，将水泥砂浆缓慢倒入制样模具内，再将模具放置常温空气中至少36小时使试件成型；

S400：将模具拆除，然后将试件放置在恒温恒湿箱内养护至少28天；

S500：将试件放入干燥箱内烘烤至少4小时，所述干燥箱的温度保持在100-150℃，使裂隙板（3）和固定杆（31）完全气化，最终得到岩体试件。

7.如权利要求6所述的一种基于3D打印技术的裂隙岩体试件的制样方法，其特征在于：所述S300步骤中，在将水泥砂浆倒入制样模具内之前，还对模具内表面涂有脱模剂。

8.如权利要求6所述的一种基于3D打印技术的裂隙岩体试件的制样方法，其特征在于：所述S300步骤中，将倒入水泥砂浆的模具放置常温空气中后，1-4小时后将水泥砂浆振捣密实，并对水泥砂浆表面进行整平。

9.如权利要求6所述的一种基于3D打印技术的裂隙岩体试件的制样方法，其特征在于：所述S400步骤中恒温恒湿箱内的温度保持在20±1℃，相对湿度保持在95％。

10.如权利要求6所述的一种基于3D打印技术的裂隙岩体试件的制样方法，其特征在于：所述S500步骤中干燥箱的温度保持在100℃。

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